CN102777327A - 一种基于压电效应的微风发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电效应的微风发电装置，包括底板以及设置在底板上的压电阵子和升力型风机，在升力型风机的转轴上连接有带齿的凸轮，压电阵子均布在凸轮的外侧，凸轮的齿顶为尖顶，凸轮的齿数为N，压电阵子的个数为M，其中，M与N互质，且2≤M≤18，4≤N≤19。凸轮的齿数与压电片振子的个数互质，可以保证在同一时刻，凸轮只与一个压电振子接触，减小瞬时阻力的峰值，使得风机在转动过程中更加平稳，凸轮的齿顶被磨尖，在拨动压电振子之后，便不在接触。此后，压电振子开始自由振动，有效地利用了每次拨擦所带来的能量。有效降低了旋转阻力，提高了能量利用效率，使得本装置的启动风速和工作风速和以往技术相比有所降低。

Description

一种基于压电效应的微风发电装置

技术领域

本发明涉及一种微风发电装置，具体是一种适用于无线传感网络的压电式发电装置。

背景技术

无线传感器网络的大量应用，使得无线传感器的供能问题成为一种有待解决的问题，现有无线传感器网络主要采用电池供电的传统供电方式，而传统功能方式存在供能时间有限，经常需要更换电池的缺点；因此从自然界中汲取一切微小的能量，实现自供能***装置成为一种非常有效的解决途径。

由于无线传感器的低功耗需求，使得微小能量的利用成为可能。本发明研制一种基于压电效应的磁浮式微风发电装置，利用风力驱动叶片带动发电机转子旋转，然后转子上的链轮轮齿带动定子上的压电振子振动，通过压电振子自由振动产生输出电荷，存储至蓄电器中。目前这方面的研究成果主要如下：国际方面，美国德州大学的Shashank Priya教授和其他材料科学与工程计划的研究人员采用压电器件制造出了一种小型发电机^[1]。这种发电机可由时速8～16公里的风力驱动，发电机的桨叶连到凸轮上，使围绕轴排成圆形的一串双压电晶片产生振荡。一个采用APC855陶瓷制造的双压电晶片可输出0.935mW的功率，由11个压电晶片组成的单元可输出10.2mW的功率。这种发电机要求风速较高，对环境要求苛刻，风速不稳定或者较低时，则不能发电或者发电极为不稳定。国内方面，重庆大学进行振动式MEMS微型发电机实用化关键技术研究，研制成功接近实用化的振动式压电微型发电机样机，其输出功率为50-500uW，输出电压大于3V^[2]。

[1] S. Priya, C.T. Chen, D. Fye and J. Zahnd, “Piezoelectric Windmill: A Novel Solution to Remote Sensing,” Japanese Journal of Applied Physics, Vol.44, No.3, pp.104-107,2005.

[2] 微型发电机，专利号：200310111187.4。

发明内容

发明目的

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种能够在更低风速启动并发电的微风发电装置，有效提高了从环境中获取能量的效率。

技术方案

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于压电效应的微风发电装置，包括底板以及设置在底板上的压电阵子和升力型风机，在升力型风机的转轴上连接有带齿的凸轮，所述的压电阵子均布在凸轮的外侧，所述的凸轮的齿顶为尖顶，凸轮的齿数为N，所述的压电阵子的个数为M，其中，M与N互质，且2≤M≤18， 4≤N≤19。

所述的压电阵子包括压电阵子基板和压电元件，所述的压电片基板一端为夹持端，另一端为拨擦端，在压电阵子基板的中部设置有阵列孔，所述的压电元件设置在压电阵子基板的中部。

压电元件为压电片或压电膜。

在所述的底板与升力型风机之间还设置有两块极性相反的圆形磁铁，两块磁铁的圆心与升力型风机的转轴轴心在同一直线上，一块磁铁与升力型风机的转轴连接，另一块磁铁固定在底板上。

