TWI388118B - 壓電發電模組 - Google Patents

Description

壓電發電模組

本發明係有關於一種具有容易組裝與承受機械衝擊作用之壓電發電模組，特別是有關於一種使用彈簧連結形成易組裝與耐外力衝擊，以及使用含並聯雙模態壓電片之懸臂式機械能與電能轉換單元的一種結構。

隨石油價格高漲，再生或潔淨能源成為新的能源發展方向，其中以太陽能、風能與生質能源的技術開發為主，又以太陽能的產業發展最迅速。唯現有的再生能源開發均遭受原料與製造成本高的問題，導致在無政府補助獎勵下無法生存，如何降低再生能源的發電成本一直是相關產業技術開發的重點。機械能是一種值得考量的能源，它始終存在於地球環境中，例如風力，浪潮變化都是機械能潛在發展的來源之一。此外，凡移動的物體也會有機械能產生，特別是，最耗石油等天然資源之一的車輛。因此機械能為地球上到處存在的能源。只是，機械能表現的形態隨時間有相當大的變化，不易獲得穩定的機械能來源。

有關機械能的利用，可參考以下的專利：JP11146663、JP2003061367。它們是以懸臂式結構為產生機械振動的基本，在懸臂上貼合壓電片形成壓電發電器。WO0120760專利揭示將壓電片貼於微加工製作的懸臂上。而JP2003061367使用懸臂帶動壓縮或拉伸壓電片使其產生電壓。

另外如專利JP9205781、US5751091、JP2004222414等使用類似懸臂結構，固定壓電片與懸臂使機械振動傳送至壓電片產生電壓，其中使用多層結構的壓電片以增加產生的電能。

專利WO2004077652、US2006226739、JP2006129602、JP2005275852、JP2001231272、JP2006012465、JP2003116285與JP11275877，揭示透過機械連動的傳送裝置，此其帶動鋼球類的硬物對壓電片表面產生撞擊，進而產生電壓輸出，如除機械連動裝置外，其中並有設計緩衝撞擊的膜、片或彈簧，利用緩衝撞擊材料來延長撞擊作用時間，使壓電片產生足夠長的電能輸出時間。由於緩衝材料的反彈力，造成撞擊力的來回擺動，因此產生交流的電壓輸出。

唯不論何種懸臂式結構，其懸臂均以固定於一不會移動的牆面上，雖然可將機械能透過牆面送至壓電片，對機械衝擊能量不具緩衝效果。

專利WO2004030949、EP1762403、MXPA05003441、WO2006009775、US2005280334、US2004108724、US6909224、US6655035、US6194815等揭示對非直線運動的機械力，亦可設計機械結構來轉換作用力方向，使其連續作用壓電片產生電壓，如，使用旋轉造成的扭力的致動器，將旋轉動能轉換成使壓電片產生連續彎曲變形的作用力，以產生電壓的輸出。

專利WO9625769、US5578889、US5548177、JP2001180575等則揭露對水流類的流體動能，透過浮標的上下浮動作為機械能傳送結構，如，因浮標結構的隨波擺動導壓電片變形產生電壓輸出。

專利US6424079，揭示使用線狀結構，受流體帶動產生扭動也可傳送機械能到壓電片上，如使其產生電壓輸出。

專利JP2003152238與US2005225207，使用帶狀的貼合壓電片結構，經過對滾的圓筒產生的壓力，受連續壓力作用產生電壓輸出，其中使用多片壓電片貼合於具彈性的膠帶上，滾軸旋轉時可以產生連續的電壓輸出。

專利JP2002218769、US2003146676、AU6020101等則揭露使用軟基材，利用外力作用使基材變形，導致附著的壓電片變形產生電壓輸出。

專利JP2003315363、JP2001339963、JP7245970等揭露多數個壓電片並貼或堆疊為增加電能輸出的方式，如透過金屬片與接線對壓電片形成串並聯電路連接，以提供大的電壓或電流輸出。

以上所述之先前技術，雖有不同運用領域，但都不具有機械過載保護功能，特別是壓電材料雖具有高的機電轉換效率，但其係陶瓷本質，使其對機械衝擊的承受力相當弱，使用時必須有保護結構。特別是，環境中機械能量常變動不定，而且會有衝擊式的能量出現。例如，上述之先前技術，皆無法使用於行進車輛這類機械能變動大的地板或路面。車輛為相對重的物體，行進中的車輛一直存在相對大的機械能，這也是常有貨車將路面壓壞的原因。因此，車輛所創造之機械能如不加以利用，實在可惜。特別是，高速公路，或都會交通瀪忙的十字路口。

