CN102148587A - 组合式压电发电装置 - Google Patents

组合式压电发电装置 Download PDF

Info

Publication number
CN102148587A
CN102148587A CN2010190260864A CN201019026086A CN102148587A CN 102148587 A CN102148587 A CN 102148587A CN 2010190260864 A CN2010190260864 A CN 2010190260864A CN 201019026086 A CN201019026086 A CN 201019026086A CN 102148587 A CN102148587 A CN 102148587A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
cantilever slab
cantilever
slab
generating device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2010190260864A
Other languages
English (en)
Inventor
边义祥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to CN2010190260864A priority Critical patent/CN102148587A/zh
Publication of CN102148587A publication Critical patent/CN102148587A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

一种组合式压电发电装置，多个两面贴有多片压电元件的悬臂板组合在一起，悬臂板的一端固定，另一端自由，不同的悬臂板之间保持平行。由于每个悬臂板的结构尺寸不同，每个悬臂板的弯曲谐振频率也不同。本发明的组合式压电发电装置，可以将环境的某个频段的机械振动能量转换成电能，实现宽频发电，并把多个压电元件的能量收集起来，发电能量大，发电效率高。

Description

组合式压电发电装置
技术领域
本发明涉及压电发电装置，一种这样的装置，可以将环境的振动机械能转换成电能。
背景技术
压电发电装置可以将周围环境或人体的振动机械能转换成电能，为电子设备供电，使电子设备无需频繁更换电池，或频繁充电，提高了电子设备的免维护性。其典型应用包括为无线传感器或无线传感网络等无线电子设备，或可移动式电子设备提供电能，在国防领域和民用领域都具有重要的应用价值。
压电发电的工作原理是基于正压电效应，将环境或人体的振动机械能转换成为电能。根据压电发电装置的结构不同，有碰撞式压电发电和弯曲式压电发电两种发电方式。碰撞式发电是利用压电元件受到碰撞时，应力发生变化，产生电能。而弯曲式压电发电是利用压电元件弯曲的时候，应力发生变化，产生电能。
弯曲式压电发电装置中，压电材料一般都是制成压电悬臂梁结构。比如中国专利CN 100414808C提出了一种压电俘能器，自由端悬挂集中质量块的悬臂梁两面粘贴压电材料，悬臂梁振动时由压电材料输出电能并存储起来，但产生的电能较小，主要用于微电子器件的供电。中国专利CN101017989A也公开了一种为微型无线传感网络节点供电的压电悬臂梁发电***，其中压电材料仍然粘贴在悬臂梁的上下两面。中国专利CN 101262189A公开了一种利用悬臂梁的压电发电装置，其中压电材料还是粘贴在金属悬臂梁的上下两面。美国专利WO2007121092也描述了主要用于微机电***(MEMS)供电的的悬臂梁结构的压电能量回收装置。上述的发明专利都是利用单个的压电悬臂梁的机械振动产生电能，由于***的结构限制，只能把外界的某一频率的机械振动转换成电能，发电效率低，频率范围窄，只能用于微型电子***的供电。中国专利CN 101272109A公开了一种利用两组叉指型的多个压电悬臂梁，进行宽频发电装置；其中的压电悬臂梁是由压电元件直接制成，或是由压电元件粘接制成的。在上述的压电发电装置中，压电悬臂梁由两种结构形式，一种是直接用元件粘贴在一起，形成压电双晶片悬臂梁结构；另一种是把压电元件粘贴在其它材料悬臂梁的两面，形成三明治结构压电悬臂梁。
在现有的压电发电专利中，无论那一种形式的压电悬臂梁结构，都是由整块的压电元件相互粘贴，或由整块的压电元件粘贴在其它材料悬臂梁的两面，形成压电悬臂梁。在压电发电装置中，常用的压电材料是压电陶瓷。由于压电陶瓷的弹性模量较大，这样由整块的压电元件制成的压电悬臂梁一阶弯曲共振频率较高，而由自然环境或人体提供的机械振动，振动频率一般很低。这样，在使用过程中，很难使压电悬臂梁达到谐振工作状态，产生的电能比较少，无法满足一般的供电需要。而且，由整块的压电元件制成的压电悬臂梁，其中的压电材料脆性较大，容易断裂损坏，影响整个压电发电装置的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是克服目前弯曲式压电发电装置中压电悬臂梁工作频率高、容易断裂损坏的缺点，提出了一种组合式压电发电装置，利用多个两面贴有多片压电元件的悬臂板进行宽频压电发电，把自然环境或人体的振动机械能转换成电能，发电量大、发电效率高、使用寿命长。
为实现上述目的，本发明采用如下技术措施：
一种组合式压电发电装置，其特征在于：包括支架、安装于支架上的悬臂板、粘贴于悬臂板的压电元件；其中上述悬臂板至少为2块，且相互之间平行，且全部悬臂板中至少有一部分悬臂板的弯曲谐振频率与其他部分悬臂板的弯曲谐振频率不同；该组合式压电发电装置还包括一端与悬臂板相联另一端与装置外壳相连的防止振动幅度过大时悬臂板之间或悬臂板和装置外壳之间碰撞的弹性绳索。悬臂板的材料、密度、弹性模量、结构尺寸、质量等均影响弯曲谐振频率。
悬臂板的一端固定，另一端自由。该结构的优点主要有：(1)一阶弯曲谐振频率较低；(2)压电元件在使用过程不易损坏，增加了装置的使用寿命。这种结构随着周围环境的振动，把振动机械能转化成电能。而且用多片压电元件代替整块压电元件粘贴在悬臂梁一面或两面，使压电悬臂梁的一阶弯曲谐振频率较低，在自然环境中，或把发电装置随身携带时，很容易使悬臂板达到弯曲谐振状态，此时，悬臂板表面的应力变化达到极大值，压电元件输出电压(电流)也达到极大值，发电效率最高。同时把悬臂板上的压电元件串联或并联联接。如果是串联连接，和单个压电元件相比，两个压电元件的输出电压增大一倍，电流不变；如果是并联连接，和单个压电元件相比，两个压电元件的输出电流增大一倍，电压不变。具体的联接方式，可以根据输出电量的需求决定。
