CN107994808A - 交变屈曲式风力压电能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了交变屈曲式风力压电能量采集器，该装置包括风力转动部分，压电发电部分和架体部分。风力转动部分被风吹动后开始旋转，带动安装在正八边形壳体中央的圆柱体转轴转动；将风力驱动的转轴旋转运动带动压电悬臂梁旋转，并通过永久磁铁的吸引和排斥的相互作用力驱使压电屈曲梁作向内侧或向外侧的交变式屈曲变形，压电悬臂梁和压电屈曲梁共同作用，大大提高了发电效率。本发明可用于一些无线传感器的电源，还可以作为便携式电子设备的充电装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用风能实现发电的装置，可有效地收集周围环境中风力的机械能量进行发电，属于压电发电及可再生环保新能源领域。
背景技术
近些年来随着便携式电子设备的普及以及无线传感器网络的蓬勃发展，为无线设备供能的问题受到人们的广泛关注。大自然中的风能属于可再生的清洁能源，具有环保廉价的优点，压电材料的正压电效应可将周围环境中的振动的能量转化成电能，以实现无线电子设备的自供能，是一种具有可行性的供能方法。
压电能量收集装置具有结构简单，发热量少，抗干扰强等优点，对机械振动能量的利用具有较好的效果，特别是在户外振动源不稳定的场合具有很大的优势。
市场上已存在成熟的压电能量收集装置，但是大部分都是采集机械振动源的能量。在自然环境中缺少稳定且高效的振动源，采集自然环境的机械能比较困难。风能作为一种可再生的清洁能源，若将风能转化为可被压电能量采集装置所采集的振动源，可有效地提高风能利用率。
发明内容
本发明将风能转化为机械振动能量并利用压电效应进行发电，将电能存储到储能结构中，可为无线传感器以及便携式电子设备供能，操作简便，结构简单，具有理想的发电效果。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：交变屈曲式风力压电能量采集器，该风力压电能量采集器包括风力转动部分1、架体部分4和压电发电部分24；
风力转动部分1包括风杯6、横臂架7和三棱柱夹具8；风杯6焊接在横臂架7上，横臂架7焊接在三棱柱夹具8上，横臂架7均匀阵列在三棱柱夹具8周向。
所述压电发电部分24包括压电悬臂梁9和压电屈曲梁14；八棱柱夹具10的每个棱柱正面上均安装有压电悬臂梁9。
所述压电悬臂梁9包括第一基础层15、第一压电层16、第一保护层17以及第一永久磁铁18，第一永久磁铁18设置在压电悬臂梁9的端部，远离第一永久磁铁18的一端圆周阵列装夹在八棱柱夹具10上；第一保护层17通过环氧树脂胶或导电胶粘贴在第一压电层16上；
所述压电屈曲梁14包括第二基础层20、第二压电层21、第二保护层22以及第二永久磁铁19，第二永久磁铁19设置在压电屈曲梁14的中间，第二保护层22通过环氧树脂胶或导电胶粘贴在第二压电层21上，第二压电层21通过环氧树脂胶或导电胶粘贴在第二基础层20上。
每个第一永久磁铁18与第二永久磁铁19相对应，两者处于同一平面。
架体部分4包括顶盖11、支架12、底座13和夹具23；架体部分4为八棱柱结构，支架12为八棱柱结构的顶盖11和底座13分别设置在支架12的顶部和底部，夹具23设置在支架12上。
压电屈曲梁14安装在夹具23上；第二永久磁铁19与第一永久磁铁18规格相同，两者对齐放置。
转轴2用以连接三棱柱夹具8和八棱柱体空心夹具10，转轴2通过轴承a3与顶盖11连接，转轴2通过轴承b5与底座13连接。
采用风能驱动风杯6，风杯6带动转轴2转动，转轴2上安装有压电悬臂梁9，压电悬臂梁9的自由端设有第一永久磁铁18，以转轴2为中心阵列的相邻第一永久磁铁18的磁极极性相反，与第一永久磁铁18外侧对齐处设有第二永久磁铁19，利用各磁铁的吸引和排斥的作用力，迫使压电悬臂梁9振动，贴合在压电悬臂梁9上的压电材料发生形变产生电能，之后将收集的电能进行存储和利用。第二永久磁铁19贴合在压电屈曲梁14的中部，在底座13上阵列排布的压电屈曲梁14表面的第二永久磁铁19的磁极均相同，在第一永久磁铁18靠近时产生吸引和排斥的交变变化的作用力，使得压电屈曲梁14做向内侧或向外侧的屈曲，进而使得压电屈曲梁14表面贴合的压电材料产生压缩或者伸长，从而产生电能并存储至储能单元中，使得电能得到存储。
