CN205545006U - 一种模块化的地埋式压电发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模块化的地埋式压电发电装置，包括箱体、传动装置和等应力压电发电模块，箱体由基体和安装在基体上的箱体上盖板、支撑限位条、传动杆支撑座、弹簧和连接件构成；传动装置由踏板和联接在踏板上的传动杆构成；等应力压电发电模块由基板和安装在基板上的上压板、限位连接件和压电发电单元构成；压电发电单元由弹性杆、设置在弹性杆上侧靠近联接件的主动压块、设置在弹性杆下侧端部的从动压块、凹弧面底板、联接件、护板、铜极板以及粘贴在铜极板上下两面的上压电陶瓷片和下压电陶瓷片构成。该压电发电装置具有结构简单、功率容量大、压电转换效率高、压电陶瓷不易损坏破碎、踩踏时无踩空等不适感等优点。

Description

一种模块化的地埋式压电发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用压电陶瓷材料正压电效应的能量回收装置，具体来说，涉及一种模块化的地埋式压电发电装置。

背景技术

利用压电陶瓷正压电效应进行发电的装置因其具有环保节能、结构简单、无电磁干扰、易于实现、成本低等优点，成为世界各国研究人员的关注热点。国内外所研究的利用人体动能进行压电发电装置较多，公开号为CN201956927U的专利文献公开了一种利用人体频繁踏走的压电发电装置，该装置利用人体对弹簧杠杆机构踩踏形成弹簧形变的势能，进而释放弹簧形变势能对压电材料敲击进行压电发电，该装置结构简单，成本低，发电量集中，但是人体踩踏该装置杠杆结构后脚收起的速度较慢，弹簧形变势能释放后对压电陶瓷材料形成的敲击力很小，影响了压电陶瓷片的发电转换效率，另外，人体踩踏的行程大于2mm，有踩空等不适感。

为了利用人体踩踏楼前台阶的能量进行发电，公开号为CN102064734A的专利文献公开了一种楼前台阶的压电发电装置，把压电陶瓷设置于上地毯和下地毯之间，通过人体对压电陶瓷的踩踏产生电能并进行能量收集，该装置具有结构简单，成本低，发电量集中等优点，但是该装置也存在一定的不足：压电转化效率低，人体踩踏地毯后直接冲击压电陶瓷片，易导致压电陶瓷片脆性破裂损坏。

专利号为201320203629.7，发明名称为一种悬臂压电发电组件的专利文献公开了一种利用悬臂杠杆原理的压电发电装置，该装置解决了人体踩踏发电装置产生的不适感，但是在后期深入的实验中发现，在压电材料的脆性失效变形范围内，压电发电板末端施加外力或位移后，同一横截面内压电发电板固定端在竖直方向位移最小，自由端位移最大，但是压电发电板固定端的压电陶瓷形变和应力最大，越趋向于自由端其压电陶瓷形变和应力越小，自由端的压电陶瓷形变和应力为零。由于压电发电板的发电量和压电陶瓷的应力大小成正比，因此压电发电板固定端的发电量最大，趋向于自由端发电量逐渐减小，自由端末端发电量为零,也即是该悬臂压电发电组件不能充分的利用人体动能，充分提高压电发电板的发电转化效率。

发明内容

本实用新型提供了一种新型的模块化的地埋式压电发电装置，目的是为了提高利用人体动能进行压电发电的转换效率，避免踩踏压电发电装置时有踩空等不适感和直接踩踏压电陶瓷片易导致其破裂损坏等问题。

一种模块化的地埋式压电发电装置，包括箱体、传动装置和等应力压电发电模块。

箱体包括基体、安装在基体上的箱体上盖板、支撑限位条、传动杆支撑座、弹簧和短螺栓。箱体基体一较长侧壁开有用以***等应力压电发电模块的贯穿槽，贯穿槽分多层排布，每层贯穿槽等距排列。在每个贯穿槽内表面下侧，贴近内壁向下开有供压电发电单元定位的槽。与该侧壁相对侧壁的内壁相应地开有供等应力压电发电模块定位的槽；箱体的基体和上盖板均开设有可供联接用的联接孔，由短螺栓穿过联接孔后将其联接为一体；上盖板上表面边缘上安装有若干支撑限位条；传动杆支撑座底座和箱体基体的底板内侧均开设有可供联接用的联接孔，由短螺栓穿过联接孔后将其联接为一体；弹簧放置在传动杆支撑座内部。

