CN109854453A - 一种自然风驱动的轻便压电俘能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自然风驱动的轻便压电俘能装置及方法，通过风扇将自然风转变为一定周期作用的振源，驱动发电片，从而激励发电片振动产生电能，从而实现风力发电，同时将排列安装的多组发电片按面积进行渐变排列，使得尽可能多的发电片的固有频率接近自然风产生的振动频率，从而最大效率将风能转换为电能。

Description

一种自然风驱动的轻便压电俘能装置及方法

技术领域

本发明涉及发电装置技术领域，更具体的说是涉及一种自然风驱动的轻便压电俘能装置及方法。

背景技术

压电俘能装置是一种利用压电陶瓷发电片的压电效应，收集环境中的振动能量，将振动机械能变成电能的装置。压电俘能装置具有能量密度大、无电磁干扰、易于加工等优点，具有非常广阔的应用前景，是当前的研究热点。

近年来，随着微电子技术、微机电系统、无线通信技术等领域的发展，使无线传感器网络技术成为国内外研究的热点。对于各类嵌入式系统和数量庞大的无线传感器网络节点来说，采用传统的化学电池存在需要定期更换的问题，不能有效发挥无线传感器的最大作用。而能源发电装置一般需要一定质量的能源材料进行电能转换，装置较为笨重不便于安装在无线传感器上。

风能是一种自然界中广泛存在的能量形式，依靠风力发电已经成为当前电能的来源之一，风力俘能装置无需加装能源存储设备，较为轻便，可以有效利用地表自然风，将低风力风能有效转变为电能，为各类无线传感器件提供可持续能源，最大效率发挥无线传感器的作用。但是，通常风力俘能装置都采用统一形状尺寸的发电片，具有一致的自身固有振动频率，而自然风力并不恒定，因此驱动发电片振动的振源频率也是变化的，俘能装置中一致的固有振动频率不能灵活适应外界的振源频率，导致发电效率不高。

因此，如何利用地表自然风进行持续高效的风力发电是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种自然风驱动的轻便压电俘能装置及方法，通过风扇将自然风转变为一定周期作用的振源，驱动发电片，从而激励发电片振动产生电能，从而实现风力发电，同时将排列安装的多组发电片按面积进行渐变排列，使得尽可能多的发电片的固有频率接近自然风产生的振动频率，从而最大效率将风能转换为电能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自然风驱动的轻便压电俘能装置，包括：风扇、多片发电片、多个磁珠一和多个磁珠二；多片所述发电片的形状均不相同；所述风扇包括叶片和设置于所述叶片周围的扇框；所述发电片安装于所述叶片背风面一侧，且位于所述扇框侧壁上；所述磁珠一安装于所述叶片背风面一侧，且与所述发电片相对；所述磁珠二安装于所述发电片上，且与所述磁珠一位置相对。

优选的，所述发电片为压电陶瓷发电片，所述发电片通过螺杆悬臂支撑安装于所述扇框侧壁的凸块上，所述磁珠二安装于所述发电片悬臂一端。

优选的，多片所述发电片包括矩形发电片、梯形发电片和三角形发电片，多片所述发电片下底边长度与高度均相同，所述发电片自身固有频率由发电片自身的形状、尺寸和磁珠质量综合决定，若磁珠质量一定，则所述矩形发电片自身固有频率最低，从宽梯形过渡到窄梯形，直至三角形，自身固有频率逐渐升高。

优选的，所述发电片为多片相同的所述矩形发电片切割而成的下底边和长度不变，上底边长度不等的多片所述梯形发电片和一片所述三角形发电片。

优选的，所述叶片转动至所述发电片下方，所述磁珠一与所述磁珠二相互吸引，所述磁珠二受到吸引力使得所述发电片弯曲，所述磁珠一与所述磁珠二之间的吸引力变化使得所述发电片产生振动。

优选的，所述叶片与所述扇框通过设置于所述叶片上的转动轴固定连接，安装好俘能装置后，在自然风作用下所述叶片转动。

一种自然风驱动的压电俘能方法，具体步骤为：

步骤1：通过小螺杆按照所述发电片的上底边长度依次排列安装在所述扇框侧壁上，所述发电片为多片相同的所述矩形发电片依次切割成下底边和长度相同，上底边长度不等的多片梯形发电片和一片三角形发电片；

步骤2：所述发电片的中间层铜片和表面银电极通过金属导线连接整流电桥，所述整流电桥连接电容或电池；

步骤3：所述叶片受到自然风作用，转动至所述发电片正下方时，所述磁珠一与所述磁珠二相互吸引，所述发电片向下弯曲；所述叶片转动偏离所述发电片正下方，所述磁珠一所受吸引力减弱，所述发电片弹性恢复并向上弯曲；所述发电片上的所述磁珠二所受吸引力不断增强和减弱，所述发电片不断向下和向上弯曲，形成一定频率的振动，在所述发电片表面产生电荷；