通过调整压电悬臂梁9的长度调节磁力，通过调整第一永久磁铁18的质量和压电悬臂梁9的长度或宽度调节压电悬臂梁9的刚度。
通过调节压电屈曲梁14的长度和第二永久磁铁19的质量调节压电屈曲梁14的刚度。
所述压电悬臂梁9中相邻的第一永久磁铁18的磁极摆放方式相反，即阵列在底座上的相邻的第二永久磁铁19分别受吸引力和排斥力的作用，压电屈曲梁14分别做向内侧的屈曲和向外侧的屈曲运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用了屈曲梁在受吸引力和排斥力时分别向内外两侧运动，在磁力的作用下交变进行，在屈曲梁上贴合的压电材料压缩和伸长交变进行，周期性的产生电能，较大程度地提高了机械能的利用率，提高了机电转化效率。
(2)本发明将悬臂梁和两端固支的屈曲梁相结合，使悬臂梁和屈曲梁的运动耦合，充分利用机械振动能量，效率高，性能稳定，能持续输出电能。
(3)本发明能调节悬臂梁的长度和宽度，能调节两端固支的屈曲梁的长度和宽度，以及调节永久磁铁的质量，能将结构进行优化设计，可以较好的适应自然环境中多变的风力大小，使得振动频率处于更优越的区间，产生更佳的发电效果。
(4)本发明的结构稳定，装配简单，经济性好。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明中风车结构示意图；
图3是本发明中压电悬臂梁阵列结构示意图；
图4是本发明中架体结构示意图；
图5是本发明中压电悬臂梁结构示意图；
图6是本发明中双向压电屈曲梁结构示意图；
图7是本发明风车和转轴以及压电悬臂梁阵列装配结构示意图；
图8是本发明中压电悬臂梁与压电屈曲梁相互作用平面示意图。
图中：1-风力转动部分，2-转轴，3-轴承a，4-架体部分，5-轴承b，6-风杯，7-横臂梁，8-三棱柱夹具，9-压电悬臂梁，10-八棱柱体空心夹具，11-顶盖，12-支架，13-底座，14-压电屈曲梁，15-第一基础层，16-第一压电层，17-第一保护层，18-第一永久磁铁，19-第二永久磁铁，20-第二基础层，21-第二压电层，22-第二保护层，23-夹具，24-压电发电部分。
具体实施方式
下面结合具体实施方案对本发明作进一步详细地描述。
如图1至图8所示，交变屈曲式风力压电能量采集器，该装置包括风力转动部分1的转轴2通过轴承a3、轴承b5安装在架体部分4上，转轴2带动装有压电悬臂梁9的八棱柱夹具10转动，压电悬臂梁9驱使压电屈曲梁14作交变式的屈曲变形，每个压电层的电极面均用导线连接，连接至能量存储和转化装置。所述风力转动部分1包括风杯6、横臂梁7和三棱柱夹具8。风杯焊接在横臂梁7上，横臂梁7焊接在三棱柱夹具8上，横臂梁7均匀阵列在三棱柱夹具8上，共计三个；所述压电悬臂梁9包括第一基础层15、第一压电层16、第一保护层17以及端部的第一永久磁铁18；所述第一保护层17通过环氧树脂胶或其它导电胶粘贴在第一压电层16上；所述第一压电层16通过环氧树脂胶或其它导电胶粘贴在第一基础层15上；所述压电悬臂梁9共八个，远离第一永久磁铁18的一端阵列装夹在八棱柱夹具10上；
所述架体部分4包括顶盖11、支架12、底座13，支架12共计八个，均匀阵列排布在八边形底座13的八个角，顶盖11安装在支架12的另一端，与底座13对齐；所述的每一个压电悬臂梁10与对应的第二永久磁铁19处于同一平面；所述压电屈曲梁14包括第二基础层20、第二压电层21、第二保护层22以及位于中部的第二永久磁铁19；所述第二保护层22通过环氧树脂胶或其它导电胶粘贴在第二压电层21上；所述第二压电层21通过环氧树脂胶或其它导电胶粘贴在第二基础层20上；所述压电屈曲梁14共八个，夹紧在夹具23上；所述夹具23设置在支架12的八个角处，均匀阵列，共计八个；所述第二永久磁铁19与第一永久磁铁18规格相同，对齐放置，相邻的第一永久磁铁19极性两两相反。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护范畴。
