CN104588211B - 自发电防雾霾空气过滤装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自发电防雾霾空气过滤装置，包括压电叶片(1)、竖梁(5)和横梁(6)，压电叶片(1)包括压电叶片主体(2)以及粘接在压电叶片主体(2)两面的金属极板(3)，压电叶片(1)左右两端固定有叶片夹(4)，叶片夹(4)与金属极板(3)电连接，压电叶片(1)通过叶片夹(4)连接在竖梁(5)上，横梁(6)内置有电控主板(7)，电控主板(7)与叶片夹(4)电连接；本发明克服了现有空气净化器需要经常更换过滤网、噪声大和耗能大等问题，基于压电效应采集自然界的振动能量，利用自发电产生的静电场吸附雾霾天气中对人体健康影响最大的可吸入污染颗粒物从而过滤净化空气，而采集的电能可为更多物品智能化装置供电。

Description

自发电防雾霾空气过滤装置

[技术领域]

本发明涉及自发电及物品智能化技术领域，具体地说是一种自发电防雾霾空气过滤装置。

[背景技术]

随着社会工业的发展，给人们生活带来丰富、便利的同时，也造成许多问题，环境污染是最严重的问题之一。因为环境污染等多方面原因形成的雾霾天气已经严重影响了人们的生活。近年来，中国各大城市雾霾天气明显增多。仅2013年1月就有4次雾霾过程笼罩全国30个省(区、市)，在北京26天都是雾霾天气。报道称中国最大的500个城市只有不到百分之一的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准。2014年1月4日，国家减灾办、民政部首次将危害健康的雾霾天气纳入2013年自然灾情进行通报。

雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，主要包含二氧化硫、氮氧化物以及可吸入颗粒物等，其中可吸入颗粒物，即空气动力学当量直径小于等于2.5微米的污染物颗粒是加重雾霾天气污染的最主要成分，并且对人的身体健康的危害很大。直径小于等于2.5微米的污染物颗粒可直接通过呼吸***进入支气管，甚至肺部。所以，雾霾影响最大的就是人的呼吸***，造成的疾病主要集中在呼吸道疾病、脑血管疾病、鼻腔炎症等病种上。并且，灰霾天气时空气中可吸入颗粒物骤增导致空气流动性差，有害细菌和病毒向周围扩散的速度变慢，空气中病毒浓度增高，疾病传播的风险很高。美国环保署2009年发布《关于空气颗粒物综合科学评估报告》指出，有足够的科学研究结果证明了大气细粒子能吸附大量有致癌物质和基因毒性诱变物质，给人体健康带来不可忽视的负面影响，包括提高死亡率、使慢性病加剧、使呼吸***及心脏***疾病恶化，改变肺功能及结构、影响生殖能力、改变人体的免疫结构等。雾霾天气尤其影响人类的生育和婴幼儿的健康。

虽然政府已经很重视雾霾问题并且着手进行治理，但“冰冻三尺非一日之寒”，彻底解决雾霾问题必然是一个长期复杂的过程。为了应对雾霾天气，市场上出现了一些防雾霾口罩以及用于室内的空气净化器。防雾霾口罩简单方便，但使用有局限。空气净化器一般通过抽风机将空气抽入机器，通过内置滤网过滤空气，能够过滤粉尘、异味、有毒气体和杀灭部分细菌，或者主动释放杀菌气体从而净化空气。主动释放杀菌气体虽然能够杀死一些病菌但并不能有效的减少可吸入颗粒物，而且杀菌气体也可能造成敏感人群的不适。过滤网可以吸附过滤污染颗粒物，但过滤网需要经常更换，因为当过滤网污染比较严重，过滤网不仅不能起到净化空气的作用，反而会污染空气。更换过滤网不仅不方便且浪费成本。空气净化器一般要求更好的过滤功能则要求过滤网的网孔更小，这样造成空气流动不畅，如果采用抽风机促进空气流动，不仅噪声大，而且耗能大，积少成多势必加剧已经比较严重的能源危机和环境问题。因此，市场上需要一种简便高效、低碳环保的防雾霾装置。

