CN102226503B - 利用振动能量压电发电的照明*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用振动能量压电发电的照明***，属于绿色照明、节能技术和辅助照明供电技术领域。包括顺序电连接的压电发电装置、电力变换装置、储能装置和灯具，压电发电装置安装于振动体的本体上，压电发电装置用于将振动能量转化为电能，电力变换装置包括整流装置，电力变换装置对压电发电装置产生的电能进行调整和转换；储能装置存储经过电力变换装置调整和变换后的电能并供灯具使用；压电发电装置通过悬臂梁振动发电机进行压电发电。本发明照明***利用环境中的振动能量转化生成电能，满足照明的需要，实现无源照明，振动能量转化效率更高，结构更加简单，并且使用更方便。

Description

利用振动能量压电发电的照明***

技术领域

本发明涉及一种照明***，特别涉及一种利用振动能量压电发电的照明***，属于绿色照明、节能技术和辅助照明供电技术领域。

背景技术

随着全球经济的迅速发展，能源供给也成了一个亟待解决的问题。除了水力、火力、核能等常规能源外，越来越多的可再生环境能源被利用起来，包括微波、光照、热、气流和振动等产生的能量。其中，振动能的开发利用已成为各国研究的热点之一。

压电陶瓷具有良好的力-电转换特性，能实现振动能到电能的转换，被广泛地应用于测量、控制、智能结构和电子信息等领域，取得了很大的进展，并有一定的研究成果。

美国麻省理工学院媒体实验室成功地开发了压电发电鞋，在鞋跟和前地面安装了压电材料，使鞋子成为充电器，收集人行走过程中的机械能。

以色列、日本等国将压电装置铺设在路面，车辆通过时路面振动产生电能，所产生的电能经过电路调整充当灯具和其他设施的工作电源，或提供给储能装置加以储存和利用。在这方面，西安交通大学曹秉刚教授等人也有相关的研究，并于2005年公开了专利公开号为CN1633008A的“利用公路面振动能量压电发电的方法及其道路灯具***”。

日本等国还将压电材料制成的地板，使用在人流密集较大的场所，如车站、步行街，行人经过时可使地板发生形变，从而获得电能，为灯具等供电。

汽车行进时车轮的运动频率相对比较稳定，法国Michelin公司设计了以特定频率为对象的压电发电装置，配合胎压计，制成了免电池式汽车轮胎监控***，并获得了多项专利。发明专利号为ZL200510041603.7的专利“利用公路路面振动能量压电发电的方法及其道路灯具***”针对为开发汽车新能源，发明了利用汽车振动能量压电发电的方法及***，将压电装置铺设于路面内或直接用压电材料作为路面组成部分，利用振动能量产生电能，并作为电力采用一定的控制方法提供给道路灯具和其他路政设施作为工作能源，或者提供给储能装置或电网加以存储和利用。该***包括：置于公路路面中的压电装置，电力变换装置，用于调整和转换压电装置产生的电能，并将电能用于储能装置；道路灯具或一个储能装置，上述压电装置与电力变换装置连接，电力变换装置与道路灯具或储能装置连接。可以有效解决山区及长途道路沿线道路灯具铺设不便的难题，达到节能环保的要求，具有显著的经济价值和社会价值。而发明专利号为ZL200410073241.5的专利公开了一种利用汽车振动能量压电发电的方法及其***，将压电装置置于汽车悬挂***中，利用振动能量产生电能，并作为一种电力供应加以存储和利用。该***包括：至少一个置于汽车悬挂***中的压电装置，用于将振动能量转换为电能；一个电力变换装置，用于调整和转换压电装置产生的电能，并将电能用于储能装置或最终用电负载；至少一个储能装置或最终用电负载；压电装置与电力变换装置连接，电力变换装置又分别与储能装置或最终用电负载相连。本发明为车辆提供了新的能量来源，尤其对于电动汽车和混合动力汽车，所获得的电能可直接供动力电源使用，从而有效增加车辆的续驶里程。采用适当的控制策略，本发明还具有半主动减振的作用。

美国新泽西州普林斯顿海洋动力技术公司正在研究从海洋获取洁净能源的方法，即把一种压电发电装置置于海浪和海流中，利用海浪和海流产生的压力和应力使压电发电装置发电。2009年杭州电子科技大学的王林翔等人也成功地授予了基于海浪能捕获的海上仪器仪表功能装置的发明专利权。

