CN107605663A - 一种宽频带风致振动压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽频带风致振动压电发电装置，由底座、支架、风轮、转轴、带传动、曲柄滑块机构和压电悬臂梁等组成。风轮和曲柄滑块机构在其转轴上对称布置；带传动为圆带传动；曲柄滑块机构为正偏置曲柄滑块机构，由曲柄、连杆和滑块组成；滑块往复运动的导轨为圆柱面和平面相结合的复合导轨；滑块上和悬臂梁的自由端上均粘接有磁性相同的永磁铁，且磁化方向沿着铅垂方向。在风力作用下，驱动滑块往复移动，永磁铁间的排斥力使各个悬臂梁发生大幅振动，进而使悬臂梁上的压电片发生形变，产生电能。本发明能够利用低风速环境下的低频振动，振动频带宽，风能采集效率和发电量具有明显的提高，同时，机械结构简单，制造成本低，使用寿命长。

Description

一种宽频带风致振动压电发电装置

技术领域

本发明涉及新能源发电领域，尤其涉及一种宽频带风致振动压电发电装置，可以将风能转化为电能。

背景技术

随着社会经济的飞速发展，人们对电力的需求与日俱增。不可再生资源面临枯竭，使得传统的火力发电变得步履维艰，另外火力发电是导致环境污染的一个重要原因，因此迫切需要寻找和开发新型绿色能源，例如风能、水能、太阳能。风能属于可再生资源，无污染，因此风力发电得到了广泛应用，目前风力发电大多都是利用叶片带动微型发电机进行发电，其结构复杂，制造与安装成本高，而且会产生很大的振动与噪声。

本发明之前已有很多发电装置的动力源采用风能、水能、太阳能等可再生能源，利用压电材料的正压电效应将振动的机械能转化为电能。但是目前的风力压电发电装置不能更好的利用风能和振动能，发电量小，能量转换效率低，机械结构复杂。

(1)公开号为CN 104426423 A，标题为“一种能量收集装置及收集方法”的发明公开了一种利用风能的压电能量收集方法及装置，它采用风能驱动轴旋转，轴上的凸起周期性的击打悬臂梁，从而导致悬臂梁周期性的振动，使得悬臂梁上的压电片变形产生电能。但是大自然中风的速度是不断变化的，故该发明在低风速的环境中，悬臂梁不易产生振动，压电片无法产生更多的能量。并且该发明悬臂梁个数有限，虽然振动频率可调，但是也不能产生宽频效果。

(2)公开号为CN 103812383 A，标题为“一种风致振动压电能量收集装置”的发明公开了一种利用风力压电发电的装置。该发明通过转动风扇的扇叶拨动与扇叶有一定重叠量的三角形压电悬臂梁，使得悬臂梁产生振动，压电片发生变形输出电能。该发明结构简单，成本低。但是，该发明受风速影响大，低速时，悬臂梁不易发生振动，高速时悬臂梁易磨损且表面粘附的压电片在长期的振动过程会发生脱落现象，降低发电装置寿命。另外，该发明也无宽频效果。

(3)公开号为CN 204041355 U，标题为“一种风力发电装置”的实用新型公开了一种采用曲柄连杆机构的风力压电发电装置。该实用新型采用多个风轮驱动曲轴转动，曲轴通过连杆带动质量块上下运动，不断敲击堆叠式压电片，产生电能。该实用新型解决了压电发电量小、能量转换效率低的缺点，但是风速较低时发电效果不明显，另外曲轴上有多个连杆轴颈，制造成本较高。

(4)公开号为CN 204041356 U，标题为“强迫振动式风力发电装置”的实用新型公开了一种强迫振动式的风力压电发电装置。该实用新型的多个压电悬臂梁的自由端固定在推板上，悬臂端固定在底座上，多个风轮驱动曲轴转动，曲轴通过连杆带动推板运动，进而使压电悬臂梁发生振动，产生电能。该实用新型虽然发电量得到了提高，但是风速较低时，悬臂梁不易发生振动，发电效果不明显。另外，该实用新型也无宽频效果。

(5)公开号为CN 106050572 A，标题为“一种宽频带风致振动压电能量采集器”的发明公开了一种新型的宽频带风力压电发电装置。该发明通过风扇带动行星轮系增速，再通过凸轮盘将旋转运动滑杆的直线运动，进而带动压电悬臂梁组振动，产生电能。该发明可以利用速度较低的风能，也拓宽了振动频带，但是行星轮系的传动比过大时，该传动装置的启动力矩要求大，因此风速过低时该发电装置发电无效。另外其结构复杂，行星轮系制造与安装精度要求较高，生产成本较高。

