专利名称：复合式振动能量获取系统的制作方法
技术领域：
本发明属于新能源与发电技术领域，具体涉及一种利用结构优化及共振原理，以及太阳能驱动马达偏心激励与压电发电技术，在诸如道路交通旁、风载和振动激励背景下将振动能量转换为电能的方法。
背景技术：
从各种振动及运动中收集能量是当前新能源技术开发的研究热点。例如，美国宾夕法尼亚州已投入大量资金对该项技术进行研究开发，欧洲许多繁忙超市的停车场已安装有电能收集装置。英国一家公司(J Sainsbury PLC)开发的动力学路板,可以在一小时内产生30千瓦的电量，为某超市 的收银处供应足够的电力，而且该公司还开发了高速路能量收集系统。目前以压电材料为主的能量收集系统可以在一个较宽频带范围内提供每平方英寸5到15毫瓦的电力。最近以色列一家公司(Innowattech)沿高速路测试了一段10米长的压电发电机系统，该系统利用压电材料将车辆重力碾压所产生的机械能转换为电能。如果将这种压电发电机沿公路铺设一公里长，那么可I小时可平均产生200KW的电能，可为200 300户家庭提供日常的电力需求。收集的电能还可用于路灯、广告栏、交通信号等设施的供电。与此同时还可将采集的道路数据用于环境监测、故障检测。因此，振动能量收集器具有很好的应用前景和巨大应用价值。虽然以压电材料为核心的振动能量收集系统具有应用潜力，但是一个非常重要的问题是:到底有多少振动能量可以从诸如高速路边的振动获取，而且是否可以将其它形式的能量引入到振动能中共同作用，以便进一步增加能量收集效率，提高转换电能的输出，到目前为止还未有这样的系统与装置，本发明的提出将解决这一问题。
发明内容
针对上述问题，本发明将道路交通引起的风载和振动激励以及太阳能引入能量收集系统，提出了一种复合式振动能量获取系统，以优化的动力学结构来达到增大振动电能能量的收集。以下结合附图对本发明的技术方案予以说明。复合式振动能量获取系统具有:悬臂梁、太阳能电池板、齿轮电机、偏心质量块、基座以及压电片等，悬臂梁的上端装有太阳能电池板，太阳能电池板引线接于齿轮电机，太阳能电池板给齿轮电机供电。齿轮电机轴连接偏心质量块，齿轮电机带动偏心质量块转动。悬臂梁下端固定安装在基座上，悬臂梁下端距离基座3-5_粘贴有压电片。由悬臂梁的振动使压电片产生电能，压电片接有引线将电能输出。本发明的原理是，如果将一根臂下端竖直固定在基座上，上端作为自由端，那么在力学原理上是一个悬臂梁结构。由于竖直悬臂梁结构优化设计成接近失稳的状态，所以在微小激励条件下就可将机械运动进行放大。在不考虑外界环境振动激励而只有太阳能存在条件下，太阳能电池板接收太阳能，并转换成电能为齿轮电机供电。齿轮电机工作并驱动偏心质量块旋转运行，偏心质量块的旋转运行频率与竖直悬臂梁的谐振频率相同或接近，利用结构共振原理放大竖直悬臂梁的来回摆动。竖直悬臂梁的来回摆动使得梁表面上的压电片变形，于是压电片产生电荷并经过引线输出电能或电压。这种只考虑太阳能转换所产生的电能可以看作是一种太阳能激励所产生的电能，系统装置可以将太阳能不断地转换成电能输出，其输出电压波形基本保持水平。除此之外关键是:本发明竖直悬臂梁可以在诸如微风或微小振动激励环境下产生一定幅度的摆动振动。由于微小振动环境是常见的情况，因此该悬臂梁在通常的环境下也能够产生摆动，进而也能够产生一定的较稳定的电能输出，其电压波形也基本保持水平。本发明的特点和有益的效果在于:该系统通过悬臂梁以压电片等发电原理，将太阳能和环境振动能量同时转换成电能，通过两种能源共同作用加强电能的输出。将机动车行驶引起的风载和振动激励转换成电能或电压输出，同时又利用太阳能驱动偏心块振动产生附加的电能或电压输出，进一步增强了能量转换的输出效率，具有广阔的应用前景。
图1是本发明的结构与原理示意图。图2是自重2.6吨的一辆越野车(单人驾驶)以时速80km/小时经过本发明系统时系统产生的输出电压波形。图3是自重5.6吨的一辆校车(车内有近20名学生)以时速50km/小时经过本发明系统时压电梁产生的输出电压曲线。图4是自重4.5吨的一辆运货车(空载)以时速70km/小时经过本发明系统时系统产生的输出电压波形。图5是三辆自重分别为1.8吨轿车(车内2人)、2.0吨轿车(单人驾驶)、4.5吨货车(半载)依次以80km/小时、75km/小时、60km/小时的时速同时经过本发明系统时系统产生的输出电压波形。
