专利名称：一种频率可控型压电发电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于风力发电和水力发电领域，特别是一种频率可控型压电发电装置。
背景技术：
利用自然界风能和水能进行发电，为各种户外设施进行自供电的系统符合当今节能、环保、低碳的发展趋势，在工业监控、智能交通、智能电网、矿山安全、环境监测、平安家居、医疗保健等领域具有广阔的应用前景。美国的Priya采用压电器件设计制造了一种小型风力发电机US11/252903。可在时速8 16公里的风力驱动下发电。发电机的桨叶连到凸轮上，使围绕轴排成圆形的一系列双压电晶片产生振荡，从而输出电能。该方案具有两个缺点:一是压电双晶片每一次转动都与凸轮碰撞，摩擦，因此产生磨损，造成能量损失，同时降低使用寿命。二是在风速较低时，桨叶与凸轮不会脱离，压电双晶片保持一定的弯曲状态不变，此时不再发电。由NECTOKIN与日本Heardea联合开发、配备采用压电转换元件的发电装置的新型道路标识在日本试运行。其原理就是通过置于环形槽内钢球的滚动，撞击压电元件来发电。该装置设置在交通量大的公路隧道内，可利用汽车驶过时产生的气流驱动标识旋转。钢球位于由压电转换元件分隔成的环形通道中，标识转动时钢球就会在通道中运动，撞击通道两端的压电元件，使压电元件输出电荷。这种方案的主要缺点是，当车连续驶过而产生强烈的风时标识就会高速转动，从而使钢球紧贴着压电转换元件运动，压电元件得不到交变的压力作用，就不能发电了。专利申请“压电发电装置201010146307.4，采用自由弹性球内置于压电振动片构成的多边形腔体中的新结构，利用置于流动空气或其它流体中的涡轮带动多边形腔体绕一水平轴转动，使弹性球在自身重力和压电振动片的作用下产生运动，撞击压电振动片使其产生振动，进而使压电振动片上的压电材料两面的电极输出电能。所构成的压电发电装置具有磨损小、寿命长、效率高等特点，且在气流速度较小的情况下也能发电，在很小和较大的风速情况下都可以发电。但是由于弹性球可以撞击压电振动片的任何位置，所以产生的电能频率范围很宽，增加了输出平稳电压的难度。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种利用压电材料收集流体动能的输出频率可控的压电发电装置。实现本实用新型目的的技术解决方案为:一种频率可控的压电发电装置，由涡轮转子组件、压电振子组件和弹性小球构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片和圆环型结构，在圆环型结构的外圆柱面上固定涡轮叶片；压电振子组件由三个或三个以上相同结构的压电振动片固定在圆环型结构的内圆柱面上构成多边形内部结构，该压电振动片由局部粘贴压电振子的弹性片构成，压电振子由压电材料和两面所被第一电极和第二电极组成，第一电极和第二电极分别引出第一导线和第二导线，第一导线和第二导线与负载连接，弹性片的一端固定在圆环形结构的内圆柱面上，另一端自由，形成悬臂梁结构，弹性小球自由地置于压电振动片所形成的内腔中，圆环型结构两端封堵，每一个压电振动片的端部与另外一个压电振动片离开其端部距离为b的位置相接触，每个压电振子可能被撞击的长度均为b。本实用新型与现有技术相比，其显著优点:对压电悬臂梁的冲击冲击位置的不同，各个振动模态的响应也不同。在某个模态的波峰处(即应变最大处)最容易激发出该模态。本实用新型利用一阶弯曲振动振幅最大的特点，通过设计、计算将小球撞击压电片的范围局限在一阶弯曲振动的波峰附近，使得受到撞击时振动更加平稳，实现输出电压频率稳定可控。
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
图1是本实用新型频率可控的压电发电装置的示意图。图2是增加振动片的数量以有效减小b值的方法示意图。
具体实施方式
结合图1，本实用新型频率可控的压电发电装置，由涡轮转子组件、压电振子组件和弹性小球3构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片I和圆环型结构2，在圆环型结构2的外圆柱面上固定涡轮叶片1(涡轮叶片I有多个，数量根据应用的场合可以选择两个或两个以上);压电振子组件由三个或三个以上相同结构的压电振动片固定在圆环型结构2的内圆柱面上构成多边形内部结构，该压电振动片由局部粘贴压电振子的弹性片7构成，压电振子由压电材料4和两面所被第一电极5和第二电极6组成,第一电极5和第二电极6分别引出第一导线8和第二导线10，第一导线8和第二导线10与负载9连接，弹性片7的一端固定在圆环形结构2的内圆柱面上，另一端自由，形成悬臂梁结构，弹性小球3自由地置于压电振动片所形成的内腔中运动，圆环型结构2两端封堵，每一个压电振动片的端部与另外一个压电振动片离开其端部距离为b的位置相接触，每个压电振子可能被撞击的长度均为b，如图2所示。