专利名称：压电陶瓷热声发电装置和方法
技术领域：
本发明涉及热声压电发电技术，特别涉及一种利用压电材料进行大功率发电的压 电陶瓷热声发电装置和方法。
背景技术：
目前，在利用热声技术进行发电的领域中，主要采用直线往复电机配合热声装置 进行发电。但直线往复电机存在体积大、工作频率低等缺点，不能有效发挥热声装置容易产 生高频压力波的优势。鉴于材料学的不断发展，出现了压电陶瓷，与直线往复电机相比，使 用压电陶瓷进行发电，不但能有效发挥热声装置容易产生高频压力波的优势，以大幅度提 高发电装置的输出电压频率，而且能减小发电装置的体积和重量，降低制造成本，从而为热 声技术在发电应用开辟新的途径。随着工业的飞速发展，人们对电能的需求量也越来越迫切，而且由于压电陶瓷所 具有的优良特性，人们不由自主地对大功率压电陶瓷充满了期待，这就使得如何制造驱动 多个压电陶瓷的发电装置以输出大功率电能，日益成为技术人员的研究重点。关于压电陶瓷的发电装置的研究，美国R. MKeolian公开了一个关于热声压电发 电装置的专利，但其结构实现起来相对困难；进一步地，美国犹他大学也在对热声压电发电 技术进行不断地研究，并研制出一种只有1.8毫米长的微型“压电热声发电装置”，并将多 台“压电热声发电装置”集成在一起，使得每立方厘米产生了 1瓦特的电，该压电热声发电 装置已经被应用于发电厂、汽车和电脑等领域，以及用来生产新一代太阳能电源，但该“压 电热声发电装置”在能源驱动方面存在着缺陷，还不能进行大功率的发电。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电陶瓷热声发电装置和方法，以解决现有技术中压电 热声发电装置结构复杂，并且不能进行大功率发电的技术问题，以实现进行大功率发电的 目的。为实现上述目的，本发明提供了一种压电陶瓷热声发电装置，包括热声装置，用于 将热能转换成气体振荡波，其中，还包括变力装置，用于将所述气体振荡波转换成振幅和压力适合压电陶瓷工作的机械振 动；压电陶瓷装置，用于利用所述机械振动产生电能；所述变力装置和压电陶瓷装置通过外壳支撑件封装，并且所述热声装置连接于所 述外壳支撑件。进一步地，本发明提供了一种压电陶瓷热声发电方法，其中包括将热能转换成气体振荡波；根据所述气体振荡波转换成振幅和压力适合压电陶瓷工作的机械振动；并根据所述机械振动产生电能。
本发明的一种压电陶瓷热声发电装置和方法，提供了一种压电陶瓷热声发电方 式，通过变力装置将所述气体震荡波转换成振幅和压力适合压电陶瓷工作的机械振动，以 供压电陶瓷装置利用所述机械振动产生电能的技术方案，以解决现有技术中压电热声发电 装置结构复杂技术问题，具有简单、易安装以及便于推广应用的特点。
图1为本发明压电陶瓷热声发电装置的框图示意图；图2为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第一结构的径向剖面示意图；图3为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第二结构的径向剖面示意图；图4为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第三结构的径向剖面示意图；图5为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第四结构的径向剖面示意图；图6为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第五结构的径向剖面示意图；图7为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第六结构的径向剖面示意图；图8为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第七结构的径向剖面示意图；图9为本发明质量振膜的结构示意图；图10为本发明变力装置与压电陶瓷装置第一结构的径向剖面示意图；图11为本发明变力装置与压电陶瓷装置第二结构的径向剖面示意图；图12为本发明压电陶瓷堆的结构示意图；图13为嵌入式耦合变力杆的根部机械振动示意图；图14为本发明压电陶瓷热声发电方法的流程示意图。
