CN109194195A - 一种压电光电耦合发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微型能源及节能技术领域，具体涉及一种压电光电耦合发电装置，包括设于户外的支撑杆，支撑杆上固定连接有多个钝体‑悬臂梁发电单元，每个钝体‑悬臂梁发电单元包括压电光电耦合梁、振动钝体和PVDF柔性压电片，压电光电耦合梁和PVDF柔性压电片固定连接于振动钝体的相对两端，压电光电耦合梁远离振动钝体的一端与支撑杆固定连接。本装置结构简单可靠，当有气流流经振动钝体时，会在振动钝体表面形成周期性的脉动作用力导致振动钝体发生振动，带动压电光电耦合梁发生弯曲变形和PVDF柔性压电片产生振动从而产生电荷，同时当有光照射到装置表面太阳能涂层时，由于光电效应也会产生大量电荷，实现了对路灯杆或电线杆处风能和太阳能能量收集。
Description
技术领域
本发明涉及微型能源及节能技术领域，具体涉及一种压电光电耦合发电装置，该装置特别适合在户外低风速及强光照下收集能量。
背景技术
目前，全球性能源危机和因化石燃料燃烧产生的环境问题对人类的生产和生活造成愈发严重的困扰。为了有效缓解当前的能源与环境问题，利用风能和太阳能从自然界中获取可再生能量，成为一种可行的方法。利用自然界的风能和太阳能进行发电，为独立于电网的低功率用电装置供电，符合当今社会节能、环保、低碳的发展趋势。
本发明的发明人经过研究发现，户外许多路灯杆、电线杆都处在多风的位置，而且还受到大量的光照，如果将这些空间利用起来用于捕集风能和太阳能，为小型用电设施供应电能，不仅可以降低建筑物能耗，而且也不会占用额外的空间。而具体如何对路灯杆、电线杆等处的风能和太阳能进行能量捕集，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
针对如何对路灯杆、电线杆等处的风能和太阳能进行能量捕集的技术问题，本发明提供一种压电光电耦合发电装置，该装置能够将风能和太阳能进行能量收集，特别适合于户外低风速，光照多的区域。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种压电光电耦合发电装置，包括设于户外的支撑杆，所述支撑杆上固定连接有多个钝体-悬臂梁发电单元，每个所述钝体-悬臂梁发电单元包括压电光电耦合梁、振动钝体和PVDF柔性压电片，所述压电光电耦合梁和PVDF柔性压电片固定连接于振动钝体的相对两端，所述压电光电耦合梁远离振动钝体的一端与支撑杆固定连接，所述振动钝体用于将风能转换为振动能，使风流过钝体后产生旋涡脱落，从而产生周期性的脉动力，进而使钝体产生涡激振动，所述压电光电耦合梁用于支撑连接振动钝体，将所述振动钝体的振动放大，进而发生弯曲变形产生电荷，所述PVDF柔性压电片用于在振动钝体背风面的风流作用下产生振动，进而发生弯曲变形产生电荷。
进一步，所述支撑杆上环形阵列固定有四个钝体-悬臂梁发电单元。
进一步，所述压电光电耦合梁包括不锈钢片，所述不锈钢片上顺序层叠有绝缘材料层、PZT压电片、第一太阳能涂层和第一透明保护薄膜，所述PZT压电片的下表面连接有第一引出导线，所述第一太阳能涂层的上表面连接有第二引出导线。
进一步，所述压电光电耦合梁远离振动钝体的一端焊接固定于支撑杆上。
进一步，所述振动钝体为中空结构的长方体钝体。
进一步，所述长方体钝体的前端面开设有插槽，所述长方体钝体的后端面开设有狭槽。
进一步，所述振动钝体包括钝体本体，所述钝体本体上顺序层叠有第二太阳能涂层和第二透明保护薄膜，所述钝体本体的上表面连接有第三引出导线，所述钝体本体的下表面连接有第四引出导线。
进一步，所述钝体本体为轻质材料制成。
进一步，每个所述钝体-悬臂梁发电单元中，所述振动钝体上固定连接有至少三片PVDF柔性压电片。
进一步，所述PVDF柔性压电片包括PVDF压电薄膜，所述PVDF压电薄膜的上表面设有第三太阳能涂层，所述PVDF压电薄膜的下表面和第三太阳能涂层的上表面均设有第三透明保护薄膜，所述PVDF压电薄膜的上表面连接有第五引出导线，所述PVDF压电薄膜的下表面连接有第六引出导线。