但是，由于单个悬臂板表面粘贴的压电元件数量有限，面积较小，所发的电量也较少；且只有当环境的振动频率接近于悬臂梁的弯曲谐振频率时，才有较高的发电效率。为了提高单位时间内整个装置的发电量，把多个两面贴有多片压电片的悬臂板平行排列。同时，由于各个悬臂板的材料不同，密度、弹性模量、结构尺寸等不同，它们的弯曲谐振频率也不相同，整个装置有多个弯曲谐振频率，形成一个较宽的弯曲谐振频带。当环境的振动频率落在整个发电装置的弯曲谐振频带时，发电装置就会以较高的效率将环境的振动机械能转化成电能，输出较大的电量。
但是，当环境的振动幅度过大时，会导致悬臂板之间、悬臂板和装置外壳之间发生碰撞，容易使压电元件发生破裂，发电量下降。为了避免这种情况的发生，在悬臂板和装置外壳之间用绳索相连，绳索的长度长于自然状态时，悬臂板和装置外壳之间的距离，而且绳索是弹性的。可以是弹性材料或弹簧之一或其组合制成。当环境振动幅度过大时，绳索就起到保护悬臂板的作用。
上述的悬臂板安装于支架一端称固定端，另一端称作自由端；上述部分悬臂板的自由端可以安装有影响悬臂板弯曲谐振频率的质量块。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为压电元件的结构示意图。
图2为悬臂板的侧视图。
图3为悬臂板的俯视图。
图4为整个发电装置的安装图。
图中标号名称：1、电极I，2、压电材料，3、电极II，4、支架，5、悬臂板，6、压电元件，7、装置外壳，8、弹性绳索，9、质量块。
具体实施方式
图1描述了压电元件的结构，压电元件包括压电材料2、电极电极I和电极II。其中的电极1、3涂镀在压电材料的两面，压电材料位于2个电极的中间，类似三明治结构；压电材料的极化方向平行于厚度方向。由于正压电效应，当压电元件受到应力应变时，将在电极上产生电荷和电压。压电元件中压电材料2为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或其组合制成。所有压电元件采用串联或并联方式联接。
图2和图3描述了两面粘贴了多片压电元件的悬臂板结构的侧视图和俯视图。悬臂板5采用弹性金属材料或复合材料。多个压电元件通过胶层均匀地粘贴在悬臂板5的上下两面上；悬臂板的自由端两面对称地安装有质量块9。悬臂板的弯曲谐振频率由悬臂板、压电元件和质量块的材料、结构尺寸共同决定。当悬臂板发生振动时，粘贴在悬臂板上的压电元件将受到交变的应力，在压电元件的电极上产生电荷和电压，将振动机械能转换成电能。如果悬臂板发生谐振，则压电元件的受到的应力将达到极大值，压电元件产生的电量也会达到极大值。
图4描述了整个压电发电装置的安装图，多个具有不同结构尺寸，上下两面粘贴多片压电元件的悬臂板，一端固定在支架上，另一端自由；每个悬臂板都有各自的弹性绳索8、和装置外壳7相连，绳索的长度长于自然状态时悬臂板和装置外壳间的距离；整个装置安装在外壳里。由于各个悬臂板的结构尺寸不同，其谐振频率也各不相同，使整个装置具有多个谐振频率。当外界环境的振动引起装置外壳和支架振动时，也将使悬臂板发生振动，产生电能。当外界环境的振动频率接近某个悬臂板的谐振频率时，将会使这块悬臂板发生谐振，产生的电量达到极大值。由于整个装置具有多个谐振频率，外界环境的振动容易引起装置的谐振，可以最大程度地吸收环境中的振动能量，实现宽频发电。当外界环境的振动幅度过大时，和装置外壳相连的弹性绳索会拉住悬臂板，防止悬臂板之间、悬臂板和装置外壳之间发生碰撞；同时，也防止悬臂板的振动幅度过大，表面应力、应变过大，使压电元件产生裂纹或破裂。
本领域技术人员可以理解，本发明的组合式压电发电装置，其中，悬臂板的材料、形状、尺寸，每个悬臂板上压电元件的数量可以根据具体情况进行调整。压电材料可由压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或其组合制成。
虽然以上文字已参照特定的实施例和本发明的例子描述了本发明，但本发明不限于以上描述的实施例。按照本发明的技术原理，本领域普通技术人员参照上述技术原理实施例进行修改和变形均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种组合式压电发电装置，其特征在于：
包括支架(4)、安装于支架(4)上的悬臂板(5)、粘贴于悬臂板的压电元件(6)；
其中上述悬臂板(5)至少为2块，且相互之间平行，且全部悬臂板中至少有一部分悬臂板的弯曲谐振频率与其他部分悬臂板的弯曲谐振频率不同；
该组合式压电发电装置还包括一端与悬臂板相联另一端与装置外壳(7)相连的防止振动幅度过大时悬臂板之间或悬臂板和装置外壳之间碰撞的弹性绳索(8)。
2.根据权利要求1所述的组合式压电发电装置，其特征在于：所述的悬臂板安装于支架一端称固定端，另一端称作自由端；上述部分悬臂板的自由端安装有影响悬臂板弯曲谐振频率的质量块(9)。
3.根据权利要求1所述的组合式压电发电装置，其特征在于：所述压电元件中压电材料(2)为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物、压电复合材料之一或其组合制成。
4.根据权利要求1所述的组合式压电发电装置，其特征在于：所述悬臂板(5)采用弹性金属材料或复合材料。
CN2010190260864A 2010-02-05 2010-02-05 组合式压电发电装置 Pending CN102148587A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010190260864A CN102148587A (zh) 2010-02-05 2010-02-05 组合式压电发电装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010190260864A CN102148587A (zh) 2010-02-05 2010-02-05 组合式压电发电装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102148587A true CN102148587A (zh) 2011-08-10

