CN207304407U - 一种液压式压电发电单体以及并联式压电发电系统 - Google Patents

Abstract

一种液压式压电发电单体以及并联式压电发电系统，属于压电材料应用技术领域。其特征在于：包括外壳（2），在外壳（2）内设置至少一组压电模块，压电模块包括弹性板（6）和压电材料（3），弹性板（6）的外周圈与外壳（2）的内壁密封固定并将外壳（2）的内腔间隔形成流通腔（4）和压缩腔（7），压电材料（3）设置有若干并布置在弹性板（6）的表面，在外壳（2）的两端分别设置有液体管路（1），液体管路（1）同时与流通腔（4）连通组成液体的流通通道。在本液压式压电发电单体以及并联式压电发电系统中，可以对液体造成的压力进行收集并转换为电能，对液体的压力实现了充分利用，同时自身磨损较小，大大延长了使用寿命。

Description

一种液压式压电发电单体以及并联式压电发电系统

技术领域

一种液压式压电发电单体以及并联式压电发电系统，属于压电材料应用技术领域。

背景技术

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。由于压电材料的体积可以制作的较为微小，因此非常适用于对较小的压力进行收集，并进一步得到电能。在现有技术中，利用压电材料进行发电主要应用于风压系统中，常见的结构为通过风压带动叶轮转动，叶轮转动时带动相应机构对压电材料进行往复挤压，从而得到电能。因此在现有技术中利用风压驱动压电材料发电的技术方案中由于存在较多的机械结构，因此长时间使用时容易出现磨损，影响使用寿命，同时目前市面上还未出现对液体造成的液压进行收集的发电装置，降低了部分压力的利用率。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可以对液体造成的压力进行收集并转换为电能，对液体的压力实现了充分利用，同时自身磨损较小，大大延长了使用寿命的液压式压电发电单体以及并联式压电发电系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该液压式压电发电单体，其特征在于：包括外壳，在外壳内设置至少一组压电模块，压电模块包括弹性板和压电材料，弹性板的外周圈与外壳的内壁密封固定并将外壳的内腔间隔形成流通腔和压缩腔，压电材料设置有若干并布置在弹性板的表面，在外壳的两端分别设置有液体管路，液体管路同时与流通腔连通组成液体的流通通道。

优选的，所述的弹性板为弧形状，其弧顶位于流通腔内。

优选的，所述的压电材料布置在弹性板靠近流通腔一侧的表面，且在压电材料的表面设置有密封膜，密封膜为绝缘材质并将压电材料从流通腔中隔离。

优选的，在所述的压缩腔内设置有气囊，气囊紧贴压缩腔的内壁，气囊设置有充气口，充气口自压缩腔引出。

一种利用液压式压电发电单体组成的并联式压电发电系统，其特征在于：所述的液压式压电发电单体并排设置有多组，每一组液压式压电发电单体通过其外壳两端的液体管路同时接入液体总管路内，设置有用于控制所有液压式压电发电单体分时导通的流通控制单元。

优选的，所述的流通控制单元为阻尼阀，阻尼阀设置在每一组液压式压电发电单体入口侧的液体管路中。

优选的，所述的阻尼阀包括阀外壳和阀芯，阀外壳的两端分别设置有进液口和出液口，阀芯滑动设置在阀外壳内，阀芯后端与阀外壳之间设有推动阀芯向进液口一侧移动的一组弹性系数相异的复位弹簧；阀芯上还设有流量控制部，流量控制部随阀芯向阀外壳的出液口移动，流量控制部与出液口内壁的间距逐渐减小。

优选的，所述的复位弹簧包括第一复位弹簧和第二复位弹簧，

第一复位弹簧固定在阀芯与阀外壳之间，第二复位弹簧套在第一复位弹簧的内侧或外侧，第二复位弹簧的长度小于第一复位弹簧；

或者第一复位弹簧与第二复位弹簧轴向连接在阀芯与阀外壳之间，第二复位弹簧的弹性系数大于第一复位弹簧的弹性系数。

优选的，所述的流量控制部包括流量控制筒或流量控制圆台；

流量控制筒的后端外径沿介质的流向逐渐减小，复位弹簧位于流量控制筒内侧；

流量控制圆台同轴固定在导向轴的后部，导向轴固定在阀芯的后侧。

优选的，所述的流通控制单元为压力控制电路，压力控制电路包括安装在液体总管路内的压力传感器，压力传感器的输出端接入控制器，在每一组液压式压电发电单体入口侧的液体管路中设置有电磁阀，电磁阀由控制器控制通断。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果是：