本申请与发明专利(1)、(2)实用新型(4)的本质区别是：本发明具有宽频带的优点，通过对多个单级阶梯梁和宽度周期变化多级阶梯梁沿滑块往复运动路径布置，拓宽其振动频带。

本申请与发明专利(1)、(2)、实用新型(3)、(4)的本质区别是：①本发明具有对低速风进行加速的优点，利用带传动加速，并通过偏置曲柄滑块机构的急回特性使得滑块正反行程的速度不同，以此增加激励频率，提高风能采集效率；②本发明的激励执行部分—滑块与压电悬臂梁之间不接触，而是分别粘接一块互相排斥的磁铁，靠滑块的往复移动中磁铁间的排斥力使各个压电悬臂梁发生大幅振动产生电能。

本申请与发明专利(5)的本质区别是：本发明采用带传动进行加速，在满足加速条件下，结构简单、制造成本低，并且在恶劣天气风速剧烈时，带传动可以发生打滑，以此保护其他零部件。

本专利克服以上专利缺点，致力于提出一种适用于宽频带，具有加速功能且机械结构简单、使用寿命长的风致振动压电发电装置。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够利用低风速环境下的低频振动，拓宽频带，增大发电效率且机械结构简单、使用寿命长的风致振动压电发电装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种宽频带风致振动压电发电装置，包括底座，底座上固定有支架、滑块导轨和悬臂梁支座，支架上装有输入转轴和输出转轴，输入转轴与支架之间安装有滚动轴承，输入转轴两端的轴头上分别装有一个风轮，风轮中间部分的轴头上装有主动带轮，输出转轴的中间部分轴头上装有从动带轮，主动带轮和从动带轮上装有传动带，输出转轴两端的轴头上分别安装在曲柄的一端，曲柄另一端连接在连杆的一端，连杆的另一端连接有滑块，滑块能够在滑块导轨上往复移动，滑块上粘接有激振永磁铁；悬臂梁的固定端固定在底座或者悬臂梁支座上，悬臂梁的自由端粘接有受激永磁铁，悬臂梁上粘贴有压电片。

风轮上的叶片将动力源风能转换为输入转轴旋转的机械运动，通过带传动对旋转的机械运动进行加速，带传动输出转轴的两端分别连接一个曲柄滑块机构，将旋转运动转换为往复直线运动，滑块的下面布置有不同结构尺寸的悬臂梁，在滑块和悬臂梁上粘接有永磁铁，靠滑块往复移动中永磁铁间的排斥力使各个悬臂梁发生大幅振动，进而使悬臂梁上的压电片发生形变，产生电能。

风轮对称布置在输入转轴两端的轴头上，风轮的叶片数为三个且两个风轮的叶片方向一致。

带传动为圆带传动，圆带的材料为聚氨酯、橡胶或皮革中的一种。

曲柄滑块机构均为正偏置曲柄滑块机构，曲柄滑块机构的结构尺寸相同。

曲柄滑块机构对称布置在输出转轴两端，曲柄滑块机构的曲柄分别与两端的轴头连接。

曲柄滑块机构的滑块往复运动导轨为圆柱面和平面相结合的复合导轨。

悬臂梁为多个单级阶梯梁和宽度周期变化多级阶梯梁，且每个单级阶梯梁的长度不同，每个宽度周期变化多级阶梯梁的周期数不同。

悬臂梁的材料为青铜或不锈钢。

悬臂梁的压电片粘贴在悬臂梁发生形变最大处，悬臂梁发生形变最大处即应力集中处：单级阶梯梁的压电片粘贴在靠近固定端的一侧或者两侧面上；宽度周期变化多级阶梯梁的压电片粘贴在靠近固定端和悬臂梁截面突变处的一侧或者两侧面上。

压电片材料为压电陶瓷或压电聚合物。

曲柄滑块机构的滑块上和悬臂梁的自由端上均粘接有磁性相同的永磁铁，且磁化方向均沿着铅垂方向。

滑块上的永磁铁和悬臂梁自由端上的永磁铁的材料均为钕铁硼。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明利用带传动对较低风速引起的旋转运动加速输出，充分采集自然界中低速风能；

