專利名稱:一種基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
—種基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種微風(fēng)發(fā)電裝置,具體是一種適用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的壓電式發(fā)電裝置。
背景技術(shù):
[0002]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大量應(yīng)用,使得無(wú)線傳感器的供能問(wèn)題成為一種有待解決的問(wèn)題,現(xiàn)有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用電池供電的傳統(tǒng)供電方式,而傳統(tǒng)功能方式存在供能時(shí)間有限,經(jīng)常需要更換電池的缺點(diǎn);因此從自然界中汲取一切微小的能量,實(shí)現(xiàn)自供能系統(tǒng)裝置成為一種非常有效的解決途徑。[0003]由于無(wú)線傳感器的低功耗需求,使得微小能量的利用成為可能。本實(shí)用新型研制一種基于壓電效應(yīng)的磁浮式微風(fēng)發(fā)電裝置,利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)葉片帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),然后轉(zhuǎn)子上的鏈輪輪齒帶動(dòng)定子上的壓電振子振動(dòng),通過(guò)壓電振子自由振動(dòng)產(chǎn)生輸出電荷, 存儲(chǔ)至蓄電器中。目前這方面的研究成果主要如下國(guó)際方面,美國(guó)德州大學(xué)的Shashank Priya教授和其他材料科學(xué)與工程計(jì)劃的研究人員采用壓電器件制造出了一種小型發(fā)電機(jī) [1]。這種發(fā)電機(jī)可由時(shí)速8 16公里的風(fēng)力驅(qū)動(dòng),發(fā)電機(jī)的槳葉連到凸輪上,使圍繞軸排成圓形的一串雙壓電晶片產(chǎn)生振蕩。一個(gè)采用APC855陶瓷制造的雙壓電晶片可輸出O. 935mff 的功率,由11個(gè)壓電晶片組成的單元可輸出10. 2mW的功率。這種發(fā)電機(jī)要求風(fēng)速較高,對(duì)環(huán)境要求苛刻,風(fēng)速不穩(wěn)定或者較低時(shí),則不能發(fā)電或者發(fā)電極為不穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)方面,重慶大學(xué)進(jìn)行振動(dòng)式MEMS微型發(fā)電機(jī)實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)研究,研制成功接近實(shí)用化的振動(dòng)式壓電微型發(fā)電機(jī)樣機(jī),其輸出功率為50-500uW,輸出電壓大于3V[2]。[0004][I] 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.[0005][2]微型發(fā)電機(jī),專利號(hào)200310111187. 4。發(fā)明內(nèi)容[0006]發(fā)明目的[0007]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,而提供一種能夠在更低風(fēng)速啟動(dòng)并發(fā)電的微風(fēng)發(fā)電裝置,有效提高了從環(huán)境中獲取能量的效率。[0008]技術(shù)方案[0009]為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置,包括底板以及設(shè)置在底板上的壓電陣子和升力型風(fēng)機(jī),在升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上連接有帶齒的凸輪,所述的壓電陣子均布在凸輪的外側(cè),所述的凸輪的齒頂為尖頂,凸輪的齒數(shù)為N,所述的壓電陣子的個(gè)數(shù)為M,其中,M與N互質(zhì),且2彡M彡18,4彡N彡19。[0010]所述的壓電陣子包括壓電陣子基板和壓電元件,所述的壓電片基板一端為夾持端,另一端為撥擦端,在壓電陣子基板的中部設(shè)置有陣列孔,所述的壓電元件設(shè)置在壓電陣子基板的中部。[0011 ] 壓電元件為壓電片或壓電膜。