CN203968012U - 一种基于楼梯的压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于楼梯的压电发电装置，包括动子和定子两部分，动子由踏板和联接在踏板上的定位销构成，设置在定子的上方；定子由基板和安装在基板上的支撑限位条、弹簧和压电发电单元构成；压电发电单元由上压板、T型弹性杆、设置在T型弹性杆上侧靠近上压板的主动压块、设置在T型弹性杆下侧端部的从动压块、圆弧面底板、支撑板、联接件、铜极板以及粘贴在铜极板上下两面的A压电陶瓷片和B压电陶瓷片构成，并由联接件将其固定在基板上表面。该压电发电装置具有结构简单、功率容量大、压电转换效率高、压电陶瓷不易损坏破碎、踩踏时无踩空等不适感等优点。

Description

一种基于楼梯的压电发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用压电陶瓷材料正压电效应的能量回收装置，具体来说，涉及一种基于楼梯的压电发电装置。

背景技术

利用压电陶瓷正压电效应进行发电的装置因其具有环保节能、结构简单、无电磁干扰、易于实现、成本低等优点，成为世界各国研究人员的关注热点。国内外所研究的利用人体动能进行压电发电装置较多，公开号为CN201956927U的专利文献公开了一种利用人体频繁踏走的压电发电装置，该装置利用人体对弹簧杠杆机构踩踏形成弹簧形变的势能，进而释放弹簧形变势能对压电材料敲击进行压电发电，该装置结构简单，成本低，发电量集中，但是人体踩踏该装置杠杆结构后脚收起的速度较慢，弹簧形变势能释放后对压电陶瓷材料形成的敲击力很小，影响了压电陶瓷片的发电转换效率，另外，人体踩踏的行程大于2mm，有踩空等不适感。

为了利用人体踩踏楼前台阶的能量进行发电，公开号为CN102064734A的专利文献公开了一种楼前台阶的压电发电装置，把压电陶瓷设置于上地毯和下地毯之间，通过人体对压电陶瓷的踩踏产生电能并进行能量收集，该装置具有结构简单，成本低，发电量集中等优点，但是该装置也存在一定的不足：压电转化效率低，人体踩踏地毯后直接冲击压电陶瓷片，易导致压电陶瓷片脆性破裂损坏。

专利号为201320203629.7，发明名称为一种悬臂压电发电组件的专利文献公开了一种利用悬臂杠杆原理的压电发电装置，该装置解决了人体踩踏发电装置产生的不适感，但是在后期深入的实验中发现，在压电材料的脆性失效变形范围内，压电悬臂梁末端施加外力或位移后，同一横截面内压电悬臂梁固定端在竖直方向位移最小，自由端位移最大，但是压电悬臂梁固定端的压电陶瓷形变最大，越趋向于自由端其压电陶瓷形变越小，自由端的压电陶瓷形变为零。由于压电悬臂梁的发电量和压电陶瓷的形变大小成正比，因此压电悬臂梁固定端的发电量最大，趋向于自由端发电量逐渐减小，自由端末端发电量为零,也即是该悬臂压电发电组件不能充分的利用人体动能，充分提高压电悬臂梁的发电转化效率。

发明内容

本实用新型提供了一种新型的基于楼梯的压电发电装置，目的是为了提高利用人体动能进行压电发电的转换效率，避免踩踏压电发电装置时有踩空等不适感和直接踩踏压电陶瓷片易导致其破裂损坏等问题。

一种基于楼梯的压电发电装置，包括动子和定子两部分，动子由踏板和联接在踏板上的定位销构成，设置在定子的上方；定子由基板和安装在基板上的支撑限位条、弹簧和压电发电单元构成，基板上设置有与动子上定位销相配合的孔，当定位销插入到基板上的孔后，动子就不能再前后左右移动，只能上下移动；在基板上表面上安装有若干平行设置的支撑限位条，将基板分为若干个区域，在每个区域内安装有多个压电发电单元，每隔2-5个压电发电单元的间隔中安装有一个弹簧。

压电发电单元由上压板、T型弹性杆、设置在T型弹性杆上侧靠近上压板的主动压块、设置在T型弹性杆下侧端部的从动压块、圆弧面底板、支撑板、联接件、铜极板以及粘贴在铜极板上下两面的方形A压电陶瓷片和方形B压电陶瓷片构成，A压电陶瓷片和B压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反，所有压电发电单元的A压电陶瓷片、B压电陶瓷片和铜极板均通过串联或并联方式连接于能量转换电路和能量储存装置。

