CN111193439B - 一种利用正压电效应的组合结构式人行路面压电单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开利用正压电效应的新型组合结构式人行路面压电单元，包括下层底板和上层盖板，压电主体单元和线路转接板设置于下层底板上并由上层盖板覆盖；下层底板上、凹型槽以内开设有多个均匀分布的载装槽，载装槽包围的中心具有线路转接板安装槽；单元槽中具有圆环槽，线路转接板设置于线路转接板安装槽中，压电换能器包括压电陶瓷单元，压电陶瓷单元安装于圆形单元槽中，压电陶瓷单元上端设置有硅胶垫片。此压电单元利用人们在钢化玻璃上踩踏产生的振动，通过硅胶垫片传递到压电换能器，产生轻微的挠度，达到发电的效果。踩踏瞬间可产生相当大的电能，足以点亮100个3v，20mA的led灯，本发明可应用于小型商铺的led灯箱供电和大型商场的指示牌供电等。

Description

一种利用正压电效应的组合结构式人行路面压电单元

技术领域

本发明涉及一种利用正压电效应的新型组合结构式人行路面压电单元，其主要基于正压电效应可将机械能转化成电能的机理，利用人们走路时踩踏压电单元产生的振动，经一系列传递引起压电换能器产生微小形变而产生电能，达到发电的效果，属于新能源、新结构式压电单元设计领域。

背景技术

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，是国民经济发展的命脉。纵观人类的能源史，世界各国都经历了柴薪时期、化石能源时期，并将逐步发展到可再生能源时期。目前，全球一次能源以可预见耗竭的石化能源为主的能量供应现状，迫切要求加速可再生能源的发展。人类生存的物质环境中广泛存在着大量可再生的环境能量，如风能、水能、太阳能、生物质能等，路面产生的振动能量也是其中的一种。

相比于其它清洁能源，振动产生的能量有其独特的优势。与太阳能相比，它不受天气影响，且能量转换效率更高，太阳能为30%，而振动能可达到70%；与地热能相比，它没有固有的温差限制，而地热能只有在温差达到10度以上才能形成能量的转化；相比于风力发电，振动能没有选址要求，任意一条路上都存在着大量的振动能量。

近年来国家交通运输部从实际出发，结合现阶段发展趋势，集中力量推动综合交通、智能交通、绿色交通和安全交通的发展。鉴于绿色交通的发展，人们在日常生活中行走步数大大增加，人与地面接触更加频繁，存在着大量的能量传递，以良好的机电转换效率为基础，作为一种潜在、规模可观、可再生的清洁能源，人行路面压电单元有着巨大的应用前景。

压电转化技术的快速发展，使压电能量收集的研究逐渐走上了热门，正压电效应的高转换效率，可以使微小的振动产生可观的电能。通过对压电单元的重新设计，将压电换能器埋置于压电单元之内，仅仅通过人的踩踏就可发电，是一种清洁的、具有很好发展前景的供能方式。

市面上存在的许多压电单元，造价昂贵且结构单一，还存在发电量不足等情况，大部分是因为不能充分达到换能器的形变量，能量利用不足导致的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用正压电效应的新型组合结构式人行路面压电单元，该压电单元给换能器的成本更低，且提供了很大的形变空间，全截面均匀受力，使换能器达到最高的能量转换效率。

为此，本发明提供的一种利用正压电效应的新型组合结构式人行路面压电单元，包括下层底板和上层盖板，压电主体单元和线路转接板设置于下层底板上并由上层盖板覆盖；所述下层底板四周具有凹型槽，凹形槽中设置有粘合填充物支承和密封所述下层底板和上层盖板，所述下层底板上、凹型槽以内开设有多个均匀分布的载装槽，载装槽包围的中心具有线路转接板安装槽；所述压电主体单元包括载装板、压电换能器、单元电路板和硅胶垫片，所述载装板上设置有8个圆形单元槽，单元槽中具有圆环槽，所述载装板中心具有单元电路板安装槽，所述圆形单元槽均带有直线与所述单元电路板安装槽连通的连接槽，所述载装板安装于所述载装槽中，线路转接板设置于线路转接板安装槽中，所述压电换能器包括压电陶瓷单元，压电陶瓷单元安装于圆形单元槽中，所述压电陶瓷单元上端设置有所述硅胶垫片，所述单元电路板设置于单元电路板安装槽中。