具体实施例方式下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。实施例一图1为本发明压电陶瓷热声发电装置的框图示意图。如图1所示，本实施例的压 电陶瓷热声发电装置包括热声装置101、变力装置102和压电陶瓷装置103，变力装置102 和压电陶瓷装置103连接并通过外壳支撑件104封装在一起，并且热声装置101连接于外 壳支撑件104 ；其中，热声装置101可将任何形式的热能转换成气体振荡波即气体压力波， 并通过外壳支撑件104传送给变力装置102，变力装置102将热声装置101转换成的气体振 荡波继续转换成振幅和压力适合压电陶瓷工作的机械振动，并传送给压电陶瓷装置103，最 终压电陶瓷装置103利用变力装置102所产生的所述机械振动生成电能。本实施例所提供的一种压电陶瓷热声发电装置，通过变力装置将所述气体振荡波 转换成振幅和压力适合压电陶瓷工作的机械振动，以供压电陶瓷装置利用所述机械振动产 生电能的结构，以解决现有技术中压电热声发电装置结构复杂的技术问题，具有简单、易安 装以及便于推广应用的特点。实施例二压电陶瓷热声发电装置中的变力装置包括变力杆组和质量振膜，其中变力杆组为 一整体的变力杆组圆盘，并在所述变力杆组圆盘的圆心处设有变力杆组圆盘中心通孔；所 述变力杆组包括数个扇型的变力杆，且所述变力杆之间为镂空扇型间隙；质量振膜，利用螺栓通过所述变力杆组圆盘中心通孔连接于所述变力杆组圆盘。具体地，图2为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第一结构的径向剖面示意图。如图2 所示，在本实施例中压电陶瓷装置包括第一压电陶瓷子装置12和第二压电陶瓷子装置13 ；其中，第一压电陶瓷子装置12包括第一圆环型上压块121、第一圆环型下压块122 和数个第一压电陶瓷堆123 ；第一圆环型上压块121设有数个第一上压块通孔1211，且在 每两个第一上压块通孔1211之间的第一圆环型上压块121的下表面分别设有一个第一上 压块方形凸台1212 ；第一圆环型下压块122设有与数个第一上压块通孔1211相对应的数 个第一下压块通孔1223，且在每两个第一下压块通孔1223之间的第一圆环型下压块122 的上表面分别设有一个第一下压块方形凸台1224，其下表面靠近外圆周设有第一圆环凸楞 1222 ；每个第一压电陶瓷堆123置于一个第一上压块方形凸台1212和一个第一下压块方形 凸台1221之间，通过数个螺栓(图中为示出)贯穿数个第一上压块通孔1211和数个第一 下压块通孔1223以将第一圆环型上压块121、第一圆环型下压块122和数个第一压电陶瓷 堆123固定连接，并且每个第一压电陶瓷堆123对应一个双边偏置耦合柔性铰链式变力杆 1 ；第二压电陶瓷子装置13包括第二圆环型上压块131、第二圆环型下压块132和数 个第二压电陶瓷堆133 ；第二圆环型上压块131设有数个第二上压块通孔134，且在每两个 第二上压块通孔134之间的第二圆环型上压块131的下表面分别设有一个第二上压块方形 凸台1311 ；第二圆环型下压块132设有与数个第二上压块通孔134相对应的数个第二下压 块通孔(图中未示出)，且在每两个所述第二下压块通孔之间的第二圆环型下压块132的上 表面分别设有一个第二下压块方形凸台1321，且在第二圆环型下压块132的下表面靠近内 圆周设有第二圆环凸楞1322;每个第二压电陶瓷堆133置于一个第二上压块方形凸台1311 和一个第二下压块方形凸台1321之间，通过数个螺栓(图中未示出)贯穿数个第二上压块 通孔134和数个第二下压块通孔(图中未示出)以将第二圆环型上压块131、第二圆环型下 压块132和数个第二压电陶瓷堆133固定连接，并且每个第二压电陶瓷堆133对应一个双 边偏置耦合柔性铰链式变力杆1 ；对于本实施例，变力杆组圆盘中的变力杆为双边偏置耦合柔性铰链式变力杆1，在 现有技术中，变力杆头部都采用孔轴式铰链，由于在变力杆振动过程中存在相对滑动，因此 会产生较大的摩擦损耗，这对于压电陶瓷热声发电装置来说是不可取的，因此在本实施例 中所述双边偏置耦合柔性铰链式变力杆1的头部设有结构简单、且在振动过程中能准确定 位、无摩擦损耗的“S”型柔性铰链1 ‘，且在双边偏置耦合柔性铰链式变力杆1的上表面和 下表面靠近双边偏置耦合柔性铰链式变力杆1的根部的非对应位置，分别设有变力杆组圆 环凹槽1"，使第一压电陶瓷子装置12中的第一圆环凸楞1222和第二压电陶瓷子装置13 中的第二圆环凸楞1322分别双边偏置耦合于双边偏置耦合柔性铰链式变力杆1的上表面 和下表面的力杆组圆环凹槽1 ”内，以使第一压电陶瓷子装置12和第二压电陶瓷子装置13 的振动支点不在同一条直线上，两支点有一定的偏距，这样双边偏置耦合柔性铰链式变力 杆1在振动时，所述两支点互为将相互协调，起到减小阻力臂、增大变比的作用。如图12为本发明压电陶瓷堆的结构示意图所示。