CN202395680U - 一种新型的压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用压电材料制成的发电装置，将压电陶瓷材料与基板粘合组成压电悬臂梁结构2，该悬臂梁基板的自由端做成圆柱形，将其封装于一种特殊的通风管道1中，利用悬臂梁两侧不断变化的压差使其振动，从而产生电压。该通风管道具有两个入风口，一个出风口，两个入风口分别位于悬臂梁两侧，利用压电悬臂梁根部涡流的不稳定性和自由端产生的卡门涡街，驱动悬臂梁在平衡位置附近振动，依据压电材料表面电荷的密度与所受的压力成正比这一基本原理，压电材料两端表面会出现极性相反的束缚电荷，经正负电荷汇集后产生一定的电压以达到发电的目的，即由风能转换为振动能，再利用压电材料的正压电效应转换为电能。

Description

一种新型的压电发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种新型的利用风力进行压电发电的装置，更确切的说，是利用流体从悬臂梁两侧剥离时，自由端产生的卡门涡街驱动悬臂梁在平衡位置附近不断的振动从而使压电陶瓷产生电压。

背景技术

随着科技的进步以及工业的迅速发展，当今能源的需求出现紧缺的现状，人们不断寻找新的能源。自然界的环境能有很多，比如振动能、风能、太阳能，潮汐能等都已经被逐渐的开发和利用，并且采集这些能量的新材料不断的出现比如光电转换材料、压电转换材料等等，因此使得这些绿色能源的采集方式及利用更为广泛。

发明内容

本实用新型提供了一种把压电悬臂梁结构置于通风管道中的发电装置，可将环境中的风能利用卡门涡街原理转换为悬臂梁的振动能，再利用压电转换材料转换为电能。利用悬臂梁根部涡流的不稳定性和自由端产生的卡门涡街，使得悬臂梁两侧产生不断变化压力差，使其发生弯曲变形产生机械能，利用压电材料具有把机械能转换为电能的能力，从而可以达到发电的目的。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是把压电悬臂梁结构置于具有两个入风口的管道装置中，该装置包括：设计和制造两片具有一定厚度的压电陶瓷，将该压电陶瓷对称的粘附在一块稍长的金属基板上组成悬臂梁结构，该金属基板端部做成圆柱形有利于卡门涡街的形成；该悬臂梁放置在一个特殊通风管道的内部，该管道具有两个相同大小和形状的入风口，一个出风口；具有两个固定悬臂梁的角架，上面有螺钉孔，用来固定悬臂梁与管道的相对位置，使其在平衡位置振动；两个出风口的角架，一是限制出风口的大小，二是限制悬臂梁自由端弯曲变形的位移，起到保护作用，上面的螺钉孔使其固定在管道上。

本实用新型的压电发电装置，是利用环境中的风能通过压电材料最终转换为电能。压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，依据压电材料表面电荷的密度与所受的压力成正比这一基本原理，当流体从悬臂梁两侧剥离时，会形成交替的涡流，这种交替的涡流，使得悬臂梁两侧流体的瞬间速度不同，流体速度不同，悬臂梁两侧受到的瞬间压力也不同，因此使其发生振动，使得悬臂梁发生弯曲，压电陶瓷表面产生应力，从而引起压电材料内部正负电荷中心相对位移发生极化，使压电材料两端表面出现极性相反的束缚电荷，经正负电荷汇集后产生一定的电压与电流以达到发电的目的。

本实用新型压电发电装置结构简单，使用方便，其有益效果是：

1、以压电材料为核心利用风力通过悬臂梁两侧形成的卡门涡街进行发电，形成了一种新的压电发电装置设计理念与设计思想；

2、本实用新型压电发电装置结构简单，体积小质量轻，无需其他机械传动机构，所以能量转换效率较高；

3、本实用新型压电发电装置，是利用流体从悬臂梁剥离时产生的卡门涡街使其振动，并且压电悬臂梁结构位于管道内部，所以不受风沙，雨水等恶劣环境的影响。

附图说明

图1是本实用新型压电发电装置的平面结构图

图2是本实用新型压电发电装置管道内部悬臂梁结构放大图

图3是本实用新型压电发电装置管道内部悬臂梁结构侧视图

图中：1.通风管道；2.压电悬臂梁结构；3.通风管道入风口；4.通风管道出风口；5.悬臂梁固定架；6.压电悬臂梁基板；7.压电陶瓷；8.出风口角架；9.安装螺钉孔。