[0012]在所述的底板與升力型風(fēng)機(jī)之間還設(shè)置有兩塊極性相反的圓形磁鐵,兩塊磁鐵的圓心與升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸軸心在同一直線上,一塊磁鐵與升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接,另一塊磁鐵固定在底板上。[0013]在所述的底板上設(shè)置有一壓電片夾持塊,在該壓電片夾持塊上開(kāi)設(shè)有夾持槽,所述的壓電振子固定在所述的夾持槽內(nèi)。[0014]本實(shí)用新型發(fā)電裝置由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)葉片,帶動(dòng)與齒輪固定相連的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)的齒輪撥動(dòng)呈星狀結(jié)構(gòu)固定在基座上的單個(gè)發(fā)電單元,發(fā)電單元中的壓電片或者壓電膜受迫振動(dòng),利用壓電材料作為介質(zhì),通過(guò)正壓電效應(yīng)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能。壓電單元采用多孔陣列結(jié)構(gòu)不銹鋼薄片作為壓電振子基板,通過(guò)中間黏合介質(zhì)構(gòu)建單側(cè)片狀壓電振子部件。 同時(shí)在壓電振子基板上開(kāi)有陣列孔,以減小彎曲所需應(yīng)力。該結(jié)構(gòu)壓電振子可在滿足壓電陶瓷拉伸極限條件下,提高壓電振子的剛性系數(shù)和固有頻率,降低壓電振子的驅(qū)動(dòng)力,從而降低發(fā)電裝置所需的啟動(dòng)風(fēng)速和工作風(fēng)速。撥動(dòng)壓電振子的齒輪的齒頂設(shè)計(jì)為尖狀,以避免在撥動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生擠壓,提高能量的利用率。輸出能量經(jīng)轉(zhuǎn)換電路裝置存儲(chǔ)至蓄能裝置或最終負(fù)載中。此外,本實(shí)用新型采用磁浮式的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),運(yùn)用磁力補(bǔ)償風(fēng)葉和連接軸的重力產(chǎn)生的軸承旋轉(zhuǎn)阻力,可有效降低旋轉(zhuǎn)阻力。本實(shí)用新型為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量供應(yīng)提供了一種解決方法,裝置對(duì)工作環(huán)境要求低,可在最低時(shí)速4公里的微風(fēng)環(huán)境中工作,輸出功率達(dá)到15mW,具有啟動(dòng)風(fēng)速和工作風(fēng)速低,輸出功率高的特點(diǎn),可有效延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作周期。[0015]有益效果[0016]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下優(yōu)點(diǎn)[0017]I、風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了垂直軸安裝的方式,配合了磁浮裝置,可以有效的減小摩擦力。同時(shí),也是全風(fēng)向有效,解決了風(fēng)向變幻莫測(cè)的問(wèn)題。風(fēng)葉也齒輪采用直接連接,減少了傳動(dòng)帶來(lái)的能量損耗。在此處,凸輪的齒數(shù)與壓電片振子的個(gè)數(shù)互質(zhì),可以保證在同一時(shí)刻,凸輪只與一個(gè)壓電振子接觸,減小瞬時(shí)阻力的峰值,使得風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中更加平穩(wěn), 凸輪的齒頂被磨尖,使得凸輪與壓電振子的接觸只在一瞬間。在撥動(dòng)壓電振子之后,便不在接觸。此后,壓電振子開(kāi)始自由振動(dòng),有效地利用了每次撥擦所帶來(lái)的能量。直到下一次撥擦,如此循環(huán)往復(fù)。還有夾塊部分,通過(guò)中間開(kāi)縫的形式,可以方便的調(diào)整壓電片與凸輪撥擦的程度。[0018]2、基板采用了懸臂梁方式夾持,彎曲變形主要集中在中間部分(越靠近固定端,彎曲程度越大)。由于壓電片產(chǎn)生電能主要依靠彎曲變形來(lái)產(chǎn)生,所以此處壓電片只粘貼在中間部分。