CN105743388A - 一种脚踏式压电发电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种脚踏式压电发电装置及方法，该装置，其特征是：至少包括踏板、盖板、圆弧形框架、圆弧形腔体；踏板上有长方形凹槽，两个支撑块固定于踏板的长方形凹槽左右两端，两个支撑块用于支撑盖板，支撑块与盖板的高度之和与长方形凹槽的深度相同；所述支撑块与盖板通过螺钉固定连接；圆弧形框架的内圆弧形面与圆弧形腔体的底圆弧形面形状相同，圆弧形框架的圆弧形内面与圆弧形腔体的底圆弧形面切合，通过螺栓、螺母和弹簧将圆弧形框架、圆弧形腔体、踏板连接。本发明的装置结构简单、使用成本低、应用范围广。

Description

一种脚踏式压电发电装置及方法

技术领域

本发明属于发电技术领域，尤其涉及一种脚踏式压电发电装置及方法，适用于从人体运动俘能进行能量补充的低功耗电子设备。

技术背景

近年来，电子信息技术得到了飞速的发展，出现了许多便携式电子设备，如移动通讯工具、个人数字助理、医学电子装置等。这些设备功率需求较小，一般为毫瓦级。目前，这些移动电子设备大多采用电池供电，但电池电量有限，当电池电量耗尽时，这些设备将无法继续工作。除此之外，废弃电池对环境造成重大污染，许多耕地遭受重金属污染而无法继续种植农作物。对废弃电池的处理也需要大量的社会资源。人体能量供给持续不断，如果在对日常生活不产生影响的前提下，采用适当的能量收集装置从人体运动中收集能量，并对便携式电子设备充电，这将缓解甚至解决便携电子设备的能源问题。

在利用人体能量方面，人行走时的足部运动比较规则，能量应用潜能大。经实验研究发现，人走路时脚对地面的最大冲击力为人体重量的1.4倍。以一个65kg的人为例，走路时脚底对地面的作用力最大可达到1820N，并产生较大的弹性势能。此外，脚部运动所产生的加速度也可通过压电效应转换为电能。

申请号为201420107319.X，公布号为CN203722317U的专利，虽然也是利用人体能量发电，但发电方式是通过踏板中的一级齿轮带动发电机上的二级齿轮。由于齿轮间的机械摩擦损耗，该发明发电效率较低。申请号为201410711978.9，公布号为CN104333262A的专利，也是一种脚踏式压电发电装置，但是在能量的收集方式上比较单一，只考虑了人体作用于脚后跟的压力，忽略了人体行走或运动过程中振动、摆动的能量收集，因而能量收集效率不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、使用成本低、应用范围广，且能克服现有的脚踏式发电装置收集能量方式单一的脚踏式压电发电装置及方法。

本发明的目的是这样实现的，一种脚踏式压电发电装置，其特征是：至少包括踏板、盖板、圆弧形框架、圆弧形腔体；踏板上有长方形凹槽，两个支撑块固定于踏板的长方形凹槽左右两端，两个支撑块用于支撑盖板，支撑块与盖板的高度之和与长方形凹槽的深度相同；所述支撑块与盖板通过螺钉固定连接；圆弧形框架的内圆弧形面与圆弧形腔体的底圆弧形面形状相同，圆弧形框架的圆弧形内面与圆弧形腔体的底圆弧形面切合，通过螺栓、螺母和弹簧将圆弧形框架、圆弧形腔体、踏板连接。

所述的盖板为长方形板状结构，在其上设置有第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁组成，盖板在长度方向有两个通孔槽，两个通孔槽之间由横梁隔开，盖板中通孔槽的长度和宽度与第一压电悬臂梁或第二压电悬臂梁的长度和宽度相等，使得第一压电悬臂梁和第二压电悬臂梁嵌入在通孔槽中通过质量块固定。

所述的第一压电悬臂梁包括第一压电元件和第一长方形压电金属梁，所述的第二压电悬臂梁包括第二压电元件和第二长方形压电金属梁，第一压电元件通过导电胶粘贴于上述第一长方形压电金属梁上，第二压电元件通过导电胶粘贴于上述第二长方形压电金属梁上；所述压电元件沿长方形压电金属梁厚度方向极化，压电元件的电极串联或并联连接。

所述质量块包括左质量块和右质量块，左质量块和右质量块均由上薄质量片和下薄质量片组成，上薄质量片和下薄质量片通过螺栓与第一压电悬臂梁或第二压电悬臂梁固定连接。

所述质量块在第一压电悬臂梁或第二压电悬臂梁的宽度方向和厚度方向上对称分布。

所述圆弧形腔体与盖板之间无缝粘合；圆弧形腔体内有铁磁性小球，圆弧形腔体的弧形腔体为铁磁性小球提供运动的轨道，同时，通过弧形腔体的压缩与舒张，使得气流来回通过盖板中的通孔槽，推动第一压电悬臂梁或第二压电悬臂梁的振动。

