[發(fā)明專利]組合式壓電發(fā)電裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201019026086.4
• 申請日: 2010-02-05
• 公開（公告）號: CN102148587A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邊義祥
• 申請（專利權(quán)）人: 邊義祥
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 唐小紅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓電發(fā)電裝置，一種這樣的裝置，可以將環(huán)境的振動機械能轉(zhuǎn)換成電能。

背景技術(shù)

壓電發(fā)電裝置可以將周圍環(huán)境或人體的振動機械能轉(zhuǎn)換成電能，為電子設(shè)備供電，使電子設(shè)備無需頻繁更換電池，或頻繁充電，提高了電子設(shè)備的免維護性。其典型應(yīng)用包括為無線傳感器或無線傳感網(wǎng)絡(luò)等無線電子設(shè)備，或可移動式電子設(shè)備提供電能，在國防領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值。

壓電發(fā)電的工作原理是基于正壓電效應(yīng)，將環(huán)境或人體的振動機械能轉(zhuǎn)換成為電能。根據(jù)壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)不同，有碰撞式壓電發(fā)電和彎曲式壓電發(fā)電兩種發(fā)電方式。碰撞式發(fā)電是利用壓電元件受到碰撞時，應(yīng)力發(fā)生變化，產(chǎn)生電能。而彎曲式壓電發(fā)電是利用壓電元件彎曲的時候，應(yīng)力發(fā)生變化，產(chǎn)生電能。

彎曲式壓電發(fā)電裝置中，壓電材料一般都是制成壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。比如中國專利CN?100414808C提出了一種壓電俘能器，自由端懸掛集中質(zhì)量塊的懸臂梁兩面粘貼壓電材料，懸臂梁振動時由壓電材料輸出電能并存儲起來，但產(chǎn)生的電能較小，主要用于微電子器件的供電。中國專利CN101017989A也公開了一種為微型無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電的壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)，其中壓電材料仍然粘貼在懸臂梁的上下兩面。中國專利CN?101262189A公開了一種利用懸臂梁的壓電發(fā)電裝置，其中壓電材料還是粘貼在金屬懸臂梁的上下兩面。美國專利WO2007121092也描述了主要用于微機電系統(tǒng)(MEMS)供電的的懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電能量回收裝置。上述的發(fā)明專利都是利用單個的壓電懸臂梁的機械振動產(chǎn)生電能，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)限制，只能把外界的某一頻率的機械振動轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電效率低，頻率范圍窄，只能用于微型電子系統(tǒng)的供電。中國專利CN?101272109A公開了一種利用兩組叉指型的多個壓電懸臂梁，進行寬頻發(fā)電裝置；其中的壓電懸臂梁是由壓電元件直接制成，或是由壓電元件粘接制成的。在上述的壓電發(fā)電裝置中，壓電懸臂梁由兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是直接用元件粘貼在一起，形成壓電雙晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)；另一種是把壓電元件粘貼在其它材料懸臂梁的兩面，形成三明治結(jié)構(gòu)壓電懸臂梁。

在現(xiàn)有的壓電發(fā)電專利中，無論那一種形式的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，都是由整塊的壓電元件相互粘貼，或由整塊的壓電元件粘貼在其它材料懸臂梁的兩面，形成壓電懸臂梁。在壓電發(fā)電裝置中，常用的壓電材料是壓電陶瓷。由于壓電陶瓷的彈性模量較大，這樣由整塊的壓電元件制成的壓電懸臂梁一階彎曲共振頻率較高，而由自然環(huán)境或人體提供的機械振動，振動頻率一般很低。這樣，在使用過程中，很難使壓電懸臂梁達到諧振工作狀態(tài)，產(chǎn)生的電能比較少，無法滿足一般的供電需要。而且，由整塊的壓電元件制成的壓電懸臂梁，其中的壓電材料脆性較大，容易斷裂損壞，影響整個壓電發(fā)電裝置的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服目前彎曲式壓電發(fā)電裝置中壓電懸臂梁工作頻率高、容易斷裂損壞的缺點，提出了一種組合式壓電發(fā)電裝置，利用多個兩面貼有多片壓電元件的懸臂板進行寬頻壓電發(fā)電，把自然環(huán)境或人體的振動機械能轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電量大、發(fā)電效率高、使用壽命長。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)措施：

一種組合式壓電發(fā)電裝置，其特征在于：包括支架、安裝于支架上的懸臂板、粘貼于懸臂板的壓電元件；其中上述懸臂板至少為2塊，且相互之間平行，且全部懸臂板中至少有一部分懸臂板的彎曲諧振頻率與其他部分懸臂板的彎曲諧振頻率不同；該組合式壓電發(fā)電裝置還包括一端與懸臂板相聯(lián)另一端與裝置外殼相連的防止振動幅度過大時懸臂板之間或懸臂板和裝置外殼之間碰撞的彈性繩索。懸臂板的材料、密度、彈性模量、結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量等均影響彎曲諧振頻率。

懸臂板的一端固定，另一端自由。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要有：(1)一階彎曲諧振頻率較低；(2)壓電元件在使用過程不易損壞，增加了裝置的使用壽命。這種結(jié)構(gòu)隨著周圍環(huán)境的振動，把振動機械能轉(zhuǎn)化成電能。而且用多片壓電元件代替整塊壓電元件粘貼在懸臂梁一面或兩面，使壓電懸臂梁的一階彎曲諧振頻率較低，在自然環(huán)境中，或把發(fā)電裝置隨身攜帶時，很容易使懸臂板達到彎曲諧振狀態(tài)，此時，懸臂板表面的應(yīng)力變化達到極大值，壓電元件輸出電壓(電流)也達到極大值，發(fā)電效率最高。同時把懸臂板上的壓電元件串聯(lián)或并聯(lián)聯(lián)接。如果是串聯(lián)連接，和單個壓電元件相比，兩個壓電元件的輸出電壓增大一倍，電流不變；如果是并聯(lián)連接，和單個壓電元件相比，兩個壓電元件的輸出電流增大一倍，電壓不變。具體的聯(lián)接方式，可以根據(jù)輸出電量的需求決定。