第一压电陶瓷堆123和第二压电 陶瓷堆133都是由数个叠加结构1204叠加而成的，叠加结构1204包括一层正电极板1201、 至少一层电压陶瓷薄片1202和一层负电极板1203 ；且电压陶瓷薄片1202的形状与第一上压块方形凸台1212、第一下压块方形凸台1224、第二上压块方形凸台1311和第二下压块方 形凸台1321的形状相对应。进一步地，图9为本发明质量振膜的结构示意图，如图9所示，质量振膜包括上质 量块圆盘901、下质量块圆盘902和振动膜片903，其中，在上质量块圆盘901的圆心处设 有上质量块圆盘中心通孔9011，在上质量块圆盘901的边缘设有数个上质量块圆盘边缘通 孔9012 ；并在下质量块圆盘902的边缘设有数个下质量块圆盘边缘通孔9021，利用数个螺 栓贯穿数个上质量块圆盘边缘通孔9012和数个下质量块圆盘边缘通孔9021，将上质量块 圆盘901和下质量模块902连接，与此同时，将振动膜片903的中间部分夹在上质量块圆盘 901和下质量块圆盘902之间；再进一步地，将振动膜片903的边缘部分通过压圈904和前 端盖圆盘905的连接而固定，压圈904为设有数个压圈通孔9041的圆环，在前端盖圆盘905 的圆心处设有一个第一前端盖圆盘通孔9051、且对应数个压圈通孔9041设有数个第二前 端盖圆盘通孔9052，且压圈904和前端盖圆盘905利用螺栓贯穿数个压圈通孔9041和数个 第二前端盖圆盘通孔9052而连接。图10为本发明变力装置与压电陶瓷装置第一结构的径向剖面示意图。结合图2、 图10和图9所示，利用图10中的螺栓1001贯穿图2中的变力杆组圆盘中心通孔14和图 9中的上质量块圆盘中心通孔9011，实现图2中的质量振膜与变力杆组圆盘的连接，以构成 变力装置与压电陶瓷装置的组合；进一步地，再通过外壳支撑件包括后端盖圆盘1002、机 身壁1003和前端盖圆盘905进行封装，其中后端盖圆盘1002的边缘设有数个后端盖圆盘 边缘通孔10021，机身壁1003为上下开口带边沿的“工”字型中通圆筒，且在边沿设置数个 边沿通孔10031，前端盖圆盘905的边缘设有数个前端盖圆盘边缘通孔9053，热声装置所产 生的气体震荡波可通过第一前端盖圆盘通孔9051传递至变力装置，且热声装置再通过连 接于所述外壳支撑件，最终组合成压电陶瓷热声发电装置。本实施例压电陶瓷热声发电装置的具体工作过程为，热声装置可将任何形式的热 能转换成振幅相对较大(振幅在0. 25mm Imm之间)、压力相对较小(压力在1000N 5000N之间)的气体振荡波即气体压力波，所述气体振荡波通过第一前端盖圆盘通孔9051 传递至下质量块圆盘902和振动膜片903上，上质量块圆盘901配合下质量块圆盘902和 振动膜片903的振动，以使变力杆组圆盘中的双边偏置耦合柔性铰链式变力杆1头部的“S” 型柔性铰链1 ‘与整个质量振膜产生共振，同样产生振幅相对较大(振幅在0. 25mm Imm 之间)、压力相对较小(压力在1000N 5000N之间)的第一机械振动，通过杠杆原理，将在 双边偏置耦合柔性铰链式变力杆1的根部将产生振幅相对较小(振幅约为5 μ m 10 μ m 之间)、压力相对较大(压力在10000N 40000N之间)的第二机械振动，同时通过第一圆 环型上压块121给数个第一压电陶瓷堆123提供预压力、第二圆环型上压块131给数个第 二压电陶瓷堆133提供预压力，最终由这种振幅相对较小、压力相对较大的第二机械振动 不断驱动第一压电陶瓷堆123和第二压电陶瓷堆133进行发电，结合图2和图9所示，可知 变力杆组圆盘中的变力杆组共有25根双边偏置耦合柔性铰链式变力杆1，且每一双边偏置 耦合柔性铰链式变力杆1的上、下表面各耦合一组压电陶瓷堆，具体包括一组第一压电陶 瓷堆123和一组第二压电陶瓷堆133，其中一组压电陶瓷堆的能提供约25W的输出功率，则 本实施例中一共50组压电陶瓷堆最多能提供约1250W的高效输出功率。本实施例所提供的压电陶瓷热声 电装置，通过变力装置将热声装置将振幅较大、压力较小的气体振荡波转换成振幅较小、压力较大的适合压电陶瓷工作的机械振动，以 供压电陶瓷装置提供大功率的高频交流电，解决了现有技术中采用直线往复电机，存在体 积大、工作频率低等缺点、以及解决现有压电热声发电装置结构复杂、不能输出大功率电能 的技术问题，具有结构简单、易安装以及便于推广应用的特点。实施例三图3为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第二结构的径向剖面示意图。