TWI439039B - 壓電發電模組 - Google Patents

Description

壓電發電模組

本發明關於一種壓電發電模組，特別是一種平板式的壓電發電模組，可應用於多層面的領域。

隨石油價格高漲，再生或潔淨能源成為新的能源發展方向，其中以太陽能、風能與生質能源的技術開發為主，又以太陽能的產業發展最迅速。唯現有的再生能源開發均遭受原料與製造成本高的問題，導致在無政府補助獎勵下無法生存，如何降低再生能源的發電成本一直是相關產業技術開發的重點。機械能是一種值得考量的能源，它始終存在於地球環境中，例如風力，浪潮變化都是機械能潛在發展的來源之一。此外，凡移動的物體也會有機械能產生，因此機械能為地球上到處存在的能源。只是，機械能表現的形態隨時間有相當大的變化，不易獲得穩定的機械能來源。

有關機械能的利用，目前有懸臂式結構的壓電片，其懸臂均以固定於一不會移動的牆面上，將機械能透過牆面送至壓電片。請參考專利：JP11146663、JP2003061367，即揭露在懸臂上貼合壓電片形成壓電發電器，以懸臂式結構來產生機械震動，帶動壓電片壓縮或拉伸來產生電壓。WO0120760專利也同樣揭示將壓電片貼於微加工製作的懸臂上。另外，如專利JP9205781、US5751091、JP2004222414等使用類似懸臂結構之外，也使用多層結構的壓電片以增加產生的電能。

專利WO2004030949、EP1762403、MXPA05003441、WO2006009775、US2005280334、US2004108724、US6909224、US6655035、US6194815等揭示對非直線運動的機械力，亦可設計機械結構來轉換作用力方向，使其連續作用壓電片產生電壓，如，使用旋轉造成的扭力的致動器，將旋轉動能轉換成使壓電片產生連續彎曲變形的作用力，以產生電壓的輸出。

專利WO9625769、US5578889、US5548177、JP2001180575等則揭露對水流類的流體動能，透過浮標的上下浮動作為機械能傳送結構，如，因浮標結構的隨波擺動導壓電片變形產生電壓輸出。

專利US6424079，揭示使用線狀結構，受流體帶動產生扭動也可傳送機械能到壓電片上，如使其產生電壓輸出。

專利JP2003152238與US2005225207，使用帶狀的貼合壓電片結構，經過對滾的圓筒產生的壓力，受連續壓力作用產生電壓輸出，其中使用多片壓電片貼合於具彈性的膠帶上，滾軸旋轉時可以產生連續的電壓輸出。

專利JP2002218769、US20030146676、AU6020101等則揭露使用軟基材，利用外力作用使基材變形，導致附著的壓電片變形產生電壓輸出。

專利JP2003315363、JP2001339963、JP7245970等揭露多數個壓電片並貼或堆疊為增加電能輸出的方式，如透過金屬片與接線對壓電片形成串並聯電路連接，以提供大的電壓或電流輸出。

本發明提供一種壓電發電模組，包括：一上蓋；一下蓋；一機電轉換單元，該機電轉換單元係為一金屬片，金屬片貼有複數個壓電片，機電轉換單元並電性連接一輸出端；一氣墊，設置於該些壓電片下方，以提供該些壓電片形變空間；及複數個突起物，固定於上蓋之內表面，並設置於該些壓電片上方，每一突起物受力端接觸面積大於施力於壓電片上的接觸面積，以當壓電發電模組受到一外力時，達到壓力放大的效果。

其中，氣墊材質選自橡膠、矽膠或塑膠其中之一種。本發明之壓電發電模組可以包括多個氣墊，該些氣墊為球型氣墊。並且，壓電發電模組的下蓋具有一凹槽以容置該些球型氣墊及機電轉換單元。此外，突起物之外型可以是為一錐形體、一柱狀體或為一半圓球體，其中突起物最佳為剛性係數大約0.7以上的剛性材料。

本發明之壓電發電模組也可以是平板式的，且上蓋及下蓋的材質為彈性材質，選用可以任意撓曲的橡膠或塑膠材質，使壓電發電模組可受任意撓曲、桿壓、輾壓或是敲擊來輸出電流。

本發明平板式壓電發電模組，更包括多個機電轉換單元，選擇以串聯、並聯及其任意組合其中之一種方式相互連接。

平板式壓電發電模組，更包括一整流器，整流器電性連接於輸出端，使壓電片所產生的電能輸出至整流器。本發明平板式壓電發電模組更包括一充電裝置，整流器電性連接於充電裝置，使整流後的直流電儲存至充電裝置。