传动装置包括踏板和联接在踏板上的传动杆，踏板设置在箱体的上方，箱体内部底板安装有内含弹簧的传动杆支撑座，箱体上盖板开有容纳传动杆通过的限位孔，踏板和传动杆上端面均开设有可供联接用的联接孔，传动杆为圆柱体，下端面开有用以容纳弹簧的孔，圆柱面两侧等距开有垂直于轴线方向的窄槽，用以与等应力压电发电模块的上压板配合。传动杆穿过箱体上盖板与等应力压电发电模块联接；当传动杆穿过上盖板限位孔***支撑座后，传动杆以及联接在传动杆上的踏板就不能再前后左右移动，只能上下移动。

等应力压电发电模块包括基板、限位螺栓、压电发电单元和上压板，等应力压电发电模块从箱体侧面***箱体，基板与箱体内部的凹槽配合，上压板与传动杆上的窄槽配合；上压板长度上比基板短，宽度上比基板宽；压电发电单元通过长螺栓平行固定在基板上；等应力压电发电模块的基体上开设有可供联接用的联接孔，上压板上开设有供限位螺栓穿过的限位孔，两者由限位螺栓穿过联接孔后将其联接为一体；联接后上压板就不能再前后左右移动，只能上下移动，上压板的上表面与压电发电单元的主动压块的上表面相接触。

压电发电单元包括压电发电板、弹性杠杆和辅助支撑部件，所述的压电发电板包括铜极板和粘贴在铜极板上下两面上的方形上压电陶瓷片和下压电陶瓷片，上压电陶瓷片和下压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反，其特征在于：弹性杠杆包括弹性杆、设置在弹性杆上侧靠近长螺栓的主动压块和设置在弹性杆下侧端部的从动压块，主动压块通过粘接或者焊接设置在弹性杆上侧靠近折弯处的位置，主动压块到折弯处的距离为弹性杆悬臂长度的1/10~1/2，从动压块通过粘接或者焊接设置在弹性杆下侧端部；辅助支撑部件包括凹弧面底板和长螺栓，凹弧面底板、铜极板和弹性杆依次从下向上设置，凹弧面底板、铜极板和弹性杆上均开设有可供联接用的联接孔，由长螺栓穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体并固定在基板上表面。

当弹性杆的折弯端部由长螺栓和发电单元底座夹紧固定后，弹性杆就形成了压电发电板杠杆结构，弹性杆被固定处为支点，主动压块到支点段为动力臂，从动压块到支点段为阻力臂。

在竖直方向上，所述的主动压块上表面的高度比长螺栓上表面的高度高0.2~1.8mm；凹弧面底板长度方向、宽度方向上均轴对称，两端高起联接长方体凸台，凸台上表面开设有用来联接用的联接孔，凹弧面底板中间为下凹弧面，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的长度≥压电陶瓷片的长度，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的宽度≥压电陶瓷片的宽度，凹弧面垂直于宽度方向的截面形状为一抛物线，抛物线的P值在187.3~328.5之间；在凹弧面的最高处，以凸台相对面距离为长，凹弧面宽度为宽，向下切除深2~5mm的凹槽作为压电陶瓷片的限位槽；凹弧面底板垂直于弧面轴心的两侧，以螺钉联接与凹弧面底板长度相同的长方形挡板用以限制压电陶瓷片的位置；凹弧面底板、支撑板、主动压块和从动压块均为非导电材料；上压电陶瓷片、下压电陶瓷片和铜极板均通过串联或并联方式联接于能量转换电路和能量储存装置。

凹弧面底板、支撑板、主动压块和从动压块均为非导电材料。所述的凹弧面底板、上压板、支撑板、主动压块和从动压块为塑料材料、木质材料、陶瓷材料、玻璃材料或橡胶材料。

当人体踩踏踏板时，踏板和传动杆向下移动，带动等应力压电发电模块的上压板向下移动，上压板把运动传递给模块中的压电发电单元的主动压块。根据杠杆原理，设置在弹性杆下侧的从动压块就会向下移动多于主动压块下移的距离，即只需对踏板向下踩踏很小的距离，即可驱动压电发电板自由端向下移动较大的距离来实现人体动能到电能的能量转换，从而提高了压电发电板的压电转换效率。

