CN106253746B - 一种双稳态压电式多方向流体能收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双稳态压电式多方向流体能收集装置，包括有基座，基座为多面体结构，基座上固定有多个不同朝向的导流壳体，导流壳体上通道的出口面与多面体基座侧面粘接，导流壳体内安装有两个金属薄板，且分别固定于导流壳体的竖直面和水平面内，金属薄板上表面和下表面上分别粘贴有柔性压电薄膜，金属薄板的悬空端和导流壳体通道下表面上分别固定安装有磁性质量块，且固定于所述导流壳体竖直面内的金属薄板悬空端与导流壳体水平面内的金属薄板悬空端以及与导流壳体通道下表面的两磁性质量块相对表面的极性相同。本发明是将压电材料与流体能结合利用的流体能收集装置，兼具压电能量收集装置易于微型化、集成化和流体能储量大，可再生等优势。

Description

一种双稳态压电式多方向流体能收集装置

技术领域：

本发明涉及能量回收和新能源技术领域，尤其涉及压电式能量收集装置，具体涉及一种双稳态结构的压电式流体能收集装置。

背景技术：

当今能源供给有两大明显缺陷：一是微电子产品依赖化学电池为主的供能方式，难以实现自供能；二是过度依赖不可再生的化石能源加剧了环境恶化和能源短缺危机。

摩尔定律促使微机电技术迅速发展，小尺寸、低能耗的微电子设备的研发取得了巨大进展，以半导体为主要材料的芯片实现了微型化和低功耗。但目前大部分微电子产品依赖化学电池为主的供能方式，化学电池尺寸大、寿命有限，需要更换和应用场合有限等弊端日渐显露。

社会经济的高速发展，对能源的需求日益剧增，化石燃料的过度消耗加剧了环境恶化和能源短缺危机，可再生清洁能源越来越受到人们的关注。

基于压电效应的流体能收集装置兼具压电能量收集装置易于微型化、集成化可以实现小尺寸、低能耗的微电子设备以及半导体为主要材料的微型芯片的供能和流体能范围广、储量大、可再生等优势，具有解决上述两大能量供给缺陷的潜能。

流体是气体和液体的总称，在日常生活与生产活动中广泛存在。大气和水是最常见的两种流体，大气运动和水流运动中蕴含的流体能是地球上储存最为丰富的能源之一，具有清洁、廉价、可再生、储量大等优点，利用流体能进行发电具有巨大的应用价值和很好的发展前景。

流体能收集装置最常见的应用是风力发电。传统的风力发电装置体积大，设备建设成本高，需要巨大的投资，虽然目前已出现了一些微型风能发电机，但是大多数风力发电一般采用电磁耦合形式，离不开电磁发电机，能量转换效率一般都比较低，如申请号201010512070.7 的由余建平等人发明的“风力发电机”，该发电机主要利用电磁发电，利用电磁发电要求工作频率高，且该风力发电机的工作效率较低。

因此需要有一种新的发电原理来改变目前的风能发电形式。将外界环境中的风能应用于压电能量收集装置是一个非常值得研究的方向，压电能量收集装置作为一种新型的微型发电装置，具有结构简单、发热量小、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微型化、集成化等优点。压电能量收集装置利用压电材料具有的正压电效应实现发电。压电材料是一种节能型环保材料，绿色安全, 不会产生有毒有害的残留物质，符合可持续发展的要求。

压电能量收集装置大部分为利用悬臂梁单稳态结构的振动来获取能量，如专利CN100414808C公开了一种两面贴压电材料，自由端悬挂质量块的悬臂梁结构。这种能量收集方式虽然实用，但在很多情况下由于周围环境的振动较弱导致振幅较小，使压电能量收集装置的能量收集效率较低。

压电能量收集装置双稳态结构的提出推动了压电能量收集器的实际应用进程。为了增加带宽，降低谐振频率并增加能量转化效率，本专利采用双稳态结构。

目前将压电材料与流体能结合利用的风能收集装置已经出现如专利CN201310357008.9 公开了一种风力带动旋转式压电发电技术，该结构虽然采用无接触的磁激励方式对风能进行转化，但该专利电磁力是直接作用于压电悬臂梁末端，其悬臂梁末端永磁体和转盘上永磁体之间的距离需精确计算，否则容易使压电悬臂梁上压电陶瓷由于变形过大而产生脆裂。申请号201010519391.X，一种利用风能的压电能量收集方法及装置由温州大学申允德等人公开发明，该结构型似风车，设计新颖，提高了风能的转换效率，降低了压电发电的成本。但是类风车装置，机械结构相对复杂，难以实现小型化，且压电悬臂梁均裸露在外，容易受外界环境影响，减少使用寿命。