Family

ID=44422632

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010190260864A Pending CN102148587A (zh) 2010-02-05 2010-02-05 组合式压电发电装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102148587A (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103166504A (zh) * 2013-04-03 2013-06-19 重庆大学 一种碰撞式微型能量采集阵列结构
CN103647475A (zh) * 2013-12-16 2014-03-19 厦门大学 一种宽频压电振动能量收集装置
GB2507132A (en) * 2012-11-13 2014-04-23 Perpetuum Ltd Electromechanical generator for converting mechanical vibration into electrical energy
WO2016004476A1 (en) * 2014-07-07 2016-01-14 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation An electromechanical transducer
CN106368136A (zh) * 2016-10-08 2017-02-01 江苏大学 一种压电式减速带能量回收装置
CN106787946A (zh) * 2017-03-07 2017-05-31 长安大学 基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置及方法
CN111585469A (zh) * 2020-06-10 2020-08-25 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种压电式自发电微能收集装置及方法
CN111614285A (zh) * 2020-06-03 2020-09-01 南京航空航天大学 一种不对称悬臂梁式压电宽频振动能量收集装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070114890A1 (en) * 2005-11-23 2007-05-24 Churchill David L Slotted beam piezoelectric composite
CN201054553Y (zh) * 2007-05-29 2008-04-30 西南科技大学 基于压电陶瓷振动发电的无线传感器网络节点供电装置
CN101272109A (zh) * 2008-05-07 2008-09-24 中国科学院电工研究所 一种宽频带压电振动发电装置
CN101572506A (zh) * 2009-06-02 2009-11-04 杭州电子科技大学 悬臂梁振动式铁电发电装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070114890A1 (en) * 2005-11-23 2007-05-24 Churchill David L Slotted beam piezoelectric composite
CN201054553Y (zh) * 2007-05-29 2008-04-30 西南科技大学 基于压电陶瓷振动发电的无线传感器网络节点供电装置
CN101272109A (zh) * 2008-05-07 2008-09-24 中国科学院电工研究所 一种宽频带压电振动发电装置
CN101572506A (zh) * 2009-06-02 2009-11-04 杭州电子科技大学 悬臂梁振动式铁电发电装置