2.本发明利用偏置曲柄滑块机构将旋转运动转换为往复直线运动，另外其急回特性使滑块正反行程的速度不同，使得激励频率增大，提高风能采集效率；

3.本发明靠滑块的往复移动中永磁铁间的排斥力使各个压电悬臂梁发生大幅振动，产生更大的电能，此外，这种方式激励执行部分—滑块与压电悬臂梁之间不接触，可以减少磨损；

4.本发明悬臂梁为多个单级阶梯梁和宽度周期变化多级阶梯梁沿滑块往复运动路径布置，这种压电悬臂梁能量密度高，既拓宽了振动频带，又增大了输出电能；

5.本发明采用带传动在满足加速条件下，结构简单、制造成本低，并且在恶劣天气风速巨大时，带传动可以发生打滑，以此保护其他零部件，进而延长压电发电装置的使用寿命；

6.本发明的风轮采用对称布置，可以提高风能的利用率；曲柄滑块机构的对称布置，可以增大压电悬臂梁的布置空间，进而更利于拓宽频带，提高能量转换率，提升发电量。此外，这种对称布置还可以使转轴受力均匀，提高轴的强度。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明滑块上磁铁块的运动学分析测量结果图；

图3是本发明两边滑块处悬臂梁布置示意图。

图中：1-底座，2-支架，3-滚动轴承，4-输入转轴，5-风轮，6-主动带轮，7-传动带，8-从动带轮，9-输出转轴，10-曲柄，11-连杆，12-滑块，13-激振永磁铁，14-滑块导轨，15-受激永磁铁，16-悬臂梁，17-悬臂梁支座，18-压电片。

具体实施方式

为了充分理解本发明的有益效果，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细地描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：一种宽频带风致振动压电发电装置，构成如图1所示，包括底座1，在底座1上固定有支架2、滑块导轨14和悬臂梁支座17，支架2上有输入转轴4和输出转轴9，输入转轴4与支架2之间安装有滚动轴承3，输入转轴4两端的轴头上分别装有一个风轮5，中间部分轴头上装有主动带轮6，输出转轴9的中间部分轴头上装有从动带轮8，主动带轮6和从动带轮8上装有传动带7，输出转轴9两端的轴头上分别安装曲柄10的一端，曲柄另一端连接连杆11的一端，连杆的另一端连接滑块12，滑块12可以在滑块导轨14上往复移动，滑块12上粘接有激振永磁铁13，悬臂梁16固定在底座1或者悬臂梁支座17上，悬臂梁的自由端粘接有受激永磁铁15，悬臂梁上粘贴有压电片18。

本实施所述风轮5对称布置在输入转轴4两端的轴头上，风轮5的叶片数为3个且两个风轮5的叶片方向一致。

本实施所述带传动的传动带7为圆带，圆带的材料为聚氨酯、橡胶或皮革中的一种。

本实施所述曲柄滑块机构由曲柄10、连杆11和滑块12组成，均为正偏置曲柄滑块机构，结构尺寸相同，正偏置曲柄滑块机构的运动具有急回特性，当风驱动风轮5匀速转动时，滑块12上激振永磁铁13正反行程的速度变化规律是不对称的，在滑块12行程的同一位置，往返的速度完全不同，如图2所示。

本实施所述曲柄滑块机构由曲柄10、连杆11和滑块12组成，对称布置在输出转轴9两端，曲柄10分别与两端的轴头连接。

本实施所述滑块导轨14为圆柱面和平面相结合的复合导轨。

本实施所述悬臂梁16为多个单级阶梯梁和宽度周期变化多级阶梯梁，且每个单级阶梯梁的长度不同，每个宽度周期变化多级阶梯梁的周期数不同，如图3所示。

本实施所述悬臂梁16的材料为青铜或不锈钢。

本实施所述单级阶梯梁的压电片18粘贴在靠近固定端的一侧面上；宽度周期变化多级阶梯梁的压电片18粘贴在靠近固定端和悬臂梁截面突变处的一侧面上，如图3所示。

本实施所述压电片18材料为压电陶瓷或压电聚合物。

本实施所述曲柄滑块机构的滑块12和悬臂梁16的自由端上分别粘接有磁性相同的激振永磁铁13和受激永磁铁15，且磁化方向均沿着铅垂方向。

本实施所述滑块12和悬臂梁16的自由端上激振永磁铁13和受激永磁铁15的材料均为钕铁硼。

在本实施例中，风轮5上的叶片将动力源风能转换为输入转轴4旋转的机械运动，通过传动带7将此旋转运动传递到输出转轴9上，并进行加速，带传动输出转轴9的两端轴头上分别连接一个曲柄滑块机构，曲柄滑块机构将输出转轴9的旋转运动转换为滑块12的往复直线运动，滑块12带动激振永磁铁13的往复移动与各个受激永磁铁15之间产生的排斥力使各个悬臂梁16发生大幅振动，进而使悬臂梁16上的压电片18发生形变，产生电能。