从动压块驱动压电发电板自由端向下移动，随着从动压块的逐步向下移动，压电陶瓷片中间受压下凹，逐渐和凹弧面底板的上凹弧面相贴合，从而保证了压电发电板从中间到两端每段压电陶瓷片均产生形变和每段压电陶瓷片产生应力的均匀性,每段压电陶瓷片的应力均为常值，且这个应力值与凹弧面底板上凹弧面的抛物线参数有关，合理设置凹弧面底板上凹弧面的抛物线参数，保证压电陶瓷片在其脆性失效变形范围内，避免了单纯压电发电板在中间发电量大、两端发电量小等问题，使每段压电陶瓷片均发生应力，充分提高了压电发电板压电陶瓷片的压电转换效率。

当人体踩踏结束脚抬起后，传动杆下端的弹簧由于踏板压缩产生的势能开始释放，弹起踏板到原来位置，压电发电板则由自身的弹性恢复到原来状态。由于踏板较大，当有人踩踏踏板时，同时驱动多个压电发电单元进行发电，最大限度的利用了人体踩踏产生的动能。整个压电发电装置放置在人流较大的路面上，当有人连续经过踩踏踏板并释放时，该压电发电装置即可完成连续的压电发电过程。

由于踏板和支撑限位条的支撑限位作用，以及上压板和长螺栓的支撑限位作用，限制踏板、主动压块和人体仅能向下移动0.2~1.8mm，距离较短，无踩空等不适的感觉，且避免了人体踩踏冲击力和压电陶瓷片的直接接触，保证压电陶瓷片不被冲击破裂或损坏。凹弧面底板的存在，保证了压电陶瓷片应力的均匀性和曲率变化的可控性，充分提高了压电发电板压电陶瓷片的发电效率。与现有技术相比，该模块化的地埋式压电发电装置具有结构简单、功率容量大、整机制造装配容易、成本低、压电转换效率高、踩踏时无踩空等不适感、对环境无污染、使用寿命长等优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型中等应力压电发电模块的结构示意图。

图3是本实用新型中等应力压电发电模块的前视图。

图4是本实用新型中等应力压电发电模块的左视图。

图5是本实用新型中等应力压电发电模块上压板的结构示意图。

图6是本实用新型中等应力压电发电模块基板的结构示意图。

图7是本实用新型中等应力压电发电模块限位螺栓的结构示意图。

图8是本实用新型中压电发电单元的结构示意图。

图9是本实用新型压电发电单元的前视图。

图10是本实用新型中压电发电单元弹性杆的结构示意图。

图11是本实用新型中压电发电单元护板的结构示意图。

图12是本实用新型中压电发电单元铜极板的结构示意图。

图13是本实用新型中压电发电单元凹弧面底板的结构示意图。

图14是本实用新型中压电发电单元凹弧面底板的前视图。

图15是本实用新型中压电发电单元主动压块的结构示意图。

图16是本实用新型中压电发电单元从动压块的结构示意图。

图17是本实用新型中压电发电单元长螺栓的结构示意图。

图18是本实用新型中箱体的结构示意图。

图19是本实用新型中箱体基体的结构示意图。

图20是本实用新型中箱体盖板的结构示意图。

图21是本实用新型中传动杆的结构示意图。

图22是本实用新型中传动杆支撑座的结构示意图。

图23是本实用新型中支撑限位条的结构示意图。

图24是本实用新型中踏板的结构示意图。

图中标号说明：1.箱体基体，2.传动杆，3. 踏板，4.支撑限位条，5.等应力压电发电模块，6.等应力压电发电模块基板，7.压电发电单元，8.等应力压电发电模块上压板，9.等应力压电发电模块限位螺栓，10.凹弧面底板，11.弹性杆，12.长螺栓，13.主动压块，14.从动压块，15.上压电陶瓷片，16.铜极板，17.下压电陶瓷片，18.挡板，19.螺栓，20.箱体基体，21.箱体盖板，22.支撑限位条，23.踏板，24.传动杆，25.传动杆支撑座。

