CN208143114U - 建筑物振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种建筑物振动能量收集装置，包括：基础结构和与基础结构相连接的构件，基础结构和构件上分别设置有安装板，在基础结构的安装板上设置有安装座，安装座上端开口，下端固定连接于基础结构的安装板，在安装座的内部，设置有与安装座同心的套筒，套筒的上端开口方向与安装座的上端开口方向相同，下端可相对于基础结构活动，在构件的安装板上固定安装轴，轴可活动的插入套筒，且可相对于套筒上下移动，在安装座和套筒之间填充有缓冲材料，在缓冲材料中埋设有一个或多个压电薄膜元件。本实用新型能够应用于常见的高层建筑、桥梁、道路等建筑物，高效的收集和转化建筑物中的振动能量，并具有可靠性高、耐用性好等优点。

Description

建筑物振动能量收集装置

技术领域

本实用新型涉及一种建筑物振动能量收集装置，具体的说是一种利用压电元件的建筑物振动能量收集装置。

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。人类发展历史中最初的几千年处于柴薪时期，能源主要以生物质能为主；18世纪中期，随着科学技术的发展、高品质能源需求的扩大、化石能源开采水平的提高，人类逐步过渡到以煤、石油为主的化石能源时期，能源的相对廉价在一定程度上促进了科技革命的进程以及工业化国家的经济发展；然而化石能源属于非可再生能源，虽然化石能源可开采的具体年限尚未有统一的定论，但其可预期的耗竭已是共识，能源结构从非可再生能源转向可再生能源的调整是人类能源结构发展的趋势。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。可再生能源可以从环境中不断得到补充或能在较短周期内再产生；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。与化石能源相比，将可再生的环境能源加以收集并利用，更为符合可持续发展的要求。

随着城市化建设的推进，高层楼房、桥梁、道路等越来越密集，在这些建筑物中，由于风力的作用，或者车辆的行驶等，时时刻刻都在发生着微小的振动，这些振动构成了我们身边的环境能量。对这些环境能量加以收集、储存、利用，有助于缓解能源危机，有助于构建绿色的现代化社会。

目前常见的利用环境中振动能量的方法是将压电材料铺设于道路路面结构中，利用压电效应将道路上交通荷载产生的部分机械能转化为电能，继而将产生的电能收集、处理、利用。自从居里兄弟发现压电效应至今，经过100多年的研究积淀，针对压电材料性能及应用研究已日趋成熟。由于其优良的能量转换能力，压电能量收集系统受到了全球科研机构及企业的普遍关注。2008年，以色列的INNOWATTECH公司与海法理工学院共同研发了应用于道路工程的压电能量收集系统。然而，该技术尚处于对外保密阶段，不能给中国研究者提供直接参考。同时，该技术只能应用于交通道路路面的振动能量收集，不能在高层建筑、桥梁等更广阔的范围进行环境振动能量的收集，具有一定的局限性。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术存在的缺陷，提供一种建筑物振动能量收集装置，具体的说是一种利用压电元件的建筑物振动能量收集装置，能够广泛的应用于常见的高层建筑、桥梁、道路等建筑物，能够高效的收集和转化建筑物中的振动能量，并且具有可靠性高、耐用性好等优点。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型提供的建筑物振动能量收集装置，包括：基础结构和与基础结构相连接的构件，基础结构和构件上分别固定设置有安装板，在基础结构的安装板上固定设置有安装座，安装座上端开口，下端固定连接于基础结构的安装板，在安装座的内部，设置有与安装座同心的套筒，套筒的上端开口方向与安装座的上端开口方向相同，下端可相对于基础结构活动，在构件的安装板上固定安装轴，轴可活动的从套筒的上端开口中插入套筒，且可相对于套筒上下移动，在安装座和套筒之间填充有缓冲材料，在缓冲材料中埋设有一个或多个压电薄膜元件，压电薄膜元件通过导线与整流电路和储能模块相连接。

所述的压电薄膜元件为层状结构，所述层状结构包括一层聚偏氟乙烯薄膜作为压电材料，所述聚偏氟乙烯薄膜通过一层镍基的导电薄膜贴合到一层聚酰亚胺基体膜上，在所述聚偏氟乙烯薄膜和所述聚酰亚胺基体膜各自的外侧，还分别贴合一层镍基的导电薄膜，所述的压电薄膜元件被设置为一定的弧度。

