[發明專利]一種腳踏式壓電發電裝置及方法

有效

• 申請號: 201610246141.0
• 申請日: 2016-04-20
• 公開（公告）號: CN105743388B
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 樊康旗;王連松;任獲榮
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 西安吉盛專利代理有限責任公司61108
• 代理人: 何銳

技術領域

本發明屬于發電技術領域，尤其涉及一種腳踏式壓電發電裝置及方法，適用于從人體運動俘能進行能量補充的低功耗電子設備。

技術背景

近年來，電子信息技術得到了飛速的發展，出現了許多便攜式電子設備，如移動通訊工具、個人數字助理、醫學電子裝置等。這些設備功率需求較小，一般為毫瓦級。目前，這些移動電子設備大多采用電池供電，但電池電量有限，當電池電量耗盡時，這些設備將無法繼續工作。除此之外，廢棄電池對環境造成重大污染，許多耕地遭受重金屬污染而無法繼續種植農作物。對廢棄電池的處理也需要大量的社會資源。人體能量供給持續不斷，如果在對日常生活不產生影響的前提下，采用適當的能量收集裝置從人體運動中收集能量，并對便攜式電子設備充電，這將緩解甚至解決便攜電子設備的能源問題。

在利用人體能量方面，人行走時的足部運動比較規則，能量應用潛能大。經實驗研究發現，人走路時腳對地面的最大沖擊力為人體重量的1.4倍。以一個65kg的人為例，走路時腳底對地面的作用力最大可達到1820N，并產生較大的彈性勢能。此外，腳部運動所產生的加速度也可通過壓電效應轉換為電能。

申請號為201420107319.X，公布號為CN 203722317 U的專利，雖然也是利用人體能量發電，但發電方式是通過踏板中的一級齒輪帶動發電機上的二級齒輪。由于齒輪間的機械摩擦損耗，該發明發電效率較低。申請號為201410711978.9，公布號為CN 104333262 A的專利，也是一種腳踏式壓電發電裝置，但是在能量的收集方式上比較單一，只考慮了人體作用于腳后跟的壓力，忽略了人體行走或運動過程中振動、擺動的能量收集，因而能量收集效率不高。

發明內容

本發明的目的是提供一種結構簡單、使用成本低、應用范圍廣，且能克服現有的腳踏式發電裝置收集能量方式單一的腳踏式壓電發電裝置及方法。

本發明的目的是這樣實現的，一種腳踏式壓電發電裝置，其特征是：至少包括踏板、蓋板、圓弧形框架、圓弧形腔體；踏板上有長方形凹槽，兩個支撐塊固定于踏板的長方形凹槽左右兩端，兩個支撐塊用于支撐蓋板，支撐塊與蓋板的高度之和與長方形凹槽的深度相同；所述支撐塊與蓋板通過螺釘固定連接；圓弧形框架的內圓弧形面與圓弧形腔體的底圓弧形面形狀相同，圓弧形框架的圓弧形內面與圓弧形腔體的底圓弧形面切合，通過螺栓、螺母和彈簧將圓弧形框架、圓弧形腔體、踏板連接。

所述的蓋板為長方形板狀結構，在其上設置有第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁組成，蓋板在長度方向有兩個通孔槽，兩個通孔槽之間由橫梁隔開，蓋板中通孔槽的長度和寬度與第一壓電懸臂梁或第二壓電懸臂梁的長度和寬度相等，使得第一壓電懸臂梁和第二壓電懸臂梁嵌入在通孔槽中通過質量塊固定。

所述的第一壓電懸臂梁包括第一壓電元件和第一長方形壓電金屬梁，所述的第二壓電懸臂梁包括第二壓電元件和第二長方形壓電金屬梁，第一壓電元件通過導電膠粘貼于上述第一長方形壓電金屬梁上，第二壓電元件通過導電膠粘貼于上述第二長方形壓電金屬梁上；所述壓電元件沿長方形壓電金屬梁厚度方向極化，壓電元件的電極串聯或并聯連接。

所述質量塊包括左質量塊和右質量塊，左質量塊和右質量塊均由上薄質量片和下薄質量片組成，上薄質量片和下薄質量片通過螺栓與第一壓電懸臂梁或第二壓電懸臂梁固定連接。

所述質量塊在第一壓電懸臂梁或第二壓電懸臂梁的寬度方向和厚度方向上對稱分布。

所述圓弧形腔體與蓋板之間無縫粘合；圓弧形腔體內有鐵磁性小球，圓弧形腔體的弧形腔體為鐵磁性小球提供運動的軌道，同時，通過弧形腔體的壓縮與舒張，使得氣流來回通過蓋板中的通孔槽，推動第一壓電懸臂梁或第二壓電懸臂梁的振動。

所述彈簧用于是輔助圓弧形腔體及時恢復。

所述螺母和彈簧的作用一是將踏板與底部框架進行連接，從而將整個結構連接在一起；二是通過調整螺母的位置，調整彈簧和圓弧形腔體的空腔壓縮范圍。

一種腳踏式壓電發電裝置的方法，其特征是：當踏板受到來自腳后跟所施加的壓力，壓力經過蓋板作用于圓弧形腔體上，使得圓弧形腔體受壓而產生形變，導致圓弧形腔體內氣體壓強增大；空腔中被壓縮的氣體推動壓電懸臂梁離開原來的位置而向上彎曲，此時在壓電懸臂梁與蓋板中的槽之間形成空氣通道，氣體通過所述空氣通道流入踏板側壁上的通氣孔流出，直至腔體內的氣壓與外界相等；