輸出端也可以電性連接於一負載電路，使機電轉換單元受外力所產生的電能輸出至整流器後，即可提供電流給負載電路。

關於本發明的優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文依本發明之壓電發電模組，特舉較佳實施例，並配合所附相關圖式，作詳細說明如下，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明。

本發明之壓電發電模組1並未使用懸臂式結構來壓縮或拉伸壓電片，而是開發另一種新的結構，使壓電發電模組內之壓電片產生形變，以輸出電流。請參照圖1A至圖1C，分為本發明實施例壓電發電模組之俯視、右側視及前視剖面示意圖。壓電發電模組1包括一上蓋10、一下蓋11、一機電轉換單元12、一氣墊13、及複數個突起物14。

本發明實施例之壓電發電模組1係為一平板式壓電發電模組，且上蓋10及下蓋11的材質為彈性材質，選用可以任意撓曲的橡膠或塑膠材質，比如：矽膠、乳膠、聚氨脂(PU)等高分子聚合物，使平板式壓電發電模組可受任意撓曲、桿壓、輾壓或是敲擊來輸出電流，其結構及原理將於後文中詳述。

請參照圖2，為本發明機電轉換單元12之示意圖。機電轉換單元12包括一金屬片120，其中至少有一面貼有複數個壓電片122。機電轉換單元12並電性連結一輸出端123，以將壓電片122形變之後所產生之電能輸出。在本發明實施例中，為了使輸出電能增加，在金屬片120之上下兩面各貼合複數個壓電片122。此外，本發明之機電轉換單元12利用電路板124，如圖2所示，以將該些壓電片122以串聯或並聯相接，並將該些壓電片因形變而產生的電流輸出至輸出端123。

本發明之另一較佳實施例如圖3A至3C所示，選擇使用多個電子元件125將該些壓電片122做電性連接，如圖3A所示。利用電子元件125的好處是，壓電片具有較大的變形空間，並提高壓電發電模組1壓電轉換的靈敏度。

另外，由於一般壓電片122係為陶瓷材料所製，壓電片122的面積若是太大，在受到撓曲力時還是很容易碎裂，特別在本案中，為了使平板式的壓電發電模組1可以儘量輕薄，同時，又能保護壓電片122不會因為受外應力過大而碎裂，本發明實施例中，壓電片122的面積大約11至13 mm2，且彼此之間，相距一預定距離。並且，每一壓電片122長寬比範圍大約1至10，以利於使壓電片122彎曲產生形變。

由於在本發明實施例的壓電發電模組1是平板式的，為了使機電轉換單元12受力之後，壓電片122還能在有限的空間內產生足夠的形變量，本發明在壓電片122下方設置一氣墊13，以提供壓電片122形變的空間。除此之外，也可以保護陶瓷材料所製成的壓電片122，使之不容易因為應力過大而裂開。

在本實施例中，使用了複數個氣墊13，氣墊13為一氣墊球，當然，為了調整彈性係數，可以控制球體內部之氣泡率，或者也可以是一空心球殼。此處所指氣墊13的外型僅是為方便說明的一實施例而已，它不限於圖示形狀，其它形狀也是可行的。複數個氣墊13目的是用以產生一回復力，因此，具有彈性的小彈簧自然也是可被選擇的替代物之一。下蓋11具有一凹槽110，多個球型氣墊13鋪設於下蓋11之凹槽110內，機電轉換單元12疊置於氣墊13上。氣墊13的材質選自橡膠、矽膠、泡棉、保麗龍球或發泡塑膠粒其中之一種。

複數個突起物14，設置於上蓋10之內表面101，使上蓋10與下蓋11結合時，機電轉換單元12位於突起物14及氣墊13之間。當壓電發電模組1受到一外力時，突起物14可以使機電轉換單元12上多個壓電片122同時受力，並增加每一受力點單位面積所受的壓力，使這些壓電片122同時輸出電能，有效提高壓電轉換效率。本發明實施例的突起物14是錐形體，頂點朝下，即下尖上平，當然，尖端處不能太尖銳，在本發明實施例中，錐形體尖端處具有圓角或鑲以小珠子為最佳，並且，突起物14最好是由剛性係數大約0.7以上的剛性材料所製備。如圖1B及圖1C所示，突起物14的特徵是接近上蓋10(即受力端)的上表面積要大於施力於機電轉換單元12接觸點的下表面積，以產生壓力放大的效果。上表面積/下表面積比愈大，則放大效果愈佳。突起物14可以任意習知的固定方式固定於上蓋10內表面101，也可以和上蓋10一體成型。