1、在本液压式压电发电单体以及并联式压电发电系统中，可以对液体造成的压力进行收集并转换为电能，对液体的压力实现了充分利用，同时自身磨损较小，大大延长了使用寿命。

2、在压电材料的表面覆盖有绝缘材质的密封膜，通过设置密封膜将压电材料与流通腔中的液体隔绝。

3、当液体总管路中的液体的流速变化较大而产生不同的压力，通过设置阻尼阀使得不同的液压式压电发电单体具有不同的开启压力和关闭压力，因此总有一组液压式压电发电单体与之对应工作，大大提高了发电效率。

4、当有介质到达阻尼阀的进液口，介质压力达到一定值后会推动阀芯向后移动，阀芯在初始位置是只与第一复位弹簧接触，第一复位弹簧固定在阀芯与阀外壳之间，第二复位弹簧套在第一复位弹簧的内侧或外侧，第二复位弹簧的长度小于第一复位弹簧，只需要克服第一复位弹簧的阻力就会向后运动，当介质的压力继续增大后，阀芯同时与第一复位弹簧和第二复位弹簧接触，增大了阀芯向后移动的阻力，从而达到调节阀门开度的目的。

5、第一复位弹簧与第二复位弹簧轴向连接在阀芯与阀外壳之间，第二复位弹簧的弹性系数大于第一复位弹簧的弹性系数，第一复位弹簧首先被压缩，只需要克服第一复位弹簧的阻力就会向后运动，当介质的压力继续增大后，第一复位弹簧被压缩到底，或者达到第二复位弹簧被压缩的压力后，阀芯开始推动第二复位弹簧，此时也增大了阀芯向后移动的阻力，从而达到调节阀门开度的目的。

6、阀芯的前端与进液口可以均设置为锥形，随着阀芯向后移动的阻力发生变化，阀芯向后移动的速度产生变化，阀芯移动速度降低后，阀芯前端打开进液口的速度也就降低，进液口的流通面积增大速度降低，从而可以达到随着压力增大流量缓慢增大的目的。

附图说明

图1为实施例1液压式压电发电单体结构示意图。

图2为实施例1并联式压电发电系统结构示意图。

图3为实施例1并联式压电发电系统阻尼阀结构示意图。

图4为实施例2并联式压电发电系统阻尼阀结构示意图。

图5为实施例3并联式压电发电系统阻尼阀结构示意图。

图6为实施例4并联式压电发电系统阻尼阀结构示意图。

图7为实施例5液压式压电发电单体结构示意图。

图8为实施例8液压式压电发电单体结构示意图。

图9为实施例9液压式压电发电单体结构示意图。

图10为实施例10并联式压电发电系统结构示意图。

其中：1、液体管路 2、外壳 3、压电材料 4、流通腔 5、气囊 6、弹性板 7、压缩腔 8、液体总管路 9、阻尼阀 10、进液口 11、阀芯 12、阀外壳 13、第一复位弹簧14、分隔垫 15、第二复位弹簧 16、导向定位板 17、出液口 18、导向杆 19、底盖 20、流量控制筒 21、流量控制圆台 22、电磁阀 23、弹簧 24、单向阀。

具体实施方式

图1~3是本实用新型的最佳实施例，下面结合附图1~10对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，一种液压式压电发电单体，包括一端两端封闭的外壳2，外壳2的截面可以是任意形状，如圆形、规则的多边形等。在外壳2两端的封闭端设置有开口，在两端开口处分别固定有一条液体管路1。

在外壳2的内部设置有一组压电模块。压电模块包括压电材料3、气囊5和弹性板6。其具体设置方式为：弹性板6中部凸起呈弧形，其弧顶位于与外壳2的内部接触，且其外周圈与外壳2的内壁密封连接，弹性板6将外壳2内部间隔形成相互独立的流通腔4和压缩腔7，上述的液体管路1与流通腔4连通，液体从一侧的液体管路1中流入外壳2，并流经流通腔4之后自另一侧的液体管路1流出。

在压缩腔7内设置有气囊5，气囊5紧贴压缩腔7的腔壁。在弹性板6位于流通腔4的表面上均匀排布有若干压电材料3，压电材料3可以使用市售常见的产品实现，如压电陶瓷板等。在压电材料3的表面覆盖有绝缘材质的密封膜（图中未画出），通过设置密封膜将压电材料3与流通腔4中的液体隔绝。