如图 3，本实施例所提供的变力杆组与压电陶瓷装置组合与实施例二的区别在于，本实施例中变 力杆组圆盘中的变力杆为双边偏置耦合非柔性铰链式变力杆2，在双边偏置耦合非柔性铰 链式变力杆2的头部不设有“S”型柔性铰链，其余的结构以及压电陶瓷热声发电装置的工 作过程与实施例二中所描述的相同。本实施例的压电陶瓷热声发电装置同样最多能提供约 1250W的高效输出功率，具有结构简单、易安装以及便于推广应用的特点。实施例四图4为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第三结构的径向剖面示意图。如图4， 本实施例所提供的变力杆组与压电陶瓷装置组合与实施例二的区别在于，在本实施例中， 变力杆组圆盘中的变力杆为嵌入式耦合变力杆3，在嵌入式耦合变力杆3的上表面和下表 面靠近嵌入式耦合变力杆3的根部的对应位置，分别设有变力杆卧槽；压电陶瓷装置包括 数个压电陶瓷堆403，通过楔形压块401和内压块402将每个压电陶瓷堆403嵌入变力杆 卧槽内；如图12，压电陶瓷堆403由数个叠加结构1204叠加而成的，叠加结构1204包括一 层正电极板1201、至少一层电压陶瓷薄片1202和一层负电极板1203，由此便完成压电陶瓷 装置和变力装置的连接。进一步地，本实施例同样具有图9所示的质量振膜的结构，结合图 11为本发明变力装置与压电陶瓷装置第二结构的径向剖面示意图所示，其压电陶瓷装置和 变力装置的封装形式如下通过外壳支撑件包括后端盖凸圆盘1102、机身壁1103和前端盖 圆盘905进行封装，其中后端盖凸圆盘1102的边缘设有数个后端盖凸圆盘边缘通孔11021， 机身壁1103为中通圆桶，且在所述中通圆桶的桶壁上，沿所述中通圆桶的同轴竖直设置数 个轴向通孔11031，前端盖圆盘905的边缘设有数个前端盖圆盘边缘通孔9053，热声装置所 产生的气体震荡波可通过第一前端盖圆盘通孔9051传递至变力装置，且热声装置再通过 连接于所述外壳支撑件，最终组合成压电陶瓷热声发电装置。本实施例压电陶瓷热声发电装置的具体工作过程为，结合图9，热声装置可将任何 形式的热能转换成振幅相对较大(振幅在0. 25mm Imm之间)、压力相对较小(压力在 1000N 5000N之间)的气体振荡波，所述气体振荡波通过第一前端盖圆盘通孔9051传递 至下质量块圆盘902和振动膜片903上，上质量块圆盘901配合下质量块圆盘902和振动膜 片903的振动，以使变力杆组圆盘中的嵌入式耦合变力杆3的头部与整个质量振膜产生共 振，同样产生振幅相对较大(振幅在0. 25mm Imm之间)、压力相对较小(压力在1000N 5000N之间)的第一机械振动；通过杠杆原理，将在嵌入式耦合变力杆3的根部将产生振幅 相对较小(振幅约为5 μ m 10 μ m之间)、压力相对较大(压力在10000N 40000N之间) 的第二机械振动，具体地，如图13为嵌入式耦合变力杆3的根部机械振动示意图所示，以嵌 入式耦合变力杆3的厚度的中线1301为界，在其根部会产生平行于杆的根部、但方向相反 的第二机械振动Fl和F2 ；结合图4所示，同时由于楔形压块401和内压块402事先给压电 陶瓷堆403提供预压力，最终由这种振幅相对较小、压力相对较大的第二机械振动不断驱动压电陶瓷堆403发电，变力杆组中共有25根嵌入式耦合变力杆3，每一嵌入式耦合变力杆 3的上、下表面各嵌入耦合一组压电陶瓷堆403，其中一组压电陶瓷堆403的可提供约25W 的输出功率，则本实施例中一共50组压电陶瓷堆最多能提供约1250W的高效输出功率。本实施例所述提供的压电陶瓷热声发电装置，采用嵌入式耦合变力杆组成变力杆 组圆盘，并在每个嵌入式耦合变力杆的根部的上、下表面各嵌入耦合一组压电陶瓷堆，以实 现变力装置和压电陶瓷装置的连接，进而实现利用热声技术进行发电的目的，具有输出大 功率电能、结构简单、易安装以及便于推广应用的特点。实施例五图5为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第四结构的径向剖面示意图。如图5， 本实施例所提供的变力杆组与压电陶瓷装置组合与实施例二的区别在于，本实施例中变力 杆组圆盘中的变力杆为单边耦合柔性铰链变力杆4，单边耦合柔性铰链变力杆4的头部设 有“S”型柔性铰链1'，并在单边耦合柔性铰链变力杆4的根部设有直圆型柔性铰链501， 进一步在单边耦合柔性铰链变力杆5的上表面靠近直圆型柔性铰链501处设有变力杆组圆 环凹槽1"，在本实施例中的压电陶瓷装置为实施例二中的第二压电陶瓷子装置13，通过 变力杆组圆环凹槽1"单边耦合第二压电陶瓷子装置13，以实现变力装置和压电陶瓷装置 的连接，当然在本实施例中的压电陶瓷装置也可为实施例二中的第二压电陶瓷子装置12 ； 进一步地，变力杆组圆盘设有外边缘502，外边缘502与所述变力杆组圆盘为一体结构，并 且在外边缘502上设有数个外边缘通孔5021。