主动压块通过粘接或者焊接设置在T型弹性杆上侧靠近上压板的位置，主动压块到上压板的距离为T型弹性杆悬臂长度的1/10~1/2，从动压块通过粘接或者焊接设置在T型弹性杆下侧端部；圆弧面底板、铜极板、支撑板、T型弹性杆和上压板依次从下向上设置，圆弧面底板、铜极板、支撑板、T型弹性杆和上压板上均开设有可供联接用的联接孔，由联接件穿过各个零件的联接孔后将其联接为一体并固定在基板上表面。当T型弹性杆的T型端部由上压板和支撑板夹紧固定后，T型弹性杆就形成了压电悬臂梁杠杆结构，T型弹性杆被固定处为支点，主动压块到支点段为动力臂，从动压块到支点段为阻力臂。

在竖直方向上，所述的上压板的上表面高度和的支撑限位条的上表面高度平齐，弹簧上表面的高度和主动压块上表面高度平齐，且弹簧和主动压块的上表面高度均比上压板和支撑限位条上表面高度高出0.2~1.8mm；圆弧面底板一端开设有用来联接用的联接孔，另一端上表面为圆弧面，圆弧面最上端与上表面相切，圆弧面的圆心在上切点的正下方，圆弧面的上端部与压电陶瓷片的端部平齐，圆弧面底板的宽度≥压电陶瓷片的宽度，圆弧面底板的圆弧面在底面上投影的长度≥压电陶瓷片的长度，圆弧面的半径值在50mm~340mm之间；圆弧面底板、支撑板、上压板、主动压块和从动压块均为如塑料、木材、陶瓷或玻璃的非导电材料。

当人体踩踏动子的踏板时，踏板和主动压块向下移动，根据杠杆原理，设置在T型弹性杆下侧的从动压块就会向下移动多于主动压块下移的距离，即只需对踏板和主动压块向下踩踏很小的距离，即可驱动压电发电板自由端向下移动较大的距离来实现人体动能到电能的能量转换，从而提高了压电发电板的压电转换效率。

从动压块驱动压电悬臂梁自由端向下移动，随着从动压块的逐步向下移动，压电悬臂梁从固定端到自由端逐渐和圆弧面底板的上圆弧面相贴合，从而保证了压电悬臂梁从固定端到自由端每段压电陶瓷片均发生形变和每段压电陶瓷片形变的均匀性,每段压电陶瓷片的形变均为常值，且这个形变值与圆弧面底板上圆弧面的圆弧半径有关，合理设置圆弧面底板上圆弧面的圆弧半径，保证压电陶瓷片在其脆性失效变形范围内，避免了单纯压电悬臂梁在固定端发电量大、自由端发电量小等问题，使每段压电陶瓷片均发生形变，充分提高了压电悬臂梁压电陶瓷片的压电转换效率。

当人体踩踏结束脚抬起后，基板上的弹簧由于踏板压缩产生的势能开始释放，弹起踏板到原来位置，压电发电板则由自身的弹性恢复到原来状态。由于踏板较大，当有人踩踏压板时，同时驱动多个压电发电单元进行发电，最大限度的利用了人体踩踏产生的动能。整个压电发电装置放置在人流较大的楼梯上，当有人连续经过踩踏踏板并释放时，该压电发电装置即可完成连续的压电发电过程。

由于上压板和支撑限位条的支撑限位作用，限制踏板、主动压块和人体仅能向下移动0.2~1.8mm，距离较短，无踩空等不适的感觉，且避免了人体踩踏冲击力和压电陶瓷片的直接接触，保证压电陶瓷片不被冲击破裂或损坏。圆弧面底板的存在，保证了压电陶瓷片形变的均匀性和曲率变化的可控性，充分提高了压电悬臂梁压电陶瓷片的发电效率。与现有技术相比，该基于楼梯的压电发电装置具有结构简单、功率容量大、整机制造装配容易、成本低、压电转换效率高、踩踏时无踩空等不适感、对环境无污染、使用寿命长等优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型中压电发电单元的结构示意图。