本发明提供的压电光电耦合发电装置的工作原理为：当有风流流经振动钝体，流动中的气体绕流钝体-悬臂梁发电单元中的振动钝体时，会在振动钝体背风方产生交替脱落的旋涡，从而在振动钝体表面形成周期性的脉动作用力，导致振动钝体发生振动，该振动一方面会带动压电光电耦合梁发生弯曲变形产生电荷，另一方面风流尾流又会导致PVDF柔性压电片产生振动产生电荷，同时当有光照照射到装置表面太阳能涂层时，由于光电效应，也会产生大量电荷，因而实现了对路灯杆、电线杆等处的风能和太阳能进行能量收集，而前述所有产生的电荷可通过现有蓄电池来储存其电能。因而与现有技术相比，本发明提供的压电光电耦合发电装置具有以下优点：
1、所述钝体-悬臂梁发电单元结构简单可靠，无复杂的转动结构，并且多个钝体-悬臂梁发电单元可固定于现有的户外电线杆、路灯杆等支撑杆上，在低风速、风向和光照随机等复杂环境中均能使本发电装置受到激励来产生电荷输出电能，实现了对路灯杆、电线杆等处的风能和太阳能的能量捕集，即可以根据不同方向的风速和光照，完成对风能和太阳能的同时充分利用；
2、在压电光电耦合梁、振动钝体和PVDF柔性压电片中设置太阳能涂层，即巧妙利用太阳能涂层，实现了将压电与光电结合于一个装置中，因而提高了风能和太阳能的能量利用率；
3、实现了对户外部分闲置的电线杆、路灯杆等空间的有效利用，占用空间小，可在一定程度上起到美化建筑外观的作用。
附图说明
图1是本发明提供的压电光电耦合发电装置结构示意图。
图2是本发明提供的压电光电耦合梁结构示意图。
图3是本发明提供的振动钝体结构示意图。
图4是本发明提供的PVDF压电薄膜结构示意图。
图中，1、支撑杆；2、压电光电耦合梁；21、不锈钢片；22、绝缘材料层；23、PZT压电片；24、第一太阳能涂层；25、第一透明保护薄膜；26、第一引出导线；27、第二引出导线；3、振动钝体；31、钝体本体；32、第二太阳能涂层；33、第二透明保护薄膜；34、第三引出导线；35、第四引出导线；4、PVDF柔性压电片；41、PVDF压电薄膜；42、第三太阳能涂层；43、第三透明保护薄膜；44、第五引出导线；45、第六引出导线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1至图4所示，本发明提供一种压电光电耦合发电装置，包括设于户外的支撑杆1，所述支撑杆1上固定连接有多个钝体-悬臂梁发电单元，每个所述钝体-悬臂梁发电单元包括压电光电耦合梁2、振动钝体3和PVDF(Polyvinylidene Fluoride，聚偏氟乙烯)柔性压电片4，所述压电光电耦合梁1和PVDF柔性压电片4固定连接于振动钝体3的相对两端，所述压电光电耦合梁2远离振动钝体3的一端与支撑杆1固定连接，所述振动钝体3用于将风能转换为振动能，使风流过钝体后产生旋涡脱落，从而产生周期性的脉动力，进而使钝体产生涡激振动，所述压电光电耦合梁2用于支撑连接振动钝体3，将所述振动钝体3的振动放大，进而发生弯曲变形产生电荷，所述PVDF柔性压电片4用于在振动钝体3背风面的风流作用下产生振动，进而发生弯曲变形产生电荷。
作为具体实施例，请参考图1所示，所述支撑杆1为现有的路灯杆、电线杆等圆柱杆，所述支撑杆1上环形阵列固定有四个钝体-悬臂梁发电单元，即相邻钝体-悬臂梁发电单元之间的夹角设为90度，由此可以适应不同来流方向的风速，同时发电单元不会相互干扰，使能量最大化输出。
作为具体实施例，请参考图2所示，所述压电光电耦合梁2包括不锈钢片21，所述不锈钢片21上顺序层叠有绝缘材料层22、PZT(Piezoelectric ceramic Transducer，锆钛酸铅压电陶瓷)压电片23、第一太阳能涂层24和第一透明保护薄膜25，所述PZT压电片23的下表面连接有第一引出导线26，所述第一太阳能涂层24的上表面连接有第二引出导线27。作为具体实施方式，所述不锈钢片21采用0.5mm厚的不锈钢片，所述绝缘材料层22如绝缘漆均匀涂覆在不锈钢片21上表面，所述PZT压电片23采用强力胶粘贴于绝缘材料层22上表面，所述第一太阳能涂层24均匀涂覆在PZT压电片23上表面，所述第一透明保护薄膜25采用黏胶粘贴于第一太阳能涂层24上表面加以保护。采用本实施例中的压电光电耦合梁结构，可以通过压电材料PZT压电片23来收集风速和风向多变等复杂环境中的风能，并可通过第一太阳能涂层24来有效收集太阳能，实现了对风能和太阳能的同时利用，而本领域技术人员在前述实施例的基础上，还可以采用其他的压电光电耦合梁结构来实现对风能和太阳能的收集。