另外，环境中可利用的可再生能源有太阳能、温差、振动和噪声能量等。其中，太阳能在太阳直射处能量密度较大，在阴暗处和夜晚时则很难利用；温差供能需要较大的温差，在自然环境中很难利用；而振动和噪声无处不在，比如自然界的风、雨等等都能引起振动。目前，振动能量回收技术主要分为三种类型：(1)利用电磁换能装置将振动机械能转换为电能的电磁式；(2)利用静电发生器将振动机械能转换为电能的静电式；(3)利用压电材料的压电效应将振动机械能转换为电能的压电式。压电***具有更高的能量密度。而且压电式俘能装置结构简单，便于***模块化、集成化和微型化，方便应用于工程实践。

尽管许多学者研究证明了基于压电材料的俘能器可以采集自然环境下振动能量为一些微电子设备供电，但是很少有人将之用于实际生活装置的自供能。而目前市场上大多数防雾霾空气过滤装置，存在需要经常更换过滤网、噪声大和耗能大等问题，更没有自发电功能，既不简便、高效也不低碳、环保。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种自发电防雾霾空气过滤装置，克服了现有空气净化器需要经常更换过滤网、噪声大和耗能大等问题，基于压电效应采集自然界的振动能量，利用自发电产生的静电场吸附雾霾天气中对人体健康影响最大的可吸入污染颗粒物从而过滤净化空气，而采集的电能也可以直接或存储为更多物品智能化装置供电，实现更多自供能智能化功能。

为实现上述目的设计一种自发电防雾霾空气过滤装置，包括压电叶片1、竖梁5和横梁6，所述竖梁5左右对称设置，所述横梁6固定在竖梁5上端，所述压电叶片1包括压电叶片主体2以及粘接在压电叶片主体2两面的金属极板3，所述压电叶片1左右两端固定有叶片夹4，所述叶片夹4与金属极板3电连接，所述压电叶片1通过叶片夹4连接在竖梁5上，所述压电叶片1设有多个并自上而下间隔排列，所述横梁6内置有电控主板7，所述电控主板7与叶片夹4电连接。

所述叶片夹4包括外壳8、绝缘层9和导电层10，所述外壳8、绝缘层9和导电层10自外而内依次连接，所述导电层10与金属极板3电连接。

所述叶片夹4设有升降杆或升降绳11，所述叶片夹4铰接升降杆或升降绳11。

所述横梁6内置有气体传感器12和升降电机14，所述横梁6前端面上设有LED显示屏13，所述气体传感器12、升降电机14、LED显示屏13分别与电控主板7电连接，所述升降杆或升降绳11连接在升降电机14的输出端。

所述竖梁5采用中空型材制成，所述竖梁5侧边开有若干用于安装叶片夹4的安装孔。

所述电控主板7包括电源管理芯片、安全保护电路、能量俘获电路以及电池，所述安全保护电路、能量俘获电路、电源管理芯片依次电连接，所述安全保护电路与叶片夹4电连接，所述电源管理芯片与电池电连接。

所述电控主板7上集成有微处理器、显示控制芯片、无线传输芯片、Micro-USB接口及控制芯片，所述微处理器、显示控制芯片、无线传输芯片、Micro-USB接口及控制芯片分别电连接电源管理芯片，所述显示控制芯片、无线传输芯片、Micro-USB接口及控制芯片分别电连接微处理器。

所述压电叶片1的长度是宽度的5倍以上。

所述压电叶片主体2选用压电陶瓷或压电薄膜单层或多层叠加而成，所述金属极板3选用65Mn弹性金属制成。

本发明同现有技术相比，结构新颖、简单，设计合理，利用空气对流能够产生更多振动能量的特点，设计了固有频率匹配自然界低频振动环境的压电叶片，从而更有效的采集自然界振动能量，基于静电吸附效应，自发电产生的静电场吸附雾霾天气中对人体健康影响最大的可吸入污染颗粒物，从而有效过滤净化空气，而且静电场吸附过滤对室内外空气对流影响小，无副作用，无噪音、无耗能；不仅如此，利用本发明所述装置采集的电能还可以为更多物品智能化装置供电，实现更多自供能智能化功能。