在一較佳實施中，前述的突起物14在本發明一實施例中也可以是四分之三球體或半圓球體，然而，只要上表面積大於施力接觸點的下表面積即可，並不限於本發明之實施例所述之形狀，當然，當突起物14為半圓球體時，會具有最佳的效果，如圖4A。每一突起物14和壓電片122的接觸點僅有一點，除了可以產生壓力放大的效果之外，由於其形狀較為圓滑，因此當上蓋受外力衝擊時，對於壓電片122的損傷比較小，可以延長本發明壓電發電模組之使用壽命。

本發明的突起物14可以選擇使用多個並列的半圓柱體，也能達到相同的效果，其他具有通常知識者可輕易推知的形狀及變化，也應包含在本發明範圍內，在此並不一一描述。

另一方面，突起物14為半圓球體，可以使多層壓電發電模組垂直疊加，以提高單位面積壓電轉換的效率，如圖4B所示。只要在上下兩組機電轉換單元12a及12b之間新增一墊板19，其材質如同上蓋10或下蓋11一般選用可以任意撓曲的橡膠或塑膠材質，比如：矽膠、乳膠、PU等高分子聚合物。墊板19下表面同樣具有複數個半圓球體突起物14，除了提供上層壓電片122a的變形空間，同時也對下層的壓電片122b施加壓力，提供壓力放大的效果。

本發明採用多個突起物14相較於僅採用單一突起物之設計還有另一個優點，也就是每一受力的壓電片，力電耦合的關係仍位於線性變化區內，使應力能更有效的被轉換成電能輸出。單一突起物的設計雖然可以使單位面積的受力增加，但由於其應力皆集中於同一壓電片上，而壓電片輸出的電流並不會隨著變形量的加大而無限度的增加，最終仍會達到飽和，此時，即便繼續對壓電片施力使之產生變形，也無法再提供更多的電流。

當然，依照實際應用需求及輸入機械能的大小，可任意改變機電轉換單元12及壓電片122的個數，以及機電轉換單元11的排列方式，選擇以串聯、並聯及其任意組合其中之一種方式相互連接，來提高轉換產生的電能。本發明實施例中，為了使壓電發電模組1可以應用於戶外，或者是一些溼氣較重的環境中，壓電發電模組1封裝時更包括一防水膜層15包覆壓電發電模組1，以防止水氣滲入，造成機電轉換單元12受損。

請參照圖5，為本發明壓電發電模組1之功能方塊圖。輸出端123可以電性連接於一整流器16，使該些壓電片所產生的電能輸出至該整流器16。整流器16可再連接於一充電裝置17，以儲存整流器16輸出的直流電。充電裝置17可以是一電容或者是一充電電池。

輸出端123也可以電性連接一負載電路18，比如一發光元件，使機電轉換單元12受外力所產生的電能輸出至整流器16後，即可提供電流給該負載電路18。

本發明之壓電發電模組具有下列優點：

(1)使用氣墊提供壓電片變形空間，相較於習知懸臂式結構的壓電片，本發明之壓電發電模組可以使壓電片在有限的空間之內產生形變，輸出電流，因此，壓電發電模組的體積可以縮小，甚至製備成平板狀結構。

(2)利用多個突起物，可以使多個壓電片同時受力，放大對壓電片所施加的壓力，達到提高壓電轉換效率的效果。

(3)結構設計具有彈性，可以依照需求將多個機電轉換單元垂直疊加，形成多層結構的壓電發電模組，提高單位面積壓電轉換的效率。

(4)應用廣泛，不論採用何種任意撓曲、桿壓、輾壓或是敲擊等施力方式，皆可使本發明之壓電發電模組輸出電能。

比如：設計為平板狀結構時，加大面板後設置於高處，兩端固定，可藉由風力使平板式壓電發電模組面板產生彎折，使壓電片變形來產生電能。而在包覆防水膜層之後，平板式壓電發電模組也可以利用潮汐，來產生電能。

另外，也可使用於行進車輛這類機械能變動大的地板或路面，作為行人或行進車輛運用之發電地板或發電馬路，可有效地由路面回收行進間車輛對路面作用的機械能。

除了上述應用方式之外，由於本發明之平板式壓電發電模組可被撓曲變形來產生電力，又可擴張其應用的層面及範圍。

本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例。凡熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範疇內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。

