[發明專利]一種基于壓電效應的微風發電裝置

有效

• 申請號: 201210277507.2
• 申請日: 2012-08-07
• 公開（公告）號: CN102777327A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發明（設計）人: 周成鋒;葉明;曹麗潔
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F03D9/00
• 分類號: F03D9/00;H02N2/18
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

技術領域

本發明涉及一種微風發電裝置，具體是一種適用于無線傳感網絡的壓電式發電裝置。

背景技術

無線傳感器網絡的大量應用，使得無線傳感器的供能問題成為一種有待解決的問題，現有無線傳感器網絡主要采用電池供電的傳統供電方式，而傳統功能方式存在供能時間有限，經常需要更換電池的缺點；因此從自然界中汲取一切微小的能量，實現自供能系統裝置成為一種非常有效的解決途徑。

由于無線傳感器的低功耗需求，使得微小能量的利用成為可能。本發明研制一種基于壓電效應的磁浮式微風發電裝置，利用風力驅動葉片帶動發電機轉子旋轉，然后轉子上的鏈輪輪齒帶動定子上的壓電振子振動，通過壓電振子自由振動產生輸出電荷，存儲至蓄電器中。目前這方面的研究成果主要如下：國際方面，美國德州大學的Shashank?Priya教授和其他材料科學與工程計劃的研究人員采用壓電器件制造出了一種小型發電機^[1]。這種發電機可由時速8～16公里的風力驅動，發電機的槳葉連到凸輪上，使圍繞軸排成圓形的一串雙壓電晶片產生振蕩。一個采用APC855陶瓷制造的雙壓電晶片可輸出0.935mW的功率，由11個壓電晶片組成的單元可輸出10.2mW的功率。這種發電機要求風速較高，對環境要求苛刻，風速不穩定或者較低時，則不能發電或者發電極為不穩定。國內方面，重慶大學進行振動式MEMS微型發電機實用化關鍵技術研究，研制成功接近實用化的振動式壓電微型發電機樣機，其輸出功率為50-500uW，輸出電壓大于3V^[2]。

[1]?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.

[2]?微型發電機，專利號：200310111187.4。

發明內容

發明目的

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種能夠在更低風速啟動并發電的微風發電裝置，有效提高了從環境中獲取能量的效率。

技術方案

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種基于壓電效應的微風發電裝置，包括底板以及設置在底板上的壓電陣子和升力型風機，在升力型風機的轉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，所述的凸輪的齒頂為尖頂，凸輪的齒數為N，所述的壓電陣子的個數為M，其中，M與N互質，且2≤M≤18，?4≤N≤19。

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置有陣列孔，所述的壓電元件設置在壓電陣子基板的中部。

壓電元件為壓電片或壓電膜。

在所述的底板與升力型風機之間還設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機的轉軸軸心在同一直線上，一塊磁鐵與升力型風機的轉軸連接，另一塊磁鐵固定在底板上。

在所述的底板上設置有一壓電片夾持塊，在該壓電片夾持塊上開設有夾持槽，所述的壓電振子固定在所述的夾持槽內。

本發明發電裝置由風力驅動葉片，帶動與齒輪固定相連的轉軸轉動，旋轉的齒輪撥動呈星狀結構固定在基座上的單個發電單元，發電單元中的壓電片或者壓電膜受迫振動，利用壓電材料作為介質，通過正壓電效應將振動能量轉換為電能。壓電單元采用多孔陣列結構不銹鋼薄片作為壓電振子基板，通過中間黏合介質構建單側片狀壓電振子部件。同時在壓電振子基板上開有陣列孔，以減小彎曲所需應力。該結構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和固有頻率，降低壓電振子的驅動力，從而降低發電裝置所需的啟動風速和工作風速。撥動壓電振子的齒輪的齒頂設計為尖狀，以避免在撥動過程中產生擠壓，提高能量的利用率。輸出能量經轉換電路裝置存儲至蓄能裝置或最終負載中。此外，本發明采用磁浮式的旋轉機構，運用磁力補償風葉和連接軸的重力產生的軸承旋轉阻力，可有效降低旋轉阻力。本發明為無線傳感器網絡的能量供應提供了一種解決方法，裝置對工作環境要求低，可在最低時速4公里的微風環境中工作，輸出功率達到15mW，具有啟動風速和工作風速低，輸出功率高的特點，可有效延長無線傳感器網絡的工作周期。

有益效果

本發明與現有技術相比，具有如下優點：