具体实施例方式以下结合附图并通过实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。需要指出的是，本实施方式是叙述性的，而非限定的，不以此实施例限定本发明的保护范围。复合式振动能量获取系统，(如图1)本装置的技术结构为:悬臂梁I的上端装有太阳能电池板2，太阳能电池板引线接于齿轮电机3，太阳能电池板给齿轮电机供电。齿轮电机轴连接偏心质量块4，齿轮电机带动偏心质量块转动。悬臂梁下端固定安装在基座5上，上端作为自由端，悬臂梁下端距离基座3_5mm粘贴有压电片6。由悬臂梁的振动使压电片产生电能，压电片接有引线将电能输出。作为实施例:悬臂梁的材料为不锈钢7Crl7，其结构尺寸参数为:长度(不包括固定在悬臂梁基座内部长度)380mm,宽度25mm,厚度1mm。压电片的尺寸参数为:长56mm,宽20mm，厚0.5mm。压电片粘贴在悬臂梁表面根部，距基座上表面3mm。偏心质量块的质量为
0.1Kg (可根据悬臂梁材料特性及其谐振频率以及偏心距设计)，其偏心距为10mm。将本发明系统应用于实际工况现场进行测试检验，装置安装在路边，对过往的不同类型车辆进行振动能量采集、记录 与分析。图2-图5就是在路边测量得到的不同车辆、不同载荷和不同速度等工况下，系统产生的输出电压波形。当时测量环境工况是晴天并稍有微风。当没有车辆经过本装置时，系统的输出电压波形是每个图中左端开始的水平线部分，表示太阳能激励和微风激励产生的电压。而当有车辆经过时，系统的输出电压波形是图中右端突起的曲线部分，表示经过车辆产生的大强度振动和大的风载激励引起的电压，且该突起的电压曲线是叠加在左端水平电压线上的。可以看到，图2显示出系统最大可以产生1.58v的振动电能电压。图3显示出系统最大可以产生1.64v的振动电能电压。图4显示出系统最大可以产生1.53v的振动电能电压。图5显示出系统最大可以产生1.45v的振动电能电压。由于不同的车型和不同的车速产生不同的气流和振动波，因此图2-图5量化表示了不同大小的电压输出波形以及不同的最大输出电压值，而且4个图的起始输出电压均为1.38v，该电压为太阳能激励和微风激励所产生。说明将本装置放置在有阳光或强振动激励的环境中时，太阳能以及车辆产生的振动激励会叠加在一起，导致悬臂梁产生更大幅度的摆动，从而产生更多的电荷，如1.58、
1.64、1.53、1.45V等。没有车辆经过，仅在外界环境和太阳能激励情况下，装置也可以产生
1.38V 的电压。
权利要求
1.复合式振动能量获取系统，具有悬臂梁、太阳能电池板、齿轮电机、偏心质量块、基座以及压电片，其特征是:悬臂梁(I)的上端装有太阳能电池板(2)，太阳能电池板引线接于齿轮电机(3)，太阳能电池板给齿轮电机供电，齿轮电机轴连接偏心质量块(4)，齿轮电机带动偏心质量块转动，悬臂梁下端固定安装在基座(5)上，上端作为自由端，悬臂梁下端距离基座3-5_粘贴有压电片(6)，由悬臂梁的振动使压电片产生电能，压电片接有引线将电能输出。 ·
全文摘要
本发明公开了一种复合式振动能量获取系统，其结构是悬臂梁的上端装有太阳能电池板，电池板引线接于齿轮电机，齿轮电机轴连接偏心质量块，齿轮电机带动偏心质量块转动。悬臂梁下端固定在基座上，悬臂梁下端距离基座3mm粘贴有压电片，由悬臂梁的振动使压电片产生电能。当本发明装置放置在晴天以及诸如机动车道路旁等振动环境中时，车辆经过所产生的振动激励与太阳能的激励，引起装置的悬臂梁的摆动，使压电片产生电量，将太阳能和环境振动能同时转换成电能输出。突破了以往太阳能或振动单一能源转换为电能的方式，通过两种能源共同作用，提高了电能转换输的出效率。
文档编号H02N2/18GK103248266SQ20131016350
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月7日 优先权日2013年5月7日
发明者孙建桥, 冷永刚, 庄葆华, 高毓玑 申请人:天津大学