[發明專利]彎折棒式壓電發電裝置及方法

有效

• 申請號: 201310366319.1
• 申請日: 2013-08-21
• 公開（公告）號: CN103475264A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 楊穎;沈欽龍;金家楣
• 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

本發明屬于風力發電和水力發電領域，特別是一種彎折棒式壓電發電裝置及方法。

背景技術

利用自然界風能和水能進行發電，為各種戶外設施進行自供電的系統符合當今節能、環保、低碳的發展趨勢，在工業監控、智能交通、智能電網、礦山安全、環境監測、平安家居、醫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電機US11/252903。可在時速8～16公里的風力驅動下發電。發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不變，此時不再發電。由NEC?TOKIN與日本Heardea聯合開發、配備采用壓電轉換元件的發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形槽內鋼球的滾動，撞擊壓電元件來發電。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，當車連續駛過而產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，就不能發電了。本發明的壓電發電裝置具有結構簡單、緊湊的特點，所能適應的流體（風、水等）速度范圍寬，適用范圍更廣。

發明內容

本發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、適用范圍廣的彎折棒式壓電發電裝置及方法。

一種彎折棒式壓電發電裝置，其特征在于包括回轉軸?，所述回轉軸中部附著有壓電單元?；所述回轉軸上還對稱安裝有兩個軸承?，分別位于所述回轉軸兩個端面與壓電單元之間；上述兩個軸承上均安裝有軸承套，每一軸承套上固定有一個葉片；所述兩個葉片在初始安裝時相差180度。

所述的彎折棒式壓電發電裝置的發電方法，其特征在于：利用單個葉片的非軸對稱結構，在流體動力作用下產生的周向力和偏心軸向力，使回轉軸產生弓形回轉運動，迫使附著在回轉軸上的壓電單元產生交變彎曲變形，輸出電荷，實現流體動能向電能的轉換。

本發明與現有技術相比，其顯著優點：（1）采用擺動桿（回轉軸2、軸承3和葉片5）能有效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生離心力過大而緊貼壓電振子而失效；（2）可以根據周圍環境流動能量大小及所需輸出功率，采用粘貼不同數量的壓電陶瓷片來有效改變輸出功率；壓電陶瓷片數量為至少1個，各個壓電陶瓷片大小可以不相同，形狀不限；（3）由于本裝置采用不對稱葉片結構，能夠有效適應自然環境中紊亂的流體流動方向。

附圖說明

圖1是本發明壓電發電裝置的主視圖。

圖2是本發明壓電發電裝置在流體作用下運動狀態。

圖中標號名稱：1、軸管，2、回轉軸，?3、軸承，4、壓電陶瓷片，5、葉片，6、軸承套。

具體實施方式

結合圖1，本發明壓電發電裝置，其含有軸管1、回轉軸2、軸承3、壓電單元4、軸承套6和葉片5，其特征為在回轉軸2中間位置粘貼壓電單元4，并在回轉軸2離端面一定位置的地方對稱安裝兩個軸承3；并在軸承3上安裝葉片組件，其中葉片組件由葉片5和軸承套6構成，葉片5固定于軸承套6上；整個回轉軸2兩端剩余部分安裝于軸管1內。

本發明壓電發電裝置在每個軸承3上只有一個葉片5，初始安裝葉片5時為一上一下，保證葉片5采用不對稱安裝，這使得當流體流入時，與兩個葉片5接觸時，除了產生葉片組件繞著軸承3轉動的力，而且還可能由于在軸向方向不對稱的流體力，使得回轉軸2產生彎折，使粘貼于回轉軸2中間位置的壓電陶瓷片4也因此產生彎曲變形，由正壓電效應而產生電能。

本發明壓電發電裝置利用單個葉片5的非軸對稱結構，在流體動力作用下產生軸向力和偏心軸向力，使回轉軸2產生弓形回轉運動，迫使附著在回轉軸2上的壓電單元產生交變彎曲變形，輸出電荷，實現流體動能向電能的轉換。

結合圖1和圖2，本壓電發電裝置葉片5在每個軸承3上只有一個，初始安裝葉片5時為一上一下，保證葉片5為不對稱安裝，在流體流入時，除了繞著軸承轉動外，還由于不對稱的結構，使得在葉片上產生一個剪切力；在回轉軸2兩端形成方向相反剪切力時，就會產生一個彎矩，從而使得回轉軸2產生彎曲變形，而粘貼于回轉軸2的壓電單元4也因此產生軸向壓縮和拉伸變形，由壓電正效應產生電能，再通過儲能裝置就能不斷將電能收集起來。