Claims (5)
1.交变屈曲式风力压电能量采集器，其特征在于：该风力压电能量采集器包括风力转动部分(1)、架体部分(4)和压电发电部分(24)；
风力转动部分(1)包括风杯(6)、横臂架(7)和三棱柱夹具(8)；风杯(6)焊接在横臂架(7)上，横臂架(7)焊接在三棱柱夹具(8)上，横臂架(7)均匀阵列在三棱柱夹具(8)周向；
所述压电发电部分(24)包括压电悬臂梁(9)和压电屈曲梁(14)；八棱柱夹具(10)的每个棱柱正面上均安装有压电悬臂梁(9)；
所述压电悬臂梁(9)包括第一基础层(15)、第一压电层(16)、第一保护层(17)以及第一永久磁铁(18)，第一永久磁铁(18)设置在压电悬臂梁(9)的端部，远离第一永久磁铁(18)的一端圆周阵列装夹在八棱柱夹具(10)上；第一保护层(17)通过环氧树脂胶或导电胶粘贴在第一压电层(16)上；
所述压电屈曲梁(14)包括第二基础层(20)、第二压电层(21)、第二保护层(22)以及第二永久磁铁(19)，第二永久磁铁(19)设置在压电屈曲梁(14)的中间，第二保护层(22)通过环氧树脂胶或导电胶粘贴在第二压电层(21)上，第二压电层(21)通过环氧树脂胶或导电胶粘贴在第二基础层(20)上；
每个第一永久磁铁(18)与第二永久磁铁(19)相对应，两者处于同一平面；
架体部分(4)包括顶盖(11)、支架(12)、底座(13)和夹具(23)；架体部分(4)为八棱柱结构，支架(12)为八棱柱结构的顶盖(11)和底座(13)分别设置在支架(12)的顶部和底部，夹具(23)设置在支架(12)上；
压电屈曲梁(14)安装在夹具(23)上；第二永久磁铁(19)与第一永久磁铁(18)规格相同，两者对齐放置；
转轴(2)用以连接三棱柱夹具(8)和八棱柱体空心夹具10，转轴(2)通过轴承a(3)与顶盖(11)连接，转轴(2)通过轴承b5与底座(13)连接。
2.根据权利要求1所述的交变屈曲式风力压电能量采集器，其特征在于：采用风能驱动风杯(6)，风杯(6)带动转轴(2)转动，转轴(2)上安装有压电悬臂梁(9)，压电悬臂梁(9)的自由端设有第一永久磁铁(18)，以转轴(2)为中心阵列的相邻第一永久磁铁(18)的磁极极性相反，与第一永久磁铁(18)外侧对齐处设有第二永久磁铁(19)，利用各磁体的吸引和排斥的作用力，迫使压电悬臂梁(9)振动，贴合在压电悬臂梁(9)上的压电材料发生形变产生电能，之后将收集的电能进行存储和利用；第二永久磁铁(19)贴合在压电屈曲梁(14)的中部，在底座(13)上阵列排布的压电屈曲梁(14)表面的第二永久磁铁(19)的磁极均相同，在第一永久磁铁(18)靠近时产生吸引和排斥的交变变化的作用力，使得压电屈曲梁(14)做向内侧或向外侧的屈曲，进而使得压电屈曲梁(14)表面贴合的压电材料产生压缩或者伸长，从而产生电能并存储至储能单元中，使得电能得到存储。
3.根据权利要求1所述的交变屈曲式风力压电能量采集器，其特征在于：通过调整压电悬臂梁(9)的长度调节磁力，通过调整第一永久磁铁(18)的质量和压电悬臂梁(9)的长度或宽度调节压电悬臂梁(9)的刚度。
4.根据权利要求1所述的交变屈曲式风力压电能量采集器，其特征在于：通过调节压电屈曲梁(14)的长度和第二永久磁铁(19)的质量调节压电屈曲梁(14)的刚度。
5.根据权利要求1所述的交变屈曲式风力压电能量采集器，其特征在于：所述压电悬臂梁(9)中相邻的第一永久磁铁(18)的磁极摆放方式相反，即阵列在底座上的相邻的第二永久磁铁(19)分别受吸引力和排斥力的作用，压电屈曲梁(14)分别做向内侧的屈曲和向外侧的屈曲运动。
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