图3是本实用新型压电发电单元的前视图。

图4是本实用新型中压电发电单元上压板的结构示意图。

图5是本实用新型中压电发电单元T型弹性杆的结构示意图。

图6是本实用新型中压电发电单元支撑板的结构示意图。

图7是本实用新型中压电发电单元铜极板的结构示意图。

图8是本实用新型中压电发电单元圆弧面底板的结构示意图。

图9是本实用新型中压电发电单元圆弧面底板的前视图。

图10是本实用新型中压电发电单元主动压块的结构示意图。

图11是本实用新型中压电发电单元从动压块的结构示意图。

图12是本实用新型中基板的结构示意图。

图13是本实用新型中支撑限位条的结构示意图。

图中标号说明：1.基板，2.支撑限位条，3. 弹簧，4.压电发电单元，5.定位销，6.踏板，40.圆弧面底板，41.A压电陶瓷片，42.铜极板，43.B压电陶瓷片，44.从动压块，45.T型弹性杆，46.主动压块，47.联接件，48.上压板，49.支撑板。

具体实施方式

结合图1-3所示，基于楼梯的压电发电装置包括动子和定子两部分，动子由踏板6和联接在踏板6上的定位销5构成，设置在定子的上方，踏板6材料为松木，长2200mm，宽290mm，厚6mm；定子由基板1和安装在基板1上的支撑限位条2、弹簧3和压电发电单元4构成，基板1材料为松木，长2200mm，宽290mm，厚20mm，基板1上设置有可以与动子上定位销5相配合的孔，孔径为10.1mm，定位销5直径为10mm，当定位销5插入到基板1上的孔后，动子就不能再前后左右移动，只能上下移动；在基板1上表面上安装有3根平行设置的支撑限位条2，两根设置在基板1两边，一根设置在基板1中间，将基板1分为2个区域，在每个区域内安装有18个压电发电单元4，在基板1上方共计安装有36个压电发电单元4，且在每个狭长区域内，每隔3个压电发电单元4的间隔中安装有一个弹簧3，弹簧3中径16mm，长度20mm。

压电发电单元4包括上压板48、T型弹性杆45、主动压块46、从动压块44、圆弧面底板40、支撑板49、螺钉、铜极板42以及粘贴在铜极板42上下两面的A压电陶瓷片41和B压电陶瓷片42，铜极板42材料为铍青铜，长度为70mm，宽度为50mm，厚度为0.3mm，A压电陶瓷片41和B压电陶瓷片42的材料均为PZT-5，长度为50mm，宽度为50mm，厚度为0.2mm，A压电陶瓷片41和B压电陶瓷片42均为沿厚度方向极化且极化方向相反，每对A压电陶瓷片41和B压电陶瓷片42进行并联，然后再将36个压电发电单元4进行并联连接于能量转换电路和能量储存装置；主动压块46粘接在T型弹性杆45上侧靠近上压板48的位置，主动压块46到上压板48距离为T型弹性杆45悬臂长度的1/5，从动压块44通过粘接在T型弹性杆45端部下侧。

圆弧面底板40、铜极板42、支撑板49、T型弹性杆45和上压板48依次从下向上设置，圆弧面底板40、铜极板42、支撑板49、T型弹性杆45和上压板48上均开设有可供联接用的联接孔，孔直径为4.3mm，由联接螺钉47穿过各个零件的联接孔后将其联接为一体并固定在基板1上表面，联接螺钉47公称直径为4mm。

圆弧面底板40一端开设有用来联接用的直径为4.3mm的联接孔，另一端上表面为圆弧面，圆弧面最上端与上表面相切，圆弧面的圆心在上切点的正下方，圆弧面的上端部与压电陶瓷片的端部平齐，圆弧面底板的宽度为70mm，圆弧面底板的圆弧面在底面上投影的长度为90mm，圆弧面的半径为240mm；圆弧面底板40、支撑板49、上压板48、主动压块46和从动压块44均为尼龙66塑料材料。

在竖直方向上，所述的上压板48的上表面高度和的支撑限位条2的上表面高度平齐，弹簧3上表面的高度和主动压块46上表面高度平齐，且弹簧3和主动压块46的上表面高度均比上压板48和支撑限位条2上表面高度高出1mm。

结合图4-13所示，踏板6、定位销5、基板1、支撑限位条2、铜极板42、从动压块44、T型弹性杆45、主动压块46、上压板48、支撑板49和圆弧面底板40结构示意图，充分体现了各个零件的结构，以便理解各个零件之间的联接关系。

将该实用新型的压电发电装置放于楼梯上，模拟人体踩踏的情况进行实验，当人踩踏动子踏板6时，踏板6和主动压块46仅能向下移动1mm，人体踩踏向下位移距离较短，无踩空等不适感，根据杠杆原理，主动压块46向下移动1mm，设置在T型弹性杆45下侧的从动压块44则向下移动5mm。