所述的压电薄膜元件由多个所述的层状结构相互层叠在一起构成。

在安装座和套筒之间，间隔一定距离还设置有一层或多层的加强板，所述加强板与安装座同心设置。

在安装座的径向方向上设置有多组压电薄膜元件，并且，所述多组压电薄膜元件与多层的加强板交错间隔设置。

所述的安装座、套筒和加强板均由结构钢制成；安装座与缓冲材料接触的内表面，以及套筒与缓冲材料接触的外表面均进行粗糙化处理；缓冲材料通过高温硫化处理与安装座的内表面和套筒的外表面相连接。

本实用新型与现有技术相比，具有以下的有益效果：1.本实用新型的建筑物振动能量收集装置结构简单，通用性强，能够广泛的应用于常见的高层建筑、桥梁、道路等建筑物，能够高效的收集和转化建筑物中的振动能量。2.传统的压电效应的振动能量收集装置多利用道路表面上车辆产生的上下的压力，由压电元件承受压力使振子产生变形从而产生电流，在外界压力过大，超过压电振子的承受范围时，会使压电振子产生永久性的损坏，导致系统失去作用。本装置中将柔性的压电薄膜元件至于具有保护作用的缓冲材料中，既能够感应振动，产生变形以产生电流，又可以避免压电元件损坏，提高了系统的可靠性，耐用性好。

附图说明

图1为本实用新型建筑物振动能量收集装置的结构示意图。

图2为图1中建筑物振动能量收集装置沿A-A线的剖视图。

图3为本实用新型中压电薄膜元件的结构示意图。

图4为本实用新型中振动能量收集装置的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作出进一步的描述和解释，但不作为对本实用新型保护范围的限制。

如图1和图2所示，本实用新型的建筑物振动能量收集装置包括：基础结构1和与基础结构1相连接的构件2。本实用新型的建筑物振动能量收集装置特别适合安装在建筑物中不同构件相连接的位置，如高层建筑构件的连接处、桥梁构件的连接处等。在基础结构1上固定设置有安装板3，在与基础结构1相连接的构件2上固定设置有安装板4。在安装板3上固定设置有安装座5，在本实施例中，安装座5被设置为上端开口的圆筒形，安装座5下端固定连接于安装板3。除了圆筒形外，安装座5也可以是其他的形状，例如，上端开口的方形筒、椭圆形筒或者多边形筒等。在安装座5的内部，设置有与安装座5同心的套筒6。在安装座5为圆筒形的情况下，套筒6为与安装座5同心的圆筒形套筒。套筒6的上端开口方向与安装座5的上端开口方向相同，下端开口可相对于基础结构1和安装板3活动。在构件2的安装板4的与基础结构1的安装板3相对应的一面上，固定安装有轴7，轴7可活动的从套筒6的上端开口中插入套筒6，轴7可相对于套筒6上下移动，同时其插入的深度也能保证基础结构1和构件2两者连接的要求，使两者不会相互分离。为了保证建筑物连接处的结构强度，上述部件安装板3、安装板4、安装座5、套筒6和轴7由具有一定强度的材料制成，例如，由符合建筑结构强度要求的结构钢材料制成。

在安装座5和套筒6之间填充有缓冲材料8，以在连接处形成缓冲结构。缓冲材料8可以从建筑领域中常用的缓冲材料中选用，本实用新型对此不做特别限制。同时，为了保证连接处的连接可靠性，安装座5与缓冲材料8接触的内表面，以及套筒6与缓冲材料8接触的外表面均进行粗糙化处理。缓冲材料8通过高温硫化处理与安装座5的内表面和套筒6的外表面相连接。此外，在安装座5和套筒6之间，间隔一定距离还设置有一层或多层的加强板9。加强板9可以由具有一定刚性和强度的材料制成，例如，结构钢板。通过设置加强板9，可以增强缓冲材料8的刚性，使得本实用新型的连接结构在具有一定柔性和减振效果的同时，保持必要的刚性和连接强度，从而优化本实用新型的建筑物连接结构。加强板9可以设置为与安装座5同心的一层或多层，在安装座5为圆筒形的情况下，加强板9可以设置为与安装座5同心的一层或多层圆筒形。

为了收集建筑物在连接处产生的振动，本实用新型在安装座5和套筒6之间的缓冲材料8中埋设有一个或多个压电元件10，并从中引出用于导电的导线(图中未示出)，导线与必要的整流电路和储能模块相连接，用于给建筑物上的用电器件或其他的用电器件供电。在本实用新型中，压电元件10由柔性的压电薄膜元件10构成，压电薄膜元件10包括多层结构。在将压电薄膜元件10布置在安装座5和套筒6之间的缓冲材料8中时，使得压电薄膜元件10的厚度方向与安装座5的径向方向一致，相应的，其宽度方向和长度方向分别与安装座5的轴向方向和圆周方向相一致。为了充分利用建筑物连接处产生振动时，在缓冲材料8中各处产生的振动，本实用新型在安装座5的径向方向上设置有多组压电薄膜元件10。并且，这些多组压电薄膜元件10与多层的加强板9交错间隔设置。同时，为了进一步充分利用建筑物连接处产生振动时，在缓冲材料8中各处产生的振动，本实用新型在安装座5的圆周方向上，同样设置有多组压电薄膜元件10。并且，这些多组压电薄膜元件10沿安装座5的圆周方向均匀分布设置。