禇金奎等发明的压电鞋（CN101278768A）；在利用压电和无线网络结合应用方面，2007年杨涛等人发明了一种基于压电陶瓷振动发电的无线传感器网络节点供电装置（CN101017989A）。

2009年宁波一家电子公司公开了一种自行车LED压电发电照明装置（CN 101349391A）。自行车行驶过程中，安装在自行车的受压部位的压电发电装置受力发电，点亮安装在自行车上的LED灯即警示灯，以便夜间远方对自行车的辨识。

虽然目前已经存在很多通过压电效应将源于振动体的振动能量转化为电能的技术方案，但依然存在能量转化效率不高或压电发电装置结构复杂的技术问题。由于振动设备所处的环境空间有时较为复杂，对照明设备的工作稳定性和应急机动性也提出较高的要求，现有应急照明设备的不能很好地满足在线或离线两种方式的无源照明的需要，使用也不够便捷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于利用环境中的振动，特别是旋转机械自身的振动，转化成电能，满足环境照明的需要，如仪器仪表夜间读数及辅助照明的需要，实现无源LED照明，提供一种振动能量转化效率更高，结构更加简单，并且使用更方便的照明灯具***。

为解决上述技术问题，本发明的构思是：

将源于振动体的振动能量传递到悬臂梁,悬臂梁受到外力作用发生弯曲振动，使悬臂梁表面挠曲变形的张紧力或拉伸力转化成片状压电体承受的交变应力，压电体在自身正压电效应作用下，产生电能，悬臂梁连续的弯曲振动可产生连续电能的输出。根据上述原理，可采用压电体贴附悬臂梁表面，构成压电悬臂梁振动发电机，通过环境中自身固有振动，驱动悬臂梁振动发电机产生连续的电能。

另外，考虑在线照明和离线照明的两种需要，采用可充电镍氢电池或UPS，储存电能，当需要离线照明时，可将存储电路与照明灯具接通。采用磁性座，可将振动发电机随意固定在钢铁或铁镍合金的振动机械的所需位置，实现即放即用。采用金属软管的灯杆，可实现照明灯具的发光方向自由调节。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种利用振动能量压电发电的照明***，包括顺序电连接的压电发电装置、电力变换装置、储能装置和灯具。压电发电装置安装于振动体的本体上，并用于将振动能量转化为电能，电力变换装置包括整流装置；电力变换装置对压电发电装置产生的电能进行调整和转换；储能装置存储经过电力变换装置调整和变换后的电能并供灯具使用；灯具包括灯杆和灯具发光本体；压电发电装置通过悬臂梁振动发电机进行压电发电。

上述悬臂梁振动发电机包括发电机基座本体、固定安装于发电机基座本体上的至少一个弹性悬臂梁和固定设置于弹性悬臂梁上的压电材料，弹性悬臂梁可感应振动体的振动发生振颤并挠曲变形；压电材料的电能输出端与电力变换装置的输入端通过导线连接，电力变换装置中的整流装置的电路为桥式电路，整流装置用于将交流电转变为直流电并向储能装置输出。

上述弹性悬臂梁为平板式金属悬臂梁，并形成可振颤挠曲的固定翼；压电材料呈片状并粘贴在弹性悬臂梁上，压电材料为两片，两片压电材料的同极端面分别与弹性悬臂梁具有振颤挠曲倾向的两个表面相粘贴，从各粘结面处分别通过引出导线连接在一起形成悬臂梁振动发电机的接线电极端的一极，两个压电材料另外两个不与弹性悬臂梁相粘贴的电极端面也分别通过引出的导线连接在一起形成悬臂梁振动发电机的接线电极端的另一极；一个弹性悬臂梁、两片压电材料及分别从其同极端面引出的导线组成一组压电发电单元。

上述压电发电单元包括二组，分别位于发电机基座本体的左右两侧，形成左右平衡翼展的布局，各压电发电单元之间采取并联电路连接方式。

作为本发明技术方案的进一步改进，压电发电单元包括四组，形成左右平衡组合翼展的布局，各压电发电单元之间也采取并联电路连接方式，发电机基座本体的左右两侧各安装二组压电发电单元，其中位于发电机基座本体同侧的两组压电发电单元的弹性悬臂梁同向延伸并平行相邻，从各压电材料的同极端面引出的导线经捆扎固定后形成悬臂梁振动发电机的接线电极端；四组压电发电单元分别通过整流装置的四个桥式电路与储能装置的电路连通。