进一步的，所述载装板尺寸为130mm*130mm*5mm，所述圆形单元槽直径为41mm，每个所述圆形单元槽内开设有宽度为6mm、厚度为3mm的圆环槽，圆环槽与所述圆形单元槽的侧壁之间留有宽度为2.5mm的环形间隔带，所述圆环槽包围的中心部位形成圆形中心凸台。

进一步的，所述压电换能器为直径41mm、有效压电陶瓷板直径为24mm的单面压电陶瓷元件，其中心陶瓷为PZT-5系列，所述单元电路板采用覆铜基板玻纤板，起到连接压电换能器以及将交流电整流为直流电的作用；所述硅胶垫片整体直径41mm、厚1mm，所述硅胶垫片中心处向上凸出直径10mm、厚4mm的小圆柱，所述硅胶垫片的边角处留有供压电换能器焊线的缺口；所述线路转接板置于下层底板正中间位置，将各载装板上通出的导线进行汇集，连接以后分别进行输出；所述上层盖板为厚度12mm的钢化玻璃。

上述硅胶垫片置于所述压电换能器之上，直径与压电换能器相同，为41mm，主要用来增大换能器的受力面积，使力能完全均匀地加载在各个换能器上。

进一步的，所述压电主体单元的整体结构为所述压电换能器搁置在所述载装板周围的8个圆形单元槽内，所述单元电路板搁置在所述载装板中心位置的单元电路板安装槽中并被8个圆形单元槽包围，8个所述圆形单元槽和所述单元电路板安装槽连线形成 “米”字型。

上述8个圆形单元槽和所述单元电路板安装槽连线形成 “米”字型，用以连接压电换能器和起到整流的效果。

进一步的，所述粘合填充物为双面海绵胶带。

上述双面海绵胶带具备收缩性好、不耗能、防尘效果佳等优点；由上所述下层底板距四边均预留20mm宽、5mm厚的孔洞，根据计算所述上层盖板与所述下层底板初始距离9mm，选用宽度20mm，厚10mm的双层海绵胶带对压电单元可进行严密的防尘封装处理。

进一步的，所述硅胶垫片切去的部分大体是从边缘向内切入11mm，切去宽度为10mm，与所述硅胶垫片中心凸起部分直径相同，切口正对硅胶突起部分中心直径。

进一步的，所述下层底板与所述上层盖板的四角处用硅橡胶进行粘结封装。

上述硅橡胶质软，具有一定的变形量，满足所述压电换能器的变形要求，且硅胶粘性较好，满足封装粘结要求。

本发明的技术效果：

1、本发明的利用正压电效应的新型组合结构式人行路面压电单元不但能增大换能器的受力面积，而且尽可能的使其形变量达到了最大值；在接线方式上也更加细化，使其能更加均衡、稳定的输出；新结构式在实际使用中具有更大的发电量以及更持久的输出，能稳定的为100个3v，20mA的led灯供电。

2、本发明的压电单元所采用的原材料易采购和定做，成本相对低，制作工艺也更加简单。

3、压电主体部分在结构上创新，给换能器提供了很大的形变空间，并且垫上硅胶垫片后几乎达到全截面均匀受力，使换能器达到最高的能量转换效率。

附图说明

图1为本发明提供的利用正压电效应的新型组合结构式人行路面压电单元打开上层盖板后的结构示意图。

图2为图1中的下层底板的结构示意图。

图3为图2中的下层底板的结构平面示意图。

图4为图3的A-A剖视示意图。

图5为图1中的压电主体单元的结构示意图。

图6为本发明的载装板结构示意图。

图7为图6中的载装板的结构平面示意图。

图8为图7中的载装板的背面结构平面示意图。

图9为图7中的载装板的B-B结构剖视示意图。

图10为图7中的载装板的C-C结构剖视示意图。

图11为图1中的硅胶垫片的结构示意图。

图12为单元电路板的结构示意图。

图13为线路转接板的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，其中描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

