CN203243250U - 公厕压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种公厕压电发电装置，包括依次用导线连接的发电装置、整流器、稳压器、变压器、主蓄电池和用电设备；所述发电装置设置在公厕脚踩位置下；所述主蓄电池上还设有传感器，所述传感器接收所述蓄电池两端的电量信号，并通过控制器使所述变压器向副蓄电池充电。 本实用新型简单易实现，而且造价低，施工方便，利用正压电效应，将人们活动时的机械能转化为电能，为用电设备提供能源，合理利用了资源，节能又环保。

Description

公厕压电发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种压电发电装置，尤其涉及一种公厕压电发电装置。

背景技术

目前，压电发电的研究在美国，日本，荷兰，西班牙等国家已经逐步深入，并取得了一系列的科研成果。如美国普林斯顿海洋动力技术公司开发一种利用海浪海流的压力和应力使压电高聚物发电装置；日本科研人员研发一种发电地板，设置在东京繁华的涉谷火车站人行道上，当行人走过地板时地板就可以发电；此外，荷兰鹿特丹市韦斯特加斯公园的舞池发电地板，人们跳舞的机械能转化为电能，从而点亮安装在地板表面的内置二极管。而国内压电发电机的研究虽屡有突破，但实际生活中并没有得到普遍应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是：提供了一种公厕压电发电装置，应用在人流量较大的厕所，将人们站、离便坑时的机械能使压电陶瓷变形，进而转化为电能，并将此电能用于洁具感应器和厕所的照明设备以及烘干机，减少了公共厕所的用电量，从而实现节能减排。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种公厕压电发电装置，包括依次用导线连接的发电装置、整流器、稳压器、变压器、主蓄电池和用电设备；所述发电装置设置在公厕脚踩位置下；所述主蓄电池上还设有传感器，所述传感器接收所述主蓄电池两端的电量信号，并通过控制器使所述变压器向副蓄电池充电。

所述发电装置包括箱体、设置在所述箱体内并制成所述箱体的复位弹簧、设置在所述箱体内并位于所述箱体底部中间的压电陶瓷、设置在所述压电陶瓷上的震荡弹簧、设置在所述震荡弹簧上的质量块以及设置在所述箱体内并位于所述箱体顶部中间的传力杆；对所述传力杆施加压力使所述振荡弹簧被压缩，所述振荡弹簧在所述压电陶瓷上端面产生压力使所述压电陶瓷产生形变，则所述压电陶瓷的上下两端面产生电压，经导线输出至整流器。

撤销对所述传力杆施加的压力，所述箱体面通过所述复位弹簧复位；所述质量块的重力，使所述振荡弹簧产生周期性振荡，则在所述压电陶瓷上端面产生一周期性外驱力，从而产生周期性电压。

所述压电陶瓷周围用绝缘材料与外部隔离。

所述的用电设备为公厕内的洁具感应器、照明设备以及烘干机。

本实用新型由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：

本实用新型由于设置了发电装置并将发电装置的电存储至蓄电池从而为公厕能的用电设备提供电源，利用公厕内的人的运动机械能转化成电能，合理利用了资源；本实用新型由于在压电陶瓷周围使用用绝缘材料6，可以防止漏电，起到保护作用；本实用新型的发电装置可以产生周期性的电压，提高了充电效率，保证了用电设备的用电量。

附图说明

图1是本实用新型公厕压电发电装置的电路连接图。

图2是本实用新型公厕压电发电装置的发电装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。

请参见图1，一种公厕压电发电装置，包括依次用导线连接的发电装置1、整流器2、稳压器3、变压器4、主蓄电池5和用电设备9；所述发电装置3设置在公厕脚踩位置下；所述主蓄电池5上还设有传感器6，所述传感器6接收所述主蓄电池5两端的电量信号，并通过控制器7使所述变压器4向副蓄电池8充电。当传感器6接收到所述主蓄电池5两端电量充满时，反馈给控制器7信号，切换变压器4向副蓄电池8充电。

请参见图2所示，所述发电装置1包括箱体11、设置在所述箱体11内并制成所述箱体11的复位弹簧12、设置在所述箱体11内并位于所述箱体11底部中间的压电陶瓷16、设置在所述压电陶瓷16上的震荡弹簧13、设置在所述震荡弹簧13上的质量块15以及设置在所述箱体11内并位于所述箱体11顶部中间的传力杆14；对所述传力杆14施加压力使所述振荡弹簧13被压缩，所述振荡弹簧13在所述压电陶瓷16上端面产生压力使所述压电陶瓷16产生形变，则所述压电陶瓷16的上下两端面产生电压，经导线输出至整流器2。

请参见图2所示，撤销对所述传力杆14施加的压力，所述箱体11面通过所述复位弹簧13复位；所述质量块4的重力，使所述振荡弹簧13产生周期性振荡，则在所述压电陶瓷16上端面产生一周期性外驱力，从而产生周期性电压。

请参见图2所示，所述压电陶瓷16周围用绝缘材料17与外部隔离。

所述的用电设备9为公厕内的洁具感应器、照明设备以及烘干机。

发电装置1的发电量理论计算：

查阅相关文献，我们得知：压电材料叠堆个数为四个且串联的情况下，发电量最佳。此时，电压值为：

$U=\frac{d_{33}{F}_m\mathrm{wnhR}}{\sqrt{n^2{h}^2+w^2{A}^2{\left({\mathrm{\ξ}}_{33}^T\right)}^2{R}^2}}$