现有的压电式风力发电装置大都为旋转式的，即首先利用风使叶片旋转、再有叶片带动转轴激励压电振子发电，如中国专利200920111349.7、200910081331.1、200910082047.6、201010519391.X 等。上述旋转式压电风力发电机的除了结构复杂、需要机械部件转换运动外，风速较低时也难以驱动叶片旋转发电、并且当发电机安装固定后风能收集方向固定，对实时变化方向的风能收集效率较低。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种双稳态压电式多方向流体能收集装置，用于收集大气运动、水流运动等流体运动中蕴含的能量。所述流体能收集装置可作为风能收集装置，改进现有旋转式压电风力发电装置的结构复杂，风能收集方向固定的缺陷并利用压电能量收集装置的双稳态结构增加能量收集效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双稳态压电式多方向流体能收集装置，其特征在于：包括有基座、导流壳体、金属薄板、柔性压电薄膜和磁性质量块，所述基座为多面体结构，所述基座上固定有多个不同朝向的导流壳体，所述导流壳体上设有流体进出的通道，其通道的出口面与所述多面体基座侧面粘接，所述导流壳体内安装有两个金属薄板，且分别固定于导流壳体的竖直面和水平面内，所述金属薄板上表面和下表面上分别粘贴有柔性压电薄膜，所述金属薄板的悬空端和导流壳体通道下表面上分别固定安装有磁性质量块，且固定于所述导流壳体竖直面内的金属薄板悬空端与导流壳体水平面内的金属薄板悬空端的两磁性质量块相对表面的极性相同，固定于所述导流壳体竖直面内的金属薄板悬空端与导流壳体通道下表面的两磁性质量块相对表面的极性相同。

所述的导流壳体上的通道开口位置应尽量与流体流入方向相符合，通道开口的尺寸和形状与所述金属薄板的相配合。

所述的柔性压电薄膜，选用聚偏氟乙烯。

所述的磁性质量块选用永久磁铁。

本发明的基座应根据外界流体方向及其变化选择合适的多面体。所述导流壳体是流体进出的通道，通道开口位置应尽量与流体流入方向相符合，通道开口尺寸取决于所述金属薄板的实际尺寸，通道形状取决于所述金属薄板的设计形状。所述金属薄板分别固定于导流壳体竖直面和水平面内。所述金属薄板粘连在导流壳体的通道内，固定在所述导流壳体竖直面内的金属薄板基面尽量垂直于流体进出的方向以增加金属薄板的应变，提高输出功率。所述磁性质量块利用强力胶分别固定在金属薄板的悬空端和导流壳体通道下表面。所述磁性质量块可选用永久磁铁，利用无接触永磁力降低了所述金属薄板的谐振频率，基于双稳态势能原理提高了所述金属薄板的响应振幅，增加了输出功率。

本发明利用基座固定多个不同朝向的导流壳体可以实现对外界流体的多方向能量收集。所述基座的侧面可全部或部分粘接导流壳体，所述导流壳体的粘接位置可根据基座位置基准和外界流体方向共同确定。其不但可以收集大气运动、水流运动等流体运动中蕴含的能量，还可以作为风能收集装置，实现风力发电。

本发明的优点是：

1.本发明提出一款将压电材料与流体能结合利用的流体能收集装置，该装置兼具压电能量收集装置易于微型化、集成化和流体能储量大，可再生等优势。可不消耗任何化石能源为小尺寸、低能耗的微电子设备以及半导体为主要材料的微型芯片供能，提高了能量利用效率，是环境友好型能量收集装置。

2.本发明利用在基座侧面粘接多个不同朝向的导流壳体可实现对外界流体的多方向能量收集。

3.该发明利用固定在金属薄板悬空端和导流壳体下通道表面的磁性质量块之间无接触永磁力构成双稳态结构，降低了金属薄板的谐振频率，提高了金属薄板的响应振幅，增加了流体能收集装置的输出功率。