参照图1-13所示，本发明提供的一种利用正压电效应的新型组合结构式人行路面压电单元，包括下层底板1和上层盖板2，压电主体单元3和线路转接板4设置于下层底板1上并由上层盖板2覆盖；所述下层底板1四周具有凹型槽5，凹形槽5中设置有粘合填充物支承和密封所述下层底板1和上层盖板2，所述下层底板1上、凹型槽5以内开设有多个均匀分布的载装槽6，载装槽6包围的中心具有线路转接板安装槽7；所述压电主体单元3包括载装板8、压电换能器9、单元电路板10和硅胶垫片11，所述载装板8上设置有8个圆形单元槽12，单元槽12中具有圆环槽12a，所述载装板8中心具有单元电路板安装槽13，所述圆形单元槽12均带有直线与所述单元电路板安装槽13连通的连接槽14，所述载装板8安装于所述载装槽6中，线路转接板4设置于线路转接板安装槽7中，所述压电换能器9包括压电陶瓷单元，压电陶瓷单元自带正负极，而单元电路板10同样自带正负极，导线设置于连接槽14中且其两端连接单元电路板10和压电陶瓷单元，在此单元电路板10起到整流作用，压电陶瓷单元安装于圆形单元槽12中，所述压电陶瓷单元上端设置有所述硅胶垫片11，所述单元电路板10设置于单元电路板安装槽13中。

参照图5-10所示，所述载装板8尺寸为130mm*130mm*5mm，所述圆形单元槽12直径为41mm，每个所述圆形单元槽12内开设有宽度为6mm、厚度为3mm的圆环槽12a，圆环槽12a与所述圆形单元槽12的侧壁之间留有宽度为2.5mm的环形间隔带12b，所述圆环槽12a包围的中心部位形成圆形中心凸台12c，所述压电换能器9底部支承在所述圆形中心凸台12c和所述环形间隔12b带上，当压电换能器9受到压迫时能够向圆环槽12a产生更大的形变，产生轻微的挠度，增大发电量。

参照图1、图5、图11所示，所述压电换能器9为直径41mm、有效压电陶瓷板15为直径为24mm的单面压电陶瓷元件，其中心陶瓷为PZT-5系列，所述单元电路板10采用覆铜基板玻纤板，起到连接压电换能器9以及将交流电整流为直流电的作用；所述硅胶垫片11整体直径41mm、厚1mm，所述硅胶垫片11中心处向上凸出直径10mm、厚4mm的小圆柱17，所述硅胶垫片11的边角处留有供压电换能器焊线的缺口18；所述线路转接板4置于下层底板1正中间位置，将各载装板8上通出的导线进行汇集，连接以后分别进行输出，线路转接板4可以与电能存储机构连接，或者直接与外部的LED灯连接；所述上层盖板2为厚度12mm的钢化玻璃。

上述硅胶垫片11置于所述压电换能器9之上，直径与压电换能器9相同，为41mm，主要用来增大换能器的受力面积，使力能完全均匀地加载在各个换能器上。

参照图5-10所示，所述压电主体单元3的整体结构为所述压电换能器9搁置在所述载装板8周围的8个圆形单元槽12内，所述单元电路板10搁置在所述载装板8中心位置的单元电路板安装槽13中并被8个圆形单元槽12包围，8个所述圆形单元槽12和所述单元电路板安装槽13连线形成 “米”字型。

上述8个圆形单元槽12和所述单元电路板安装槽13连线形成 “米”字型，用以连接压电换能器9和起到整流的效果。

参照图1-4所示，所述粘合填充物为双面海绵胶带19，双面海绵胶带19具备收缩性好、不耗能、防尘效果佳等优点；由所述下层底板距四边均预留20mm宽、5mm厚的孔洞，根据计算所述上层盖板2与所述下层底板1初始距离9mm，选用宽度20mm，厚10mm的双层海绵胶带19对压电主体单元3可进行严密的防尘封装处理。