上述储能装置安装于一个电路盒内，从悬臂梁振动发电机的接线极引出的导线通过电路盒的进线孔与电力变换装置电连接；灯具安装于电路盒上，灯具包括可自由扭转任意角度的中空柔性灯杆，从储能装置引出的导线通过电路盒的出线孔并穿过柔性灯杆的中空内腔与灯具发光本体相连接；灯具发光本体为LED灯。

上述电路盒和发电机基座本体的底部各连接一个磁性表座。

上述电路盒和压电发电装置之间的导线可开合。

上述压电发电单元安装于与发电机基座本体固定连接的封闭盒体内。

上述压电材料为锆钛酸铅压电陶瓷片或PVDF压电材料。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 特别适合旋转机械振动能量的收集，对以往未加以充分利用的振动体振动能量加以利用，节能低碳，更加环保，属于绿色照明设备，适合辅助照明领域；

2. 实现即放即用，可以根据环境中的振动的空间状况适当安排照明灯具***的安装位置，满足环境照明的需要，便于携带，使用方便；

3．无论是夜间、光线不足情况下，还是在设备周边断电情况下，都可以选择照明灯具***分离式和非分离式两种无源照明方式，可以实现应急照明；

4. 结构更加简单，响应迅速，设计和制造成本低，可应用的环境广泛。

附图说明

图1是本发明的***结构图。

图2是本发明的灯具和电路盒立体结构图。

图3是本发明的灯具和电路盒结构后视图。

图4是本发明第一实施例中压电发电装置结构图。

图5是本发明第二实施例中压电发电装置结构图。

图6是本发明第二实施例的***电路原理图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1～4，实施例一中本发明利用振动能量压电发电的照明***包括顺序电连接的压电发电装置2、电力变换装置4、储能装置3和灯具1，压电发电装置2安装于振动体的本体上，压电发电装置2用于将振动能量转化为电能，电力变换装置4包括整流装置14，电力变换装置4对压电发电装置2产生的电能进行调整和转换；储能装置3存储经过电力变换装置4调整和变换后的电能并供灯具1使用；灯具1包括灯杆9和灯具发光本体8；压电发电装置2通过悬臂梁振动发电机10进行压电发电。

本实施例中的悬臂梁振动发电机10包括发电机基座本体11、固定安装于发电机基座本体11上的至少一个弹性悬臂梁7和固定设置于弹性悬臂梁7上的压电材料5，弹性悬臂梁7可感应振动体的振动发生振颤并挠曲变形；压电材料5的电能输出端与电力变换装置4的输入端通过导线13连接，电力变换装置4中的整流装置14的电路为桥式电路，整流装置14用于将交流电转变为直流电并向储能装置3输出。采用弹性悬臂梁7进行振颤吸能，具有较高的能量转化效率，弹性悬臂梁7的自由端挠曲变形张力驱动压电材料生成交变电压，向充电电池或UPS输出电能，同时具有较好的惯性输能效果。

本实施例中的弹性悬臂梁7为平板式金属悬臂梁，并形成可振颤挠曲的固定翼；压电材料5呈片状并粘贴在弹性悬臂梁7上，压电材料5为两片，两片压电材料5的同极端面分别与弹性悬臂梁7具有振颤挠曲倾向的两个表面相粘贴，从各粘结面处分别通过引出导线13连接在一起形成悬臂梁振动发电机10的接线电极端的一极，两个压电材料5另外两个不与弹性悬臂梁7相粘贴的电极端面也分别通过引出的导线13连接在一起形成悬臂梁振动发电机10的接线电极端的另一极；一个弹性悬臂梁7、两片压电材料5及分别从其同极端面引出的导线13组成一组压电发电单元15。弹性悬臂梁7可采用钢片，压电发电单元15的一个电极端是粘贴在钢片上的两个压电材料5外侧面上的焊点，从该焊点经引出导线3并联形成悬臂梁振动发电机10的接线电极端；压电发电单元15的另一个电极端可以是钢片上的焊点19引出的导线3，这样可以简化结构。当受振激励时，钢片及钢片上的压电材料5也随之振动起来，产生电能，并通过电路，收集和存储电能。一旦需要照明，将照明开关按钮置于“ON”，照明灯头点亮，并可自由调整照明的位置。不需要用时，将开关按钮置于“OFF”，实现储能。