从动压块44驱动压电悬臂梁自由端向下移动，随着从动压块44的逐步向下移动，压电悬臂梁从固定端到自由端逐渐和圆弧面底板的上圆弧面相贴合，保证了压电悬臂梁从固定端到自由端每段压电陶瓷片均发生形变和每段压电陶瓷片形变的均匀性,压电悬臂梁弯曲形变的内径半径值=圆弧面底板的圆弧面半径=240mm，压电悬臂梁弯曲形变的外径半径值=圆弧面底板的圆弧面半径+铜极板厚度+压电陶瓷片厚度值x2=240mm+0.3mm+0.2mmx2=240.7mm，充分提高了压电悬臂梁压电陶瓷片的发电效率。

当踩踏压板时，同时驱动了多个压电发电单元4进行发电，当有人连续经过踩踏踏板6并释放时，该压电发电装置即可完成连续的压电发电过程。当踩踏频率为1Hz时，使用示波器对A压电陶瓷片1和B压电陶瓷片3的输出电压进行测量，其输出电压最大值分别为32.4V和30.2V，较单纯的压电悬臂梁楼梯压电发电装置其输出电压有较大提高，发电性能良好。

Claims (5)

1.一种基于楼梯的压电发电装置，包括动子和定子两部分，动子由踏板和联接在踏板上的定位销构成，设置在定子的上方；定子由基板和安装在基板上的支撑限位条、弹簧和压电发电单元构成；其特征在于：基板上设置有与动子上定位销相配合的孔，在基板上表面上安装有若干平行设置的支撑限位条，将基板分为若干个区域，在每个区域内安装有多个压电发电单元，每隔2-5个压电发电单元的间隔中安装有一个弹簧；压电发电单元由上压板、T型弹性杆、设置在T型弹性杆上侧靠近上压板的主动压块、设置在T型弹性杆下侧端部的从动压块、圆弧面底板、支撑板、联接件、铜极板以及粘贴在铜极板上下两面的方形A压电陶瓷片和方形B压电陶瓷片构成，A压电陶瓷片和B压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反；主动压块通过粘接或者焊接设置在T型弹性杆上侧靠近上压板的位置，主动压块到上压板的距离为T型弹性杆悬臂长度的1/10~1/2，从动压块通过粘接或者焊接设置在T型弹性杆下侧端部；圆弧面底板、铜极板、支撑板、T型弹性杆和上压板依次从下向上设置，圆弧面底板、铜极板、支撑板、T型弹性杆和上压板上均开设有可供联接用的联接孔，由联接件穿过各个零件的联接孔后将其联接为一体并固定在基板上表面；在竖直方向上，所述的上压板的上表面高度和的支撑限位条的上表面高度平齐，弹簧上表面的高度和主动压块上表面高度平齐，且弹簧和主动压块的上表面高度均比上压板和支撑限位条上表面高度高出0.2~1.8mm；圆弧面底板一端开设有用来联接用的联接孔，另一端上表面为圆弧面，圆弧面最上端与上表面相切，圆弧面的圆心在上切点的正下方，圆弧面的上端部与压电陶瓷片的端部平齐，圆弧面底板的宽度≥压电陶瓷片的宽度，圆弧面底板的圆弧面在底面上投影的长度≥压电陶瓷片的长度，圆弧面的半径值在50mm~340mm之间；圆弧面底板、支撑板、上压板、主动压块和从动压块均为非导电材料；A压电陶瓷片、B压电陶瓷片和铜极板均通过串联或并联方式连接于能量转换电路和能量储存装置。

2.根据权利要求1所述的基于楼梯的压电发电装置，其特征在于：所述的圆弧面底板、上压板、支撑板、主动压块和从动压块为塑料材料。

3.根据权利要求1所述的基于楼梯的压电发电装置，其特征在于：所述的圆弧面底板、上压板、支撑板、主动压块和从动压块为木质材料。

4.根据权利要求1所述的基于楼梯的压电发电装置，其特征在于：所述的圆弧面底板、上压板、支撑板、主动压块和从动压块为陶瓷材料。

5.根据权利要求1所述的基于楼梯的压电发电装置，其特征在于：所述的圆弧面底板、上压板、支撑板、主动压块和从动压块为玻璃材料。