所述弹簧用于是辅助圆弧形腔体及时恢复。

所述螺母和弹簧的作用一是将踏板与底部框架进行连接，从而将整个结构连接在一起；二是通过调整螺母的位置，调整弹簧和圆弧形腔体的空腔压缩范围。

一种脚踏式压电发电装置的方法，其特征是：当踏板受到来自脚后跟所施加的压力，压力经过盖板作用于圆弧形腔体上，使得圆弧形腔体受压而产生形变，导致圆弧形腔体内气体压强增大；空腔中被压缩的气体推动压电悬臂梁离开原来的位置而向上弯曲，此时在压电悬臂梁与盖板中的槽之间形成空气通道，气体通过所述空气通道流入踏板侧壁上的通气孔流出，直至腔体内的气压与外界相等；

当脚后跟离开地面的时候，圆弧形腔体由于自身的弹性以及弹簧的作用，逐渐恢复到原来的状态；此时，圆弧形空腔中的气压低于外界气压，空气经踏板侧壁上的通气孔流进踏板内，推动压电悬臂梁向下弯曲，使空气流入圆弧形腔体中，直至圆弧形腔体内的气压与外界相等；

压力的不断产生与消失，引起圆弧形腔体内空气压强的变化，气流来回通过盖板中的通孔槽，使得槽中的压电悬臂梁在气流的推动下振动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明的能量收集方式多样，不但可以从人体脚部摆动和振动中收集能量，而且可以从人体行走或运动过程中脚部对发电装置的压力中收集能量，有效的提高了人体运动能的利用率；

（2）本发明采用悬臂梁式的压电体结构，采用复位弹簧驱动圆弧形腔体的快速复位，从而增加下一次踩压时产生的形变空间，提高了能量转换效率和发电能力；

（3）本发明安装在鞋跟处，以人体行走或运动为动力来源，将机械能转换为电能，特别适合向便携式电子设备提供电能。

本发明的能量收集方式多样，不但能够利用人体行走或运动过程中脚部对发电装置的压力收集能量，而且能够收集脚部摆动和振动的能量，提高了脚部动能和人体重力势能的利用率。本发明安装在鞋体的脚跟部，它以人体自身重量、行走、运动为动力源，通过压电效应将机械能转换为电能，并将其存储于储能元件中。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例结构分解示意图；

图2为踏板结构示意图；

图3为盖板结构示意图；

图4为压电悬臂梁结构示意图；

图5为质量块结构示意图；

图6为圆弧形腔体结构示意图；

图7为圆弧形框架结构示意图；

图8为桥式整流电路示意图。

图中：1、踏板；2、通气孔；3、盖板；4、质量块；5、压电悬臂梁；6、铁磁性球体；7、螺钉；8、螺栓；9、弹簧；10、螺母；11、圆弧形腔体；12、圆弧形框架；A、压电悬臂梁等效电路；B、桥式整流电路；C、储能元件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，一种脚踏式压电发电装置，包括踏板1、盖板3、圆弧形框架12、圆弧形腔体11；踏板1上有长方形凹槽1-1，两个支撑块1-2固定于踏板1的长方形凹槽1-1左右两端，两个支撑块1-2用于支撑盖板3，支撑块1-2与盖板3的高度之和与长方形凹槽1-1的深度相同；所述支撑块1-1与盖板3通过螺钉7固定连接；圆弧形框架12的内圆弧形面与圆弧形腔体11的底圆弧形面形状相同，圆弧形框架12的圆弧形内面与圆弧形腔体11的底圆弧形面切合，通过螺栓8、螺母10和弹簧9将圆弧形框架12、圆弧形腔体11、踏板1连接。

如图3所示，所述的盖板3为长方形板状结构，在其上设置有第一压电悬臂梁5-1和第二压电悬臂梁5-2组成，盖板3在长度方向有两个通孔槽3-1，两个通孔槽3-1之间由横梁3-2隔开，盖板3中通孔槽3-1的长度和宽度与第一压电悬臂梁5-1或第二压电悬臂梁5-2的长度和宽度相等，使得第一压电悬臂梁5-1和第二压电悬臂梁5-2嵌入在通孔槽3-1中通过质量块4固定。

