CN108736762B - 基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置，包括激振端、发电端以及连接二者的密闭的充满流体介质（液体或气体）的导管三部分，从激振端上的电极处引入外接电源作为激励，压电振子在外接激励作用下振动，并将振动能量传递给密闭结构中的流体介质，流体介质将振动能量传递给相连的发电端。该装置由于采用上述结构，发电振子接受流体介质传递的动能驱动压电片振动发电，将机械能转换成电能，电能可通过发电引线孔引出，可进一步为不同类型的负荷供电。本发明采用基于密闭流体传递振动能量的压电发电方式，外加激励通过压电振子产生强制性振动，而不是利用环境微弱的不确定性的振动，振源稳定，供电安全可靠。

Description

基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置

技术领域

本发明涉及发电领域，具体涉及一种基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置。

背景技术

为了适应高温、高压、高绝缘、放射性、剧毒等特殊工作环境，现代装备广泛采用密闭金属结构，在密闭金属结构内部又往往安装有传感器和微控制器以监测内部状态。为了确保这些传感器和微控制器持续正常工作，需采用一定的方法为其提供电能。

传统的有线供电方式使得电能可以通过输电线路进行大功率、远距离、规模化输送，但存在供电线路长、节点多等问题，而无线供电技术具有电能传输不受空间限制的优点，因此成为了研究的热点。

无线供电包括电池、电磁感应式、微波式、激光式、感应耦合式、磁耦合谐振式和超声波式等无线电能传输技术。电池供电存在着电池寿命有限，特殊场合电池更换较为麻烦等缺点。微波式无线供能技术目前已具备相对成熟的理论支持，在远距离空间能量输送领域展现出一定的潜力，但存在传输效率低、模块功耗大、装置复杂等问题。激光式无线供能具有更高的能量密度和汇聚性，激光收发装置的口径小，但对生物体具有伤害性，光电转换效率较低等不足。感应耦合式无线电能传输技术具有传输功率、效率较高的特点，但存在磁性材料损耗、收发射装置偏移度较低等问题。磁耦合谐振式无线电能传输技术将无线传能提高到了米级距离范围，其电磁共振效应的工作方式，使得能量具有较强的方向性和较低的损耗，缺点是谐振匹配参数对环境非常敏感，系统稳定性弱。感应耦合式和磁耦合谐振式均以磁场作为能量传输介质，不适用于电磁环境要求高的场合和金属电磁屏蔽环境中。超声波无线电能传输技术利用压电结构收集自然界环境中的振动能量转化为电能发电，不存在电磁干扰问题，适用于对电磁环境要求较高的场合，缺点是环境振动较弱且不稳定，供电可靠性难以保证。

由此可见，无线供电方式虽然具有不受空间限制的优点，但都不同程度的存在具有电磁干扰、供电稳定性和可靠性易受环境影响等缺点。

对于密闭的金属结构内部安装的传感器和微控制器等的供电电源，在满足功率（一般都为小功率）的条件下，应首选供电安全可靠、抗电磁干扰、耐高温、高压、高绝缘，适应放射性、剧毒等环境的供电方式，无线供电方式不易实现。

发明内容

本发明提出了一种采用密闭流体传递振动能量的压电发电装置，为密闭的金属设备内部安装的传感器和微控制器等装置提供一种新的供电方法和装置。

实现本发明的技术方案是：一种基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置，包括激振端和发电端，激振端和发电端之间通过导管相连，导管内设有流体介质Ⅰ，激振端引入外接电源作为激励电源，激振端上设置的压电振子在激励电源的作用下振动，并将振动能量传递给导管中的流体介质Ⅰ，流体介质Ⅰ将振动能量传递给发电端。

所述激振端包括压电振子、压电底壳、压电密封环、压电顶盖，压电振子与压电底壳相连，压电底壳上开设有环形槽，压电底壳和压电顶盖连接，压电底壳和压电顶盖之间设有压电密封环，压电底壳和压电顶盖之间形成锥顶激振腔，锥顶激振腔内设有流体介质Ⅱ，所述锥顶激振腔通过激振导管腔与导管相连。

所述发电端包括发电底壳、发电振子、发电密封环、发电顶盖以及其上的发电引线孔，所述发电底壳与发电顶盖相连，发电振子置于发电底壳与发电顶盖之间，发电底壳和发电振子之间形成发电空气腔，发电底壳和发电顶盖之间形成锥顶发电腔，所述锥顶发电腔内设有流体介质Ⅲ，所述发电空气腔通过发电导管腔与导管相连。