步骤4：所述发电片表面产生的电荷通过所述金属导线流入整流电桥，整流成直流电后最终流入电容或电池中。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种自然风驱动的轻便压电俘能装置及方法，利用风扇、发电片和磁珠，将形状上渐变的多片发电片依次排列安装于风扇背风面的扇框上，在发电片和风扇叶片垂直相对的位置分别安装一个磁珠，叶片在自然风的作用下转动，叶片上的磁珠不断靠近和远离发电片上的磁珠，则发电片上的磁珠所受磁力不断增强和减弱，从而使得发电片在磁力作用下不断向下和向上弯曲，发电片产生一定周期频率的振动，发电片的振动在其表面产生电荷通过整流电桥，将电荷传输至电容或电池，从而完成风力发电。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的安装有渐变形状发电片的俘能装置结构示意图；

图2附图为本发明提供的俘能装置侧视截面结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做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。

本发明实施例公开了一种自然风驱动的轻便压电俘能装置，包括：风扇1、多片发电片2、多个磁珠一31和多个磁珠二32；多片发电片2的形状均不相同；风扇1包括叶片11和设置于叶片11周围的扇框12；发电片2安装于叶片11一侧，且位于扇框12侧壁上；磁珠一31安装于叶片11一侧，且与发电片2相对；磁珠二32安装于发电片2上，且与磁珠一31位置相对。

为了进一步优化上述技术方案，磁珠一31安装于叶片11背风面上，则发电片2安装于叶片11背风面一侧的扇框12侧壁上。

为了进一步优化上述技术方案，发电片2为压电陶瓷发电片，发电片2通过螺杆悬臂支撑安装于扇框12侧壁的凸块上，磁珠二32安装于发电片2悬臂一端，悬臂支撑安装方式可产生最大的挠度，同时具有较低的谐振频率，从而进一步提高发电效率。

为了进一步优化上述技术方案，多片发电片2包括矩形发电片、梯形发电片和三角形发电片，多片发电片2下底边长度与高度均相同，发电片2自身固有频率由发电片2自身的形状、尺寸和安装的磁珠质量综合决定，矩形发电片自身固有频率最低，从宽梯形过渡到窄梯形，直至三角形，其自身固有振动频率逐渐升高。

为了进一步优化上述技术方案，发电片2为多片相同的矩形发电片切割而成的下底边和长度不变，上底边长度不等的多片梯形发电片和一片三角形发电片。

为了进一步优化上述技术方案，叶片11转动至发电片2下方，磁珠一31和磁珠二32相互吸引，磁珠二32受到吸引力使得发电片2弯曲，磁珠一31与磁珠二32之间的吸引力变化使得发电片2产生振动。

为了进一步优化上述技术方案，叶片11与扇框12通过设置于叶片11上的转动轴固定连接，安装好俘能装置后，在自然风作用下叶片11转动。

一种自然风驱动的压电俘能方法，具体步骤为：

S1：通过小螺杆按照发电片2的上底边长度依次排列安装在扇框12侧壁上，形成渐变式排列安装，发电片2为多片相同的矩形发电片依次切割成下底边和长度相同，上底边长度不等的多片梯形发电片和一片三角形发电片；

S2：发电片2的中间层铜片和表面银电极通过金属导线连接整流电桥，整流电桥连接电容或电池；

S3：叶片11受到自然风作用，转动至发电片2正下方时，磁珠一31和磁珠二32相互吸引，发电片2向下弯曲；叶片11转动偏离发电片2正下方，磁珠二32所受吸引力减弱，发电片2弹性恢复并向上弯曲；发电片2上的磁珠二32所受吸引力不断增强和减弱，发电片2不断向下和向上弯曲，形成一定频率的振动，在发电片2表面产生电荷；

S4：发电片2表面产生的电荷通过金属导线流入整流电桥，整流成直流电最终流入电容或电池中。

实施例

选取有9片叶片的风扇和4片发电片，发电片为形状大小相同的矩形压电发电片切割获得，将其中三个矩形发电片分别切割成宽梯形、窄梯形和三角形，通过小螺杆将四片发电片按照面积大小依次固定在风扇背风面扇框的四角上，在发电片顶面安装磁珠，在9片叶片与发电片安装磁珠相对位置上同样安装磁珠，然后将发电片的铜片和表面银电极通过金属导线连接至外部电路中的整流电桥，整流电桥连接电容或电池。

