[實用新型]壓電式全方位振動能量回收裝置

有效

• 申請號: 201220127637.3
• 申請日: 2012-03-29
• 公開（公告）號: CN202524325U
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 王淑云;闞君武;汪彬;曾平;程光明
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

????本實用新型屬于新能源和發電技術領域，具體涉及一種適用于低頻、全方位振動能量回收的壓電發電裝置。

背景技術

利用壓電陶瓷材料回收環境振動能量的微小型發電裝置已經成為國內外持續多年的研究熱點。壓電式振動能量回收裝置成功開發與利用，不僅可以解決便攜式微功率電子產品以及遠程埋植傳感監測系統的供電問題，還有助于減少大量廢棄電池污染環境和生產電池所造成的資源浪費問題。針對環境振動特點及應用目的的不同，目前國內外均已提出了較多類型的壓電能量回收裝置。但由于壓電陶瓷為脆性材料，且其所構成的彎曲型壓電振子具有變形方向單一和諧振頻率較高的特點，因此現有壓電能量回收裝置在振動環境的適應能力、可靠性及能量轉換效率等方面還有較大的局限性，難以在實際中推廣應用。

眾所周知，對于振動式壓電能量回收裝置，僅當壓電振子固有頻率與環境振動頻率相等時方能達到較高的發電能力和能量轉換效率。但因壓電振子自身的諧振頻率較高，通常為幾百、甚至幾千赫茲，而環境振動頻率一般為十幾赫茲、甚至僅有幾赫茲，因此直接利用壓電振子收集環境振動能量的效果并不顯著。為降低壓電振子的固有頻率，目前采用的方法是在懸臂梁壓電振子端部或圓形壓電振子中心處安裝集中慣性塊，其弊端是當所安裝的慣性塊較大時，即使在非工作狀態時壓電振子就已產生較大變形，工作中極易因變形過大而損毀。另一方面，現實中非結構環境下的振源具有多方向性、且其振動方向和振幅大小還具時變性，以行進中的各類交通工具為例，其振源包括道路不平引起的縱向振動、速度變化引起的前后振動、運行方向漂移引起橫向振動等，且上述各個振源之間存在振動耦合與疊加效果。因此，采用單一、或幾個可不同方向變形壓電振子構成的能量回收裝置都不能滿足多方向振動能量的有效回收。因此，國內學者曾經提出了幾種結構的多方向振動能量回收裝置，其實現方案是：在中空的多面體的各頂角處連接有彎曲型PVDF壓電振子，各壓電振子的另一端均與一個質量塊相連，希望由此實現多方向的振動能量收集。但實際中，由于各壓電振子與多面體框架及質量塊間所構成的是一個空間桁架結構，從而使壓電振子及桁架的總體剛度都大幅度增加，無法實現低頻振動的能量收集；另一方面，彎曲型壓電振子僅能在其長度可以產生伸縮變形并發電，而寬度方向上無法產生形變；因此，多個彎曲型壓電振子通過一個質量塊相互連接后勢必造成彼此間的變形干涉，不利于較多方向的振動能量回收，更不可能實現任意方向的振動能量回收。

發明內容

本實用新型提供一種壓電式全方位振動能量回收裝置，以解決現有壓電振動發電裝置不適于低頻及任意方向振動能量回收的問題。

本實用新型采用的實施方案是：框架通過螺釘安裝于底座上，所述框架為多面體、且每個側面安裝有壓電振子，框架的頂部還安裝有一個壓電振子；所述安裝于框架側面的壓電振子和安裝于框架頂部的壓電振子均由金屬基板和壓電晶片粘接而成，壓電振子的中心處均設有圓孔；所述圓孔與卡銷端部的卡爪卡接；所述安裝于框架側面的壓電振子通過卡銷及周邊彈簧與慣性塊的側面連接；所述慣性塊的頂面通過頂部彈簧及卡銷與安裝于框架頂部的壓電振子連接；所述慣性塊的底面通過底部彈簧與底座連接。

在本實用新型中，一個底座、一個周邊及頂部安裝有壓電振子的框架、一個慣性塊、以及連接所述壓電振子與所述慣性塊的卡銷和一組彈簧構成。在自然狀態下，慣性塊在底部彈簧的作用下處于平衡狀態，周邊彈簧、頂部彈簧、以及壓電振子均處于自然狀態，即不受外力作用、不產生形變。當框架受外界任一方向振動時，慣性塊的位置即發生變化，所產生的慣性作用力通過彈簧及卡銷傳遞給壓電振子，從而使壓電振子產生彎曲變形、并將機械能轉換成電能。

本實用新型的特點及優勢在于，利用彈簧牽引慣性塊的方法激勵壓電振子，可實現任意方向及低頻振動能量回收，且具有高可靠性、高能量效率的特點：???????????????????????????????????????????????環境中任意方向的振動都可引起慣性塊的相對運動，質量塊的慣性作用力通過彈簧傳遞給壓電振子，從而使壓電振子產生彎曲變形、并將機械能轉換成電能；慣性塊自身的重力作用在彈簧上，其質量的大小對壓電振子的振動特性無直接影響，可采用較大慣性塊和低剛度彈簧降低發電裝置的固有頻率，從而實現低頻振動能量回收。

附圖說明

圖1是本實用新型一個較佳實施例中能量回收裝置自然狀態下的結構剖面示意圖；

圖2是圖1的A-A剖面示意圖；

圖3是本實用新型一個較佳實施例中卡銷的結構剖面示意圖；