再进一步地，本实施例同样具有图9所示的 质量振膜的结构，其压电陶瓷装置和变力装置的封装形式如下在对变力装置和压电陶瓷装置用实施例二中的外壳支撑件进行封装时，结合图10 和图5，利用数个螺栓贯穿数个后端盖圆盘边缘通孔10021、数个边沿通孔10031、数个外边 缘通孔5021和数个前端盖圆盘边缘通孔9053以对变力装置和压电陶瓷装置进行封装，热 声装置所产生的压力波可通过第一前端盖圆盘通孔9051传递至变力装置，且热声装置再 通过连接于所述外壳支撑件，最终组合成压电陶瓷热声发电装置。进一步地，本实施例所提 供的压电陶瓷热声发电装置的发电工作原理与实施例二的相同，这里不再赘述。本实施例所提供的压电陶瓷热声发电装置，通过采用单边耦合柔性铰链变力杆组 成变力杆组圆盘单边耦合变力装置，以实现变力装置和压电陶瓷装置的连接，进而实现利 用热声技术进行发电的目的，具有输出大功率电能、结构简单、易安装以及便于推广应用的 特点。实施例六图6为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第五结构的径向剖面示意图。如图6， 本实施例与实施例五的区别在于，本实施例中变力杆组圆盘中的变力杆为单边耦合非柔性 铰链变力杆5，在单边耦合非柔性铰链变力杆5的头部不设有“S”型柔性铰链、且在单边耦 合非柔性铰链变力杆5的根部不设有直圆型柔性铰链，而只在单边耦合非柔性铰链变力杆 5的上表面靠近单边耦合非柔性铰链变力杆6的根部设有变力杆组圆环凹槽1"。其余结 构，以及所组成的压电陶瓷热声发电装置的工作原理这里不再赘述。本实施例所提供的压电陶瓷热声发电装置，通过采用单边耦合非柔性铰链变力杆 组成变力杆组圆盘耦合变力装置，以实现变力装置和压电陶瓷装置的连接，进而实现利用 热声技术进行发电的目的，同样具有输出大功率电能、结构简单、易安装以及便于推广应用的特点。实施例七图7为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第六结构的径向剖面示意图。如图7， 在实施例二的基础上，本实施例中变力杆组圆盘中的变力杆为双边非偏置耦合柔性铰链式 变力杆6，双边非偏置耦合柔性铰链式变力杆6的头部同样设有“S”型柔性铰链1'，双边 非偏置耦合柔性铰链式变力杆6的根部设有直圆型柔性铰链501，且在双边非偏置耦合柔 性铰链式变力杆6的上表面和下表面靠近直圆型柔性铰链501处的对应位置，分别设有变 力杆组圆环凹槽1"；在本实施例中压电陶瓷装置为实施例二中的第二压电陶瓷子装置13， 通过双边非偏置耦合柔性铰链式变力杆6的上表面和下表面的变力杆组圆环凹槽1"双边 非偏置耦合第二压电陶瓷子装置13，以实现变力装置和压电陶瓷装置的连接，当然在本实 施例中的压电陶瓷装置也可为实施例二中的第二压电陶瓷子装置12，进一步地，变力杆组 圆盘同样设有外边缘502，外边缘502与所述变力杆组圆盘为一体结构，并且在外边缘502 上设有数个外边缘通孔5021 ；再进一步地，本实施例同样具有图9所示的质量振膜的结构， 其压电陶瓷装置和变力装置的封装形式如下在对变力装置和压电陶瓷装置用实施例二中的外壳支撑件进行封装时，结合图10 和图7，利用数个螺栓贯穿数个后端盖圆盘边缘通孔10021、数个边沿通孔10031、数个外边 缘通孔5021和数个前端盖圆盘边缘通孔9053以对变力装置和压电陶瓷装置进行封装，热 声装置所产生的气体震荡波可通过第一前端盖圆盘通孔9051传递至变力装置，且热声装 置再通过连接于所述外壳支撑件，最终组合成压电陶瓷热声发电装置。进一步地，本实施例 所提供的压电陶瓷热声发电装置的发电工作原理与实施例二的相同，这里不再赘述。本实施例所提供的压电陶瓷热声发电装置，通过采用双边非偏置耦合柔性铰链式 变力杆组成变力杆组圆盘双边非偏置耦合变力装置，以实现变力装置和压电陶瓷装置的连 接，进而实现利用热声技术进行发电的目的，具有输出大功率电能、结构简单、易安装以及 便于推广应用的特点。实施例八图8为本发明变力杆组与压电陶瓷装置组合第七结构的径向剖面示意图。如图8， 本实施例与实施例七的区别在于，本实施例中变力杆组圆盘中的变力杆为双边非偏置耦合 非柔性铰链式变力杆7，在双边非偏置耦合非柔性铰链式变力杆7的头部不设有“S”型柔性 铰链、且在其根部也不设有直圆型柔性铰链，而只在双边非偏置耦合非柔性铰链式变力杆7 的上表面和下表面靠近双边非偏置耦合非柔性铰链式变力杆7的根部的对应位置，分别设 有变力杆组圆环凹槽1"；再者，其余结构与实施例七的压电陶瓷热声发电装置相同，且其 发电的工作工程也相同。本实施例所提供的压电陶瓷热声发电装置，通过采用双边非偏置耦合非柔性铰链 式变力杆组成变力杆组圆盘双边非偏置耦合变力装置，以实现变力装置和压电陶瓷装置的 连接，进而实现利用热声技术进行发电的目的，具有输出大功率电能、结构简单、易安装以 及便于推广应用的特点。实施例九图14为本发明压电陶瓷热声发电方法的流程示意图。如图14所示，本实施例的 压电陶瓷热声发电方法包括
