CN106602931A - 一种基于压电材料的振动能量回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于压电材料的振动能量回收装置。包括上钢板、上钢片、下钢片、下钢板、连接主杆、上螺母、下螺母、压电陶瓷片、铜片、绝缘防水装置、弹簧—质量块—弹簧振子、整流电路、储能装置。当附体结构振动时,质量块可在两个弹簧的约束下做竖直方向的振动,弹簧将压力传递给上、下钢片,最终传递给压电陶瓷片,实现机械能向电能的转换,电能最后通过整流装置,存储在储能装置里面。本发明在工作过程中,压电材料始终处于受压的状态,使得该能量回收装置具有较长的使用寿命;装置结构紧凑,便于与板、梁等结构结合,制作大型的能量回收系统;该装置易于组装,便于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压电材料的振动能量回收装置,属于清洁能源领域。
背景技术
环境污染和能源危机是21世纪人类面临的严峻问题,已成为制约人类可持续发展的主要因素,开发利用清洁能源是解决以上两个问题的关键。目前,太阳能、风能等清洁能源的研究已经取得了巨大的进步,并得到广泛应用。机械振动是人类社会活动中和自然界广泛存在的另一种能量形式,如果能将机械振动能回收利用,对减少环境污染和降低能源危机就有重要意义,目前,发展振动能俘能技术是各国重点研究的前沿课题。
已开展的研究结果表明,从机械振动中获取能量是切实可行的,常见的机械振动能量俘获技术研究主要有三种:(1)利用电磁换能装置将振动机械能转换为电能的电磁式;(2)利用静电发生器将振动机械能转换为电能的静电式;(3)利用压电材料的压电效应将振动机械能转换为电能的压电式。与静电能量俘获器和电磁能量俘获器相比,压电能量回收装置是利用正压电效应,俘获振动能,其结构简单、无电磁干扰、互换性好、易于加工制造、无污染且能实现机构集成化、微型化,在工程领域和科学领域将有很大的发展空间。
目前的压电材料能量回收装置大部分采用悬臂梁或者类似悬臂梁的结构,压电片粘贴在悬臂梁的固定端,悬臂梁振动时,通过悬臂梁与压电材料的界面将变形传递给压电片,利用压电材料的压电效应收集能量。这种结构虽然取得了一定的成功,但具有以下缺点:(1)因为悬臂梁结构有自己的固有共振频率,该类结构收集能量的效率受外界振源较大;(2)且受限于悬臂梁的安装数量,能量收集功率受限,由于多个悬臂梁占用空间很大,不适合收集波浪、桥梁振动等能量较大的振源的能量;(3)振动过程中悬臂梁与压电片在贴合界面容易脱粘,发生界面断裂。因此,我们发明了本装置,本装置利用弹簧—质量块—弹簧组成振子,可随外界振动而振动,该振动可以将压缩力传递给压电材料,使其产生电能,与悬臂梁结构相比,该类结构更加紧凑、简单,并具有更好的可靠性,使振动能量回收功能更简便、灵敏、高效,适用领域更丰富,前景更广阔。
发明内容
本发明主要解决现有技术中存在的技术问题,提供一种可将结构振动的振动机械能有效的转化为可储存以及利用的电能的装置。 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的。
一种基于压电材料的振动能量回收装置,包括上钢板(1)、上钢片(2)、下钢片(3)、下钢板(4)、连接主杆(5)、上螺母(6)、下螺母(7)、压电陶瓷片、铜片、弹簧—质量块—弹簧振子(11)、整流电路(12)、储能装置(13);所述连接主杆(5)依次穿过上螺母(6)、上钢板(1)、上压电陶瓷片(8-1)与上铜片(9-1)、上钢片(2)、弹簧—质量块—弹簧振子(11)、下钢片(3)、下压电陶瓷片(8-2)与下铜片(9-2)、下钢板(4)、下螺母(7),连接主杆(5)将上述部件串接成一个整体;上压电陶瓷片(8-1)与上铜片(9-1)交叠组合,下压电陶瓷片(8-2)与下铜片(9-2)交叠组合,两个交叠组合中,压电陶瓷片分别通过铜片将负极接地,正极接在整流电路上(12),整流电路(12)与储能装置(13)连接;储能装置(13)可以是电容或电池等。
所述的弹簧—质量块—弹簧振子(11)包括两个弹簧、一个质量块;所述质量块中间有孔,以穿过主杆(5);两个弹簧分别焊接质量块的两个相对面上,当附体结构振动时,质量块在两个弹簧约束下做竖直方向的振动,两个弹簧分别将压力传递给上下钢片(2,3)最终传递给两个压电陶瓷片,实现机械能向电能的转换。
所述的连接主杆(5)两端设有螺纹,该螺纹一方面可以将该能量回收装置连接至常处于振动状态的其他结构,一方面可以通过改变上、下螺母的位置,调节弹簧—质量块—弹簧振子(11)的位置及施加在弹簧上面预加载荷。
