專利名稱：一種基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微風(fēng)發(fā)電裝置，具體是一種適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的壓電式發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大量應(yīng)用，使得無線傳感器的供能問題成為一種有待解決的問題，現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用電池供電的傳統(tǒng)供電方式，而傳統(tǒng)功能方式存在供能時(shí)間有限，經(jīng)常需要更換電池的缺點(diǎn)；因此從自然界中汲取一切微小的能量，實(shí)現(xiàn)自供能系統(tǒng)裝置成為一種非常有效的解決途徑。由于無線傳感器的低功耗需求，使得微小能量的利用成為可能。本發(fā)明研制一種基于壓電效應(yīng)的磁浮式微風(fēng)發(fā)電裝置，利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)葉片帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，然后轉(zhuǎn)子上的鏈輪輪齒帶動(dòng)定子上的壓電振子振動(dòng)，通過壓電振子自由振動(dòng)產(chǎn)生輸出電荷，存儲(chǔ)至蓄電器中。目前這方面的研究成果主要如下國際方面，美國德州大學(xué)的Shashank Priya教授和其他材料科學(xué)與工程計(jì)劃的研究人員采用壓電器件制造出了一種小型發(fā)電機(jī)[1]。這種發(fā)電機(jī)可由時(shí)速8 16公里的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，發(fā)電機(jī)的槳葉連到凸輪上，使圍繞軸排成圓形的一串雙壓電晶片產(chǎn)生振蕩。一個(gè)采用APC855陶瓷制造的雙壓電晶片可輸出O. 935mff的功率，由11個(gè)壓電晶片組成的單元可輸出10. 2mW的功率。這種發(fā)電機(jī)要求風(fēng)速較高，對(duì)環(huán)境要求苛刻，風(fēng)速不穩(wěn)定或者較低時(shí)，則不能發(fā)電或者發(fā)電極為不穩(wěn)定。國內(nèi)方面，重慶大學(xué)進(jìn)行振動(dòng)式MEMS微型發(fā)電機(jī)實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)研究，研制成功接近實(shí)用化的振動(dòng)式壓電微型發(fā)電機(jī)樣機(jī)，其輸出功率為50-500uW，輸出電壓大于3V[2]。[I] S. Priya, C. T. Chen, D. Fye and J. Zahnd, “Piezoelectric Windmill:A Novel Solution to Remote Sensing, ” Japanese Journal of Applied Physics,Vol. 44，No. 3，pp. 104-107，2005.
[2]微型發(fā)電機(jī)，專利號(hào)200310111187. 4。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種能夠在更低風(fēng)速啟動(dòng)并發(fā)電的微風(fēng)發(fā)電裝置，有效提高了從環(huán)境中獲取能量的效率。技術(shù)方案
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置，包括底板以及設(shè)置在底板上的壓電陣子和升力型風(fēng)機(jī)，在升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上連接有帶齒的凸輪，所述的壓電陣子均布在凸輪的外側(cè)，所述的凸輪的齒頂為尖頂，凸輪的齒數(shù)為N，所述的壓電陣子的個(gè)數(shù)為M，其中，M與N互質(zhì)，且2彡M彡18，4彡N彡19。所述的壓電陣子包括壓電陣子基板和壓電元件，所述的壓電片基板一端為夾持端，另一端為撥擦端，在壓電陣子基板的中部設(shè)置有陣列孔，所述的壓電元件設(shè)置在壓電陣子基板的中部。壓電元件為壓電片或壓電膜。在所述的底板與升力型風(fēng)機(jī)之間還設(shè)置有兩塊極性相反的圓形磁鐵，兩塊磁鐵的圓心與升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸軸心在同一直線上，一塊磁鐵與升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，另一塊磁鐵固定在底板上。在所述的底板上設(shè)置有一壓電片夾持塊，在該壓電片夾持塊上開設(shè)有夾持槽，所述的壓電振子固定在所述的夾持槽內(nèi)。本發(fā)明發(fā)電裝置由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)葉片，帶動(dòng)與齒輪固定相連的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的齒輪撥動(dòng)呈星狀結(jié)構(gòu)固定在基座上的單個(gè)發(fā)電單元，發(fā)電單元中的壓電片或者壓電膜受迫振 動(dòng)，利用壓電材料作為介質(zhì)，通過正壓電效應(yīng)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能。壓電單元采用多孔陣列結(jié)構(gòu)不銹鋼薄片作為壓電振子基板，通過中間黏合介質(zhì)構(gòu)建單側(cè)片狀壓電振子部件。同時(shí)在壓電振子基板上開有陣列孔，以減小彎曲所需應(yīng)力。