[發(fā)明專利]彈性片式壓電發(fā)電裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310365861.5
• 申請日: 2013-08-21
• 公開（公告）號: CN103490667A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設計）人: 楊穎;沈欽龍;金家楣;王一平
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發(fā)明屬于風力發(fā)電和水力發(fā)電領域，特別是一種彈性片式壓電發(fā)電裝置及方法。

背景技術

利用自然界風能和水能進行發(fā)電，為各種戶外設施進行自供電的系統(tǒng)符合當今節(jié)能、環(huán)保、低碳的發(fā)展趨勢，在工業(yè)監(jiān)控、智能交通、智能電網(wǎng)、礦山安全、環(huán)境監(jiān)測、平安家居、醫(yī)療保健等領域具有廣闊的應用前景。??

美國的Priya采用壓電器件設計制造了一種小型風力發(fā)電機US11/252903。可在時速8～16公里的風力驅動下發(fā)電。發(fā)電機的槳葉連到凸輪上，使圍繞軸排成圓形的一系列雙壓電晶片產(chǎn)生振蕩，從而輸出電能。該方案具有兩個缺點：一是壓電雙晶片每一次轉動都與凸輪碰撞，摩擦，因此產(chǎn)生磨損，造成能量損失，同時降低使用壽命。二是在風速較低時，槳葉與凸輪不會脫離，壓電雙晶片保持一定的彎曲狀態(tài)不變，此時不再發(fā)電。由NEC?TOKIN與日本Heardea聯(lián)合開發(fā)、配備采用壓電轉換元件的發(fā)電裝置的新型道路標識在日本試運行。其原理就是通過置于環(huán)形槽內鋼球的滾動，撞擊壓電元件來發(fā)電。該裝置設置在交通量大的公路隧道內，可利用汽車駛過時產(chǎn)生的氣流驅動標識旋轉。鋼球位于由壓電轉換元件分隔成的環(huán)形通道中，標識轉動時鋼球就會在通道中運動，撞擊通道兩端的壓電元件，使壓電元件輸出電荷。這種方案的主要缺點是，當車連續(xù)駛過而產(chǎn)生強烈的風時標識就會高速轉動，從而使鋼球緊貼著壓電轉換元件運動，壓電元件得不到交變的壓力作用，就不能發(fā)電了。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種利用壓電材料收集流體動能的高效、適用范圍廣的彈性片式壓電發(fā)電裝置及方法。

一種彈性片式壓電發(fā)電裝置，其特征在于：由渦輪轉子組件、至少2組彈性滾輪組件、壓電圈構成；所述的渦輪轉子組件由轉軸、固定在轉軸一端的渦輪葉片、固定在轉軸的中間的彈性片軸套構成；?所述每組彈性滾輪組件均由滾珠、滾珠轉軸、支撐架、彈性片構成；其中滾珠通過滾珠轉軸安裝于支撐架中，并可沿滾珠轉軸轉動；彈性片一端與支撐架緊固連接，另一端與彈性片軸套緊固連接；所述彈性滾輪組件超過2組，且對稱分布；所述壓電圈由壓電材料制成，分為若干壓電單元，相互絕緣，并固定在盒體內圈上；彈性滾輪組件的彈性片使得滾珠與壓電圈始終保持接觸，彈性滾輪組件旋轉時，滾珠對壓電圈產(chǎn)生壓力，交替作用于壓電圈上的壓電單元，迫使壓電圈各壓電單元交替產(chǎn)生電荷輸出，獲得電能。

所述的彈性片式壓電發(fā)電裝置的發(fā)電方法，其特征在于：渦輪轉子組件在環(huán)境中流體力作用下旋轉，經(jīng)彈性片帶動滾珠在壓電圈內圓柱面上滾動，使壓電單元承受周期壓力，輸出電荷，實現(xiàn)流體動能向電能的轉化。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點：（1）采用彈性片，可以根據(jù)不同環(huán)境流速，流速下時采用剛度小的彈性片，流速大時則采用剛度大的彈性片，從而使其適應范圍更加廣；（2）克服了由離心力來提供撞擊的裝置，在高速流體作用下會產(chǎn)生離心力過大而緊貼壓電振子而失效；（3）可以通過增加彈性滾輪組件的數(shù)量，從而使得每轉一周擠壓壓電圈的頻率增加，從而能夠使壓電圈產(chǎn)生更加持續(xù)的電能；（4）利用壓電效應，從空氣或其他流體的運動中收集能量，轉化為電能，是一種小型風力發(fā)電或水力發(fā)電裝置，可用于戶外使用的小型設備或設施的自供電。在很小和較大的風速情況下都可以發(fā)電，具有廣泛的適應性。2-3級微風便可以產(chǎn)生持續(xù)電能，其機電轉化效率與目前先進的大型風電設備效率相當，可以用以為無線傳感網(wǎng)節(jié)點供電。

附圖說明

圖1是本發(fā)明壓電發(fā)電裝置的主圖；

圖2是俯視圖；

圖3是彈性滾輪組件局部放大圖；

圖中標號名亨：1、盒體，2、壓電圈，3、滾珠,4、滾珠轉軸，5、支撐架，6、彈性片，7、轉軸，8、彈性片軸套，9、渦輪葉片。

具體實施方式

結合圖1?，本發(fā)明壓電發(fā)電裝置由渦輪轉子組件、彈性滾輪組件、壓電圈構成，所述的渦輪轉子組件包括渦輪葉片9、轉軸7和彈性片軸套8構成，渦輪葉片9固定在轉軸7的一端，彈性片軸套8固定在轉軸7的中間；

彈性滾輪組件包括滾珠3、滾珠轉軸4、支撐架5、彈性片6構成，所述的滾珠轉軸4放置在支撐架5并形成固定連接，滾珠3穿過滾珠轉軸4并能自由自由轉動，彈性片6一端與支撐架5緊固連接，另一端與彈性片軸套8緊固連接，并保證滾珠3始終與壓電圈2保持接觸；

壓電圈2由柔性的壓電復合材料所圍成，并將其固定在盒體1內圈上，壓電圈2始終與滾珠3保持接觸。

本發(fā)明壓電發(fā)電裝置的滾珠3、支撐架5、彈性片6數(shù)量相同，為兩個以上；其中彈性片6可以根據(jù)不同環(huán)境流動速率選擇不同剛度，能達到對壓電圈2一定可調的預壓力。