所述上螺母(6)和下螺母(7)用于固定连接主杆(5)穿过的部件,通过调节螺母的位置,可以改变施加在弹簧—质量块—弹簧振子(11)上面的预加载荷,使上压电陶瓷片(8-1)和下压电陶瓷片(8-2)始终处于受压的状态。
所述上压电陶瓷片(8-1)和下压电陶瓷片(8-2)中间有孔,连接主杆(5)可以穿过,可以用于实现机械能电能转换。
所述上铜片(9-1)和下铜片(9-2)中间设置有连接主杆(5)可以穿过的孔。
所述的两个压电陶瓷片与铜片的交叠组合中,每个组合包括多个交叠放置的压电陶瓷片、铜片,两个压电陶瓷片之间放置一片铜片,且压电陶瓷片贴铜片一侧极化方向相同,铜片起电极作用,用于传导压电陶瓷片在压力作用下释放的电荷。
还包括有绝缘防水装置(10);所述绝缘防水装置(10)包围在压电陶瓷片(8-1、8-2)和铜片(9-1、9-2)电极上,起绝缘防水作用。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:(1)在工作过程中,压电材料始终处于受压的状态,使得该能量回收装置具有较长的使用寿命;(2)该装置结构紧凑,便于与板、梁等结构结合,制作大型的能量回收系统;(3)该装置易于组装,便于大规模生产。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图;
图2(a)为弹簧—质量块—弹簧振子的主视图;图2(b)为弹簧—质量块—弹簧振子的俯视图;
图3(a)为连接主杆的主视图;图3(b)为连接主杆的俯视图;
图4为本发明的应用实例示意图;
其中,1—上钢板、2—上钢片、3—下钢片、4—下钢板、5—连接主杆、6—上螺母、7—下螺母、8-1—上压电陶瓷片、8-2—下压电陶瓷片、9-1—上铜片、9-2—下铜片、10—绝缘防水装置、11—弹簧—质量块—弹簧振子、12—整流电路、13—储能装置、14—钢板、15—保护外壳。
具体实施方式
下面通过应用实例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
本发明包括上钢板1、上钢片2、下钢片3、下钢板4、连接主杆5、上螺母6、下螺母7、压电陶瓷片(8-1、8-2)、铜片(9-1、9-2)、绝缘防水装置10、弹簧—质量块—弹簧振子11,整流电路12、储能装置13。
连接主杆5穿过上螺母6、上钢板1、上压电陶瓷片8-1与上铜片9-1(压电片与铜片交叠组合)、上钢片2、弹簧—质量块—弹簧振子11、下钢片3、下压电陶瓷片9-1与下铜片9-2(压电片与铜片交叠组合)、下钢板4、下螺母7。两个铜片(9-1、9-2)外接导线与整流电路12连接,整流电路12与储能装置13通过导线连接实现电能的转移。
连接主杆5两端设有螺纹,该螺纹一方面可以将该能量回收装置通过其他螺母连接至机床、桥梁等常处于振动状态的结构,另一方面可以通过改变本装置上下螺母的位置,调节弹簧—质量块—弹簧的位置、长度及施加在弹簧上面预加载荷。
上钢板1置于上压电陶瓷片8-1与上螺母6之间,上钢片2置于上压电陶瓷片8-1与弹簧—质量块—弹簧振子11之间。下钢片3置于下压电陶瓷片8-2与弹簧—质量块—弹簧振子11之间,下钢板4置于下螺母7与下压电陶瓷片8-2之间,钢片以及钢板的作用是防止压电陶瓷片受到弹簧和螺母的作用产生损害。
如图2所示,弹簧—质量块—弹簧振子11由两个弹簧和一个质量块组成,质量块中间有孔,可以穿过主杆,孔的直径比主杆直径略大。两个弹簧分别焊接质量块的两个相对的面上,当附体结构振动时,质量块可在两个弹簧约束下做竖直方向的振动,弹簧将压力传递给两个钢片最终传递给压电陶瓷片,实现机械能向电能的转换。
螺母(6、7)用于固定连接主杆5穿过的部件,通过调节螺母的位置,可以改变施加在弹簧上面的预加载荷,使压电片始终处于受压的状态。
压电陶瓷片(8-1、8-2)中间有孔,连接主杆5可以穿过,可以用于实现机械能电能转换。
铜片(9-1、9-2)中间有孔,连接主杆5可以穿过,压电陶瓷片两两之间放置一片铜片,共由n片压电片和n-1片铜片两两交替垒叠而成,且两两相对的压电片的极化方向相同,铜片起电极作用,用于传导压电材料在压力作用下释放的电荷。压电片、铜片正负电极中,正极全部接地,负极全部接在整流电路上,最终连接储能装置该装置能够将机械能转换为电能。
绝缘防水装置(10)主要是树脂材料涂层,由于包围在压电陶瓷片和铜片电极外面,起绝缘防水作用。
压电片通过铜片使其负极接地,正极全部接在整流电路上,最终连接储能装置,将压电材料转化成的电能储存起来。
图4中,该发明所述能量回收装置四套、钢板(14)、保护外壳(15)。
具体工作方式为:
(1)将所述连接主杆穿过上螺母、上钢板、压电片与铜片(压电片与铜片交叠组合)、上钢片、弹簧—质量块—弹簧振子、下钢片、压电片与铜片(压电片与铜片交叠组合)、下钢板、螺母,将以上部件串接成一个整体。调节螺母位置,使得压电片处于所需特定初始压力状态。