該結(jié)構(gòu)壓電振子可在滿足壓電陶瓷拉伸極限條件下，提高壓電振子的剛性系數(shù)和固有頻率，降低壓電振子的驅(qū)動(dòng)力，從而降低發(fā)電裝置所需的啟動(dòng)風(fēng)速和工作風(fēng)速。撥動(dòng)壓電振子的齒輪的齒頂設(shè)計(jì)為尖狀，以避免在撥動(dòng)過程中產(chǎn)生擠壓，提高能量的利用率。輸出能量經(jīng)轉(zhuǎn)換電路裝置存儲(chǔ)至蓄能裝置或最終負(fù)載中。此外，本發(fā)明采用磁浮式的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，運(yùn)用磁力補(bǔ)償風(fēng)葉和連接軸的重力產(chǎn)生的軸承旋轉(zhuǎn)阻力，可有效降低旋轉(zhuǎn)阻力。本發(fā)明為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量供應(yīng)提供了一種解決方法，裝置對(duì)工作環(huán)境要求低，可在最低時(shí)速4公里的微風(fēng)環(huán)境中工作，輸出功率達(dá)到15mW，具有啟動(dòng)風(fēng)速和工作風(fēng)速低，輸出功率高的特點(diǎn)，可有效延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作周期。有益效果
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)
I、風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了垂直軸安裝的方式，配合了磁浮裝置，可以有效的減小摩擦力。同時(shí)，也是全風(fēng)向有效，解決了風(fēng)向變幻莫測的問題。風(fēng)葉也齒輪采用直接連接，減少了傳動(dòng)帶來的能量損耗。在此處，凸輪的齒數(shù)與壓電片振子的個(gè)數(shù)互質(zhì)，可以保證在同一時(shí)刻，凸輪只與一個(gè)壓電振子接觸，減小瞬時(shí)阻力的峰值，使得風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中更加平穩(wěn)，凸輪的齒頂被磨尖，使得凸輪與壓電振子的接觸只在一瞬間。在撥動(dòng)壓電振子之后，便不在接觸。此后，壓電振子開始自由振動(dòng)，有效地利用了每次撥擦所帶來的能量。直到下一次撥擦，如此循環(huán)往復(fù)。還有夾塊部分，通過中間開縫的形式，可以方便的調(diào)整壓電片與凸輪撥擦的程度。2、基板采用了懸臂梁方式夾持，彎曲變形主要集中在中間部分(越靠近固定端，彎曲程度越大)。由于壓電片產(chǎn)生電能主要依靠彎曲變形來產(chǎn)生，所以此處壓電片只粘貼在中間部分。撥擦端的彎曲變形小，如果粘貼壓電片則效果不明顯，且增大了撥擦阻力。3、為了能夠使基板的彎曲集中在中間部分，同時(shí)減少彎曲所需的撥擦力，基板的中間部分采用了陣列小孔的結(jié)構(gòu)。如果直接開一個(gè)大孔，則會(huì)影響到壓電片與基板的貼合程度，使得壓電片容易在振動(dòng)過程中斷裂。采用密集的陣列小孔，可以有效的避免應(yīng)力集中，同時(shí)保證壓電片與基板的貼合程度。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，采用密集陣列小孔的方式可以降低結(jié)構(gòu)的固有頻率，提高壓電振子的發(fā)電效率。4、為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種新的無源功能方式，延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作周期。5、由于壓電材料具有很高的能量密度，因此該裝置體積小，重量輕，便于安置。6、本系統(tǒng)采用立軸風(fēng)電方式，通過磁浮式軸承機(jī)構(gòu)，有效降低了旋轉(zhuǎn)阻力，提高了能量利用效率，使得本裝置的啟動(dòng)風(fēng)速和工作風(fēng)速和以往技術(shù)相比有所降低；降低了本裝置對(duì)工作環(huán)境的要求。7、本系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，可用于野外無人環(huán)境中的低功耗電子設(shè)備的能量供應(yīng)。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是風(fēng)力轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)圖。
圖3是壓電發(fā)電裝置齒輪與壓電振子布置示意圖。圖4是圖3的俯視圖。圖5是圖4的A部放大示意圖。圖6是將發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存到蓄電器的電路圖。圖中1、葉片；2、罩殼；3、轉(zhuǎn)軸；4、葉片支架；5、上軸承座；6、軸承；7、緊定螺釘；8、齒輪；9、壓電片夾持塊；10、電路|旲塊；11、沉頭螺釘；12、下軸承座；13、磁鐵；14、壓電振子基板；15、壓電片；16、襯板；17、底板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。如圖I、圖2所述，本發(fā)明微風(fēng)發(fā)電裝置，采用升力型風(fēng)機(jī)，葉片為升力型葉片，葉片I由復(fù)合材料制作而成。通過葉片支架4將多個(gè)葉片以一定角度安裝固定，葉片支架4使用空心不銹鋼管焊接而成。葉片支架4與轉(zhuǎn)軸3固連，在風(fēng)里驅(qū)動(dòng)下一起轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖I所示。