撥擦端的彎曲變形小,如果粘貼壓電片則效果不明顯,且增大了撥擦阻力。[0019]3、為了能夠使基板的彎曲集中在中間部分,同時(shí)減少?gòu)澢璧膿懿亮?,基板的中間部分采用了陣列小孔的結(jié)構(gòu)。如果直接開(kāi)一個(gè)大孔,則會(huì)影響到壓電片與基板的貼合程度,使得壓電片容易在振動(dòng)過(guò)程中斷裂。采用密集的陣列小孔,可以有效的避免應(yīng)力集中,同時(shí)保證壓電片與基板的貼合程度。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下,采用密集陣列小孔的方式可以降低結(jié)構(gòu)的固有頻率,提高壓電振子的發(fā)電效率。[0020]4、為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種新的無(wú)源功能方式,延長(zhǎng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作周期。[0021]5、由于壓電材料具有很高的能量密度,因此該裝置體積小,重量輕,便于安置。[0022]6、本系統(tǒng)采用立軸風(fēng)電方式,通過(guò)磁浮式軸承機(jī)構(gòu),有效降低了旋轉(zhuǎn)阻力,提高了能量利用效率,使得本裝置的啟動(dòng)風(fēng)速和工作風(fēng)速和以往技術(shù)相比有所降低;降低了本裝置對(duì)工作環(huán)境的要求。[0023]7、本系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,可用于野外無(wú)人環(huán)境中的低功耗電子設(shè)備的能量供應(yīng)。
[0024]圖I是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。[0025]圖2是風(fēng)力轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)圖。[0026]圖3是壓電發(fā)電裝置齒輪與壓電振子布置示意圖。[0027]圖4是圖3的俯視圖。[0028]圖5是圖4的A部放大示意圖。[0029]圖6是將發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存到蓄電器的電路圖。[0030]圖中1、葉片;2、罩殼;3、轉(zhuǎn)軸;4、葉片支架;5、上軸承座;6、軸承;7、緊定螺釘8、齒輪;9、壓電片夾持塊;10、電路I旲塊;11、沉頭螺釘;12、下軸承座;13、磁鐵;14、壓電振子基板;15、壓電片;16、襯板;17、底板。
具體實(shí)施方式
[0031]
以下結(jié)合附圖,對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說(shuō)明。如圖I、圖2所述,本實(shí)用新型微風(fēng)發(fā)電裝置,采用升力型風(fēng)機(jī),葉片為升力型葉片,葉片I由復(fù)合材料制作而成。通過(guò)葉片支架4 將多個(gè)葉片以一定角度安裝固定,葉片支架4使用空心不銹鋼管焊接而成。葉片支架4與轉(zhuǎn)軸3固連,在風(fēng)里驅(qū)動(dòng)下一起轉(zhuǎn)動(dòng),如圖I所示。轉(zhuǎn)軸3采用上下兩個(gè)軸承6支撐,轉(zhuǎn)軸上安裝有齒輪8,齒輪的齒為尖齒,且齒的個(gè)數(shù)為M。在本實(shí)施例中,齒輪的齒數(shù)為11個(gè),用以撥動(dòng)壓電振子。[0032]壓電振子設(shè)置在齒輪的外圍,如圖3所示,其數(shù)量為N,為了使得壓電振子和齒始終只有一個(gè)相互作用,所以要求其他的壓電陣子和齒不能干涉,因?yàn)槭紫纫驨與M互質(zhì),同時(shí),考慮到壓電陣子的振動(dòng),所以存在一定的振幅,還有齒的尖端并不完全是一個(gè)點(diǎn), 以凸輪齒頂圓直徑為25mm計(jì)算,故圓周長(zhǎng)度為25* π mm ^ 78. 54mm,壓電振子振幅為3mm 左右,為保證相互不干涉,所以選取兩個(gè)之間的最小間距為4mm,78. 54mm/4mm 19,所以 4彡N彡19。在本實(shí)施例中,電壓陣子的數(shù)量為12個(gè)。因?yàn)镸與N互質(zhì),所以2彡M彡18。[0033]由壓電振子基板14和壓電片15通過(guò)AB膠粘接而成。壓電振子基板14采用 80*20mm的O. 3mm厚不銹鋼板切割而成,并在粘貼壓電片位置打有3*2的孔徑為3mm小孔的陣列孔。壓電片15采用25*20mm的O. 25mm厚PZT-5H壓電材料。