本实施例中的压电发电单元15包括二组，分别位于发电机基座本体11的左右两侧，形成左右平衡翼展的布局，各压电发电单元15之间采取并联电路连接方式。采用两组压电发电单元15，使具有两个弹性悬臂梁7，可以更好地保证悬臂梁振动发电机10工作的稳定性，随着振源能量的输出生成交变电压。

实施例二：

本实施例二与实施例一基本相同，特别之处如下：

参见图5和图6，压电发电单元15包括四组，形成左右平衡组合翼展的布局，各压电发电单元15之间也并联电路连接方式，发电机基座本体11的左右两侧各安装二组压电发电单元15，其中位于发电机基座本体11同侧的两组压电发电单元15的弹性悬臂梁7同向延伸并平行相邻，从各压电材料5的同极端面引出的导线13经捆扎固定后形成悬臂梁振动发电机10的接线电极端；四组压电发电单元15分别通过整流装置14的四个桥式电路与储能装置3的电路连通。在本实施例中，悬臂梁振动发电机10是由四组压电发电单元15并联组成，形成四个并联的小电机，其输出端是可由两极捆绑后穿过导线走线固定座与外部导线13相连的。四个弹性悬臂梁7形成组合式翼展的布局，可以转化生成更多的电能，使悬臂梁振动发电机10具有更好的稳定性。

除以上两个实施例外，本发明中的压电发电单元15可以还可采用一组、三组、五组等奇数组，或者六组、八组等偶数组，本发明不在于穷举各个实施例，而在于说明该发明的技术方案不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的作出多种变化和组合。

本发明所有实施例中的储能装置3安装于一个电路盒6内，从悬臂梁振动发电机10的接线极引出的导线通过电路盒6的进线孔与电力变换装置4电连接；灯具1安装于电路盒6上，灯具1包括可自由扭转任意角度的中空柔性灯杆9，从储能装置3引出的导线通过电路盒6的出线孔并穿过柔性灯杆9的中空内腔与灯具发光本体8相连接；灯具发光本体8为LED灯。本发明的灯具1可通过螺栓固定在电路盒6上，电路盒6的输入端导线13与悬臂梁振动发电机10的输出端导线13相连，电路盒6的输出端导线13与灯具1相连。  参见图2、图3和图6，如本法实施例二的灯具1是由4个灯具发光本体8并联组成，可通过波纹金属软管制成的柔性灯杆9安装在电路盒6上，在一定范围内灯具发光本体8的位置可活动。电路盒6中集成了收集存储电路，当悬臂梁振动发电机10工作时，打开平拨开关，电路工作存储电能；打开灯具1的开关按钮，灯具发光本体8可点亮；旋转灯具1的调光旋钮，可改变本法能量收集存储电路***的输出功率。实施例二中的灯具发光本体8是由4组LED并联组成，由LED开关控制LED通电与断电，由调节亮度旋钮控制LED亮的程度，其中LED可采用超高亮度的5BB4HC型LED。

实施例三：

本实施例与实施例一和实施例三基本相同，特别之处在于增加了磁性表座12，在电路盒6和发电机基座本体11的底部各连接一个磁性表座12。两个磁性表座12是可用于固定装置位置，当旋转磁性表座12的开关打到“ON”时，装置就可以牢牢粘附在铁镍材质的设备表面；当旋转开关打到“OFF” 时，装置就可以从铁镍材质的设备表面脱离。

上述电路盒6和压电发电装置2之间的导线可开合。将设备物理断开或接合可以将电路盒6和发电设备分开和组装，实现灯具1的在线照明或在线离线无源照明，提高照明的便捷性。

本发明所有实施例中的压电发电单元15可安装于与发电机基座本体11固定连接的封闭盒体内。封闭在盒体内的压电发电单元15与外界隔离，提高***工作适应的能力，可以在露天、阴雨、气雾和酸碱等复杂下应用。