[附图说明]

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的另一具有智能化功能的实施例的结构示意图；

图3是本发明中压电叶片的结构示意图；

图4是图3中A处的局部放大示意图；

图5是本发明中叶片夹的半剖结构示意图；

图6是本发明中横梁内电气安装示意图；

图7是本发明中电控主板的原理框图；

图中：1、压电叶片2、压电叶片主体3、金属极板4、叶片夹5、竖梁6、横梁7、电控主板8、外壳9、绝缘层10、导电层11、升降杆或升降绳12、气体传感器13、LED显示屏14、升降电机。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图所示，本发明包括：压电叶片1、竖梁5和横梁6，竖梁5左右对称设置，横梁6固定在竖梁5上端，压电叶片1包括压电叶片主体2以及粘接在压电叶片主体2两面的金属极板3，压电叶片1左右两端固定有叶片夹4，叶片夹4与金属极板3电连接，压电叶片1通过两端的叶片夹4固定或铰接在左右竖梁5上，压电叶片1设有多个并自上而下间隔排列，横梁6内置有包括电控主板7的电子器件，电控主板7与叶片夹4电连接；其中，压电叶片1的长度是宽度的5倍以上，压电叶片主体2可以选用压电陶瓷、压电薄膜或其他压电材料单层或多层叠加，金属极板3可以选用65Mn或其他弹性金属；叶片夹4包括外壳8、绝缘层9和导电层10，外壳8、绝缘层9和导电层10自外而内依次连接，导电层10与金属极板3电连接。

本发明中，叶片夹4处设有升降杆或升降绳11，叶片夹4铰接升降杆或升降绳11；横梁6选用开槽型材，槽内安装有电控主板7，也可以内置有气体传感器12和升降电机14，横梁6前端面上设有LED显示屏13，气体传感器12、升降电机14、LED显示屏13分别与电控主板7电连接，升降杆或升降绳11连接在升降电机14的输出端；竖梁5选用中空型材，内部通过电连接导线，竖梁5侧边开有若干安装孔，用于安装叶片夹4。

本发明中，电控主板7包括电源管理芯片、安全保护电路、能量俘获电路以及电池，安全保护电路、能量俘获电路、电源管理芯片依次电连接，安全保护电路与叶片夹4电连接，电源管理芯片与电池电连接；电控主板7上也可以集成有微处理器、显示控制芯片、无线传输芯片、Micro-USB接口及控制芯片，微处理器、显示控制芯片、无线传输芯片、Micro-USB接口及控制芯片分别电连接电源管理芯片，显示控制芯片、无线传输芯片、Micro-USB接口及控制芯片分别电连接微处理器，如附图7所示。

由于振动能量俘获装置的固有频率与振源频率接近可以产生共振从而俘获更多的能量，自然环境下主要是低频振动，所以降低装置的固有频率以匹配自然界低频振动环境非常关键，因此要求压电叶片1的长度是宽度的五倍以上，也可以从其他方面考虑降低压电叶片的固有频率从而更有效的采集自然界振动能量。

当自发电防雾霾空气过滤装置安装在空气对流处，因为空气对流或其他自然界的振动引起压电叶片振动，压电材料发生变形，通过正压电效应机械能转换为电能，从而在压电材料两面的金属极板上产生电压。电控主板集成的静电场控制及安全保护电路控制金属极板的电压，确保金属极板电压不会大于安全电压。电控主板集成的能量俘获电路处理俘获的电压后直接利用或存储到储能电池当需要时使用。在若干金属极板之间存在自发电静电场，当空气流过静电场，因为静电吸附效应，可吸入颗粒物会被静电吸附到金属极板，从而过滤净化空气。当需要清洁金属极板，则短接金属极板放电方便清洁。