所述压电振子与压电底壳通过螺钉Ⅰ紧密连接，压电振子的振动传递到压电底壳的激振面，激振面上设有放大振动的环形槽。

所述压电底壳和压电顶盖之间由螺钉Ⅱ和螺钉Ⅲ连接。

所述激振端上设有电极。

所述发电底壳与发电顶盖之间由螺钉Ⅳ和螺钉Ⅴ连接。

所述流体介质Ⅰ、流体介质Ⅱ和流体介质Ⅲ为同一材质的流体介质，为绝缘液体或绝缘气体。

从激振端上的电极处引入外接电源作为激励电源，压电振子在外接激励作用下振动并传递给激振面，激振面产生的振动传递给流体介质Ⅱ，流体介质Ⅱ的振动经锥顶激振腔汇聚后经激振导管腔传递给导管内的流体介质Ⅰ，流体介质Ⅰ将振动能量传递给流体介质Ⅲ，流体介质Ⅲ将振动能量传递给发电振子，发电振子把振动能量转换成电能，电能通过发电引线孔输出供电。

本发明的有益效果是：

（1）采用外加激励供电-压电振子振动-密闭的充满流体介质的导管传递振动能量-发电振子振动发电，实现电能从一端到另外一端的可靠传递，提供了一种新颖的电能传输方法和结构；

（2）采用基于密闭流体传递振动能量的压电发电方式，外加激励通过压电振子产生强制性振动，而不是利用环境微弱的不确定性振动，振源稳定，供电安全可靠；

（3）利用密闭的充满流体介质的导管进行振动能量传递进而发电，根据环境条件的不同，流体介质可为绝缘液体或者绝缘气体，导管可为柔性或者刚性材质，电能隔离传输，抗电磁干扰，可适用于密闭的金属结构内部高温、高压、高绝缘、放射性、剧毒等环境的供电，尤其适合于对高压配电装置内部强电导体的带电实时监测传感器供电；

（4）工作方式上，能量传输环节采用密闭流体，激振端、密闭流体介质、发电端三部分处于共振状态，能量传递可靠、可控、集中、效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明压电发电装置的主视图。

图2为压电发电装置的装配图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置，包括激振端1和发电端2，激振端1和发电端2之间通过导管4相连，导管4内设有流体介质Ⅰ3，激振端1引入外接电源作为激励电源，激振端1上设置的压电振子5在激励电源的作用下振动，并将振动能量传递给激振器腔中的流体介质II27，再经由导管4中的流体介质Ⅰ3传递到发电腔中的流体介质III28，接续将振动能量传递给发电端2。

所述激振端1包括压电振子5、压电底壳8、压电密封环9、压电顶盖11，压电振子5与压电底壳8通过螺钉Ⅰ6紧密相连，压电振子5的振动传递到压电底壳8的激振面26，激振面26上设有放大振动的环形槽7，压电底壳8和压电顶盖11由螺钉Ⅱ10和螺钉Ⅲ24连接，压电底壳8和压电顶盖11之间设有压电密封环9，压电底壳8和压电顶盖11之间形成锥顶激振腔12，锥顶激振腔12内设有流体介质Ⅱ27，所述锥顶激振腔12通过激振导管腔13与导管4相连。

所述发电端2包括发电底壳20、发电振子19、发电密封环17、发电顶盖15以及其上的发电引线孔21，所述发电底壳20与发电顶盖15相连，发电振子19置于发电底壳20与发电顶盖15之间，发电底壳20和发电振子19之间形成发电空气腔22，发电振子19和发电顶盖15之间形成锥顶发电腔18，所述锥顶发电腔18内设有流体介质Ⅲ28，所述锥顶发电腔18通过发电导管腔14与导管4相连。

当需要为负荷供电时，激振端1的电极25引入外加高频驱动信号作为压电发电系统的激励信号，在激励信号的作用下，压电振子5与压电底壳的激振面26发生共振。

发电顶盖15、发电密封环17、发电振子19构成密闭空间锥顶发电腔18，内部容纳流体介质Ⅲ28。螺钉Ⅳ16、螺钉Ⅴ23压紧发电顶盖15、发电底壳20之间的发电密封环17、发电振子19，保证封闭结构的密封性。

发电振子19和发电底壳20围成发电空气腔22，通过发电引线孔21和外部空间相通，保证压电振子5和发电振子19处于相同的外部环境，降低共振系统的外部干扰，提高能力传输效率。