如图4所示，所述的第一压电悬臂梁5-1包括第一压电元件5-1-1和第一长方形压电金属梁5-1-2，所述的第二压电悬臂梁5-2包括第二压电元件5-2-1和第二长方形压电金属梁5-2-2，第一压电元件5-1-1通过导电胶粘贴于上述第一长方形压电金属梁5-1-2上，第二压电元件5-2-1通过导电胶粘贴于上述第二长方形压电金属梁5-2-2上；所述压电元件沿长方形压电金属梁厚度方向极化，压电元件的电极串联或并联连接。

如图5所示，所述质量块4包括左质量块4-1和右质量块4-2，左质量块4-1和右质量块4-2均由上薄质量片4-1-1和下薄质量片4-1-2组成，上薄质量片4-1-1和下薄质量片4-1-2通过螺栓与第一压电悬臂梁5-1或第二压电悬臂梁5-2固定连接。

所述质量块4在第一压电悬臂梁5-1或第二压电悬臂梁5-2的宽度方向和厚度方向上对称分布。

如图6所示，所述圆弧形腔体11与盖板3之间无缝粘合；圆弧形腔体11的弧形腔体为铁磁性小球6提供运动的轨道，同时，通过弧形腔体的压缩与舒张，使得气流来回通过盖板3中的通孔槽3-1，推动第一压电悬臂梁5-1或第二压电悬臂梁5-2的振动。

如图7所示，圆弧形框架12的圆弧形面与圆弧形腔体11的底圆弧形面形状相同，圆弧形框架12的圆弧形面与圆弧形腔体11的底圆弧形面切合，通过螺栓8、螺母10和弹簧9将圆弧形框架12、圆弧形腔体11、踏板1连接。弹簧9的作用是辅助圆弧形腔体11及时恢复。螺母10和弹簧9的作用一是将踏板1与底部框架进行连接，从而将整个结构连接在一起；二是通过调整螺母10的位置，调整弹簧9和圆弧形腔体11的空腔压缩范围。此外，螺栓8具有导向作用，防止弹簧9的侧向弯曲。

如图8所示，本发明还包括压电悬臂梁等效电路A、桥式整流电路B和储能元件C。压电悬臂梁等效电路A的输出经桥式整流电路B转换为直流，然后存储于储能元件C中。上述电路及元件均属于公知技术，这里就不所详细说明。

一种脚踏式压电发电装置的方法，当踏板1受到来自脚后跟所施加的压力，压力经过盖板3作用于圆弧形腔体11上，使得圆弧形腔体11受压而产生形变，导致圆弧形腔体11内气体压强增大；空腔中被压缩的气体推动压电悬臂梁5离开原来的位置而向上弯曲，此时在压电悬臂梁与盖板中的槽之间形成空气通道，气体通过所述空气通道流入踏板1侧壁上的通气孔流出，直至腔体内的气压与外界相等；

当脚后跟离开地面的时候，圆弧形腔体11由于自身的弹性以及弹簧9的作用，逐渐恢复到原来的状态。此时，圆弧形空腔11中的气压低于外界气压，空气经踏板1侧壁上的通气孔2流进踏板内，推动压电悬臂梁5向下弯曲，使空气流入圆弧形腔体11中，直至圆弧形腔体内的气压与外界相等；

压力的不断产生与消失，引起圆弧形腔体11内空气压强的变化，气流来回通过盖板3中的通孔槽，使得槽中的压电悬臂梁5在气流的推动下振动。

同时，人在行走或运动过程中，脚与地面的接触方式是脚跟着地、脚掌着地、脚尖着地、脚掌离地这一过程循环往复，因而圆弧形腔体内的铁磁性球体6也会随着人在行走或运动过程中脚与地面的接触方式的不同而在圆弧形腔体内往返滚动。当铁磁性球体6滚动到压电悬臂梁5自由端正下方时，压电悬臂梁5末端的磁铁与铁磁性球体6瞬间吸附与释放，激励压电悬臂梁5振动。

此外，在脚掌离地向前迈出时，压电悬臂梁5会获得一个瞬时的加速度，激励压电悬臂梁5振动。根据压电效应，由压电悬臂梁5的振动产生的形变使得压电悬臂梁5的上下极板上产生电荷，从而实现机械能到电能的转换。所产生的电能通过桥式整流电路B转换为直流后，存储于储能元件C中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种脚踏式压电发电装置，其特征是：至少包括踏板（1）、盖板（3）、圆弧形框架（12）、圆弧形腔体（11）；踏板（1）上有长方形凹槽（1-1），两个支撑块（1-2）固定于踏板（1）的长方形凹槽（1-1）左右两端，两个支撑块（1-2）用于支撑盖板（3），支撑块（1-2）与盖板（3）的高度之和与长方形凹槽（1-1）的深度相同；所述支撑块（1-1）与盖板（3）通过螺钉（7）固定连接；圆弧形框架（12）的内圆弧形面与圆弧形腔体（11）的底圆弧形面形状相同，圆弧形框架（12）的圆弧形内面与圆弧形腔体（11）的底圆弧形面切合，通过螺栓（8）、螺母（10）和弹簧（9）将圆弧形框架（12）、圆弧形腔体（11）、踏板（1）连接。

