CN110768579A - 一种瓶状声电转换发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种瓶状声电转换发电装置一种瓶状声电转换发电装置，包括：壳体，壳体为相对两端开口的中空柱体，且其相对两端分别为第一开口端和第二开口端，在壳体空腔内设置有整流电路和储能电路；PVDF薄膜，设置于第一开口端，且PVDF薄膜的中间部向第二开口端所在位置凹陷，PVDF薄膜经电极用导线引出后与储能电路电连接；金属网，设置于第二开口端，且金属网的中间部向第一开口端所在位置凹槽，在金属网上设有一个、两个或多个压电组件；压电组件，包括：金属箔片以及设置于金属箔片两侧的压电陶瓷片，压电组件中的金属箔片通过整流电路与PVDF储能电路电连接。本发明将声压、震动有机结合形成了以声压为主，震动为辅的发电体系。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电设备，具体涉及一种瓶状声电转换发电装置。
背景技术
近年来，随着环保意识的提高和知识的普及，大气污染、水体污染、固体废物污染都能得到妥善的解决，甚至变废为宝，但是对噪音的利用这一领域还不是非常的成熟。
目前世界上对噪音污染的治理主要通过在其传播路径上设置隔离或防护，将噪音转换成其他能量，但却不能将噪声这部分能量有效地利用起来。随着科技不断发展，利用声波振动发电有了很多研究成果，行波热声发电机、微型霍尔姆兹压电式声能发电机、流纳米声能发电机、声学晶体共振腔声能发电系统、电磁式噪音发电系统(由谐振发动机和永磁发电机组成)等等。
其中，工业发电领域往往采用永磁体发电振子作为电机的励磁，使其与噪声波的震荡相吻合，使声电转换更加容易，并提高了声电转换效率。尽管如此，噪声发电仍然面临噪声声功率随声源、传播路径变化、噪声源主频变化等问题。影响发电系统性能的因素主要为：换能器声电转换效率限制了声能发电装置发电效率的提高；声能发电装置集成化水平较低，不利于系统效率的提高；现有的加工工艺在一定程度上也影响发电效率。因此提高加工工艺，对系统单项参数和对系统整体优化、拓宽系统带宽、大功率、低压驱动、微型化、集成化是当前的发展方向。
压电发电技术是一项高新的技术，近十几年世界所关注，并广泛的进行研究。压电装置在外力交变作用下产生电荷，将这些电荷收集起来储存在电容或电池中，就可为后级电子元器件和系统供电。压电能量收集装置的优点是其体积小，结构简单，无电磁干扰，易加工制作，而且其功率密度可达到200μW/cm3。从目前各研究机构、专家学者的研究成果来看，压电材料可用在传感器与执行器上，也可作为提供电能的装置。随着压电材料压电性能的提高及高集成度，低能耗电力电子器件的使用，压电式发电技术成为了研究的热点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种瓶状声电转换发电装置。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种瓶状声电转换发电装置，包括：
壳体，壳体为相对两端开口的中空柱体，且其相对两端分别为第一开口端和第二开口端，在壳体空腔内设置有整流电路和储能电路；
PVDF薄膜，设置于第一开口端，且PVDF薄膜的中间部向第二开口端所在位置凹陷，PVDF薄膜经电极用导线引出后与储能电路电连接；
金属网，设置于第二开口端，且金属网的中间部向第一开口端所在位置凹槽，在金属网上设有一个、两个或多个压电组件；
压电组件，包括：金属箔片以及设置于金属箔片两侧的压电陶瓷片，压电组件中的金属箔片通过整流电路与PVDF储能电路电连接。
本发明公开一种瓶状声电转换发电装置采用的是上下均内凹的双层设计，该结构可以加强声波在该两曲面的反射，可以更高效的利用声波。本装置将生活中中高频的声音转化为电能，可以说是取之不尽，用之不绝，而且本装置将声压、震动有机结合形成了以声压为主，震动为辅的发电体系。
在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
作为优选的方案，壳体空腔的口径大小沿第一开口端向第二开口端逐渐增大。
采用上述优选的方案，喇叭状的空腔结构具有较好导向性。
作为优选的方案，壳体第一开口端的壁厚大小大于壳体第二开口端的壁厚大小。
采用上述优选的方案，开模更简单。
作为优选的方案，壳体第一开口端的壁厚大小与壳体第二开口端的壁厚大小一致。
采用上述优选的方案，壳体的整体机械强度更佳。
作为优选的方案，整流电路包括：四个整流二极管、一个快速关断二极管以及滤波电容。
采用上述优选的方案，结构简单，成本低。
作为优选的方案，储能电路包括：石墨烯超级电容。
采用上述优选的方案，石墨烯作为超级电容器的电极材料，具有较稳定的内部结构，是贴合超级电容器双层储能原理的最佳材料。
作为优选的方案，金属箔片和陶瓷压电片粘合。
采用上述优选的方案，连接效果佳。
作为优选的方案，壳体呈圆柱体。
采用上述优选的方案，外观美丽。
作为优选的方案，壳体靠近第一开口端的部分为贴膜部，贴膜部的外径沿第二开口端向第一开口端的所在位置逐渐减小；在贴膜部的外表面也贴有PVDF薄膜，PVDF薄膜经电极用导线引出后与储能电路电连接。