轉(zhuǎn)軸3采用上下兩個(gè)軸承6支撐，轉(zhuǎn)軸上安裝有齒輪8,齒輪的齒為尖齒,且齒的個(gè)數(shù)為M。在本實(shí)施例中，齒輪的齒數(shù)為11個(gè)，用以撥動(dòng)壓電振子。壓電振子設(shè)置在齒輪的外圍，如圖3所示，其數(shù)量為N，為了使得壓電振子和齒始終只有一個(gè)相互作用，所以要求其他的壓電陣子和齒不能干涉，因?yàn)槭紫纫驨與M互質(zhì)，同時(shí)，考慮到壓電陣子的振動(dòng)，所以存在一定的振幅，還有齒的尖端并不完全是一個(gè)點(diǎn)，以凸輪齒頂圓直徑為25mm計(jì)算，故圓周長度為25* π mm ^ 78. 54mm,壓電振子振幅為3mm左右，為保證相互不干涉，所以選取兩個(gè)之間的最小間距為4mm，78. 54mm/4mm 19，所以4彡N彡19。在本實(shí)施例中，電壓陣子的數(shù)量為12個(gè)。因?yàn)镸與N互質(zhì)，所以2彡M彡18。由壓電振子基板14和壓電片15通過AB膠粘接而成。壓電振子基板14采用80*20mm的O. 3mm厚不銹鋼板切割而成，并在粘貼壓電片位置打有3*2的孔徑為3mm小孔的陣列孔。壓電片15采用25*20mm的O. 25mm厚PZT-5H壓電材料。在粘貼前需要使用酒精清洗，保持表面無異物。AB膠的厚度應(yīng)保持在O. Imm以內(nèi)，并在壓電片15的上下焊接正負(fù)極引出導(dǎo)線。壓電振子安裝在壓電片夾持塊9上后需要進(jìn)行調(diào)整，保證齒輪8能夠順利撥動(dòng)壓電振子，達(dá)到3mm左右的振幅，如圖5所示。在齒輪8撥動(dòng)壓電振子后，首先是受迫彎曲，然后是自由振動(dòng)。由于壓電片的彎曲，根據(jù)正壓電效應(yīng)，壓電片15上下表面產(chǎn)生一定的電壓差。受迫彎曲產(chǎn)生的電壓差較大，之后的自由振動(dòng)將齒輪8提供的撥動(dòng)能量充分利用，轉(zhuǎn)換出正負(fù)變化的電壓。壓電片的引出線需要統(tǒng)一接入電路模塊10。充電電路為現(xiàn)有技術(shù)，電路圖如圖6所示，首先通過電橋進(jìn)行整流，然后通過7144芯片將電壓穩(wěn)定到4. 4V，最后充入電池 供無線傳感器使用。
權(quán)利要求
1.一種基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置，包括底板以及設(shè)置在底板上的壓電陣子和升力型風(fēng)機(jī)，在升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上連接有帶齒的凸輪，所述的壓電陣子均布在凸輪的外側(cè)，其特征在于所述的凸輪的齒頂為尖頂，凸輪的齒數(shù)為N，所述的壓電陣子的個(gè)數(shù)為M，其中，M與N互質(zhì)，且2彡M彡18，4彡N彡19。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置，其特征在于所述的壓電陣子包括壓電陣子基板和壓電元件，所述的壓電陣子基板一端為夾持端，壓電陣子基板另一端為撥擦端，在壓電陣子基板的中部設(shè)置有陣列孔，所述的壓電元件設(shè)置在壓電陣子基板的中部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置，其特征在于所述的壓電元件為壓電片或壓電膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置，其特征在于在所述的底板與升力型風(fēng)機(jī)之間還設(shè)置有兩塊極性相反的圓形磁鐵，兩塊磁鐵的圓心與升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸軸心在同一直線上，一塊磁鐵與升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，另一塊磁鐵固定在底板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置，其特征在于在所述的底板上設(shè)置有一壓電片夾持塊，在該壓電片夾持塊上開設(shè)有夾持槽，所述的壓電振子固定在所述的夾持槽內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓電效應(yīng)的微風(fēng)發(fā)電裝置，包括底板以及設(shè)置在底板上的壓電陣子和升力型風(fēng)機(jī)，在升力型風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上連接有帶齒的凸輪，壓電陣子均布在凸輪的外側(cè)，凸輪的齒頂為尖頂，凸輪的齒數(shù)為N，壓電陣子的個(gè)數(shù)為M，其中，M與N互質(zhì)，且2≤M≤18，4≤N≤19。凸輪的齒數(shù)與壓電片振子的個(gè)數(shù)互質(zhì)，可以保證在同一時(shí)刻，凸輪只與一個(gè)壓電振子接觸，減小瞬時(shí)阻力的峰值，使得風(fēng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中更加平穩(wěn)，凸輪的齒頂被磨尖，在撥動(dòng)壓電振子之后，便不在接觸。此后，壓電振子開始自由振動(dòng)，有效地利用了每次撥擦所帶來的能量。有效降低了旋轉(zhuǎn)阻力，提高了能量利用效率，使得本裝置的啟動(dòng)風(fēng)速和工作風(fēng)速和以往技術(shù)相比有所降低。
文檔編號(hào)F03D9/00GK102777327SQ20121027750
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月7日
發(fā)明者葉明 , 周成鋒, 曹麗潔 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)