俘能装置在工作时，环境中的自然风吹向风扇叶片的迎风面，使风扇转动，当风扇叶片的背风面安装的磁珠正对发电片顶面安装的磁珠时两种磁珠之间存在吸引力。两种磁珠相互吸引，引起发电片向下弯曲；当风扇叶片离开发电片下方时，两种磁珠远离，相互吸引作用减弱，发电片因为自身铜片的弹性，弹性恢复并形成向上弯曲。当风扇叶片因为自然风旋转起来后，发电片在磁珠的吸引力带动下，不断向上和向下弯曲，形成具有一定频率的振动。由于发电片具有压电特性，发电片振动时源源不断地在两个表面上产生电荷，这些电荷通过整流电桥后变成直流电，并存储在电容或者电池中，供实际使用，从而完成风力发电。

本发明的俘能装置中磁珠质量相同且不变，发电片的自身固有频率由自身的形状和尺寸决定，形状由宽梯形、窄梯形直至三角形，其自身固有振动频率逐渐升高。俘能装置的输出电压、输出功率、以及转换效率由发电片的工作状态决定。发电片工作时处于振动状态，在发电片自身机械强度能够承受，不产生裂纹的前提下，外界驱动其振动的频率越接近自身固有频率时，发电片振幅越大，即发电片变形越大，从而发电片两表面产生电荷越多，输出电压和功率也就越高，而驱动发电片振动的振源频率由风扇转速决定，转速越大，振源驱动作用的频率也就越高，风扇转速由风力决定，风力越大，风扇转速越大。但是自然风的风力并不恒定，时快时慢，使得风扇叶片的转速不能恒定。当风力大时，叶片转速快，磁珠之间作用力频率大，相反当风力小时，叶片转速慢，磁珠之间作用力频率小。本发明渐变形状排列的发电片则适应于风力不恒定的情况，在不同风力条件下，具有不同自身固有频率的发电片能保证俘能装置中总会有部分发电片能与风扇产生的振源频率接近，从而始终保持部分发电片能够处于较好的工作振动状态，使得本发明在不同风力条件下始终具有较好的发电效率。

并且由于发电片采用压电陶瓷发电片，对于不同渐变形状的发电片只需要切割加工即可，工艺简便。而风扇采用轻质塑料材质，同时发电片为压电陶瓷薄片，因此本发明的俘能装置更加轻便。产生振动提供作用力的磁珠直接安装在风扇叶片背面，整体结构尺寸紧凑，质量轻便，易于安装携带。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种自然风驱动的轻便压电俘能装置，其特征在于，包括：风扇(1)、多片发电片(2)、多个磁珠一(31)和多个磁珠二(32)；多片所述发电片的形状均不相同；所述风扇包括叶片(11)和设置于所述叶片外围的扇框(12)；所述发电片(2)安装于所述叶片(11)背风面一侧，且位于所述扇框(12)侧壁上；所述磁珠一(31)安装于所述叶片(11)背风面一侧，且与所述发电片(2)相对；所述磁珠二(32)安装于所述发电片(2)上，且与所述磁珠一(31)位置相对。

2.根据权利要求1所述的一种自然风驱动的轻便压电俘能装置，其特征在于，所述发电片(2)为压电陶瓷发电片，所述发电片(2)悬臂支撑安装于所述扇框(12)侧壁的凸块上，所述磁珠二(32)安装于所述发电片(2)悬臂一端。

3.根据权利要求1所述的一种自然风驱动的轻便压电俘能装置，其特征在于，多片所述发电片(2)包括矩形发电片、梯形发电片和三角形发电片，多片所述发电片(2)的下底边长度与高度均相同。

4.根据权利要求1所述的一种自然风驱动的轻便压电俘能装置，其特征在于，所述叶片(11)转动至所述发电片(2)下方，所述磁珠一(31)和所述磁珠二(32)相互吸引。

5.根据权利要求1所述的一种自然风驱动的轻便压电俘能装置，其特征在于，所述叶片(11)与所述扇框(12)通过设置于所述叶片(11)上的转动轴固定连接。

6.利用权利要求1-5任一项所述的一种自然风驱动的压电俘能方法，具体步骤为：

步骤1：通过小螺杆按照所述发电片(2)的上底边长度从大到小的顺序依次排列安装在所述扇框(12)侧壁上；

步骤2：所述发电片(2)的中间层铜片和表面银电极通过金属导线连接整流电桥，所述整流电桥连接电容或电池；

步骤3：所述叶片(11)受到自然风作用，转动至所述发电片正下方时，所述磁珠一(31)和所述磁珠二(32)相互吸引，所述发电片(2)向下弯曲；所述叶片(11)转动偏离所述发电片(2)正下方，所述磁珠二(32)所受吸引力减弱，所述发电片(2)弹性恢复并向上弯曲；所述发电片(2)上的所述磁珠二(32)所受吸引力不断增强和减弱，所述发电片(2)不断向下和向上弯曲，形成一定频率的振动，所述发电片(2)表面产生电荷；

步骤4：所述发电片(2)表面产生的电荷通过所述金属导线流入整流电桥，整流成直流电后传输至电容或电池中。