步骤1401、将热能转换成气体振荡波；热声装置可将任何形式的热能转换成气体振荡波，并通过外壳支撑件传送给变力 装置；步骤1402、根据所述气体振荡波转换成振幅和压力适合压电陶瓷工作的机械振 动；变力装置将热声装置转换成的气体振荡波继续转换成振幅和压力适合压电陶瓷 工作的机械振动，并传送给压电陶瓷装置；步骤1403、并根据所述机械振动波产生电能。最终压电陶瓷装置利用变力装置所产生的机械振动产生电能。本实施例所提供的一种压电陶瓷热声发电方法，通过将所述气体振荡波转换成机 械振动，最终利用所述机械振动产生电能的技术方案，以解决现有技术中压电热声发电方 法不能输出大功率电能的技术问题，具有输出大功率电能以及便于操作、推广应用的特点。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依 然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修 改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
一种压电陶瓷热声发电装置，包括热声装置，用于将热能转换成气体振荡波，其特征在于，还包括变力装置，用于将所述气体振荡波转换成振幅和压力适合压电陶瓷工作的机械振动；压电陶瓷装置，用于利用所述机械振动产生电能；所述变力装置和压电陶瓷装置通过外壳支撑件封装，并且所述热声装置连接于所述外壳支撑件。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述变力装置，包括变力杆组，所述变力杆组为一整体的变力杆组圆盘，并在所述变力杆组圆盘的圆心处设有变力杆组圆盘中心通孔；所述变力杆组包括数个扇型的变力杆，且所述变力杆之间为 镂空扇型间隙；质量振膜，利用螺栓通过所述变力杆组圆盘中心通孔连接于所述变力杆组圆盘。
3.根据权利要求2所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述质量振膜包括上 质量块圆盘、下质量块圆盘和振动膜片，在所述上质量块圆盘的圆心处设有上质量块圆盘中心通孔，在所述上质量块圆盘的边 缘设有数个上质量块圆盘边缘通孔；并在所述下质量块圆盘的边缘设有数个下质量块圆盘 边缘通孔；通过采用数个螺栓贯穿所述数个上质量块圆盘边缘通孔和数个下质量块圆盘边 缘通孔，将所述上质量块圆盘和下质量块圆盘连接，并将所述振动膜片的中间部分夹在所 述上质量块圆盘和下质量块圆盘之间；并且将所述振动膜片的边缘部分通过压圈和前端盖圆盘的连接而固定，所述压圈为设 有数个压圈通孔的圆环，所述前端盖圆盘的圆心处设有第一前端盖圆盘通孔、且对应所述 数个压圈通孔设有数个第二前端盖圆盘通孔，所述压圈和前端盖圆盘利用螺栓贯穿所述数 个压图通孔和数个第二前端盖圆盘通孔而连接。
4.根据权利要求3所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述压电陶瓷装置包 括第一压电陶瓷子装置和第二压电陶瓷子装置，所述第一压电陶瓷子装置包括第一圆环型上压块、第一圆环型下压块和数个第一压电 陶瓷堆；所述第一圆环型上压块设有数个第一上压块通孔，且在每两个所述第一上压块通 孔之间的所述第一圆环型上压块的下表面分别设有一个第一上压块方形凸台；所述第一圆 环型下压块设有与所述数个第一上压块通孔相对应的数个第一下压块通孔，且在每两个所 述第一下压块通孔之间的所述第一圆环型下压块的上表面分别设有一个第一下压块方形 凸台，且在所述第一圆环型下压块的下表面靠近外圆周设有第一圆环凸楞；每个所述第一 压电陶瓷堆置于一个所述第一上压块方形凸台和一个第一下压块方形凸台之间，通过数个 螺栓贯穿所述数个第一上压块通孔和数个第一下压块通孔以将所述第一圆环型上压块、第 一圆环型下压块和数个第一压电陶瓷堆固定连接，并且每个所述第一压电陶瓷堆对应一个 