[发明专利]压电式全方位振动能量回收装置

说明书

技术领域

    本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种适用于低频、全方位振动能量回收的压电发电装置。

背景技术

利用压电陶瓷材料回收环境振动能量的微小型发电装置已经成为国内外持续多年的研究热点。压电式振动能量回收装置成功开发与利用，不仅可以解决便携式微功率电子产品以及远程埋植传感监测系统的供电问题，还有助于减少大量废弃电池污染环境和生产电池所造成的资源浪费问题。针对环境振动特点及应用目的的不同，目前国内外均已提出了较多类型的压电能量回收装置。但由于压电陶瓷为脆性材料，且其所构成的弯曲型压电振子具有变形方向单一和谐振频率较高的特点，因此现有压电能量回收装置在振动环境的适应能力、可靠性及能量转换效率等方面还有较大的局限性，难以在实际中推广应用。

众所周知，对于振动式压电能量回收装置，仅当压电振子固有频率与环境振动频率相等时方能达到较高的发电能力和能量转换效率。但因压电振子自身的谐振频率较高，通常为几百、甚至几千赫兹，而环境振动频率一般为十几赫兹、甚至仅有几赫兹，因此直接利用压电振子收集环境振动能量的效果并不显著。为降低压电振子的固有频率，目前采用的方法是在悬臂梁压电振子端部或圆形压电振子中心处安装集中惯性块，其弊端是当所安装的惯性块较大时，即使在非工作状态时压电振子就已产生较大变形，工作中极易因变形过大而损毁。另一方面，现实中非结构环境下的振源具有多方向性、且其振动方向和振幅大小还具时变性，以行进中的各类交通工具为例，其振源包括道路不平引起的纵向振动、速度变化引起的前后振动、运行方向漂移引起横向振动等，且上述各个振源之间存在振动耦合与叠加效果。因此，采用单一、或几个可不同方向变形压电振子构成的能量回收装置都不能满足多方向振动能量的有效回收。因此，国内学者曾经提出了几种结构的多方向振动能量回收装置，其实现方案是：在中空的多面体的各顶角处连接有弯曲型PVDF压电振子，各压电振子的另一端均与一个质量块相连，希望由此实现多方向的振动能量收集。但实际中，由于各压电振子与多面体框架及质量块间所构成的是一个空间桁架结构，从而使压电振子及桁架的总体刚度都大幅度增加，无法实现低频振动的能量收集；另一方面，弯曲型压电振子仅能在其长度可以产生伸缩变形并发电，而宽度方向上无法产生形变；因此，多个弯曲型压电振子通过一个质量块相互连接后势必造成彼此间的变形干涉，不利于较多方向的振动能量回收，更不可能实现任意方向的振动能量回收。

发明内容

本发明提供一种压电式全方位振动能量回收装置，以解决现有压电振动发电装置不适于低频及任意方向振动能量回收的问题。

本发明采用的实施方案是：框架通过螺钉安装于底座上，所述框架为多面体、且每个侧面安装有压电振子，框架的顶部还安装有一个压电振子；所述安装于框架侧面的压电振子和安装于框架顶部的压电振子均由金属基板和压电晶片粘接而成，压电振子的中心处均设有圆孔；所述圆孔与卡销端部的卡爪卡接；所述安装于框架侧面的压电振子通过卡销及周边弹簧与惯性块的侧面连接；所述惯性块的顶面通过顶部弹簧及卡销与安装于框架顶部的压电振子连接；所述惯性块的底面通过底部弹簧与底座连接。

在本发明中，一个底座、一个周边及顶部安装有压电振子的框架、一个惯性块、以及连接所述压电振子与所述惯性块的卡销和一组弹簧构成。在自然状态下，惯性块在底部弹簧的作用下处于平衡状态，周边弹簧、顶部弹簧、以及压电振子均处于自然状态，即不受外力作用、不产生形变。当框架受外界任一方向振动时，惯性块的位置即发生变化，所产生的惯性作用力通过弹簧及卡销传递给压电振子，从而使压电振子产生弯曲变形、并将机械能转换成电能。

本发明的特点及优势在于，利用弹簧牵引惯性块的方法激励压电振子，可实现任意方向及低频振动能量回收，且具有高可靠性、高能量效率的特点：                                               环境中任意方向的振动都可引起惯性块的相对运动，质量块的惯性作用力通过弹簧传递给压电振子，从而使压电振子产生弯曲变形、并将机械能转换成电能；惯性块自身的重力作用在弹簧上，其质量的大小对压电振子的振动特性无直接影响，可采用较大惯性块和低刚度弹簧降低发电装置的固有频率，从而实现低频振动能量回收。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中能量回收装置自然状态下的结构剖面示意图；

图2是图1的A-A剖面示意图；

图3是本发明一个较佳实施例中卡销的结构剖面示意图；

图4是图3的左视图。

具体实施方式