具体实施方式

结合图1、2、8、18所示，模块化的地埋式压电发电装置包括箱体、传动装置和等应力压电发电模块。箱体由基体20和安装在基体上的箱体上盖板21、支撑限位条22、传动杆支撑座25、弹簧和短螺栓构成；箱体的基体20和上盖板21均开设有可供联接用的联接孔，由短螺栓穿过联接孔后将其联接为一体；上盖板21上表面边缘上安装有若干支撑限位条22；箱体基体20为一上方开放的薄壁长方体，长950mm宽360mm高265mm。两较短侧壁厚度为15mm，两较长侧壁厚度为20mm，底厚10mm。一较长侧壁开有用以***等应力压电发电模块的180mm*48mm的贯穿槽，共20个贯穿槽，分4层排布，间隔17mm，等距排列，高度方向上，最下层槽底面高于箱体基体内底面5mm。每层5个，间隔5mm，等距排列。在每个贯穿槽内表面下侧，贴近内壁向下开有长161mm宽18mm深5mm的供压电发电单元定位的槽。与该侧壁相对侧壁的内壁相应地开有供等应力压电发电模块定位的槽，每个槽长161mm宽11mm深16mm，共20个槽，分4层排布，间隔54mm，等距排列，高度方向上，最下层槽底面与箱体基体内底面平行。每层5个，间隔34mm，等距排列。

传动装置由踏板22和联接在踏板上的传动杆24构成，踏板22材料为松木，长950mm，宽360mm，厚2mm；踏板22和传动杆24上端面均开设有可供联接用的联接孔，由短螺栓穿过联接孔后将其联接为一体；传动杆24为圆柱体，下端面开有用以容纳弹簧的孔，圆柱面两侧等距开有垂直于轴线方向的窄槽，用以与等应力压电发电模块5的上压板8配合。踏板设置在箱体20的上方，传动杆24穿过箱体上盖板21与等应力压电发电模块5联接；

等应力压电发电模块5由基板6、压电发电单元7、上压板8和限位螺栓9构成，基板6材料为松木，长350mm，宽150mm，厚10mm；上压板8为铝板，长310mm，宽180mm，厚1mm，即上压板8长度上比基板6短，宽度上比基板6宽；5个压电发电单元7通过螺栓平行固定在基板6上；基板6上设置有可以与限位螺栓9相配合的联接孔，上压板8上开设有供限位螺栓9穿过的限位孔，当限位螺栓9穿过上压板8***到基板6上的孔后，上压板8就不能再前后左右移动，只能上下移动；上压板8的上表面与压电发电单元7的主动压块13的上表面相接触；在竖直方向上，所述的主动压块上表面的高度比压电发电单元长螺栓上表面的高度高0.2~1.8mm；等应力压电发电模块5从箱体1侧面***箱体，基板6与箱体1内部的凹槽配合，上压板8与传动杆24上的窄槽配合；

等应力悬臂杠杆中压式压电发电组件7包括压电发电板、辅助支撑部件和弹性杠杆，所述的压电发电板包括铜极板16和粘贴在铜极板16上下两面上的方形上压电陶瓷片15和下压电陶瓷片17，上压电陶瓷片15和下压电陶瓷片17均沿厚度方向极化且极化方向相反，铜极板16材料为铍青铜，长度为120mm，宽度为46mm，厚度为0.3mm，压电陶瓷片材料均为PZT-5，长度为100mm，宽度为42mm，厚度为0.2mm。

弹性杠杆包括弹性杆11、设置在弹性杆11上侧靠近长螺栓12的主动压块13和设置在弹性杆11下侧端部的从动压块14，主动压块13和从动压块14通过粘接方式和弹性杆11联接在一起，主动压块13到长螺栓12距离为弹性杆11悬臂长度的1/5，在竖直方向上，主动压块13上表面的高度比长螺栓12上表面的高度高1mm。