有鑑於此，本發明之一目的是開發一種裝置，一種組裝高振動靈敏性的懸臂式結構，懸臂式結構以兩面貼有壓電材料片的金屬片之雙模態壓電片其一端固定於牆面形成，而固定懸臂式結構的牆面則是活動式的。這種結構設計，具有機械過載保護作用，因此，可達到有效將機械能轉換成電能的特性，是一種可承受機械衝擊之發電模組，作為行人或行進車輛運用之發電地板或發電馬路。因此可有效地由路面回收行進間車輛對路面作用的機械能。

本發明之一目的是提供一具有高機電轉換率、高機械能傳遞、機械衝擊與過載保護等特點，整個發電模組由硬質的上下平板保護，可直接埋入地面成為地板或路面的部份，真正成為發電的地板或馬路，容易整合至地面形成穩定的發電裝置。

其中，在第一實施例中包含一上蓋，其上表面用以承受外應力，一底板，相對於上蓋的下表面而設立；二固定基座設置於上蓋及底板之間；複數個固定彈簧，分別設於固定基座上表面與底板之下表面間及固定基座下表面與該底板之上表面間，因此，該些固定基座是活動的；及複數個機電轉換單元以懸臂式方式一端固定於該些固定基座的牆面上，該複數個懸臂式機電轉換單元位於該上蓋及底板所涵蓋之空間內。

在另一實施例中，則是使用ㄇ形上蓋，與ㄩ形底板。固定基座設置於上蓋及底板之間如第一實施例，以複數個固定彈簧支撐。固定基座的兩側牆面則分別設立。因此複數個懸臂機電轉換單元數量可以倍增，此外，ㄇ形上蓋，與ㄩ形底板之間留有間隙，該間隙小於或等於彈簧之最大變形量，可以達到防止過大之外力所造成彈簧之永久變形。

一如先前技術車輛為相對重的物體，如果能開發一種裝置，由馬路將行進間車輛對路面作用的機械能回收，預期將是一種足夠高能量的再生能源。

因此，本發明所揭露的技術是一種組裝高振動靈敏性的懸臂式結構，懸臂式結構以兩面貼有壓電材料片的金屬片之雙模態壓電片其一端固定於牆面形成，而固定懸臂式結構的牆面則是活動式的。這種結構埋設於馬路中形成路面的一部份，具有機械過載保護作用，在外力作用下產生電能可提供馬路指示燈，與照明需要。

依據本發明第一實施例例之壓電發電模組100結構，請參照圖1所示之立體結構示意圖，包含上蓋板105、底板115、固定基座110支撐彈簧120、懸臂式機電轉換單元135。

其中，固定基座110與上、下蓋板105、115設有彈簧固定孔112，使彈簧120能穩定的固定在基座110與上、下蓋板105、115之間。彈簧固定孔112之深度與彈簧120之可壓縮變形的最大量，係使彈簧120在未達最大變形時可使上、下蓋板105、115與固定基座110相碰觸一起，以保護彈簧120，避免機械能過大時造成彈簧120損壞。

上、下蓋板105、115及固定基座110都是平板形的。例如鋼板、或鋼筋混泥土板等鋼性材料都是理想的材料。固定基座110則作為牆面。

懸臂式機電轉換單元135包含金屬片125及粘貼於其上下兩面之壓電片130。如圖1a所示，每一固定基座110之內側(壓電發電模組100結構之內側)固定一層或一層以上之懸臂式機電轉換單元135。圖1a的示意圖中，共有兩層懸臂式機電轉換單元135之一端部分別上、下固定於固定基座110之牆面。

每層懸臂式機電轉換單元135包含多個雙模態壓電片組成，雙模態壓電片為一金屬片125的上、下兩面各貼有陶瓷壓電片130而形成。多個雙模態壓電片兩極並聯相接，在外加機械力作用下產生電能輸出至整流器，整流後的直流電再對電池充電，一固定基座110可固定多層懸臂式機電轉換單元135於其上，用以增加電能的輸出。

當有外力作用於上蓋板105時產生支撐彈簧變形，將機械能傳送至固定基座110，透過上下彈簧120的上下擺動作用，使懸臂式機電轉換單元135產生上下振動，而懸臂式機電轉換單元135因為是單側被固定，在自由端的一側則受到重力影響而使懸臂式機電轉換單元135產生上下振動的同時產生變形，而達到機械能之傳遞與轉變成電能的目的。

為使懸臂式機電轉換單元135在固定基座110上下振動時產生最大的擺動。懸臂式機電轉換單元135之自由端136可以選擇加入適當的荷重於其上，以增加增加懸臂結構的靈敏度與機電轉換效率。

固定基座110上的懸臂式機電轉換單元135可以是多層結構。例如，在圖1a實施例中一懸臂式機電轉換單元135包含多個雙模態壓電片並聯相接，固定基座110上下固定兩層懸臂式機電轉換單元135，可以視輸入機械能的大小增加層數，以提高轉換產生的電能。