对于本发明的另一种具有智能化功能的实施例，可将不间断俘获的能量存储在储能电池，当电控主板、气体传感器、LED显示屏和升降电机需要时使用。气体传感器监测室外的空气质量，电控主板存储的管理程序依据气体传感器信息控制升降电机拉动升降杆或升降绳，调节压电叶片之间的距离，从而控制空气流动及过滤净化程度。LED显示屏用于当人们需要时显示各种状态信息。所有耗能装置在设定时间或人工操作时工作，其他时候处于休眠状态。采集的电能也可以为更多物品智能化装置供电，从而实现更多自供能智能化功能。通过Micro-USB接口及控制芯片装置与外部进行能源和信息交换。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自发电防雾霾空气过滤装置，其特征在于：包括压电叶片(1)、竖梁(5)和横梁(6)，所述竖梁(5)左右对称设置，所述横梁(6)固定在竖梁(5)上端，所述压电叶片(1)包括压电叶片主体(2)以及粘接在压电叶片主体(2)两面的金属极板(3)，所述压电叶片(1)左右两端固定有叶片夹(4)，所述叶片夹(4)与金属极板(3)电连接，所述压电叶片(1)通过叶片夹(4)连接在竖梁(5)上，所述压电叶片(1)设有多个并自上而下间隔排列，所述横梁(6)内置有电控主板(7)，所述电控主板(7)与叶片夹(4)电连接。

2.如权利要求1所述的自发电防雾霾空气过滤装置，其特征在于：所述叶片夹(4)包括外壳(8)、绝缘层(9)和导电层(10)，所述外壳(8)、绝缘层(9)和导电层(10)自外而内依次连接，所述导电层(10)与金属极板(3)电连接。

3.如权利要求1或2所述的自发电防雾霾空气过滤装置，其特征在于：所述叶片夹(4)设有升降杆或升降绳(11)，所述叶片夹(4)铰接升降杆或升降绳(11)。

4.如权利要求3所述的自发电防雾霾空气过滤装置，其特征在于：所述横梁(6)内置有气体传感器(12)和升降电机(14)，所述横梁(6)前端面上设有LED显示屏(13)，所述气体传感器(12)、升降电机(14)、LED显示屏(13)分别与电控主板(7)电连接，所述升降杆或升降绳(11)连接在升降电机(14)的输出端。

5.如权利要求4所述的自发电防雾霾空气过滤装置，其特征在于：所述竖梁(5)采用中空型材制成，所述竖梁(5)侧边开有若干用于安装叶片夹(4)的安装孔。

6.如权利要求5所述的自发电防雾霾空气过滤装置，其特征在于：所述电控主板(7)包括电源管理芯片、安全保护电路、能量俘获电路以及电池，所述安全保护电路、能量俘获电路、电源管理芯片依次电连接，所述安全保护电路与叶片夹(4)电连接，所述电源管理芯片与电池电连接。

7.如权利要求6所述的自发电防雾霾空气过滤装置，其特征在于：所述电控主板(7)上集成有微处理器、显示控制芯片、无线传输芯片、Micro-USB接口及控制芯片，所述微处理器、显示控制芯片、无线传输芯片、Micro-USB接口及控制芯片分别电连接电源管理芯片，所述显示控制芯片、无线传输芯片、Micro-USB接口及控制芯片分别电连接微处理器。

8.如权利要求7所述的自发电防雾霾空气过滤装置，其特征在于：所述压电叶片(1)的长度是宽度的5倍以上。

9.如权利要求8所述的自发电防雾霾空气过滤装置，其特征在于：所述压电叶片主体(2)选用压电陶瓷单层或多层叠加而成，或者选用压电薄膜单层或多层叠加而成，所述金属极板(3)选用65Mn弹性金属制成。