在所述的底板上设置有一压电片夹持块，在该压电片夹持块上开设有夹持槽，所述的压电振子固定在所述的夹持槽内。

本发明发电装置由风力驱动叶片，带动与齿轮固定相连的转轴转动，旋转的齿轮拨动呈星状结构固定在基座上的单个发电单元，发电单元中的压电片或者压电膜受迫振动，利用压电材料作为介质，通过正压电效应将振动能量转换为电能。压电单元采用多孔阵列结构不锈钢薄片作为压电振子基板，通过中间黏合介质构建单侧片状压电振子部件。同时在压电振子基板上开有阵列孔，以减小弯曲所需应力。该结构压电振子可在满足压电陶瓷拉伸极限条件下，提高压电振子的刚性系数和固有频率，降低压电振子的驱动力，从而降低发电装置所需的启动风速和工作风速。拨动压电振子的齿轮的齿顶设计为尖状，以避免在拨动过程中产生挤压，提高能量的利用率。输出能量经转换电路装置存储至蓄能装置或最终负载中。此外，本发明采用磁浮式的旋转机构，运用磁力补偿风叶和连接轴的重力产生的轴承旋转阻力，可有效降低旋转阻力。本发明为无线传感器网络的能量供应提供了一种解决方法，装置对工作环境要求低，可在最低时速4公里的微风环境中工作，输出功率达到15mW，具有启动风速和工作风速低，输出功率高的特点，可有效延长无线传感器网络的工作周期。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、风力发电机采用了垂直轴安装的方式，配合了磁浮装置，可以有效的减小摩擦力。同时，也是全风向有效，解决了风向变幻莫测的问题。风叶也齿轮采用直接连接，减少了传动带来的能量损耗。在此处，凸轮的齿数与压电片振子的个数互质，可以保证在同一时刻，凸轮只与一个压电振子接触，减小瞬时阻力的峰值，使得风机在转动过程中更加平稳，凸轮的齿顶被磨尖，使得凸轮与压电振子的接触只在一瞬间。在拨动压电振子之后，便不在接触。此后，压电振子开始自由振动，有效地利用了每次拨擦所带来的能量。直到下一次拨擦，如此循环往复。还有夹块部分，通过中间开缝的形式，可以方便的调整压电片与凸轮拨擦的程度。

2、基板采用了悬臂梁方式夹持，弯曲变形主要集中在中间部分（越靠近固定端，弯曲程度越大）。由于压电片产生电能主要依靠弯曲变形来产生，所以此处压电片只粘贴在中间部分。拨擦端的弯曲变形小，如果粘贴压电片则效果不明显，且增大了拨擦阻力。

3、为了能够使基板的弯曲集中在中间部分，同时减少弯曲所需的拨擦力，基板的中间部分采用了阵列小孔的结构。如果直接开一个大孔，则会影响到压电片与基板的贴合程度，使得压电片容易在振动过程中断裂。采用密集的阵列小孔，可以有效的避免应力集中，同时保证压电片与基板的贴合程度。在保证结构强度的情况下，采用密集阵列小孔的方式可以降低结构的固有频率，提高压电振子的发电效率。

4、为无线传感器网络提供了一种新的无源功能方式，延长了无线传感器网络的工作周期。

5、由于压电材料具有很高的能量密度，因此该装置体积小，重量轻，便于安置。

6、本***采用立轴风电方式，通过磁浮式轴承机构，有效降低了旋转阻力，提高了能量利用效率，使得本装置的启动风速和工作风速和以往技术相比有所降低；降低了本装置对工作环境的要求。

7、本***应用广泛，可用于野外无人环境中的低功耗电子设备的能量供应。

附图说明

图1是本发明的***结构图。

图2是风力转换装置结构图。

图3是压电发电装置齿轮与压电振子布置示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是图4的A部放大示意图。