圖1b示上蓋板105設有四個彈簧固定孔112之平面示意圖。圖1c則為整體結構之側視圖，其中包含兩層懸臂式機電轉換單元135，懸臂式機電轉換單元135中的雙模態壓電片以並聯方式相連接。

依據本發明第二較佳實施例之壓電發電模組102結構，請參照圖2a所示之立體結構示意圖。本實施例增加更多的懸臂式機電能量轉換單元135於其中，以形成更高發電功率之發電模組。

請參考圖2a之壓電發電模組102。包含了ㄇ形上蓋205，ㄩ形底板215。超過二個以上的固定基座110則設置於ㄇ形上蓋205與ㄩ形底板215所包圍的空間內。每個固定基座110之上下各有兩個固定彈簧120，設置於固定基座之與ㄇ形上蓋205之彈簧固定孔112內，及固定基座之彈簧固定孔112與ㄩ形底板215之彈簧固定孔112。

ㄇ形上蓋205與ㄩ形底板215之間存間隙108，此間隙108為上下蓋板垂直面可移動的最大可距離，設計使間隙108略小於固定彈簧120的最大變形量，以提供固定彈簧更佳的保護效果，避免彈簧過度變形產生損壞。亦即當ㄇ形上蓋205板遭受瞬間超過預設之外力時，ㄇ形上蓋205與ㄩ形底板215就會碰觸，從而避免固定彈簧120產生塑變而損壞。

和第一較佳實施例之壓電發電模組100結構不同處除上下蓋外，第二較佳實施例之壓電發電模組102的固定基座110的左側牆面與右側牆面都設置有兩層懸臂式機電轉換單元135。懸臂式機電轉換單元135和前述第一較佳實施例壓電發電模組100相同，第二較佳實施例為第一實施例的擴充性結構，由於容納更多懸臂式機電轉換單元135，第二實施例結構可產生更大的電能。

圖2b示ㄇ上蓋板205設有多數個彈簧固定孔112之平面示意圖。圖2c則為整體結構之側視圖，其中機電轉換單元中的雙模態壓電片以並聯方式相連接。

圖3為以75×20×0.3mm³ 雙模態壓電片12片組成懸臂式機電轉換單元135，使用兩層懸臂式機電轉換單元135組成壓電發電模組，懸臂式機電轉換單元135的自由端136施加40克的荷重，其中連結上蓋板與底板的彈簧120分別使用彈性係數為2kg/mm與4.5kg/mm兩種，在不同外力作用下壓電發電模組之電能輸出比較。

曲線150為較剛性之固定彈簧(4.5kg/mm)之表現，而曲線160為較軟性之固定彈簧(2.0kg/mm)之表現。由圖3中可看到彈性係數2kg/mm的較軟性彈簧有較低的起始作用力，當外力達80kgW以上時，轉換產生的電能增加量減少，此時彈簧呈現最大變形。而剛性固定彈簧需較大的作用力才能產生變形，起始作用力較高，同時在外力大時提供比較高的電能輸出，在140kgW外力作用下，壓電發電模組可產生達2.5W的最大功率(負載電阻為1kΩ時)，比彈性係數2kg/mm彈簧產生更多的電能。

圖4則示使用相同的懸臂式機電轉換單元135，彈簧包含2kg/mm的較軟性彈簧及4.5kg/mm的較剛性彈簧，在不同層數時，對產生的電能輸出比較圖。其中各層之雙模態壓電片間以並聯方式相連接，外力為80kg。一般隨層數增加產生的最大功率增加，相同層數時彈性係數低者有較多的電能產生，高彈性係數的彈簧則在層數多時有更多的電能產生，此項結果說明高彈性係數彈簧有利於高的層數使用，唯在平均外力較小的情況下，2kg/mm的彈簧(啟始值較小)較4.5kg/mm的彈簧有高的機械能與電能轉換效率，而在平均外力大或外力施予頻率高的情況下，基於對彈簧之保護(防止彈性疲勞(fatigue)可考慮使用彈性系數較大之剛性彈簧。因此，選擇適當的彈簧使其發揮較大的機電轉換效率以提升發電效率是相同重要的。

本發明具有以下之優點：

(1)壓電發電模組結構非常簡單與結實，各單元間以彈簧連結，容易組裝與維護。

(2)由於有上蓋及下底座間隙之保護，避免彈簧過度變形產生損壞，且固定基座所提供懸臂樑之牆面則是活動式的，可承受機械衝擊，因此，本發明懸臂式機電轉換單元受到良好之保護，同時經由彈簧搭配懸臂結構延長機電轉換時間，可產生較多的電能。特別是可以使用於承受車輛之輾壓，壓電發電模組結構可以發揮最大的較果。