1．．．壓電發電模組

10．．．上蓋

101．．．上蓋內表面

11．．．下蓋

110．．．凹槽

12、12a、12b．．．機電轉換單元

120．．．金屬片

122．．．壓電片

123．．．輸出端

13．．．氣墊

124．．．電路板

125．．．電子元件

14．．．突起物

122、122a、122b．．．壓電片

15．．．防水膜層

16．．．整流器

17．．．充電裝置

18．．．負載電路

19．．．墊板

圖1A至圖1C　分別顯示本發明實施例壓電發電模組俯視、前視及右側視的剖面示意圖；

圖2顯示本發明實施例之機電轉換單元之示意圖；

圖3A至圖3C　分別顯示本發明另一實施例壓電發電模組俯視、前視及右側視的剖面示意圖；

圖4A及圖4B　分別顯示本發明不同實施例壓電發電模組前視的剖面示意圖；及

圖5　顯示本發明壓電發電模組之功能方塊圖。

1‧‧‧壓電發電模組

10‧‧‧上蓋

101‧‧‧上蓋內表面

11‧‧‧下蓋

110‧‧‧凹槽

12‧‧‧機電轉換單元

122‧‧‧壓電片

124‧‧‧電路板

13‧‧‧氣墊

14‧‧‧突起物

15‧‧‧防水膜層

120‧‧‧金屬片

Claims (10)

1. 一種壓電發電模組，包括：一上蓋；一下蓋，提供一容置空間，該上蓋蓋合該下蓋；一機電轉換單元，位於該下蓋的容置空間內，該機電轉換單元係為一金屬片，該金屬片貼有複數個壓電片，該機電轉換單元並電性連接一輸出端；一氣墊位於該下蓋的容置空間的底部，設置於該些壓電片下方，以提供該些壓電片形變空間；及複數個突起物，固定於該上蓋之內表面，並設置於該些壓電片上方，每一突起物受力端接觸面積大於施力於該壓電片的接觸面積，用以當該壓電發電模組受到一外力時，達到壓力放大的效果。
2. 如申請專利範圍第1項所述的壓電發電模組，該氣墊材質選自橡膠、矽膠、泡棉、保麗龍球或發泡塑膠粒其中之一種。
3. 如申請專利範圍第2項所述的壓電發電模組，其中該壓電發電模組更包括多個氣墊，該些氣墊係為氣墊球，該下蓋具有一凹槽以容置該些氣墊球及該機電轉換單元。
4. 如申請專利範圍第1項所述的壓電發電模組，該些壓電片長寬比為=1：1至10：1，有利於使該些壓電片彎曲產生形變。
5. 如申請專利範圍第1項所述的壓電發電模組，該些突起物之外型為一錐形體或一半圓球體，其中該些突起物為剛性係數係 0.7以上的剛性材料。
6. 如申請專利範圍第1項所述的壓電發電模組，該機電轉換單元更包括一電路板或多個電子元件，以將該些壓電片以串聯或並聯相接，並將該些壓電片因形變而產生的電流輸出至該輸出端。
7. 如申請專利範圍第1項所述的壓電發電模組，該壓電發電模組更包括：一第二機電轉換單元，該第二機電轉換單元貼有複數個第二壓電片；及一墊板，該墊板下表面具有複數個半圓球體突起物，該墊板設置於該機電轉換單元上方，該第二機電轉換單元放置於該墊板上方，當該上蓋受力時，該墊板提供該些第二壓電片之變形空間，並以該些半圓球體突起物對該機電轉換單元施力，同時提供壓力放大的效果。
8. 如申請專利範圍第7項所述的壓電發電模組，該壓電發電模組係為一平板式壓電發電模組，且該上蓋、該下蓋及該墊板的材質為彈性材質，使該平板式壓電發電模組可受任意撓曲、桿壓、輾壓或是敲擊來使該壓電發電模組輸出電流。
9. 如申請專利範圍第1項所述的壓電發電模組，更包括一整流器、一電容或一充電電池，該整流器電性連接於該輸出端及該電容或該充電電池，使該些壓電片所產生的電能輸出至該整流器後，儲存至該電容，或對該充電電池充電。
10. 如申請專利範圍第1項所述的壓電發電模組，該輸出端電性連接於一負載電路，使該些機電轉換單元受外力所產生的電能輸出至該整流器後，即可提供電流給該負載電路。