CN105871250B - 利用载荷变化和往复重叠式压电薄膜的发电装置 - Google Patents
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Abstract
利用载荷变化和往复重叠式压电薄膜的发电装置，包括呈往复重叠结构的压电薄膜材料，位于压电薄膜材料正端的信号电极，以及位于压电薄膜材料负端的接地电极，位于往复重叠式结构的压电薄膜材料上端的端盖，承载压电薄膜材料、具有侧壁小于压电薄膜材料总高度的基座，约束端盖和基座的相对位置的限位柱，与信号电极和接地电极电连接的电能整理和储存电路组成；在端盖受到变化载荷作用时，将变化的载荷传递给往复重叠式结构的压电薄膜材料，压电薄膜材料受压产生极化电荷，由于往复重叠式的结构，每一层压电薄膜材料的信号电极与接地电极各自接触，实现等效电容的并联，增大了电能输出能力；当最大载荷大于最大设计值时，端盖与基座的侧壁接触，避免压电材料受到过载而发生不可逆形变。
Description
技术领域
本发明涉及发电装置，具体涉及利用载荷变化和往复重叠式压电薄膜的发电装置。
背景技术
随着国民经济和社会的不断发展，各种大型机械结构不断被应用于工程领域，在能源开采等领域发挥着极其重要的作用。大型机械结构的工作状态及结构健康的实时监测是保证其正常工作的必要条件。因此各类传感器被置于大型机械结构中并将其实时工况检测结果源源不断地送至终端，以供分析和判断。为大型机械结构上各类传感器供电技术、尤其是在恶劣工况下的供电技术一直是困扰工业界的难题。由于传统有线供电模式中线路存在老化与磨损，从而导致断电、甚至电火花造成安全事故，因此电池成为了该类传感器的必备技术手段。而由于现有电池技术的限制，使得大容量电池的购买成本居高不下；更为严重的是在一些恶劣工况下更换电池具有更高的时间和人工成本。因此，即发即用型发电装置成为一种理想的替代产品。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供利用载荷变化和往复重叠式压电薄膜的发电装置，为载荷周期性变化的大型机械结构上工作的传感器进行供电，增加现有电池的使用时长，甚至替代电池，节约生产成本。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
利用载荷变化和往复重叠式压电薄膜的发电装置，包括压电薄膜材料1，设置在压电薄膜材料1正端的信号电极2，设置在压电薄膜材料1负端的接地电极3，将带有信号电极2和接地电极3的所述压电薄膜材料1往复折叠，形成往复重叠式结构的压电薄膜材料，折叠的层数为偶数层；所述往复重叠式结构的压电薄膜材料放置于由导电材料加工的基座6内，基座6的侧壁高度小于往复重叠式结构的压电薄膜材料的总高度，所述往复重叠式结构的压电薄膜材料顶端放置由绝缘材料加工而成、与信号电极2或接地电极3接触部分附着有电极的端盖4，所述端盖4和基座6的侧壁间设置有约束端盖4和基座6左右移动的限位柱5，且所述端盖4开有容纳限位柱5的通孔，基座6相应位置开有容纳限位柱5的限位槽，还包括位于基座6与复重叠式结构的压电薄膜材料的接触面上的接线端7以及端盖4与复重叠式结构的压电薄膜材料接触面上并与端盖4的电极电连接的接线端7；所述接线端7连接电能整理和储存电路8；在端盖4受到变化载荷作用时，端盖4将变化的载荷传递给往复重叠式结构的压电薄膜材料，往复重叠式结构的压电薄膜材料受压产生极化电荷，由于其往复重叠式的结构，导致每一层压电薄膜材料的信号电极2与接地电极3各自接触，实现等效电容的并联，增大了电能输出能力；当最大载荷大于设计值时，端盖4与基座6的侧壁接触，避免往复重叠式结构的压电薄膜材料受到过载而发生不可逆形变。
所述压电薄膜材料1具有小的材料刚度、大的机电转换效率、大的弹性变形范围和小的单片厚度。
所述基座6的侧壁高度与往复重叠式结构的压电薄膜材料的总高度差与装置的最大载荷和压电薄膜材料1的最大弹性应力范围相匹配。
所述电能整理和存储电路8的阻抗设置与往复重叠式结构的压电薄膜材料的等效阻抗及载荷的变化频率相匹配。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明作为一种电能输出装置，供电能力具备可设计性，减少了载荷传感器供电的成本。
2)相比于其他压电俘能、电磁俘能等自供电装置，本发明具有制造和安装成本低廉，机械结构和配套电路简单等优势。