如图2所示，并联式压电发电系统，包括一条液体总管路8，包括并排设置的多个如图1所示的液压式压电发电单体，所有液压式压电发电单体通过其外壳2两端的液体管路1同时接入液体总管路8中。在每一个液压式压电发电单体入口一端的液体管路1内安装有阻尼阀9。阻尼阀9包括一个入口和一个出口，液体自阻尼阀9的入口进入自出口流出，阻尼阀9的设置方向与液体管路1内液体的流动方向相同。

在本实施例中，阻尼阀9的接口如图3所示，阻尼阀9包括阀外壳12和阀芯11，阀芯11滑动设置在阀外壳12内，阀芯11前端与阀外壳12的进液口10配合，阀芯11后端与阀外壳12之间设有推动阀芯11向前移动并关闭进液口10的复位弹簧，复位弹簧包括第一复位弹簧13和第二复位弹簧15；第一复位弹簧13与第二复位弹簧15轴向连接在阀芯11与阀外壳12之间，第二复位弹簧15的弹性系数大于第一复位弹簧13的弹性系数。

第一复位弹簧13与第二复位弹簧15轴向连接在阀芯11与阀外壳12之间，第一复位弹簧13的前端抵接在阀芯11后侧，第二复位弹簧15固定在第一复位弹簧13后侧。第一复位弹簧13的后端设有一个分隔垫14，第二复位弹簧15固定在分隔垫14的后侧。利用分隔垫14连接第一复位弹簧13与第二复位弹簧15，结构简单，安装方便。需要注意的是，本申请中的第一复位弹簧13和第二复位弹簧15还可以加工为一体，这样就不需要分隔垫14，这仍然属于本申请的保护范围。

阀外壳12的内壁上设有多个导向定位板16，相邻的导向定位板16之间形成流道。阀芯11的后侧固定有一根导向轴，复位弹簧套装导向轴上，阀外壳12后侧设有底盖19，底盖19上开设有导向孔，导向轴滑动穿过导向孔。阀外壳12的出液口17开设在底盖19上，出液口17环形间隔设置在导向孔的径向外侧。

阀芯11的前端与进液口10均设置为锥形，随着阀芯11向后移动的阻力发生变化，阀芯11向后移动的速度产生变化，阀芯11移动速度降低后，阀芯11前端打开进液口10的速度也就降低，进液口10的流通面积增大速度降低，从而可以达到随着压力增大流量缓慢增大的目的。

在阀芯11上还增加了流量控制部，流量控制部随阀芯11向阀外壳12的出液口17移动，流量控制部与出液口17内壁的间距逐渐减小，通过流量控制部可以在压力增大到一定的值之后，逐渐减小流量。流量控制部包括一个流量控制筒20，流量控制筒20的后端外径沿介质的流向逐渐减小，复位弹簧位于流量控制筒20内侧。

流量控制筒20的形状出液口17的形状相匹配，流量控制筒20与进入出液口17后，无论是锥形的出液口17，还是直筒状的出液口17，都可以达到减小出液口17流通面积的目的，当液体的压力继续增大时，流量控制筒20将出液口17完全关闭。本实施例中是将阀外壳12的出液口17对应设计为锥形口，锥形口的直径同样沿介质的流向逐渐减小。

由于第二复位弹簧15的弹性系数大于第一复位弹簧13的弹性系数，因此通过阻尼阀9中的第一复位弹簧13和第二复位弹簧15限定了每一个液压式压电发电单体的一个工作压力区间（包括一个开启压力和一个关闭压力），当液体的压力大于第一复位弹簧13的弹力时阻尼阀9导通，所对应的液压式压电发电单体开始工作，当液体的压力逐渐大于第二复位弹簧15的弹力时，阻尼阀9逐渐关闭，所对应的液压式压电发电单体停止工作。

在并联设置的多个液压式压电发电单体的阻尼阀9中，第一复位弹簧13的弹性系数递增（或递减），同时第一复位弹簧13的弹性系数递增（或递减），因此通过不同的阻尼阀9使得不同的液压式压电发电单体具有各自的工作压力区间，且所有液压式压电发电单体的工作压力区间依次递增（或递减）。因此即使液体总管路8中的液体的流速变化较大而产生不同的压力，总有一组液压式压电发电单体与之对应工作，大大提高了发电效率。