作为具体实施例，所述压电光电耦合梁2远离振动钝体3的一端焊接固定于支撑杆1上，由此可实现多个钝体-悬臂梁发电单元与支撑杆1之间的固定连接。
作为具体实施例，所述振动钝体3为中空结构的长方体钝体，由此中空结构不仅可以增加钝体的振动，而且长方体有尖锐的棱角，能有利于边界层的分离，从而能较好的使风能转换为振动能。
作为具体实施例，所述长方体钝体的前端面开设有插槽，由此通过该插槽可将压电光电耦合梁远离支撑杆的一端插接固定于长方体钝体上，同时所述长方体钝体的后端面开设有狭槽(狭长的槽)，由此可将PVDF柔性压电片4粘贴固定于该狭槽中，从而实现所述压电光电耦合梁2和PVDF柔性压电片4固定连接于振动钝体3的相对两端。
作为具体实施例，请参考图3所示，所述振动钝体3包括钝体本体31，所述钝体本体31上顺序层叠有第二太阳能涂层32和第二透明保护薄膜33，所述钝体本体31的上表面连接有第三引出导线34，所述钝体本体31的下表面连接有第四引出导线35。作为具体实施方式，所述第二太阳能涂层32均匀涂覆在钝体本体31的上表面，所述第二透明保护薄膜33采用黏胶粘贴于第二太阳能涂层32上表面加以保护。采用本实施例中的振动钝体结构，可以较好地在振动钝体3表面形成周期性的脉动作用力，导致振动钝体发生振动，从而带动压电光电耦合梁发生弯曲变形和PVDF柔性压电片产生振动。当然，本领域技术人员在前述实施例的基础上，还可以采用其他的振动钝体结构来实现。
作为具体实施例，所述钝体本体31为轻质材料如PET(Polyethyleneterephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)制成，由此可以较好的适应低风速，能在风速较小的情况下产生振动。
作为具体实施例，请参考图1所示，每个所述钝体-悬臂梁发电单元中，所述振动钝体31上固定连接有至少三片PVDF柔性压电片4，由此可以最大化的利用流场的扰动，使能量输出最大化，并且柔性压电片也可以加强流场的扰动，加强振动。
作为具体实施例，请参考图4所示，所述PVDF柔性压电片4包括PVDF压电薄膜41，所述PVDF压电薄膜41的上下表面自带有电极，所述PVDF压电薄膜41的上表面设有第三太阳能涂层42，所述PVDF压电薄膜41的下表面和第三太阳能涂层42的上表面均设有第三透明保护薄膜43，所述PVDF压电薄膜41的上表面连接有第五引出导线44，所述PVDF压电薄膜41的下表面连接有第六引出导线45。作为具体实施方式，所述第三太阳能涂层42均匀涂覆在PVDF压电薄膜41的上表面，所述第三透明保护薄膜43采用黏胶粘贴于第在太阳能涂层42上表面加以保护。采用本实施例中的PVDF柔性压电片结构，当风吹过振动钝体3背风面的PVDF压电薄膜，PVDF压电薄膜会产生振动，从而PVDF压电薄膜会产生变形，PVDF压电薄膜的上下电极层表面之间就会产生电荷聚集，并且电荷聚集的多少与拉伸或弯曲的形变成比例，通过此原理，PVDF柔性压电片4就可以将风能转换为电能，从而实现能量收集；而本领域技术人员在前述实施例的基础上，还可以采用其他的PVDF柔性压电片结构来实现对风能的收集。
作为具体实施例，所述第一透明保护薄膜25、第二透明保护薄膜33和第三透明保护薄膜43具体可以采用透明塑料来实现；而所述第一引出导线26、第二引出导线27、第三引出导线34、第四引出导线35、第五引出导线44和第六引出导线45可集成于支撑杆中，以将产生的电荷传输至现有的蓄电池中来储存其电能。