在粘貼前需要使用酒精清洗,保持表面無(wú)異物。AB膠的厚度應(yīng)保持在O. Imm以內(nèi),并在壓電片15的上下焊接正負(fù)極引出導(dǎo)線。壓電振子安裝在壓電片夾持塊9上后需要進(jìn)行調(diào)整,保證齒輪8能夠順利撥動(dòng)壓電振子,達(dá)到3mm左右的振幅,如圖5所示。[0034]在齒輪8撥動(dòng)壓電振子后,首先是受迫彎曲,然后是自由振動(dòng)。由于壓電片的彎曲,根據(jù)正壓電效應(yīng),壓電片15上下表面產(chǎn)生一定的電壓差。受迫彎曲產(chǎn)生的電壓差較大,之后的自由振動(dòng)將齒輪8提供的撥動(dòng)能量充分利用,轉(zhuǎn)換出正負(fù)變化的電壓。壓電片的引出線需要統(tǒng)一接入電路模塊10。充電電路為現(xiàn)有技術(shù),電路圖如圖6所示,首先通過(guò)電橋進(jìn)行整流,然后通過(guò)7144芯片將電壓穩(wěn)定到4. 4V,最后充入電池供無(wú)線傳感器使用。
權(quán)利要求1.一種基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置,包括底板以及設(shè)置在底板上的壓電陣子和升力型風(fēng)機(jī),在升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上連接有帶齒的凸輪,所述的壓電陣子均布在凸輪的外側(cè),其特征在于所述的凸輪的齒頂為尖頂,凸輪的齒數(shù)為N,所述的壓電陣子的個(gè)數(shù)為M,其中,M 與N互質(zhì),且2彡M彡18,4彡N彡19。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置,其特征在于所述的壓電陣子包括壓電陣子基板和壓電元件,所述的壓電陣子基板一端為夾持端,壓電陣子基板另一端為撥擦端,在壓電陣子基板的中部設(shè)置有陣列孔,所述的壓電元件設(shè)置在壓電陣子基板的中部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置,其特征在于所述的壓電元件為壓電片或壓電膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置,其特征在于在所述的底板與升力型風(fēng)機(jī)之間還設(shè)置有兩塊極性相反的圓形磁鐵,兩塊磁鐵的圓心與升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸軸心在同一直線上,一塊磁鐵與升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接,另一塊磁鐵固定在底板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置,其特征在于在所述的底板上設(shè)置有一壓電片夾持塊,在該壓電片夾持塊上開(kāi)設(shè)有夾持槽,所述的壓電振子固定在所述的夾持槽內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置,包括底板以及設(shè)置在底板上的壓電陣子和升力型風(fēng)機(jī),在升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上連接有帶齒的凸輪,壓電陣子均布在凸輪的外側(cè),凸輪的齒頂為尖頂,凸輪的齒數(shù)為N,壓電陣子的個(gè)數(shù)為M,其中,M與N互質(zhì),且2≤M≤18,4≤N≤19。凸輪的齒數(shù)與壓電片振子的個(gè)數(shù)互質(zhì),可以保證在同一時(shí)刻,凸輪只與一個(gè)壓電振子接觸,減小瞬時(shí)阻力的峰值,使得風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中更加平穩(wěn),凸輪的齒頂被磨尖,在撥動(dòng)壓電振子之后,便不在接觸。此后,壓電振子開(kāi)始自由振動(dòng),有效地利用了每次撥擦所帶來(lái)的能量。有效降低了旋轉(zhuǎn)阻力,提高了能量利用效率,使得本裝置的啟動(dòng)風(fēng)速和工作風(fēng)速和以往技術(shù)相比有所降低。
文檔編號(hào)F03D9/00GK202746107SQ20122038678
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月7日
發(fā)明者周成鋒, 葉明 , 曹麗潔 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)