(2)利用主杆上的螺纹将该能量回收装置固定在预先设计好的钢板上面,钢板上面有螺纹孔,正好可以固定该装置。
(3)将整流电路板和储能装置固定在钢板上面。通过导线将二者及能量回收装置连接起来。
(4)利用保护外壳把能量回收装置,整流电路板和储能装置保护起来。
(5)利于钢板(14)上面的螺纹孔,将以上装置固定在桥梁路面的下面,用于回收桥梁振动的能量。
本发明中所描述的具体实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本发明较多地使用了上钢板、上钢片、下钢片、下钢板、连接主杆、螺母、压电陶瓷片、铜片、绝缘防水装置、弹簧—质量块—弹簧振子、整流电路、储能装置等术语,但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质;把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (8)
1.一种基于压电材料的振动能量回收装置,其特征在于:包括上钢板(1)、上钢片(2)、下钢片(3)、下钢板(4)、连接主杆(5)、上螺母(6)、下螺母(7)、压电陶瓷片(8-1、8-2)、铜片(9-1、9-2)、弹簧—质量块—弹簧振子(11)、整流电路(12)、储能装置(13);所述连接主杆(5)依次穿过上螺母(6)、上钢板(1)、上压电陶瓷片(8-1)与上铜片(9-1)、上钢片(2)、弹簧—质量块—弹簧振子(11)、下钢片(3)、下压电陶瓷片(8-2)与下铜片(9-2)、下钢板(4)、下螺母(7),连接主杆(5)将上述部件串接成一个整体;上压电陶瓷片(8-1)与上铜片(9-1)交叠组合,下压电陶瓷片(8-2)与下铜片(9-2)交叠组合,两个交叠组合中,压电陶瓷片分别通过铜片将负极接地,正极接在整流电路(12)上,整流电路(12)与储能装置(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电材料的振动能量回收装置,其特征在于:所述的弹簧—质量块—弹簧振子(11)包括两个弹簧、一个质量块;所述质量块中间有孔,以穿过主杆(5);两个弹簧分别焊接质量块的两个相对面上,当附体结构振动时,质量块在两个弹簧约束下做竖直方向的振动,两个弹簧分别将压力传递给上下钢片(2,3)最终传递给两个压电陶瓷片,实现机械能向电能的转换。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电材料的振动能量回收装置,其特征在于:所述的连接主杆(5)两端设有螺纹,该螺纹一方面可以将该能量回收装置连接至常处于振动状态的其他结构,一方面可以通过改变上、下螺母的位置,调节弹簧—质量块—弹簧振子(11)的位置及施加在弹簧上面预加载荷。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电材料的振动能量回收装置,其特征在于:所述上螺母(6)和下螺母(7)用于固定连接主杆(5)穿过的部件,通过调节螺母的位置,可以改变施加在弹簧—质量块—弹簧振子(11)上面的预加载荷,使上压电陶瓷片(8-1)和下压电陶瓷片(8-2)始终处于受压的状态。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于压电材料的振动能量回收装置,其特征在于:所述上压电陶瓷片(8-1)和下压电陶瓷片(8-2)中间有孔,连接主杆(5)可以穿过,可以用于实现机械能电能转换。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于压电材料的振动能量回收装置,其特征在于:所述上铜片(9-1)和下铜片(9-2)中间设置有连接主杆(5)可以穿过的孔。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于压电材料的振动能量回收装置,其特征在于:所述的两个压电陶瓷片与铜片的交叠组合中,每个组合包括多个交叠放置的压电陶瓷片、铜片,两个压电陶瓷片之间放置一片铜片,且压电陶瓷片贴铜片一侧极化方向相同,铜片起电极作用,用于传导压电陶瓷片在压力作用下释放的电荷。
8.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种基于压电材料的振动能量回收装置,其特征在于:还包括有绝缘防水装置(10);所述绝缘防水装置(10)包围在压电陶瓷片(8-1、8-2)和铜片(9-1、9-2)电极上,起绝缘防水作用。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170426 |