具体工作过程及工作原理如下：

当液体总管路8中有液体流动时，由于液体在流动时会产生一定压力，液体产生的压力会与并联的多台液压式压电发电单体中的任意一台的工作压力区间相符合，此时该液压式压电发电单体工作，其他液压式压电发电单体在其各自内部阻尼阀9的作用下处于截止状态。

在处于工作状态下的液压式压电发电单体中，液体经过液体管路1流入外壳2内在流通腔4中流通的过程中，由于液体会对流通腔4的周圈施加压力，由于弹性板6为流通腔4的一端侧壁，因此液体在流过弹性板6时会对弹性板6造成挤压，弹性板6受压后会发生形变，因此布置在弹性板6表面的压电材料3会发出电能。

压电材料3的输出电极可通过弹性板6以及外壳2的壳体引出，由于密封膜的隔离作用，即使在弹性板6上设置引线孔，液体也不会进入压缩腔7内，避免了液体的泄露。同时由于在压缩腔7内设置气囊5，因此弹性板6在受压后不会过分形变而造成损坏。

如果液体的流速较为稳定，可以只设置一组液压式压电发电单体，此时可以通过设置弹性板6的弹性系数和气囊5的内部压力与液体的液压进行匹配，避免弹性板6形变过大或过小的问题。

如果液体的流速变化较大时，则利用并联式压电发电系统进行发电，此时可以通过设置弹性板6的弹性系数和气囊5的内部压力与阻尼阀9的工作压力区间相匹配，避免了并联式压电发电系统中每一台液压式压电发电单体内弹性板6形变过大或过小的问题。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：如图4所示，在本实施例中，阻尼阀9中的流量控制部包括一个同轴固定在导向轴后部的流量控制圆台21。流量控制圆台21可以是拆卸式固定在导向杆18上的部件，也可以是一体固定在导向杆18上的圆台。

工作过程与实施例1基本类似，随着介质压力的进一步增加，阀芯11继续向后移动，流量控制圆台21逐渐进入出液口17内，随着压力的增加，流量控制圆台21进入出液口17的长度逐渐增加，最终将出液口17完全关闭，本实施例的其他结构同实施例1。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于：如图5所示，第二复位弹簧15可以有多个；第一复位弹簧13与第二复位弹簧15轴向连接在阀芯11与阀外壳12之间，多个第二复位弹簧15的弹性系数均相异，多个第二复位弹簧15轴向依次叠加，可以在两个第二复位弹簧15之间设置分隔垫14。这样就可以实现多级调节，控制更加精确，且第一复位弹簧13与弹性系数最大的第二复位弹簧15组成相应液压式压电发电单体的工作压力区间。当然多个第二复位弹簧15还可以套在第一复位弹簧13的内侧或外侧，并且多个第二复位弹簧15的长度均相异。本实施例的其他结构同实施例1。

实施例4：

本实施例与实施例1的区别在于：如图6所示，设置压力传感器以及与压力传感器连接的控制器（图中均未画出），压力传感器的探头接入液体总管路8中。每一组液压式压电发电单体进口端的液体管路1中设置电磁阀22，控制器控制电磁阀22的通断。

其工作过程及工作原理为：

压力传感器对液体总管路8中的液压进行监测，并将监测到的压力值送入控制器中，控制器根据预设定好的压力空间，判断当前压力处于哪一个压力空间内，然后驱动相应液体管路1中的电磁阀22开启，其他所有电磁阀22关闭，从而代替了实施例1中的阻尼阀9。

实施例5：

本实施例与实施例1的区别在于：在每一组液压式压电发电单体的外壳2内设置多组压电模块，如图7所示为设置两组压电模块时的情况，压电模块分别设置在外壳2内两端，两组压电模块各自形成压缩腔7并间隔形成流通腔4，液体流经流通腔4是同时挤压两组压电模块实现发电。压电模块也可以沿外壳2的轴向或/和周向并排设置多组。

实施例6：

本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例中，压电模块内的压电材料3布置在弹性板6位于压缩腔7的侧面上，从而可以省略密封膜。