所述变力杆；所述第二压电陶瓷子装置包括第二圆环型上压块、第二圆环型下压块和数个第二压电 陶瓷堆；所述第二圆环型上压块设有数个第二上压块通孔，且在每两个所述第二上压块通 孔之间的所述第二圆环型上压块的下表面分别设有一个第一上压块方形凸台；所述第二圆 环型下压块设有与所述数个第二上压块通孔相对应的数个第二下压块通孔，且在每两个所 述第二下压块通孔之间的所述第二圆环型下压块的上表面分别设有一个第二下压块方形凸台，且在所述第二圆环型下压块的下表面靠近内圆周设有第二圆环凸楞；每个所述第二 压电陶瓷堆置于一个所述第一上压块方形凸台和一个第一下压块方形凸台之间，通过数个 螺栓贯穿所述数个第二上压块通孔和数个第二下压块通孔以将所述第二圆环型上压块、第 二圆环型下压块和数个第二压电陶瓷堆固定连接，并且每个所述第二压电陶瓷堆对应一个 所述变力杆；所述第一压电陶瓷堆和第二压电陶瓷堆由数个叠加结构叠加而成，所述叠加结构包括 一层正电极板、至少一层电压陶瓷薄片和一层负电极板；所述电压陶瓷薄片的形状与第一 上压块方形凸台、第一下压块方形凸台、第二上压块方形凸台和第二下压块方形凸台的形 状相对应。
5.根据权利要求4所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述变力杆为单边耦合柔性铰链变力杆，所述单边耦合柔性铰链变力杆的头部设有 “S”型柔性铰链，所述单边耦合柔性铰链变力杆的根部设有直圆型柔性铰链，且在所述单边 耦合柔性铰链变力杆的上表面靠近所述直圆型柔性铰链处设有变力杆组圆环凹槽；所述变力装置通过所述变力杆组圆环凹槽与第一圆环凸楞或第二圆环凸楞的单边耦 合，连接所述第一压电陶瓷装置或第二压电陶瓷装置，以使变力装置和压电陶瓷装置连接。
6.根据权利要求4所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述变力杆为单边耦合非柔性铰链变力杆，并在所述单边耦合非柔性铰链变力杆的上 表面靠近所述单边耦合非柔性铰链变力杆的根部设有变力杆组圆环凹槽；所述变力装置通过所述变力杆组圆环凹槽与第一圆环凸楞或第二圆环凸楞的单边耦 合，连接所述第一压电陶瓷装置或第二压电陶瓷装置，以使变力装置和压电陶瓷装置连接。
7.根据权利要求4所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述变力杆为双边非偏置耦合柔性铰链式变力杆，所述双边非偏置耦合柔性铰链式变 力杆的头部设有“S”型柔性铰链，所述双边非偏置耦合柔性铰链式变力杆的根部设有直圆 型柔性铰链，且在所述双边非偏置耦合柔性铰链式变力杆的上表面和下表面靠近所述直圆 型柔性铰链处的对应位置，分别设有变力杆组圆环凹槽；所述变力装置通过所述变力杆组圆环凹槽与第一圆环凸楞和第二圆环凸楞的双边非 偏置耦合，以连接所述第一压电陶瓷装置和第二压电陶瓷装置，以使变力装置和压电陶瓷 装置连接。
8.根据权利要求4所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述变力杆为双边非偏置耦合非柔性铰链式变力杆，在所述双边非偏置耦合非柔性铰 链式变力杆的上表面和下表面靠近所述双边非偏置耦合非柔性铰链式变力杆的根部的对 应位置，分别设有变力杆组圆环凹槽；所述变力装置通过所述变力杆组圆环凹槽与第一圆环凸楞和第二圆环凸楞的双边非 偏置耦合，以连接所述第一压电陶瓷装置和第二压电陶瓷装置，以使变力装置和压电陶瓷 装置连接。
9.根据权利要求5 8任一权利要求所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述变力杆组圆盘设有外边缘，所述外边缘与所述变力杆组圆盘为一体结构，并且在 所述外边缘上设有数个外边缘通孔。
10.根据权利要求9所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述外壳支撑件包括后端盖圆盘、机身壁和所述前端盖圆盘；所述后端盖圆盘的边缘设有数个后端盖圆盘边缘通孔；所述机身壁为上下开口带边沿的“工”字型中通圆筒，且在所述边沿设置数个边沿通孔；所述前端盖圆盘的边缘设有数个前端盖圆盘边缘通孔，所述气体震荡波通过所述第一 前端盖圆盘通孔传递至变力装置；所述数个后端盖圆盘边缘通孔、数个边沿通孔、数个外边缘通孔和数个前端盖圆盘边 缘通孔分别相对应，并通过数个螺栓贯穿所述数个后端盖圆盘边缘通孔、数个边沿通孔、数 个外边缘通孔和数个前端盖圆盘边缘通孔，以封装所述变力装置和压电陶瓷装置。
