[發(fā)明專利]一種壓電式流體發(fā)電機

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610459316.6
• 申請日: 2016-06-15
• 公開（公告）號: CN106100444B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 闞君武;文歡;蔡建程;王淑云;費凡
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于壓電發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種壓電式流體發(fā)電機，為油氣管道監(jiān)測系統(tǒng)供電。

背景技術(shù)

因自然腐蝕、自然界不可抗力、尤其是人為偷盜等造成的油氣管道泄漏事件時有發(fā)生，不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失、同時也給其周邊自然環(huán)境造成了嚴重的污染。以往，常采用定期人工巡檢的方法對油氣管線加以維護，但因其鋪設(shè)距離長、且常處于人跡罕至或交通不便之處，定期巡檢難以及時發(fā)現(xiàn)泄漏并及時維修，故人們提出了多種類型的管道泄漏監(jiān)測或防盜系統(tǒng)。雖所提出的某些管道泄漏或防盜監(jiān)測報警方法在技術(shù)層面已較成熟，但目前我國長輸管道防盜監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用還處于起步階段、尚未得到廣泛應(yīng)用，其原因之一是其供電問題未得到很好的解決：采用鋪設(shè)電纜的方法成本高、且已被不法分子切斷而影響監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行；而采用電池供電時使用時間有限、需經(jīng)常更換，一旦電池電量不足且未及時更換時也無法完成監(jiān)測信息的遠程傳輸。因此，為使油氣管道泄漏及防盜系統(tǒng)得以實際應(yīng)用，必須首先解決其供電問題。近年來，為滿足各類無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的自供電需求，人們提出了一種新型的微型壓電發(fā)電裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單、不發(fā)熱、無電磁干擾、集成化高等特點，尤其適于無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)供電。然而，現(xiàn)有的油氣管道壓電發(fā)電裝置大都通過流體渦輪轉(zhuǎn)動驅(qū)動壓電振子振子發(fā)電的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，不適于直徑相對較小的管道；同時，工作中壓電振子雙向彎曲變形、承受交替拉-壓應(yīng)力，拉應(yīng)力過大時壓電晶片易破碎、可靠性低。

發(fā)明內(nèi)容

針對輸油氣管線監(jiān)測的供電難題以及現(xiàn)有壓電發(fā)電裝置應(yīng)用上的局限性，本發(fā)明提出一種壓電式流體發(fā)電機。本發(fā)明采用的實施方案是：主體的隔板左側(cè)設(shè)有大筒、右側(cè)設(shè)有兩塊相互平行的耳板，所述兩耳板端部經(jīng)側(cè)板連接；隔板上設(shè)有左凸臺、和側(cè)板上設(shè)有右凸臺；帶有小筒的端蓋的蓋板經(jīng)螺釘安裝在大筒的端部并形成兩個相互連通的頸腔和腹腔，小筒內(nèi)腔為頸腔、大筒內(nèi)腔為腹腔；傳振器的盤體置于腹腔內(nèi)、傳振器的銷軸經(jīng)隔板從腹腔伸出，銷軸端部經(jīng)螺母安裝有連接板；銷軸上套有平衡彈簧，平衡彈簧兩端分別頂靠在盤體和隔板上；壓電振子由金屬基板與其單側(cè)所粘接的兩個壓電晶片構(gòu)成；兩個壓電振子的金屬基板的兩端都經(jīng)螺釘和壓塊分別安裝在左凸臺和右凸臺上，中間都經(jīng)螺釘和壓塊安裝在連接板上，兩個壓電振子分別安裝在左凸臺及右凸臺的上下兩側(cè)，壓電振子上的兩個壓電晶片對稱布置在連接板的左右兩側(cè)；壓電振子安裝前自然狀態(tài)下為平直結(jié)構(gòu)、且長度大于隔板和側(cè)板間的距離，壓電振子安裝后為彎曲結(jié)構(gòu)、且壓電晶片承受壓應(yīng)力；壓電振子上處于連接板左右兩端的部分分別構(gòu)成發(fā)電單元I和發(fā)電單元II，發(fā)電單元I和發(fā)電單元II中的壓電振子分別經(jīng)整流橋與電路板上的電源電路相連。

當(dāng)有流體流過時，頸腔內(nèi)流體振動、腹腔內(nèi)流體對之產(chǎn)生恢復(fù)力；流體波波長遠大于腹腔尺度時振動能集中在頸腔處，從而使頸腔內(nèi)有效質(zhì)量和腹腔內(nèi)流體組成一維振動系統(tǒng)并產(chǎn)生共振，腹腔內(nèi)的流體振動再經(jīng)傳振器傳遞到連接板上，迫使壓電振子伸縮變形并將流體動能轉(zhuǎn)換成電能：傳振器向左運動時，發(fā)電單元I縮短、其內(nèi)部壓電晶片所受壓應(yīng)力增加，發(fā)電單元II伸長、其內(nèi)部壓電晶片所受壓應(yīng)力降低；反之，傳振器向右運動時，發(fā)電單元I伸長、壓電晶片所受壓應(yīng)力降低，發(fā)電單元II縮短、其內(nèi)壓電晶片所受壓應(yīng)力增加；上述發(fā)電單元I和II交替伸長和縮短過程中，壓電振子在一個發(fā)電單元中伸長量達最大、即達到平直狀態(tài)時，在另一個發(fā)電單元中縮短量達最大，縮短量和伸長量相制約，從而確保壓電晶片始終承受合理的壓應(yīng)力，可靠性高。

本發(fā)明中，為提高發(fā)電機的環(huán)境適應(yīng)能力和可靠性，額定流速下且連接板處于動平衡位置時，發(fā)電單元I和發(fā)電單元II的狀態(tài)相同；壓電晶片為0.1mm～0.2mm的PZT4、金屬基板為鈹青銅，金屬基板與壓電晶片厚度之比為1～2.5。

優(yōu)勢與特色：①通過安裝的方法將平直壓電振子變成彎曲結(jié)構(gòu)，利用腔內(nèi)流體振蕩形成沿管道長度方向伸縮振動的發(fā)電裝置，結(jié)構(gòu)及制作工藝簡單、成本低；②壓電晶片僅工作在壓應(yīng)力狀態(tài)下、且壓應(yīng)力范圍可控，可靠性高；③便于通過增加壓電振子數(shù)量和長度的方法提高發(fā)電量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個較佳實施例中發(fā)電機的結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖2是圖1的A部放大圖；

圖3是圖1的左視圖；

圖4是本發(fā)明一個較佳實施例中壓電振子安裝前的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式