(3)壓電發電模組結構可廣泛應用於各類機械能與電能之轉換，如埋設於馬路中形成路面的一部份，成為再生能源中的新產品，此種含有壓電發電模組的馬路，可提供馬路指示與照明的需要。具有高機電轉換率、承受機械衝擊與機械過載保護等特點，

以上所述，係利用較佳實施例詳細說明本發明，而非限制本發明之範圍，而且熟知此類技藝人士皆能明瞭，適當而作些微的改變及調整，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍。

100，102．．．壓電發電模組

105．．．上蓋板

110．．．固定基座

115．．．底板

112．．．彈簧固定孔

120．．．固定彈簧

125．．．金屬片

130．．．壓電片

135．．．懸臂式機電轉換單元

136．．．懸臂式機電轉換單元自由端

205．．．ㄇ形上蓋

215．．．ㄩ形底板

108．．．間隙

150(採較剛性之固定彈簧)．．．電能輸出曲線

160(採較軟性之固定彈簧)．．．電能輸出曲線

圖1a顯示本發明第一較佳實施例所提供之壓電發電模組結構示意圖；

圖1b顯示本發明第一較佳實施例所提供之壓電發電模組結構之上蓋示意圖；

圖1c顯示本發明第一較佳實施例所提供之壓電發電模組結構側視圖；

圖2a顯示本發明第二較佳實施例所提供之壓電發電模組結構示意圖；

圖2b顯示本發明第二較佳實施例所提供之壓電發電模組結構之上蓋示意圖；

圖2c顯示本發明第二較佳實施例所提供之壓電發電模組結構之側視圖示意圖；

圖3顯示以本發明之壓電發電模組結構在不同剛性(彈性系數)彈簧與外力作用下比較其電能輸出之起始值，及飽和值之比較。

圖4顯示以本發明之壓電發電模組結構在不同剛性(彈性系數之下)彈簧及層數之下，比較其電能輸出之起始值，及飽和值之比較。

100．．．壓電發電模組

105．．．上蓋板

110．．．固定基座

115．．．底板

120．．．固定彈簧

125．．．金屬片

130．．．壓電片

135．．．懸臂式機電轉換單元

136．．．懸臂式機電轉換單元自由端

Claims (11)

1. 一種壓電發電模組，至少包含：一上蓋，其上表面用以承受外應力；一底板，相對於該上蓋的下表面而設立；二固定基座設置於該上蓋及底板之間；複數個固定彈簧，該複數個固定彈簧分別設於該固定基座上表面與該上蓋之下表面間及該固定基座下表面與該底板之上表面間，因此，該些固定基座是活動的；及複數個機電轉換單元以懸臂式方式一端固定於該些固定基座的牆面上，該複數個機電轉換單元位於該上蓋及底板所涵蓋之空間內。
2. 如申請專利範圍第1項所述之壓電發電模組，其中上述之複數個固定彈簧是安裝於彈簧固定孔內。
3. 如申請專利範圍第1項所述之壓電發電模組，其中上述之機電轉換單元包含多個雙模態壓電片並聯相接所組成。
4. 如申請專利範圍第3項所述之壓電發電模組，其中上述之雙模態壓電片，係由金屬片之兩面貼附壓電片所組成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之壓電發電模組，更包含複數個荷重連結(mounted on)於該複數個機電轉換單元之自由端。
6. 一種壓電發電模組，至少包含：一ㄇ形上蓋，其上表面用以承受外應力；一ㄩ形底板，相對於該上蓋的下表面而設立；複數個固定基座設置於該ㄇ形上蓋及ㄩ形底板之間的水平部；複數個固定彈簧，該複數個固定彈簧分別設於該固定基座上表面與該ㄇ形上蓋水平部的下表面間及該固定基座下表面 與該ㄩ形底板水平部之上表面間，因此，該些固定基座是活動的，該ㄇ形上蓋垂直部與該ㄩ形底板之垂直部之間留有預定之間隙；及複數個機電轉換單元以懸臂式方式一端固定於該些固定基座的兩側牆面上，該複數個機電轉換單元位於該上蓋及下蓋所涵蓋之空間內。
7. 如申請專利範圍第6項所述之壓電發電模組，其中上述之複數個固定彈簧是安裝於彈簧固定孔內。
8. 如申請專利範圍第6項所述之壓電發電模組，其中上述之機電轉換單元，包含複數個雙模態壓電片並聯相接所組成。
9. 如申請專利範圍第8項所述之壓電發電模組，其中上述之雙模態壓電片，係由金屬片之兩側貼附壓電片所組成。
10. 如申請專利範圍第6項所述之壓電發電模組，其中上述之上下板間之間隙，小於或等於固定彈簧的最大變形量。
11. 如申請專利範圍第6項所述之壓電發電模組，更包含複數個荷重連結於該複數個機電轉換單元之自由端。