参照图5、图11所示，所述硅胶垫片11切去的部分大体是从边缘向内切入11mm，切去宽度为10mm，与所述硅胶垫片11中心凸起部分直径相同，切口正对硅胶突起部分中心直径。

参照图1所示，所述下层底板1与所述上层盖板2的四角处用硅橡胶进行粘结封装。

Claims (7)

1.一种利用正压电效应的组合结构式人行路面压电单元，包括下层底板和上层盖板，压电主体单元和线路转接板设置于下层底板上并由上层盖板覆盖；所述下层底板四周具有凹型槽，凹形槽中设置有粘合填充物支承和密封所述下层底板和上层盖板，所述下层底板上、凹型槽以内开设有多个均匀分布的载装槽，载装槽包围的中心具有线路转接板安装槽；所述压电主体单元包括载装板、压电换能器、单元电路板和硅胶垫片，所述载装板上设置有8个圆形单元槽，单元槽中具有圆环槽，所述载装板中心具有单元电路板安装槽，所述圆形单元槽均带有直线与所述单元电路板安装槽连通的连接槽，所述载装板安装于所述载装槽中，线路转接板设置于线路转接板安装槽中，所述压电换能器包括压电陶瓷单元，压电陶瓷单元安装于圆形单元槽中，所述压电陶瓷单元上端设置有所述硅胶垫片，所述单元电路板设置于单元电路板安装槽中；所述载装板尺寸为130mm*130mm*5mm，所述圆形单元槽直径为41mm，每个所述圆形单元槽内开设有宽度为6mm、厚度为3mm的圆环槽，圆环槽与所述圆形单元槽的侧壁之间留有宽度为2.5mm的环形间隔带，所述圆环槽包围的中心部位形成圆形中心凸台；所述压电主体单元的整体结构为所述压电换能器搁置在所述载装板周围的8个圆形单元槽内，所述单元电路板搁置在所述载装板中心位置的单元电路板安装槽中并被8个圆形单元槽包围，8个所述圆形单元槽和所述单元电路板安装槽连线形成 “米”字型。

2.根据权利要求1所述的利用正压电效应的组合结构式人行路面压电单元，其特征是：所述压电换能器为直径41mm、有效压电陶瓷板直径为24mm的单面压电陶瓷元件，其中心陶瓷为PZT-5系列，所述单元电路板采用覆铜基板玻纤板，起到连接压电换能器以及将交流电整流为直流电的作用；所述硅胶垫片底板直径41mm、厚1mm，所述硅胶垫片中心处向上凸出直径10mm、厚4mm的小圆柱，所述硅胶垫片的边角处留有供压电换能器焊线的缺口；所述线路转接板置于下层底板正中间位置，将各载装板上通出的导线进行汇集，连接以后分别进行输出；所述上层盖板为厚度12mm的钢化玻璃。

3.根据权利要求1或2所述的利用正压电效应的组合结构式人行路面压电单元，其特征是：所述粘合填充物为双面海绵胶带。

4.根据权利要求3所述的利用正压电效应的组合结构式人行路面压电单元，其特征是：所述硅胶垫片切去的部分大体是从边缘向内切入11mm，切去宽度为10mm，与所述硅胶中心凸起部分直径相同，切口正对硅胶突起部分中心直径。

5.根据权利要求1或2所述的利用正压电效应的组合结构式人行路面压电单元，其特征是：所述下层底板与所述上层盖板的四角处用硅橡胶进行粘结封装。

6.根据权利要求3所述的利用正压电效应的组合结构式人行路面压电单元，其特征是：所述下层底板与所述上层盖板的四角处用硅橡胶进行粘结封装。

7.根据权利要求4所述的利用正压电效应的组合结构式人行路面压电单元，其特征是：所述下层底板与所述上层盖板的四角处用硅橡胶进行粘结封装。