11.根据权利要求4所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述变力杆为双边偏置耦合柔性铰链式变力杆，所述双边偏置耦合柔性铰链式变力杆 的头部设有“S”型柔性铰链，且在所述双边偏置耦合柔性铰链式变力杆的上表面和下表面 靠近所述双边偏置耦合柔性铰链式变力杆的根部的非对应位置，分别设有变力杆组圆环凹 槽；所述变力装置通过所述变力杆组圆环凹槽与第一圆环凸楞和第二圆环凸楞的双边偏 置耦合，以连接所述第一压电陶瓷装置和第二压电陶瓷装置，以使变力装置和压电陶瓷装 置连接。
12.根据权利要求4所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述变力杆为双边偏置耦合非柔性铰链式变力杆，在所述双边偏置耦合非柔性铰链式 变力杆的上表面和下表面靠近所述双边偏置耦合非柔性铰链式变力杆的根部的非对应位 置，分别设有变力杆组圆环凹槽；所述变力装置通过所述变力杆组圆环凹槽与第一圆环凸楞和第二圆环凸楞的双边偏 置耦合，以连接所述第一压电陶瓷装置和第二压电陶瓷装置，以使变力装置和压电陶瓷装 置连接。
13.根据权利要求3所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述变力杆为嵌入式耦合变力杆，在所述嵌入式耦合变力杆的上表面和下表面靠近所 述嵌入式耦合变力杆的根部的对应位置，分别设有变力杆卧槽。
14.根据权利要求13所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述压电陶瓷装置包括数个压电陶瓷堆，每个所述压电陶瓷堆由数个叠加结构叠加而 成，所述叠加结构包括一层正电极板、至少一层电压陶瓷薄片和一层负电极板，每一个所述 压电陶瓷堆对应一个所述变力杆；并通过楔形压块和内压块将所述压电陶瓷堆嵌入所述压电陶瓷堆对应的所述变力杆 卧槽内，以使所述压电陶瓷装置和变力装置连接。
15.根据权利要求14所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述外壳支撑件包 括后端盖凸圆盘、机身壁和所述前端盖圆盘；所述后端盖凸圆盘的边缘设有数个后端盖凸圆盘边缘通孔；所述机身壁为中通圆桶，且在所述中通圆桶的桶壁上，沿所述中通圆桶的同轴竖直设 置数个轴向通孔；所述前端盖圆盘的边缘设有数个前端盖圆盘边缘通孔，所述气体震荡波通过所述第一前端盖圆盘通孔传递至变力装置；所述数个后端盖凸圆盘边缘通孔、数个轴向通孔和数个前端盖圆盘边缘通孔分别相对 应，并通过数个螺栓贯穿所述数个后端盖凸圆盘边缘通孔、数个轴向通孔和数个前端盖圆 盘边缘通孔，以封装所述变力装置和压电陶瓷装置。
16.根据权利要求11或12权利要求所述的压电陶瓷热声发电装置，其特征在于，所述 外壳支撑件包括后端盖圆盘、机身壁和所述前端盖圆盘；所述后端盖圆盘的边缘设有数个后端盖圆盘边缘通孔；所述机身壁为上下开口带边沿的“工”字型中通圆筒，且在所述边沿设置数个边沿通孔；所述前端盖圆盘的边缘设有数个前端盖圆盘边缘通孔，所述压力波通过所述第一前端 盖圆盘通孔传递至变力装置；所述数个后端盖圆盘边缘通孔、数个边沿通孔和数个前端盖圆盘边缘通孔分别相对 应，并通过数个螺栓贯穿所述数个后端盖圆盘边缘通孔、数个边沿通孔和数个前端盖圆盘 边缘通孔，以封装所述变力装置和压电陶瓷装置。
17.—种压电陶瓷热声发电方法，其特征在于，包括 将热能转换成气体振荡波；根据所述气体振荡波转换成振幅和压力适合压电陶瓷工作的机械振动； 并根据所述机械振动产生电能。
全文摘要
本发明公开了一种压电陶瓷热声发电装置和方法，其中该装置包括热声装置，用于将热能转换成气体振荡波，其中，还包括变力装置，用于将所述气体振荡波转换成振幅和压力适合压电陶瓷工作的机械振动；压电陶瓷装置，用于利用所述机械振动产生电能；所述变力装置和压电陶瓷装置通过外壳支撑件封装，并且所述热声装置连接于所述外壳支撑件。本发明所提供的压电陶瓷热声发电装置和方法，通过变力装置将所述气体振荡波转换成振幅和压力适合压电陶瓷工作的机械振动，以供压电陶瓷装置利用所述机械振动产生电能的技术方案，以解决现有技术中压电热声发电装置结构复杂、并且不能进行大功率发电的技术问题，以实现进行大功率发电的目的。
文档编号H02N2/18GK101944859SQ200910151070
公开日2011年1月12日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者姜琳, 张益炳, 戴巍, 李海冰, 申群璨, 罗二仓 申请人:深圳市中科力函热声技术工程研究中心有限公司