其中：F_m是压力的幅值，我们假设压力为正弦量；w是压力的频率；R是负载电阻(压电材料所在电路的负载电阻)；h、A分别是单个压电材料的厚度和总电极面积；d₃₃、

分别是压电材料的压电应变常数和自由介电常数。

开路电压值为：

$U_{m,R\→\∞}=\frac{n{d}_{33}{F}_{m}h}{A{\mathrm{\ξ}}_{33}^T}$

由上面公式我们知道材料输出的电压值U与负载电阻R有关，经计算存在使输出电压U最大的最佳负载值：

$R=n{X}_C=\frac{n}{w{C}_P}$

在这个负载电阻下电压值和功率分别为：

$\begin{array}{cc}{U}_m=\frac{n{d}_{33}{F}_{m}h}{\sqrt{2}A{\mathrm{\ξ}}_{33}^T}& P=\frac{n{d}_{33}^2{F}_m^2\mathrm{wh}}{4A{\mathrm{\ξ}}_{33}^T}\end{array}$

查阅相关文献，我们知道PZT-43压电陶瓷（尺寸规格为：20×20×3mm）的部分参数如下表：

PZT-43部分参数	h/10-3m	A/10-4m2	ξ33 T/10-12F/m	d33/10-12c/N	w/Hz
						参数数值	3	4	16823	350	1890

下面以PZT-43压电陶瓷计算该装置的理论发电量：

取负载电阻等于压电陶瓷的容抗，即：R=nX_C，压力幅值取F_m=500N，

开路电压：

$U_{m,R\→\∞}=\frac{n{d}_{33}{F}_{m}h}{A{\mathrm{\ξ}}_{33}^T}=312.1\left(V\right)$

输出电压：

$U_m=\frac{n{d}_{33}{F}_{m}h}{\sqrt{2}A{\mathrm{\ξ}}_{33}^T}=220.6\left(V\right)$

输出功率：

$P=\frac{n{d}_{33}^2{F}_m^2\mathrm{wh}}{4A{\mathrm{\ξ}}_{33}^T}=2.58\×{10}^{-2}\left(W\right)$

本实用新型的发电装置1在公厕中安装的数量

根据常用便器的尺寸以及每片压电陶瓷片的尺寸规格20mm×20mm×3mm，我们每只脚下设置500个压电陶瓷16的叠堆（每个压电陶瓷16的叠堆有4片压电陶瓷）。其次我们调查发现，每个公共厕所的有效利用时间是12个小时，因此每个蹲便压电发电机的发电量

Q=500×2×12×2.58×10^-2W·h=309.6W·h。

公厕内用电设备9的电量消耗计算：

通常厕所蹲便红外感应器的电功率为0.5mW，节能灯功率在15W左右，烘干机功率在1800W左右。此时假设，每个公共厕所男厕有个5蹲位10个站位，女厕有15个蹲位，6个节能灯，男女厕所门口各一个，室内各2个，每天每个节能灯的有效工作时间是12小时，2个烘干机，男女厕所各一个，每天每个烘干机的有效运行时间是2小时，那么一公共厕所每天的发电量为：

Q′=309.6×15×2=9288W·h

而用电量为红外感应器，节能灯已经烘干机的耗电之和：

Q″=15×2×0.5×10^-3×24+1800×2×2+15×6×12=8280.36W·h

因为Q′＞Q″所以压电发电机的每天的发电量不仅可以供厕所的设施用电，还能向蓄电池充电，洁净的电能达到节能环保目的的同时，还因为压电发电机的小巧而使公共厕所的建设施工省去很多人力物力。

综上所述，本实用新型简单易实现，而且造价低，施工方便，利用正压电效应，将人们活动时的机械能转化为电能，为用电设备提供能源，合理利用了资源，节能又环保。

Claims (5)

1.一种公厕压电发电装置，其特征在于：包括依次用导线连接的发电装置（1）、整流器（2）、稳压器（3）、变压器（4）、主蓄电池（5）和用电设备（9）；所述发电装置（1）设置在公厕脚踩位置下；所述主蓄电池（5）上还设有传感器（6），所述传感器（6）接收所述主蓄电池（5）两端的电量信号，并通过控制器（7）使所述变压器（4）向副蓄电池（8）充电。 

2.如权利要求1所述的公厕压电发电装置，其特征在于：所述发电装置（1）包括箱体（11）、设置在所述箱体（11）内并制成所述箱体（11）的复位弹簧（12）、设置在所述箱体（11）内并位于所述箱体（11）底部中间的压电陶瓷（16）、设置在所述压电陶瓷（16）上的震荡弹簧（13）、设置在所述震荡弹簧（13）上的质量块（15）以及设置在所述箱体（11）内并位于所述箱体（11）顶部中间的传力杆（14）；对所述传力杆（14）施加压力使所述振荡弹簧（13）被压缩，所述振荡弹簧（13）在所述压电陶瓷（16）上端面产生压力使所述压电陶瓷（16）产生形变，则所述压电陶瓷（16）的上下两端面产生电压，经导线输出至整流器（2）。 

3.如权利要求2所述的公厕压电发电装置，其特征在于：撤销对所述传力杆（14）施加的压力，所述箱体（11）面通过所述复位弹簧（13）复位；所述质量块（4）的重力，使所述振荡弹簧（13）产生周期性振荡，则在所述压电陶瓷（16）上端面产生一周期性外驱力，从而产生周期性电压。 

4.如权利要求1所述的公厕压电发电装置，其特征在于：所述压电陶瓷（16）周围用绝缘材料（17）与外部隔离。 

5.如权利要求1所述的公厕压电发电装置，其特征在于：所述的用电设备（9）为公厕内的洁具感应器、照明设备以及烘干机。 

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