4.该发明可用于风力发电，改进了现有旋转式压电式风力发电装置的结构复杂，风能收集方向固定的缺陷。

5.该发明设计结构紧凑，节省空间，同时结构简单，能量转换效率高,可以广泛应用于机械结构，建筑结构等的流体能量收集。

附图说明：

图1为本发明的基台的三维视图。

图2为本发明的单个完整装配的导流壳体的三维视图。

图3为本发明的单个完整装配的导流壳体的右剖视图。

图4为本发明的俯视图。

图5为本发明的三维视图。

在所有附图中， 相同的附图标记用来表示相同的元件或结构， 其中 ：

1为正十二棱柱基座，2为导流壳体，3为金属薄板，4为磁性质量块，5为柔性压电薄膜。

具体实施方式：

参见附图。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图5是按照本发明双稳态压电式多方向流体能收集装置的三维视图。如图5中所示，按照本发明双稳态压电式多方向流体能收集装置主要包括一个正十二棱柱基座1，十二个导流壳体2，二十四片金属薄板3，十二块固接在所述导流壳体通道下表面的磁性质量块4，二十四块固接在所述金属薄板悬空端的磁性质量块4和粘贴在所述金属薄板上表面与下表面的柔性压电薄膜5。所述基座1上固定有多个不同朝向的导流壳体2，导流壳体2上设有流体进出的通道，其通道的出口面与多面体基座1侧面粘接，导流壳体2内安装有两个金属薄板3，且分别固定于导流壳体2的竖直面和水平面内，金属薄板3上表面和下表面上分别粘贴有柔性压电薄膜5，金属薄板3的悬空端和导流壳体2通道下表面上分别固定安装有磁性质量块4，且固定于所述导流壳体2竖直面内的金属薄板3悬空端与导流壳体2水平面内的金属薄板3悬空端的两磁性质量块4相对表面的极性相同，固定于所述导流壳体2竖直面内的金属薄板3悬空端与导流壳体2通道下表面的两磁性质量块4相对表面的极性相同。

其中所述正十二棱柱基座用于稳固双稳态压电式多方向流体能收集装置并提供位置基准，其材质可直接取四十五号钢；所述导流壳体为外界流体提供通道，其材质可选用四十五号钢；所述金属薄板将导流壳体通道内出入的流体能转换为机械振动能量，其材质可选用65Mn弹簧钢。利用所述金属薄板上表面与下表面粘贴的柔性压电薄膜将机械振动能量转换为电能，实现对外界流体能量的收集，所述柔性压电薄膜可选用聚偏氟乙烯。所述金属薄板悬空端和导流壳体通道下表面的磁性质量块均可选用钕铁硼永磁铁，并利用强力胶分别固定在所述金属薄板悬空端和导流壳体通道下表面，利用无接触永磁力构成双稳态结构，降低了所述金属薄板的谐振频率，提高了所述金属薄板的响应振幅，增加了流体能收集装置的工作效率。

该双稳态压电式多方向流体能收集装置的装配和能量收集过程：选取尺寸合适的正十二棱柱的基座，基座中心位置与所需放置位置中心重合。固定基座后，在二十四块金属薄板上表面与下表面粘贴柔性压电薄膜聚偏氟乙烯。将二十四块钕铁硼永磁铁用强力胶固接在金属薄板的悬空端，将固接好永磁铁的二十四片金属薄板分别固定于导流壳体竖直面和水平面内，固定于导流壳体竖直面内的金属薄板悬空端与导流壳体水平面内的金属薄板悬空端的两磁性质量块相对表面的极性相同。固定在导流壳体竖直面内的金属薄板位置确定后，利用强力胶固定钕铁硼永磁铁在对应金属薄板正下方的导流壳体通道下表面，并确保两永磁铁相对表面的极性相同。

最后将十二个完整装配的导流壳体的通道出口面与正十二棱柱的基座侧面无滑移粘接。当外界流体通过导流壳体内，金属薄板直接感受外界流体带来的振动，金属薄板将导流壳体通道内出入的流体能转换为机械振动能量，利用金属薄板上表面与下表面粘贴的柔性压电薄膜将机械振动能量转换为电能，完成了从流体能到电能的转化，实现对外界流体能量的收集。基座侧面粘贴的十二个完整装配的导流壳体确保了外界流体方向变化时，部分金属薄板仍可高效工作，实现了对外界流体的多方向能量收集。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双稳态压电式多方向流体能收集装置，其特征在于：包括有基座、导流壳体、金属薄板、柔性压电薄膜和磁性质量块，所述基座为多面体结构，所述基座上固定有多个不同朝向的导流壳体，所述导流壳体上设有流体进出的通道，其通道的出口面与所述多面体基座侧面粘接，所述导流壳体内安装有两个金属薄板，且分别固定于导流壳体的竖直面和水平面内，所述金属薄板上表面和下表面上分别粘贴有柔性压电薄膜，所述金属薄板的悬空端和导流壳体通道下表面上分别固定安装有磁性质量块，且固定于所述导流壳体竖直面内的金属薄板悬空端与导流壳体水平面内的金属薄板悬空端的两磁性质量块相对表面的极性相同，固定于所述导流壳体竖直面内的金属薄板悬空端与导流壳体通道下表面的两磁性质量块相对表面的极性相同。

2.根据权利要求1所述的双稳态压电式多方向流体能收集装置，其特征在于：所述的导流壳体上的通道开口位置应尽量与流体流入方向相符合，通道开口的尺寸和形状与所述金属薄板的相配合。

3.根据权利要求1所述的双稳态压电式多方向流体能收集装置，其特征在于：所述的柔性压电薄膜，选用聚偏氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的双稳态压电式多方向流体能收集装置，其特征在于：所述的磁性质量块选用永久磁铁。