压电底壳8、压电密封环9、压电顶盖11组成一个带激振导管腔13的锥顶激振腔12，螺钉Ⅱ10、螺钉Ⅲ24用于紧固压电底壳8、压电密封环9、压电顶盖11，保证结构具有良好的密封性。

所述流体介质Ⅰ3、流体介质Ⅱ27和流体介质Ⅲ28为同一材质的流体介质，为绝缘液体或绝缘气体。导管4根据不同的应用环境可为柔性或者刚性材质，其路径依据现场条件可变。

从激振端1上的电极25处引入外接电源作为激励电源，压电振子5在外接激励作用下振动并将振动能量传递给激振面26，激振面26产生的振动传递给流体介质Ⅱ27，流体介质Ⅱ27的振动经锥顶激振腔12汇聚后经激振导管腔13传递给导管4内的流体介质Ⅰ3，流体介质Ⅰ3将振动能量传递给流体介质Ⅲ28，流体介质Ⅲ28将振动能量传递给发电振子19，发电振子19为压电发电片，发电振子19把振动能量转换成电能，电能通过发电引线孔21输出供电。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置，其特征在于：包括激振端（1）和发电端（2），激振端（1）和发电端（2）之间通过导管（4）相连，导管（4）内设有流体介质Ⅰ（3），激振端（1）引入外接电源作为激励电源，激振端（1）上设置的压电振子（5）在激励电源的作用下振动、并将振动能量传递给导管（4）中的流体介质Ⅰ（3），流体介质Ⅰ（3）将振动能量传递给发电端（2）；

所述激振端（1）包括压电振子（5）、压电底壳（8）、压电密封环（9）、压电顶盖（11），压电振子（5）与压电底壳（8）相连，压电底壳（8）上开设有环形槽（7），压电底壳（8）和压电顶盖（11）连接，压电底壳（8）和压电顶盖（11）之间设有压电密封环（9），压电底壳（8）和压电顶盖（11）之间形成锥顶激振腔（12），锥顶激振腔（12）内设有流体介质Ⅱ（27），所述锥顶激振腔（12）通过激振导管腔（13）与导管（4）相连；

所述发电端（2）包括发电底壳（20）、发电振子（19）、发电密封环（17）、发电顶盖（15）以及其上的发电引线孔（21），所述发电底壳（20）与发电顶盖（15）相连，发电振子（19）置于发电底壳（20）与发电顶盖（15）之间，发电底壳（20）和发电振子（19）之间形成发电空气腔（22），发电振子（19）和发电顶盖（15）之间形成锥顶发电腔（18），所述锥顶发电腔（18）内设有流体介质Ⅲ（28），所述锥顶发电腔（18）通过发电导管腔（14）与导管（4）相连。

2.根据权利要求1所述的基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置，其特征在于：所述压电振子（5）与压电底壳（8）通过螺钉Ⅰ（6）紧密连接，压电振子（5）的振动传递到压电底壳（8）的激振面（26），激振面（26）上设有放大振动的环形槽（7）。

3.根据权利要求1所述的基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置，其特征在于：所述压电底壳（8）和压电顶盖（11）之间由螺钉Ⅱ（10）和螺钉Ⅲ（24）连接。

4.根据权利要求1所述的基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置，其特征在于：所述激振端（1）上设有电极（25）。

5.根据权利要求1所述的的压电发电装置，其特征在于：所述发电底壳（20）与发电顶盖（15）之间由螺钉Ⅳ（16）和螺钉Ⅴ（23）连接。

6.根据权利要求1所述的基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置，其特征在于：所述流体介质Ⅰ（3）、流体介质Ⅱ（27）和流体介质Ⅲ（28）为同一材质的流体介质，为绝缘液体或绝缘气体。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于密闭流体传递振动能量的压电发电装置，其特征在于：从激振端（1）上的电极（25）处引入外接电源作为激励电源，压电振子（5）在外接激励作用下振动并传递给激振面（26），激振面（26）产生的振动传递给流体介质Ⅱ（27），流体介质Ⅱ（27）的振动经锥顶激振腔（12）汇聚后经激振导管腔（13）传递给导管（4）内的流体介质Ⅰ（3），流体介质Ⅰ（3）将振动能量传递给流体介质Ⅲ（28），流体介质Ⅲ（28）将振动能量传递给发电振子（19），发电振子（19）把振动能量转换成电能，电能通过发电引线孔（21）输出供电。

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