本发明提供的压电光电耦合发电装置的工作原理为：当有风流流经振动钝体，流动中的气体绕流钝体-悬臂梁发电单元中的振动钝体时，会在振动钝体背风方产生交替脱落的旋涡，从而在振动钝体表面形成周期性的脉动作用力，导致振动钝体发生振动，该振动一方面会带动压电光电耦合梁发生弯曲变形产生电荷，另一方面风流尾流又会导致PVDF柔性压电片产生振动产生电荷，同时当有光照照射到装置表面太阳能涂层时，由于光电效应，也会产生大量电荷，因而实现了对路灯杆、电线杆等处的风能和太阳能进行能量收集，而前述所有产生的电荷可通过现有蓄电池来储存其电能。因而与现有技术相比，本发明提供的压电光电耦合发电装置具有以下优点：
1、所述钝体-悬臂梁发电单元结构简单可靠，无复杂的转动结构，并且多个钝体-悬臂梁发电单元可固定于现有的户外电线杆、路灯杆等支撑杆上，在低风速、风向和光照随机等复杂环境中均能使本发电装置受到激励来产生电荷输出电能，实现了对路灯杆、电线杆等处的风能和太阳能的能量捕集，即可以根据不同方向的风速和光照，完成对风能和太阳能的同时充分利用；
2、在压电光电耦合梁、振动钝体和PVDF柔性压电片中设置太阳能涂层，即巧妙利用太阳能涂层，实现了将压电与光电结合于一个装置中，因而提高了风能和太阳能的能量利用率；
3、实现了对户外部分闲置的电线杆、路灯杆等空间的有效利用，占用空间小，可在一定程度上起到美化建筑外观的作用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种压电光电耦合发电装置，包括设于户外的支撑杆，其特征在于，所述支撑杆上固定连接有多个钝体-悬臂梁发电单元，每个所述钝体-悬臂梁发电单元包括压电光电耦合梁、振动钝体和PVDF柔性压电片，所述压电光电耦合梁和PVDF柔性压电片固定连接于振动钝体的相对两端，所述压电光电耦合梁远离振动钝体的一端与支撑杆固定连接，所述振动钝体用于将风能转换为振动能，使风流过钝体后产生旋涡脱落，从而产生周期性的脉动力，进而使钝体产生涡激振动，所述压电光电耦合梁用于支撑连接振动钝体，将所述振动钝体的振动放大，进而发生弯曲变形产生电荷，所述PVDF柔性压电片用于在振动钝体背风面的风流作用下产生振动，进而发生弯曲变形产生电荷。
2.根据权利要求1所述的压电光电耦合发电装置，其特征在于，所述支撑杆上环形阵列固定有四个钝体-悬臂梁发电单元。
3.根据权利要求1所述的压电光电耦合发电装置，其特征在于，所述压电光电耦合梁包括不锈钢片，所述不锈钢片上顺序层叠有绝缘材料层、PZT压电片、第一太阳能涂层和第一透明保护薄膜，所述PZT压电片的下表面连接有第一引出导线，所述第一太阳能涂层的上表面连接有第二引出导线。
4.根据权利要求1所述的压电光电耦合发电装置，其特征在于，所述压电光电耦合梁远离振动钝体的一端焊接固定于支撑杆上。
5.根据权利要求1所述的压电光电耦合发电装置，其特征在于，所述振动钝体为中空结构的长方体钝体。
6.根据权利要求5所述的压电光电耦合发电装置，其特征在于，所述长方体钝体的前端面开设有插槽，所述长方体钝体的后端面开设有狭槽。
7.根据权利要求1或5所述的压电光电耦合发电装置，其特征在于，所述振动钝体包括钝体本体，所述钝体本体上顺序层叠有第二太阳能涂层和第二透明保护薄膜，所述钝体本体的上表面连接有第三引出导线，所述钝体本体的下表面连接有第四引出导线。
8.根据权利要求7所述的压电光电耦合发电装置，其特征在于，所述钝体本体为轻质材料制成。
9.根据权利要求1所述的压电光电耦合发电装置，其特征在于，每个所述钝体-悬臂梁发电单元中，所述振动钝体上固定连接有至少三片PVDF柔性压电片。
10.根据权利要求1或9所述的压电光电耦合发电装置，其特征在于，所述PVDF柔性压电片包括PVDF压电薄膜，所述PVDF压电薄膜的上表面设有第三太阳能涂层，所述PVDF压电薄膜的下表面和第三太阳能涂层的上表面均设有第三透明保护薄膜，所述PVDF压电薄膜的上表面连接有第五引出导线，所述PVDF压电薄膜的下表面连接有第六引出导线。
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