图6是将发电装置产生的电能储存到蓄电器的电路图。

图中：1、叶片；2、罩壳；3、转轴；4、叶片支架；5、上轴承座；6、轴承；7、紧定螺钉；8、齿轮；9、压电片夹持块；10、电路模块；11、沉头螺钉；12、下轴承座；13、磁铁；14、压电振子基板；15、压电片；16、衬板；17、底板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。如图1、图2所述，本发明微风发电装置，采用升力型风机，叶片为升力型叶片，叶片1由复合材料制作而成。通过叶片支架4将多个叶片以一定角度安装固定，叶片支架4使用空心不锈钢管焊接而成。叶片支架4与转轴3固连，在风里驱动下一起转动，如图1所示。转轴3采用上下两个轴承6支撑，转轴上安装有齿轮8，齿轮的齿为尖齿，且齿的个数为M。在本实施例中，齿轮的齿数为11个，用以拨动压电振子。

压电振子设置在齿轮的***，如图3所示，其数量为N，为了使得压电振子和齿始终只有一个相互作用，所以要求其他的压电阵子和齿不能干涉，因为首先要求N与M互质，同时，考虑到压电阵子的振动，所以存在一定的振幅，还有齿的尖端并不完全是一个点，以凸轮齿顶圆直径为25mm计算，故圆周长度为25*πmm≈78.54mm，压电振子振幅为3mm左右，为保证相互不干涉，所以选取两个之间的最小间距为4mm，78.54mm/4mm≈19，所以4≤N≤19。在本实施例中，电压阵子的数量为12个。因为M与N互质，所以2≤M≤18。

由压电振子基板14和压电片15通过AB胶粘接而成。压电振子基板14采用80*20mm的0.3mm厚不锈钢板切割而成，并在粘贴压电片位置打有3*2的孔径为3mm小孔的阵列孔。压电片15采用25*20mm的0.25mm厚PZT-5H压电材料。在粘贴前需要使用酒精清洗，保持表面无异物。AB胶的厚度应保持在0.1mm以内，并在压电片15的上下焊接正负极引出导线。压电振子安装在压电片夹持块9上后需要进行调整，保证齿轮8能够顺利拨动压电振子，达到3mm左右的振幅，如图5所示。

在齿轮8拨动压电振子后，首先是受迫弯曲，然后是自由振动。由于压电片的弯曲，根据正压电效应，压电片15上下表面产生一定的电压差。受迫弯曲产生的电压差较大，之后的自由振动将齿轮8提供的拨动能量充分利用，转换出正负变化的电压。压电片的引出线需要统一接入电路模块10。充电电路为现有技术，电路图如图6所示，首先通过电桥进行整流，然后通过7144芯片将电压稳定到4.4V，最后充入电池供无线传感器使用。

Claims (5)

1.一种基于压电效应的微风发电装置，包括底板以及设置在底板上的压电阵子和升力型风机，在升力型风机的转轴上连接有带齿的凸轮，所述的压电阵子均布在凸轮的外侧，其特征在于：所述的凸轮的齿顶为尖顶，凸轮的齿数为N，所述的压电阵子的个数为M，其中，M与N互质，且2≤M≤18， 4≤N≤19。

2.根据权利要求1所述的基于压电效应的微风发电装置，其特征在于：所述的压电阵子包括压电阵子基板和压电元件，所述的压电阵子基板一端为夹持端，压电阵子基板另一端为拨擦端，在压电阵子基板的中部设置有阵列孔，所述的压电元件设置在压电阵子基板的中部。

3.根据权利要求2所述的基于压电效应的微风发电装置，其特征在于：所述的压电元件为压电片或压电膜。

4.根据权利要求1所述的基于压电效应的微风发电装置，其特征在于：在所述的底板与升力型风机之间还设置有两块极性相反的圆形磁铁，两块磁铁的圆心与升力型风机的转轴轴心在同一直线上，一块磁铁与升力型风机的转轴连接，另一块磁铁固定在底板上。

5.根据权利要求1所述的基于压电效应的微风发电装置，其特征在于：在所述的底板上设置有一压电片夹持块，在该压电片夹持块上开设有夹持槽，所述的压电振子固定在所述的夹持槽内。

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