辅助支撑部件包括凹弧面底板10和长螺栓12；凹弧面底板10、铜极板16和弹性杆11依次从下向上设置，凹弧面底板10、铜极板16和弹性杆11上均开设有可供联接用的联接孔，孔直径为5.3mm，由长螺栓12穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体，长螺栓公称直径为5mm。

凹弧面底板10长度方向、宽度方向上均轴对称，两端高起联接长方体凸台，凸台上表面开设有用来联接用的直径为5mm的联接孔，凹弧面底板中间为下凹弧面，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的长度为122mm，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的宽度为50mm，凹弧面垂直于宽度方向的截面形状为一抛物线，抛物线的P值为252.4，抛物线最低高距凹弧面底板10下表面18.63mm；在凹弧面的最高处，以长122宽50的长方形平面向下切除深2~5mm的凹槽作为压电陶瓷片的限位槽；在凹弧面底板垂直于弧面轴心的两侧，以螺钉联接长142mm宽20mm厚1mm的长方形挡板用以限制压电陶瓷片的位置；凹弧面底板10、主动压块13和从动压块14均为尼龙66塑料材料。

上压电陶瓷片15、下压电陶瓷片17和铜极板16均联接到能量转换电路和能量储存装置。

使用该模块化的地埋式压电发电装置模拟人体踩踏的情况进行实验，当人体踩踏踏板时3，踏板3和传动杆24向下移动，带动等应力压电发电模块5的上压板8向下移动，上压板8把运动传递给模块中的压电发电单元7的主动压块13。由于长螺栓12的支撑限位作用，主动压块13仅能向下移动1mm，又由于主动压块13到长螺栓12距离为弹性杆11悬臂长度的1/5，根据杠杆原理，设置在弹性杆11端部下侧的从动压块14向下移动5mm，即驱动压电发电板自由端向下移动5mm的距离。

从动压块14驱动压电发电板自由端向下移动，随着从动压块14的逐步向下移动，压电陶瓷片中间受压下凹，逐渐和凹弧面底板的上凹弧面相贴合，保证了压电发电板从固定端到自由端每段压电陶瓷片均产生形变和每段压电陶瓷片形成应力的均匀性,充分提高了压电发电板压电陶瓷片的发电效率。

当人体踩踏结束脚抬起后，传动杆24下端的弹簧由于踏板压缩产生的势能开始释放，弹起踏板到原来位置，压电发电板则由自身的弹性恢复到原来状态。由于踏板3较大，当有人踩踏踏板3时，同时驱动多个压电发电单元7进行发电，最大限度的利用了人体踩踏产生的动能。整个压电发电装置放置在人流较大的路面上，当有人连续经过踩踏踏板并释放时，该压电发电装置即可完成连续的压电发电过程。

由于踏板3和支撑限位条4的支撑限位作用，以及上压板8和长螺栓12的支撑限位作用，限制踏板3、主动压块13和人体仅能向下移动0.2~1.8mm，距离较短，无踩空等不适的感觉，且避免了人体踩踏冲击力和压电陶瓷片的直接接触，保证压电陶瓷片不被冲击破裂或损坏。凹弧面底板10的存在，保证了压电陶瓷片应力的均匀性和曲率变化的可控性，充分提高了压电发电板压电陶瓷片的发电效率。与现有技术相比，该模块化的地埋式压电发电装置具有结构简单、功率容量大、整机制造装配容易、成本低、压电转换效率高、踩踏时无踩空等不适感、对环境无污染、使用寿命长等优点。

当踩踏踏板3时，同时驱动了多个压电发电单元7进行发电，当有人连续经过踩踏踏板3并释放时，该压电发电装置即可完成连续的压电发电过程。当踩踏频率为1Hz时，使用示波器对上压电陶瓷片15和下压电陶瓷片17的输出电压进行测量，其输出电压最大值分别为39.4V和37.2V，较单纯的压电发电板楼梯压电发电装置其输出电压有较大提高，发电性能良好。

Claims (9)