总之，本发明能够利用载荷变化的大型机械结构产生电能，并供传感器等负载使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为端盖的仰视图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1和图2所示，本发明利用载荷变化和往复重叠式压电薄膜的发电装置，包括压电薄膜材料1，设置在压电薄膜材料1正端的信号电极2，设置在压电薄膜材料1负端的接地电极3，将带有信号电极2和接地电极3的所述压电薄膜材料1往复折叠，形成往复重叠式结构的压电薄膜材料；所述往复重叠式结构的压电薄膜材料放置于由导电材料加工的基座6内，基座6的侧壁高度小于往复重叠式结构的压电薄膜材料的总高度，所述往复重叠式结构的压电薄膜材料顶端放置由绝缘材料加工而成、与信号电极2或接地电极3接触部分附着有电极的端盖4，所述端盖4和基座6的侧壁间设置有约束端盖4和基座6左右移动的限位柱5，且所述端盖4开有容纳限位柱5的通孔，基座6相应位置开有容纳限位柱5的限位槽，还包括位于基座6与复重叠式结构的压电薄膜材料的接触面上的接线端7以及端盖4与复重叠式结构的压电薄膜材料接触面上并与端盖4的电极电连接的接线端7；所述接线端7连接电能整理和储存电路8；在端盖4受到变化载荷作用时，端盖4将变化的载荷传递给往复重叠式结构的压电薄膜材料，往复重叠式结构的压电薄膜材料受压产生极化电荷，由于其往复重叠式的结构，导致每一层压电薄膜材料的信号电极2与接地电极3各自接触，实现等效电容的并联，增大了电能输出能力；当最大载荷大于设计值时，端盖4与基座6的侧壁接触，避免往复重叠式结构的压电薄膜材料受到过载而发生不可逆形变。本发明具有加工难度小，输出电能效率高，发电能力可设计的优势，并具有过载保护功能。
作为本发明的优选实施方式，所述压电薄膜材料1具有小的材料刚度、大的机电转换效率、大的弹性变形范围和小的单片厚度。
作为本发明的优选实施方式，所述基座6的侧壁高度与往复重叠式结构的压电薄膜材料的总高度差与装置的最大载荷和压电薄膜材料1的最大弹性应力范围相匹配。
作为本发明的优选实施方式，所述电能整理和存储电路8的阻抗设置与往复重叠式结构的压电薄膜材料的等效阻抗及载荷的变化频率相匹配。
如图1所示，本发明的工作原理为：将本发明串联于变化载荷中，当端盖4受到变化的载荷作用时，位于端盖4下端的往复重叠式结构的压电薄膜材料因受压而产生极化电荷，位于压电薄膜材料1正端的信号电极2和位于压电薄膜材料1负端的接地电极3将产生的极化电荷通过接线端7送至电能整理和存储电路8中。承载往复重叠式结构的压电薄膜材料、具有小于往复重叠式结构的压电薄膜材料总高度的侧壁的基座6位于往复重叠式结构的压电薄膜材料下端。当载荷大于设计值时，端盖4与基座6的侧壁相接触，避免往复重叠式结构的压电薄膜材料因受到过大应力而发生不可逆形变。连接端盖4与基座6的限位柱5具有限制端盖4自由度的作用。
其中，根据载荷需求、大型机械结构转动的载荷变化量和周期可以对本发明的具体参数进行设计：
设可输出功率为W，载荷变化值为F，周期为T，往复重叠式压电薄膜材料1的单层厚度为h，表面积s，机电耦合常数d33，相对介电常数εr，弹性模量E，最大弹性应力σmax，层数n，则有
电位移：
单片压电材料的极化电荷：q＝Ds
总极化电荷：Q＝qn
单片电容：
总电容：C＝nc
一个周期内的等效电能：
可输出的功率为
基座侧壁与往复重叠式压电薄膜材料1的总高度的高度差：
Claims (4)
1.利用载荷变化和往复重叠式压电薄膜的发电装置，其特征在于：包括压电薄膜材料(1)，设置在压电薄膜材料(1)正端的信号电极(2)，设置在压电薄膜材料(1)负端的接地电极(3)，将带有信号电极(2)和接地电极(3)的所述压电薄膜材料(1)往复折叠，形成往复重叠式结构的压电薄膜材料，折叠的层数为偶数层；所述往复重叠式结构的压电薄膜材料放置于由导电材料加工的基座(6)内，基座(6)的侧壁高度小于往复重叠式结构的压电薄膜材料的总高度，所述往复重叠式结构的压电薄膜材料顶端放置由绝缘材料加工而成、与信号电极(2)或接地电极(3)接触部分附着有电极的端盖(4)，所述端盖(4)和基座(6)的侧壁间设置有约束端盖(4)和基座(6)左右移动的限位柱(5)，且所述端盖(4)开有容纳限位柱(5)的通孔，基座(6)相应位置开有容纳限位柱(5)的限位槽；还包括位于基座(6)与复重叠式结构的压电薄膜材料的接触面上的接线端(7)以及端盖(4)与复重叠式结构的压电薄膜材料接触面上并与端盖(4)的电极电连接的接线端(7)；所述接线端(7)连接电能整理和储存电路(8)；在端盖(4)受到变化载荷作用时，端盖(4)将变化的载荷传递给往复重叠式结构的压电薄膜材料，往复重叠式结构的压电薄膜材料受压产生极化电荷，由于其往复重叠式的结构，导致每一层压电薄膜材料的信号电极(2)与接地电极(3)各自接触，实现等效电容的并联，增大了电能输出能力；当最大载荷大于设计值时，端盖(4)与基座(6)的侧壁接触，避免往复重叠式结构的压电薄膜材料受到过载而发生不可逆形变。
2.根据权利要求1所述的利用载荷变化和往复重叠式压电薄膜的发电装置，其特征在于：所述压电薄膜材料(1)具有小的材料刚度、大的机电转换效率、大的弹性变形范围和小的单片厚度。
3.根据权利要求1所述的利用载荷变化和往复重叠式压电薄膜的发电装置，其特征在于：所述基座(6)的侧壁高度与往复重叠式结构的压电薄膜材料的总高度差与装置的最大载荷和压电薄膜材料(1)的最大弹性应力范围相匹配。
4.根据权利要求1所述的利用载荷变化和往复重叠式压电薄膜的发电装置，其特征在于：所述电能整理和存储电路(8)的阻抗设置与往复重叠式结构的压电薄膜材料的等效阻抗及载荷的变化频率相匹配。
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