Cited By (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2507132B (en) * 2012-11-13 2016-07-06 Perpetuum Ltd An electromechanical generator for, and method of, converting mechanical vibrational energy into electrical energy
US10461670B2 (en) 2012-11-13 2019-10-29 Perpetuum Ltd. Generator and method for converting vibrational energy into electrical energy
GB2507132A (en) * 2012-11-13 2014-04-23 Perpetuum Ltd Electromechanical generator for converting mechanical vibration into electrical energy
GB2507880A (en) * 2012-11-13 2014-05-14 Perpetuum Ltd Electromechanical generator for converting mechanical vibration into electrical energy
GB2507880B (en) * 2012-11-13 2015-03-04 Perpetuum Ltd An electromechanical generator for, and method of, converting mechanical vibrational energy into electrical energy
CN104956116A (zh) * 2012-11-13 2015-09-30 佩尔皮图姆有限公司 用来将机械振动能转化为电能的电机械发电机和方法
CN106195105B (zh) * 2012-11-13 2019-02-19 佩尔皮图姆有限公司 用来将机械振动能转化为电能的电机械发电机和方法
US9941822B2 (en) 2012-11-13 2018-04-10 Perpetuum Ltd. Generator and method for converting vibrational energy into electrical energy
CN106195105A (zh) * 2012-11-13 2016-12-07 佩尔皮图姆有限公司 用来将机械振动能转化为电能的电机械发电机和方法
CN106195106A (zh) * 2012-11-13 2016-12-07 佩尔皮图姆有限公司 用来将机械振动能转化为电能的电机械发电机和方法
CN106195106B (zh) * 2012-11-13 2019-01-15 佩尔皮图姆有限公司 用来将机械振动能转化为电能的电机械发电机和方法
CN103166504B (zh) * 2013-04-03 2015-07-29 重庆大学 一种碰撞式微型能量采集阵列结构
CN103166504A (zh) * 2013-04-03 2013-06-19 重庆大学 一种碰撞式微型能量采集阵列结构
CN103647475B (zh) * 2013-12-16 2015-08-12 厦门大学 一种宽频压电振动能量收集装置
CN103647475A (zh) * 2013-12-16 2014-03-19 厦门大学 一种宽频压电振动能量收集装置
WO2016004476A1 (en) * 2014-07-07 2016-01-14 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation An electromechanical transducer
AU2015286224B2 (en) * 2014-07-07 2019-07-11 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation An electromechanical transducer
US10797617B2 (en) 2014-07-07 2020-10-06 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Electromechanical transducer
CN106368136B (zh) * 2016-10-08 2018-08-21 江苏大学 一种压电式减速带能量回收装置
CN106368136A (zh) * 2016-10-08 2017-02-01 江苏大学 一种压电式减速带能量回收装置
CN106787946A (zh) * 2017-03-07 2017-05-31 长安大学 基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置及方法
CN106787946B (zh) * 2017-03-07 2019-01-18 长安大学 基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置及方法
CN111614285A (zh) * 2020-06-03 2020-09-01 南京航空航天大学 一种不对称悬臂梁式压电宽频振动能量收集装置
CN111585469A (zh) * 2020-06-10 2020-08-25 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种压电式自发电微能收集装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101860260B (zh) 压电振动电池装置
CN102148587A (zh) 组合式压电发电装置
CN201904739U (zh) 压电振动电池装置
US7948153B1 (en) Piezoelectric energy harvester having planform-tapered interdigitated beams
CN107707155B (zh) 一种超宽带高能效压电振动能量收集装置
CN101764531B (zh) 多工作模态压电发电机及其发电方法
CN101741278B (zh) 基于动力吸振器的压电振动能量收集装置
CN103633879B (zh) 基于柔性主梁的振动能量采集器拾振结构
CN104485851B (zh) 一种拉压式振动俘能器
CN101272109A (zh) 一种宽频带压电振动发电装置
CN102664555B (zh) 一种多频段压电振动能量收集器
CN105375818A (zh) 双曲臂型压电-电磁复合发电装置
US20170215008A9 (en) Multi-directional high-efficiency piezoelectric energy transducer
CN101997444A (zh) 新型压电能量回收装置
CN106357154B (zh) 多臂耦合型碰撞式压电能量收集装置
CN101714834A (zh) 碰撞式压电振动能量收集装置
CN103532427A (zh) 利用压电振动发电供能的物联网节点
JP2015503218A (ja) 圧電式エネルギー回収デバイス又はアクチュエータ
CN103532428A (zh) 一种宽频带压电发电装置
CN103532429A (zh) 一种阵列式压电发电装置
KR100930458B1 (ko) 압전필름을 이용한 휴대용 발전기
CN102983781A (zh) 一种压电振动俘能器
Wang et al. Design and analysis of a hollow triangular piezoelectric cantilever beam harvester for vibration energy collection
CN101350577B (zh) 采用压电陶瓷发电的装置
CN202385033U (zh) 一种单晶片悬臂式压电振动发电机

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20110810