2.根据权利要求1所述的一种脚踏式压电发电装置，其特征是：所述的盖板（3）为长方形板状结构，在其上设置有第一压电悬臂梁（5-1）和第二压电悬臂梁（5-2）组成，盖板（3）在长度方向有两个通孔槽（3-1），两个通孔槽（3-1）之间由横梁（3-2）隔开，盖板（3）中通孔槽（3-1）的长度和宽度与第一压电悬臂梁（5-1）或第二压电悬臂梁（5-2）的长度和宽度相等，使得第一压电悬臂梁（5-1）和第二压电悬臂梁（5-2）嵌入在通孔槽（3-1）中通过质量块（4）固定。

3.根据权利要求2所述的一种脚踏式压电发电装置，其特征是：所述的第一压电悬臂梁（5-1）包括第一压电元件（5-1-1）和第一长方形压电金属梁（5-1-2），所述的第二压电悬臂梁（5-2）包括第二压电元件（5-2-1）和第二长方形压电金属梁（5-2-2），第一压电元件（5-1-1）通过导电胶粘贴于上述第一长方形压电金属梁（5-1-2）上，第二压电元件（5-2-1）通过导电胶粘贴于上述第二长方形压电金属梁（5-2-2）上；所述压电元件沿长方形压电金属梁厚度方向极化，压电元件的电极串联或并联连接。

4.根据权利要求2所述的一种脚踏式压电发电装置，其特征是：所述质量块（4）包括左质量块（4-1）和右质量块（4-2），左质量块（4-1）和右质量块（4-2）均由上薄质量片（4-1-1）和下薄质量片（4-1-2）组成，上薄质量片（4-1-1）和下薄质量片（4-1-2）通过螺栓与第一压电悬臂梁（5-1）或第二压电悬臂梁（5-2）固定连接。

5.根据权利要求2所述的一种脚踏式压电发电装置，其特征是：所述质量块（4）在第一压电悬臂梁（5-1）或第二压电悬臂梁（5-2）的宽度方向和厚度方向上对称分布。

6.根据权利要求2所述的一种脚踏式压电发电装置，其特征是：所述圆弧形腔体（11）与盖板（3）之间无缝粘合；圆弧形腔体（11）内有铁磁性小球（6），圆弧形腔体（11）的弧形腔体为铁磁性小球（6）提供运动的轨道，同时，通过弧形腔体的压缩与舒张，使得气流来回通过盖板（3）中的通孔槽（3-1），推动第一压电悬臂梁（5-1）或第二压电悬臂梁（5-2）的振动。

7.根据权利要求1所述的一种脚踏式压电发电装置，其特征是：所述弹簧（9）用于是辅助圆弧形腔体（11）及时恢复。

8.根据权利要求1所述的一种脚踏式压电发电装置，其特征是：所述螺母（10）和弹簧（9）的作用一是将踏板（1）与底部框架进行连接，从而将整个结构连接在一起；二是通过调整螺母（10）的位置，调整弹簧（9）和圆弧形腔体（11）的空腔压缩范围。

9.一种脚踏式压电发电装置的方法，其特征是：当踏板（1）受到来自脚后跟所施加的压力，压力经过盖板（3）作用于圆弧形腔体（11）上，使得圆弧形腔体（11）受压而产生形变，导致圆弧形腔体（11）内气体压强增大；空腔中被压缩的气体推动压电悬臂梁（5）离开原来的位置而向上弯曲，此时在压电悬臂梁与盖板中的槽之间形成空气通道，气体通过所述空气通道流入踏板（1）侧壁上的通气孔流出，直至腔体内的气压与外界相等；

当脚后跟离开地面的时候，圆弧形腔体（11）由于自身的弹性以及弹簧（9）的作用，逐渐恢复到原来的状态；此时，圆弧形空腔（11）中的气压低于外界气压，空气经踏板（1）侧壁上的通气孔（2）流进踏板内，推动压电悬臂梁（5）向下弯曲，使空气流入圆弧形腔体（11）中，直至圆弧形腔体内的气压与外界相等；

压力的不断产生与消失，引起圆弧形腔体（11）内空气压强的变化，气流来回通过盖板（3）中的通孔槽，使得槽中的压电悬臂梁（5）在气流的推动下振动。