下面结合图3，具体说明本实用新型的压电薄膜元件10的结构。图3的观察方向与图2的相同。在图3中，本实用新型的压电薄膜元件10为层状结构，包括一层聚偏氟乙烯薄膜101作为压电材料，聚偏氟乙烯薄膜101通过一层镍基的导电薄膜103贴合到一层聚酰亚胺基体膜102上。该聚酰亚胺基体膜102被预先设置好一定的弧度，当聚偏氟乙烯薄膜101被贴合到聚酰亚胺基体膜102上时，也将被动的保持相同的弧度。在聚偏氟乙烯薄膜101和聚酰亚胺基体膜102各自的外侧，还分别贴合一层镍基的导电薄膜103，用作导电和其他压电薄膜元件结合时使用。为了提高压电元件输出的功率，在实际应用中，可以将多个上述的压电薄膜元件10层叠在一起使用，这相当于将多个电源并联在一起，提高了输出功率。

下面结合图4，说明本实用新型的工作原理。在本实用新型的建筑物振动能量收集装置使用时，由于建筑物连接处的振动，导致缓冲材料8中埋设的一个或多个压电元件10振动，由此产生电流，将压电元件10与必要的整流电路和储能模块相连接，用于给建筑物上的用电器件或其他的用电器件供电。

本实用新型将压电薄膜元件10埋设在建筑物连接处的缓冲材料8中，并采用特殊的安装座5和套筒6的结构，使得压电元件10既能够感应振动，产生变形以产生电流，又可以避免压电元件10损坏，提高了系统的可靠性，耐用性好。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种建筑物振动能量收集装置，包括：基础结构(1)和与基础结构(1)相连接的构件(2)，基础结构(1)和构件(2)上分别固定设置有安装板(3、4)，在基础结构(1)的安装板(3)上固定设置有安装座(5)，安装座(5)上端开口，下端固定连接于基础结构(1)的安装板(3)，在安装座(5)的内部，设置有与安装座(5)同心的套筒(6)，套筒(6)的上端开口方向与安装座(5)的上端开口方向相同，下端可相对于基础结构(1)活动，在构件(2)的安装板(4)上固定安装轴(7)，轴(7)可活动的从套筒(6)的上端开口中插入套筒(6)，且可相对于套筒(6)上下移动，在安装座(5)和套筒(6)之间填充有缓冲材料(8)，在缓冲材料(8)中埋设有一个或多个压电薄膜元件(10)，压电薄膜元件(10)通过导线与整流电路和储能模块相连接。

2.如权利要求1所述的一种建筑物振动能量收集装置，其特征在于：所述的压电薄膜元件(10)为层状结构，所述层状结构包括一层聚偏氟乙烯薄膜(101)作为压电材料，所述聚偏氟乙烯薄膜(101)通过一层镍基的导电薄膜(103)贴合到一层聚酰亚胺基体膜(102)上，在所述聚偏氟乙烯薄膜(101)和所述聚酰亚胺基体膜(102)各自的外侧，还分别贴合一层镍基的导电薄膜(103)，所述的压电薄膜元件(10)被设置为一定的弧度。

3.如权利要求2所述的一种建筑物振动能量收集装置，其特征在于：所述的压电薄膜元件(10)由多个所述的层状结构相互层叠在一起构成。

4.如权利要求3所述的一种建筑物振动能量收集装置，其特征在于：在安装座(5)和套筒(6)之间，间隔一定距离还设置有一层或多层的加强板(9)，所述加强板(9)与安装座(5)同心设置。

5.如权利要求4所述的一种建筑物振动能量收集装置，其特征在于：在安装座(5)的径向方向上设置有多组压电薄膜元件(10)，并且，所述多组压电薄膜元件(10)与多层的加强板(9)交错间隔设置。

6.如权利要求5所述的一种建筑物振动能量收集装置，其特征在于：所述的安装座(5)、套筒(6)和加强板(9)均由结构钢制成；安装座(5)与缓冲材料(8)接触的内表面，以及套筒(6)与缓冲材料(8)接触的外表面均进行粗糙化处理；缓冲材料(8)通过高温硫化处理与安装座(5)的内表面和套筒(6)的外表面相连接。