采用上述优选的方案，因为声源出现的方位是随机的，所以内部压电陶瓷的转换效率也会受到影响。但是PVDF薄膜同样是有高压电性的功能材料，可以做的很薄，将这种材料贴于瓶状形状外壳和第一开口端，可以应对外界振动方向的随机性，其受力源也会大幅增加。
作为优选的方案，金属网的网孔大小从中间部向四周逐渐增大。
采用上述优选的方案，振动效果更佳。
附图说明
图1为本发明实施例提供的瓶状声电转换发电装置的结构示意图之一。
图2为本发明实施例提供的瓶状声电转换发电装置的结构示意图之二。
图3为本发明实施例提供的瓶状声电转换发电装置的结构示意图之三。
图4为本发明实施例提供的PVDF薄膜和电极的结构示意图。
图5为本发明实施例提供的瓶状声电转换发电装置的原理框图。
图6为本发明实施例提供的整流电路和储能电路的电路图。
其中：1-壳体；11-第一开口端；12-第二开口端；13-贴膜部；2-PVDF薄膜；3-金属网；4-电极。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
为了达到本发明的目的，一种瓶状声电转换发电装置的其中一些实施例中，如图1-3、5所示，一种瓶状声电转换发电装置包括：
壳体1，壳体1为相对两端开口的中空柱体，且其相对两端分别为第一开口端11和第二开口端12，在壳体1空腔内设置有整流电路和储能电路；
PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜2，设置于第一开口端11，且PVDF薄膜2的中间部向第二开口端12所在位置凹陷，PVDF薄膜2经电极4用导线引出后与储能电路电连接；
金属网3，设置于第二开口端12，且金属网3的中间部向第一开口端11所在位置凹槽，在金属网3上设有一个、两个或多个压电组件；
压电组件(图中未示出)，包括：金属箔片以及设置于金属箔片两侧的压电陶瓷片，压电组件中的金属箔片通过整流电路与PVDF储能电路电连接。
金属网3可以为铜网。
本发明公开一种瓶状声电转换发电装置采用的是上下均内凹的双层设计，该结构可以加强声波在该两曲面的反射，可以更高效的利用声波。本装置将生活中中高频的声音转化为电能，可以说是取之不尽，用之不绝，而且本装置将声压、震动有机结合形成了以声压为主，震动为辅的发电体系。
进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，壳体1空腔的口径大小沿第一开口端11向第二开口端12逐渐增大。
采用上述优选的方案，喇叭状的空腔结构具有较好导向性。
进一步，壳体1第一开口端11的壁厚大小大于壳体1第二开口端12的壁厚大小。
采用上述优选的方案，开模更简单。当然在其他实施例中，壳体1第一开口端11的壁厚大小与壳体1第二开口端12的壁厚大小一致，壳体1的整体机械强度更佳。
本发明内部结构采用的是上下均内凹的双层设计。该结构可以加强声波在该两曲面的反射，以更高效的利用声波。该双层结构的第一层采用PVDF压电薄膜材料，第二层采用压电组件，两层可以同时接受声波的震动。两层之间是用喇叭状连接起来的，喇叭状具有较好导向性，而且喇叭状结构与外部结构会形成一个内腔，可以放线路和转换器。
压电陶瓷片电极两端分别用银导线连接通过整流电路实现电力的转化。将转化后的电路与PVDF薄膜2经电极用导线引出后并联，连接着储能电路。
当压电组件为多个时，本发明内部设计为多个压电组件共振发电，两片高压极化后的压电陶瓷片粘合在金属箔片两面，两块压电陶瓷片在表面上呈现的电性相同因此交流电可通过金属箔片传导并且以并联电路相连，因此具有相同的高低谐振频率。当一个压电陶瓷片发生形变产生震动时，其金属网3也随之震动从而产生共振带动其他陶瓷片也一起震动，从而发电。
本装置的所设计的工作原理如下：当声音到达PVDF(较小的内凹面)时，使其受压发生形变，从而发电。凹面结构可以最大程度的增加受压面积并且还可以较好的接收声波。上下内凹型双层结构是可以聚拢之前通过PVDF有损耗的声音并将其分散的传输到压电组件上。声波使压电陶瓷发生震动并发生形变，从而发电。整个装置充分的利用压电材料的正压电效应。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，整流电路包括：四个整流二极管、一个快速关断二极管以及滤波电容。
采用上述优选的方案，结构简单，成本低。如图6所示，具体地，用四个小功耗整流二极管(D1、D2、D3、D4)1N5399设计一个简单的全波整流电路，外加一个快速关断二极管(D5)1N4188与小容量(C1)10μf滤波电容。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，储能电路包括：石墨烯超级电容(C2)。