通过改变压电振子可能受到撞击的长度b，使得任何一个压电振子受到的撞击都在相类似的局部区域，同一个压电振子不同时刻受到的撞击也都在相类似的局部区域。b值的大小使得弹性球撞击压电振动片的范围局限在一阶弯曲振动的波峰附近，使得其受到撞击时产生的振动频率接近其该阶弯曲振动频率，从而实现输出电压频率稳定可控。根据对输出电压频率精度的要求，选择b的大小。b越小，输出频率越精确。增加振动片的数量将在保证输出电压的同时有效减小b值。如图2所示。b的取值为小于压电振动片长度的1/5。本实用新型在“压电发电装置201010146307.4基础上，发展新的频率可控型压电发电装置。在压电振子构成的多变形腔体内置自由弹性球结构的基础上，通过设计，将小球撞击压电振动片的范围局限在其一阶弯曲振动的波峰附近，使得其受到撞击时产生的振动频率在一阶弯曲振动附近，从而实现输出电压频率稳定可控。本实用新型的压电发电装置的圆环中心随置于涡轮带动的水平旋转轴转动，圆环中心旋转轴迎着流体如空气或水来流的方向为工作安装状态，在空气或水流的作用下流体流动驱动涡轮转子组件和由圆环2及压电振子组件形成的内多边形结构整体旋转，弹性小球3在压电振动片的作用下获得动能和势能，弹性小球3受到压电振动片和地心引力的作用，在压电振动片形成的内多边形结构中运动，设计压电振动片的长度使得小球撞击压电振动片的范围局限在其一阶弯曲振动的波峰附近，这样，压电振动片受到撞击时产生的振动频率就接近其一阶弯曲振动频率，从而使得输出电压的频率控制在设计范围内。压电振动片的振动使得压电材料4产生变形，由于压电效应，进而使压电材料4所被第一电极5和第二电极6产生电荷,经第一电极5和第二电极和第一导线8和第二导线10输出到负载9,在与负载9构成的回路中形成电流，最终将气流或水流的动能转化为电能。弹性小球3为一个或一个以上，大小相等或不等。负载9为发光二级管、无线传感器、整流滤波电路、蓄电池、电容或扬声器。
权利要求1.一种频率可控的压电发电装置，由涡轮转子组件、压电振子组件和弹性小球(3)构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片(I)和圆环型结构(2)，在圆环型结构(2)的外圆柱面上固定涡轮叶片(I);压电振子组件由三个或三个以上相同结构的压电振动片固定在圆环型结构(2)的内圆柱面上构成多边形内部结构，该压电振动片由局部粘贴压电振子的弹性片(7)构成，压电振子由压电材料(4)和两面所被第一电极(5)和第二电极(6)组成，第一电极(5)和第二电极(6)分别引出第一导线(8)和第二导线(10)，第一导线(8)和第二导线(10)与负载(9)连接,弹性片(7)的一端固定在圆环形结构(2)的内圆柱面上,另一端自由，形成悬臂梁结构，弹性小球(3)自由地置于压电振动片所形成的内腔中，圆环型结构(2)两端封堵，其特征在于:每一个压电振动片的端部与另外一个压电振动片离开其端部距尚为b的位置相接触,每个压电振子可能被撞击的长度均为b。
2.根据权利要求1所述的频率可控的压电发电装置，其特征在于:b值大小为使得弹性球撞击压电振动片的范围局限在一阶弯曲振动的波峰附近，使得其受到撞击时产生的振动频率接近该阶弯曲振动频率。
3.根据权利要求1或2所述的频率可控的压电发电装置，其特征在于:b小于压电振动片长度的1/5。
专利摘要本实用新型公开了一种频率可控的压电发电装置，由涡轮转子组件、压电振子组件和弹性小球构成，压电振子组件的每一个压电振动片的端部与另外一个压电振动片离开其端部距离为b的位置相接触，每个压电振子可能被撞击的长度均为b。本实用新型对压电悬臂梁的冲击冲击位置的不同，各个振动模态的响应也不同。在某个模态的波峰处(即应变最大处)最容易激发出该模态。本实用新型利用一阶弯曲振动振幅最大的特点，通过设计、计算将小球撞击压电片的范围局限在一阶弯曲振动的波峰附近，使得受到撞击时振动更加平稳，实现输出电压频率稳定可控。
文档编号F03B13/00GK202978758SQ201220689248
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月14日 优先权日2012年12月14日
发明者杨颖 , 金家楣, 沈钦龙, 桑楠, 韩建华, 郑锐 申请人:南京航空航天大学