1.一种模块化的地埋式压电发电装置，其特征在于：包括箱体、传动装置和等应力压电发电模块；箱体包括基体、安装在基体上的箱体上盖板、支撑限位条、传动杆支撑座、弹簧和连接件，箱体基体一较长侧壁开有用以***等应力压电发电模块的贯穿槽,在每个贯穿槽内表面下侧，贴近内壁向下开有供压电发电单元定位的槽，与该侧壁相对侧壁的内壁相应地开有供等应力压电发电模块定位的槽；传动装置包括踏板和联接在踏板上的传动杆，踏板设置在箱体的上方，传动杆穿过箱体上盖板与等应力压电发电模块联接；等应力压电发电模块包括基板、限位螺栓、压电发电单元和上压板，等应力压电发电模块从箱体侧面***箱体，基板与箱体内部的凹槽配合，上压板与传动杆上的窄槽配合；压电发电单元通过长螺栓固定在基板上；等应力压电发电模块的基体上开设有可供联接用的联接孔，上压板上开设有供限位螺栓穿过的限位孔，两者由限位螺栓穿过联接孔后将其联接为一体；联接后上压板不能前后左右移动，只能上下移动，上压板的上表面与压电发电单元的主动压块的上表面相接触；压电发电单元包括压电发电板、弹性杠杆和辅助支撑部件，所述的压电发电板包括铜极板和粘贴在铜极板上下两面上的方形上压电陶瓷片和下压电陶瓷片，上压电陶瓷片和下压电陶瓷片均沿厚度方向极化且极化方向相反，弹性杠杆包括弹性杆、设置在弹性杆上侧靠近长螺栓的主动压块和设置在弹性杆下侧端部的从动压块，主动压块通过粘接或者焊接设置在弹性杆上侧靠近折弯处的位置，从动压块通过粘接或者焊接设置在弹性杆下侧端部；辅助支撑部件包括凹弧面底板和长螺栓，凹弧面底板、铜极板和弹性杆依次从下向上设置，凹弧面底板、铜极板和弹性杆上均开设有可供联接用的联接孔，由长螺栓穿过每个零件的联接孔后将其联接为一体；在竖直方向上，凹弧面底板长度方向、宽度方向上均轴对称，两端高起联接长方体凸台，凸台上表面开设有用来联接用的联接孔，凹弧面底板中间为下凹弧面，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的长度≥压电陶瓷片的长度，凹弧面底板的凹弧面在底面上投影的宽度≥压电陶瓷片的宽度；在凹弧面的最高处，以凸台相对面距离为长，凹弧面宽度为宽，向下切除深2~5mm的凹槽作为压电陶瓷片的限位槽；凹弧面底板垂直于弧面轴心的两侧，以螺钉联接与凹弧面底板长度相同的长方形挡板用以限制压电陶瓷片的位置；凹弧面底板、支撑板、主动压块和从动压块均为非导电材料；上压电陶瓷片、下压电陶瓷片和铜极板均通过串联或并联方式联接于能量转换电路和能量储存装置。

2.根据权利要求1所述的模块化的地埋式压电发电装置，其特征在于：主动压块到折弯处的距离为弹性杆悬臂长度的1/10~1/2。

3.根据权利要求1所述的模块化的地埋式压电发电装置，其特征在于：所述的主动压块上表面的高度比长螺栓上表面的高度高0.2~1.8mm。

4.根据权利要求1所述的模块化的地埋式压电发电装置，其特征在于：凹弧面垂直于宽度方向的截面形状为一抛物线，抛物线的P值在187.3~328.5之间。

5.根据权利要求1-4中任一条所述的模块化的地埋式压电发电装置，其特征在于：所述的凹弧面底板、上压板、支撑板、主动压块和从动压块为塑料材料。

6.根据权利要求1-4中任一条所述的模块化的地埋式压电发电装置，其特征在于：所述的凹弧面底板、上压板、支撑板、主动压块和从动压块为木质材料。

7.根据权利要求1-4中任一条所述的模块化的地埋式压电发电装置，其特征在于：所述的凹弧面底板、上压板、支撑板、主动压块和从动压块为陶瓷材料。

8.根据权利要求1-4中任一条所述的模块化的地埋式压电发电装置，其特征在于：所述的凹弧面底板、上压板、支撑板、主动压块和从动压块为玻璃材料。

9.根据权利要求1-4中任一条所述的模块化的地埋式压电发电装置，其特征在于：所述的凹弧面底板、上压板、支撑板、主动压块和从动压块为橡胶材料。