采用上述优选的方案，选取石墨烯超级电容储存电能，用此简单电路模拟电流的收集与储存。石墨烯作为超级电容器的电极材料，具有较稳定的内部结构，是贴合超级电容器双层储能原理的最佳材料。但由于实际运用中，较强的分子层间范德华力，会出现石墨烯团聚现象，因此参考新型氮掺杂石墨烯电极材料制备方法，以天然鳞片石墨作为原料，三聚氰胺为功能化剂和氮掺杂剂，利用微波产生瞬时高热将三聚氰胺中的氮原子掺杂到石墨片层晶格结构中，以此合成氮掺杂石墨烯超级电容器电极材料。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，金属箔片和陶瓷压电片粘合。
采用上述优选的方案，连接效果佳。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，壳体1呈圆柱体。
采用上述优选的方案，外观美丽。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，壳体1靠近第一开口端11的部分为贴膜部13，贴膜部13的外径沿第二开口端12向第一开口端11的所在位置逐渐减小；在贴膜部13的外表面也贴有PVDF薄膜2，PVDF薄膜2经电极用导线引出后与储能电路电连接。
采用上述优选的方案，因为声源出现的方位是随机的，所以内部压电陶瓷的转换效率也会受到影响。但是PVDF薄膜2同样是有高压电性的功能材料，可以做的很薄，将这种材料贴于瓶状形状外壳和第一开口端11，可以应对外界振动方向的随机性，其受力源也会大幅增加。图4为该装置PVDF薄膜2和电极的简单示意图。所选用的压电薄膜极其耐用，可以经受发电过程中数百万次的弯曲和振动。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，金属网3的网孔大小从中间部向四周逐渐增大。
采用上述优选的方案，振动效果更佳。
本发明的有益效果如下：
(1)外形新颖，外壳为瓶状机构，贴膜部13贴上PVDF薄膜2，减少内部结构对PVDF发电面积的限制。发电转置使用内凹型结构便于声波的收集，两层之间是用喇叭状连接起来的，喇叭状具有较好导向性，而且喇叭状结构与外部结构会形成一个内腔，以便保护内部电路。
(2)材料方面，采用压电薄膜和压电陶瓷材料，当声波碰撞压电材料，产生共振使其受压，通过压电材料的正压电效应，从而发电。
(3)发电方式，本装置将生活中中高频的声音转化为电能，可以说是取之不尽，用之不绝，而且本装置将声压、震动有机结合形成了以声压为主，震动为辅的发电体系。
(4)地域性广，此发明打破了地域的限制性，不在只局限于船舱等封闭空间。此项目还可应用在大型的公共地点(包括电影院，车站等)，公路旁，机场附近等。
对于本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种瓶状声电转换发电装置，其特征在于，包括：
壳体，所述壳体为相对两端开口的中空柱体，且其相对两端分别为第一开口端和第二开口端，在所述壳体空腔内设置有整流电路和储能电路；
PVDF薄膜，设置于所述第一开口端，且所述PVDF薄膜的中间部向所述第二开口端所在位置凹陷，所述PVDF薄膜经电极用导线引出后与储能电路电连接；
金属网，设置于所述第二开口端，且所述金属网的中间部向所述第一开口端所在位置凹槽，在所述金属网上设有一个、两个或多个压电组件；
压电组件，包括：金属箔片以及设置于所述金属箔片两侧的压电陶瓷片，所述压电组件中的金属箔片通过整流电路与PVDF储能电路电连接。
2.根据权利要求1所述的瓶状声电转换发电装置，其特征在于，所述壳体空腔的口径大小沿所述第一开口端向所述第二开口端逐渐增大。
3.根据权利要求2所述的瓶状声电转换发电装置，其特征在于，所述壳体第一开口端的壁厚大小大于所述壳体第二开口端的壁厚大小。
4.根据权利要求2所述的瓶状声电转换发电装置，其特征在于，所述壳体第一开口端的壁厚大小与所述壳体第二开口端的壁厚大小一致。
5.根据权利要求1所述的瓶状声电转换发电装置，其特征在于，所述整流电路包括：四个整流二极管、一个快速关断二极管以及滤波电容。
6.根据权利要求1所述的瓶状声电转换发电装置，其特征在于，所述储能电路包括：石墨烯超级电容。
7.根据权利要求1所述的瓶状声电转换发电装置，其特征在于，所述金属箔片和陶瓷压电片粘合。
8.根据权利要求1所述的瓶状声电转换发电装置，其特征在于，所述壳体呈圆柱体。
9.根据权利要求1-8任一项所述的瓶状声电转换发电装置，其特征在于，所述壳体靠近所述第一开口端的部分为贴膜部，所述贴膜部的外径沿所述第二开口端向第一开口端的所在位置逐渐减小；在所述贴膜部的外表面也贴有PVDF薄膜，所述PVDF薄膜经电极用导线引出后与储能电路电连接。
10.根据权利要求1-8任一项所述的瓶状声电转换发电装置，其特征在于，所述金属网的网孔大小从中间部向四周逐渐增大。
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| CN115250079B (zh) * | 2022-07-27 | 2023-12-19 | 交通运输部公路科学研究所 | 用于捕捉路侧车辆行驶产生的声能的声屏障装置 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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