实施例7：

本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例中，气囊5为可充气式，其充气嘴自压缩腔7引出。

实施例8：

本实施例与实施例1的区别在于：如图8所示，在本实施例中，气囊5由弹簧23进行代替。

实施例9：

本实施例与实施例1的区别在于：如图9所示，弹性板6不采用圆弧状，而采用梯形状，其梯形状弹性板6的两端与外壳2的内壁密封连接，其顶部的平面板与外壳2接触或间隔。

实施例10：

本实施例与实施例1的区别在于：如图10所示，在本实施例的并联式压电发电系统中，在液压式压电发电单体两侧的液体管路1分别引出两条支路，在每一条支路上分别安装有一个导通方向相反的一个单向阀24，因此在液压式压电发电单体的两端设置有两组流通方向相反的支路，即无论在液体总管路8中液体的流向如何，在液压式压电发电单体的两端均存在一组支路与之对应，从而实现了液压式压电发电单体的双向发电，提高了发电效率。在液压式压电发电单体两侧的两组支路中，分别安装有一个阻尼阀9。

本申请的技术方案可以是以上实施例的任意组合。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种液压式压电发电单体，其特征在于：包括外壳（2），在外壳（2）内设置至少一组压电模块，压电模块包括弹性板（6）和压电材料（3），弹性板（6）的外周圈与外壳（2）的内壁密封固定并将外壳（2）的内腔间隔形成流通腔（4）和压缩腔（7），压电材料（3）设置有若干并布置在弹性板（6）的表面，在外壳（2）的两端分别设置有液体管路（1），液体管路（1）同时与流通腔（4）连通组成液体的流通通道。

2.根据权利要求1所述的液压式压电发电单体，其特征在于：所述的弹性板（6）为弧形状，其弧顶位于流通腔（4）内。

3.根据权利要求1所述的液压式压电发电单体，其特征在于：所述的压电材料（3）布置在弹性板（6）靠近流通腔（4）一侧的表面，且在压电材料（3）的表面设置有密封膜，密封膜为绝缘材质并将压电材料（3）从流通腔（4）中隔离。

4.根据权利要求1所述的液压式压电发电单体，其特征在于：在所述的压缩腔（7）内设置有气囊（5），气囊（5）紧贴压缩腔（7）的内壁，气囊（5）设置有充气口，充气口自压缩腔（7）引出。

5.一种利用如权利要求1~4任一项所述的液压式压电发电单体组成的并联式压电发电系统，其特征在于：所述的液压式压电发电单体并排设置有多组，每一组液压式压电发电单体通过其外壳（2）两端的液体管路（1）同时接入液体总管路（8）内，设置有用于控制所有液压式压电发电单体分时导通的流通控制单元。

6.根据权利要求5所述的并联式压电发电系统，其特征在于：所述的流通控制单元为阻尼阀（9），阻尼阀（9）设置在每一组液压式压电发电单体入口侧的液体管路（1）中。

7.根据权利要求6所述的并联式压电发电系统，其特征在于：所述的阻尼阀（9）包括阀外壳（12）和阀芯（11），阀外壳（12）的两端分别设置有进液口（10）和出液口（17），阀芯（11）滑动设置在阀外壳（12）内，阀芯（11）后端与阀外壳（12）之间设有推动阀芯（11）向进液口（10）一侧移动的一组弹性系数相异的复位弹簧；阀芯（11）上还设有流量控制部，流量控制部随阀芯（11）向阀外壳（12）的出液口（17）移动，流量控制部与出液口（17）内壁的间距逐渐减小。

8.根据权利要求7所述的并联式压电发电系统，其特征在于：所述的复位弹簧包括第一复位弹簧（13）和第二复位弹簧（15），

第一复位弹簧（13）固定在阀芯（11）与阀外壳（12）之间，第二复位弹簧（15）套在第一复位弹簧（13）的内侧或外侧，第二复位弹簧（15）的长度小于第一复位弹簧（13）；

或者第一复位弹簧（13）与第二复位弹簧（15）轴向连接在阀芯（11）与阀外壳（12）之间，第二复位弹簧（15）的弹性系数大于第一复位弹簧（13）的弹性系数。

9.根据权利要求7所述的并联式压电发电系统，其特征在于：所述的流量控制部包括流量控制筒（20）或流量控制圆台（21）；流量控制筒（20）的后端外径沿介质的流向逐渐减小，复位弹簧位于流量控制筒（20）内侧；

流量控制圆台（21）同轴固定在导向轴的后部，导向轴固定在阀芯（11）的后侧。

10.根据权利要求5所述的并联式压电发电系统，其特征在于：所述的流通控制单元为压力控制电路，压力控制电路包括安装在液体总管路（8）内的压力传感器，压力传感器的输出端接入控制器，在每一组液压式压电发电单体入口侧的液体管路（1）中设置有电磁阀（22），电磁阀（22）由控制器控制通断。