具体实施方式

图1是本实用新型压电发电装置的平面结构图，该装置的通风管道1具有两个大小形状均相同的入风口，一个出风口。

图2为通风管道内部压电悬臂梁结构放大图，该结构包括：固定悬臂梁的角架5，上面有螺钉孔，用来固定悬臂梁与管道的相对位置，使其在平衡位置振动；压电悬臂梁金属基板6，用来粘附压电陶瓷，其端部的圆柱形结构有利于卡门涡街的形成；压电陶瓷材料7，用来实现风能转换为电能的材料，是该发电装置的核心部件；出风口角架8，静止时悬臂梁两侧至出风口两边的距离分别相等，一是限制出风口的大小，二是限制悬臂梁自由端弯曲变形的振幅，起到保护作用；安装螺钉孔9，用来固定悬臂梁的与管道的相对位置，使悬臂梁在管道内部振动。

本实用新型压电发电装置放置于带有风向标的可旋转机构上面，当风速从某一方向吹过来时，风向标引导该发电装置旋转使其入风口对向风速方向。当两个入风口有流体流入时，由于悬臂梁与管道壁之间的缝隙很小，且静止时悬臂梁两侧至出风口两边的距离分别相等，在悬臂梁根部会产生涡流并且不稳定，会使得悬臂梁产生微弱振动。除此之外，出口处的卡门涡街是悬臂梁振动的主要原因，即流体从悬臂梁两侧剥离时，会产生两排非对称排列的旋涡，其中一侧的旋涡顺时针方向转动，另一侧旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐，这种交替的涡流，使悬臂梁两侧流体的瞬间速度不同，流体速度不同，悬臂梁两侧受到的瞬间压力也不同，因此使其发生振动，压电陶瓷材料两端表面产生不断变化的应力，因而不断的输出电压。

当悬臂梁处于共振的状态时其振动幅度最大，即输出的电压最大，为了满足悬臂梁共振可以设计悬臂梁的固有频率与卡门涡街的振动频率一致。

卡门涡街的振动频率与流体速度成正比，与悬臂梁端面圆柱直径成反比。卡门涡街频率与流体速度和悬臂梁端面圆柱直径有如下关系：

f＝SrV/D

其中：

f＝卡门涡街频率；

Sr＝斯特劳哈尔数(约为0.2)；

V＝流体的速度；

D＝悬臂梁端面圆柱的直径。

通过设计圆柱的直径、以及调整管道的入口大小调节流体速度，可以使得卡门涡街的频率与压电悬臂梁的固有频率一致使其产生共振，从而产生最大的电压。

本实用新型依据压电材料表面电荷密度与所受的压力成正比这一基本原理，设计了一种新型的压电发电装置，将该装置置于有风的环境中，利用卡门涡街驱动悬臂梁振动可以实现风能转换悬臂梁的振动能，再利用压电材料转换为电能，以达到发电的目的。

Claims (4)

1.一种用压电材料制成的发电装置，其特征在于：把两片压电陶瓷粘结在基板的两侧组成的对称悬臂梁结构置于一种特殊的通风管道中，该通风管道具有两个入风口，一个出风口。两个入风口分别位于悬臂梁两侧，利用悬臂梁根部涡流的不稳定性和自由端产生的卡门涡街，驱使悬臂梁发生弯曲产生电压。除了通风管道之外，还有两个固定悬臂梁的角架，用于固定悬臂梁与通风管道的相对位置，两个出风口角架，用于限制悬臂梁振幅，起到保护作用。

2.根据权利要求书1所述的一种利用压电材料制成的发电装置，其特征在于：悬臂梁的基板自由端做成圆柱形，有利于流体从悬臂梁两侧剥离时自由端卡门涡街的形成，并且可以通过改变圆柱的直径，使得卡门涡街的频率与悬臂梁的固有频率一致从而产生共振。

3.根据权利要求书1所述的一种利用压电材料制成的发电装置，其特征在于：所述的管道结构是利用环境中的风力进行发电，入风口的大小可根据使用环境的不同进行设计，出风口的大小根据悬臂梁振幅的大小进行设计。

4.根据权利要求书1所述的一种利用压电材料制成的发电装置，其特征在于：将所述的发电装置置于可旋转的机构上，并且装有风向标，则入风口可根据风向自动调整入口方向，使悬臂梁两侧产生尽可能大的的压差。

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