本发明的压电材料5为锆钛酸铅压电陶瓷片或PVDF压电材料。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的作出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，如压电发电装置的结构可以采用其他的构造形式，压电材料可以选择其他的具有压电效应的材料，只要是基于压电效应发电的原理，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用振动能量压电发电的照明***，包括顺序电连接的压电发电装置（2）、电力变换装置（4）、储能装置（3）和灯具（1）；所述压电发电装置（2）安装于振动体的本体上，所述压电发电装置（2）用于将振动能量转化为电能；所述电力变换装置（4）包括整流装置（14），所述电力变换装置（4）对所述压电发电装置（2）产生的电能进行调整和转换；所述储能装置（3）存储经过所述电力变换装置（4）调整和变换后的电能并供所述灯具（1）使用；所述灯具（1）包括灯杆（9）和灯具发光本体（8）；其特征在于：所述压电发电装置（2）通过悬臂梁振动发电机（10）进行压电发电，所述悬臂梁振动发电机（10）包括发电机基座本体（11）、固定安装于所述发电机基座本体（11）上的至少一个弹性悬臂梁（7）和固定设置于所述弹性悬臂梁（7）上的压电材料（5），所述弹性悬臂梁（7）可感应振动体的振动发生振颤并挠曲变形；所述压电材料（5）的电能输出端与所述电力变换装置（4）的输入端通过导线（13）连接，所述电力变换装置（4）中的整流装置（14）的电路为桥式电路，所述整流装置（14）用于将交流电转变为直流电并向所述储能装置（3）输出；所述弹性悬臂梁（7）为平板式金属悬臂梁，并形成可振颤挠曲的固定翼；所述压电材料（5）呈片状并粘贴在所述弹性悬臂梁（7）上，所述压电材料（5）为两片，所述两片压电材料（5）的同极端面分别与所述弹性悬臂梁（7）具有振颤挠曲倾向的两个表面相粘贴，从各粘结面处分别通过引出导线（13）连接在一起形成所述悬臂梁振动发电机（10）的接线电极端的一极，所述两个压电材料（5）另外两个不与所述弹性悬臂梁（7）相粘贴的电极端面也分别通过引出的导线（13）连接在一起形成所述悬臂梁振动发电机（10）的接线电极端的另一极；一个所述弹性悬臂梁（7）、两片所述压电材料（5）及分别从其同极端面引出的导线（13）组成一组压电发电单元（15）；所述压电发电单元（15）包括二组，分别位于所述发电机基座本体（11）的左右两侧，形成左右平衡翼展的布局，各所述压电发电单元（15）之间采取并联电路连接方式；或者所述压电发电单元（15）包括四组，形成左右平衡组合翼展的布局，各所述压电发电单元（15）之间也并联电路连接方式，所述发电机基座本体（11）的左右两侧各安装二组压电发电单元（15），其中位于所述发电机基座本体（11）同侧的两组所述压电发电单元（15）的弹性悬臂梁（7）同向延伸并平行相邻，从各所述压电材料（5）的同极端面引出的导线（13）经捆扎固定后形成所述悬臂梁振动发电机（10）的接线电极端；四组所述压电发电单元（15）分别通过整流装置（14）的四个桥式电路与所述储能装置（3）的电路连通。

2.根据权利要求1所述的利用振动能量压电发电的照明***，其特征在于，所述储能装置（3）安装于一个电路盒（6）内，从所述悬臂梁振动发电机（10）的接线极引出的导线通过所述电路盒（6）的进线孔与所述电力变换装置（4）电连接；所述灯具（1）安装于所述电路盒（6）上，所述灯具（1）包括可自由扭转任意角度的中空柔性灯杆（9），从所述储能装置（3）引出的导线通过所述电路盒（6）的出线孔并穿过所述灯杆（9）的中空内腔与所述灯具发光本体（8）相连接；所述灯具发光本体（8）为LED灯。

3. 根据权利要求2所述的利用振动能量压电发电的照明***，其特征在于，所述电路盒（6）和所述发电机基座本体（11）的底部各连接一个磁性表座（12）。

4. 根据权利要求2所述的利用振动能量压电发电的照明***，其特征在于，所述电路盒（6）和所述压电发电装置（2）之间的导线可开合。

5. 根据权利要求1所述的利用振动能量压电发电的照明***，其特征在于，所述压电发电单元（15）安装于与所述发电机基座本体（11）固定连接的封闭盒体内。

6.根据权利要求1所述的利用振动能量压电发电的照明***，其特征在于，所述压电材料（5）为锆钛酸铅压电陶瓷片或PVDF压电材料。

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