综上所述，本发明一种宽频带风致振动压电发电装置与常见的风致振动压电发电装置相比，能够利用低风速环境下的低频振动，振动频带宽，风能采集效率和发电量具有明显的提高，机械结构简单，使用寿命长。

以上结合附图对本本发明的一个具体实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。任何在本发明的思路和原则之内所作的任何变动、替换等，均属于本发明的权利要求保护范畴。

Claims (10)

1.一种宽频带风致振动压电发电装置，其特征在于：包括底座，底座上固定有支架、滑块导轨和悬臂梁支座，支架上装有输入转轴和输出转轴，输入转轴与支架之间安装有滚动轴承，输入转轴两端的轴头上分别装有一个风轮，风轮中间部分的轴头上装有主动带轮，输出转轴的中间部分轴头上装有从动带轮，主动带轮和从动带轮上装有传动带，输出转轴两端的轴头上分别安装在曲柄的一端，曲柄另一端连接在连杆的一端，连杆的另一端连接有滑块，滑块能够在滑块导轨上往复移动，滑块上粘接有激振永磁铁；悬臂梁的固定端固定在底座或者悬臂梁支座上，悬臂梁的自由端粘接有受激永磁铁，悬臂梁上粘贴有压电片；

风轮上的叶片将动力源风能转换为输入转轴旋转的机械运动，通过带传动对旋转的机械运动进行加速，带传动输出转轴的两端分别连接一个曲柄滑块机构，将旋转运动转换为往复直线运动，滑块的下面布置有不同结构尺寸的悬臂梁，在滑块和悬臂梁上粘接有永磁铁，靠滑块往复移动中永磁铁间的排斥力使各个悬臂梁发生大幅振动，进而使悬臂梁上的压电片发生形变，产生电能。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带风致振动压电发电装置，其特征在于：风轮对称布置在输入转轴两端的轴头上，风轮的叶片数为三个且两个风轮的叶片方向一致。

3.根据权利要求1所述的一种宽频带风致振动压电发电装置，其特征在于：带传动为圆带传动，圆带的材料为聚氨酯、橡胶或皮革中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种宽频带风致振动压电发电装置，其特征在于：曲柄滑块机构均为正偏置曲柄滑块机构，曲柄滑块机构的结构尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的一种宽频带风致振动压电发电装置，其特征在于：曲柄滑块机构对称布置在输出转轴两端，曲柄滑块机构的曲柄分别与两端的轴头连接。

6.根据权利要求1所述的一种宽频带风致振动压电发电装置，其特征在于：曲柄滑块机构的滑块往复运动导轨为圆柱面和平面相结合的复合导轨。

7.根据权利要求1所述的一种宽频带风致振动压电发电装置，其特征在于：悬臂梁为多个单级阶梯梁和宽度周期变化多级阶梯梁，且每个单级阶梯梁的长度不同，每个宽度周期变化多级阶梯梁的周期数不同；

悬臂梁的材料为青铜或不锈钢。

8.根据权利要求1所述的一种宽频带风致振动压电发电装置，其特征在于：悬臂梁的压电片粘贴在悬臂梁发生形变最大处，悬臂梁发生形变最大处即应力集中处：单级阶梯梁的压电片粘贴在靠近固定端的一侧或者两侧面上；宽度周期变化多级阶梯梁的压电片粘贴在靠近固定端和悬臂梁截面突变处的一侧或者两侧面上；

压电片材料为压电陶瓷或压电聚合物。

9.根据权利要求1所述的一种宽频带风致振动压电发电装置，其特征在于：曲柄滑块机构的滑块上和悬臂梁的自由端上均粘接有磁性相同的永磁铁，且磁化方向均沿着铅垂方向。

10.根据权利要求9所述的一种宽频带风致振动压电发电装置，其特征在于：滑块上的永磁铁和悬臂梁自由端上的永磁铁的材料均为钕铁硼。