[发明专利]弹性片式压电发电装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电和水力发电领域，特别是一种弹性片式压电发电装置及方法。

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NEC TOKIN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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用压电材料收集流体动能的高效、适用范围广的弹性片式压电发电装置及方法。

一种弹性片式压电发电装置，其特征在于：由涡轮转子组件、至少2组弹性滚轮组件、压电圈构成；所述的涡轮转子组件由转轴、固定在转轴一端的涡轮叶片、固定在转轴的中间的弹性片轴套构成； 所述每组弹性滚轮组件均由滚珠、滚珠转轴、支撑架、弹性片构成；其中滚珠通过滚珠转轴安装于支撑架中，并可沿滚珠转轴转动；弹性片一端与支撑架紧固连接，另一端与弹性片轴套紧固连接；所述弹性滚轮组件超过2组，且对称分布；所述压电圈由压电材料制成，分为若干压电单元，相互绝缘，并固定在盒体内圈上；弹性滚轮组件的弹性片使得滚珠与压电圈始终保持接触，弹性滚轮组件旋转时，滚珠对压电圈产生压力，交替作用于压电圈上的压电单元，迫使压电圈各压电单元交替产生电荷输出，获得电能。

所述的弹性片式压电发电装置的发电方法，其特征在于：涡轮转子组件在环境中流体力作用下旋转，经弹性片带动滚珠在压电圈内圆柱面上滚动，使压电单元承受周期压力，输出电荷，实现流体动能向电能的转化。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）采用弹性片，可以根据不同环境流速，流速下时采用刚度小的弹性片，流速大时则采用刚度大的弹性片，从而使其适应范围更加广；（2）克服了由离心力来提供撞击的装置，在高速流体作用下会产生离心力过大而紧贴压电振子而失效；（3）可以通过增加弹性滚轮组件的数量，从而使得每转一周挤压压电圈的频率增加，从而能够使压电圈产生更加持续的电能；（4）利用压电效应，从空气或其他流体的运动中收集能量，转化为电能，是一种小型风力发电或水力发电装置，可用于户外使用的小型设备或设施的自供电。在很小和较大的风速情况下都可以发电，具有广泛的适应性。2-3级微风便可以产生持续电能，其机电转化效率与目前先进的大型风电设备效率相当，可以用以为无线传感网节点供电。

附图说明

图1是本发明压电发电装置的主图；

图2是俯视图；

图3是弹性滚轮组件局部放大图；

图中标号名亨：1、盒体，2、压电圈，3、滚珠,4、滚珠转轴，5、支撑架，6、弹性片，7、转轴，8、弹性片轴套，9、涡轮叶片。

具体实施方式

结合图1 ，本发明压电发电装置由涡轮转子组件、弹性滚轮组件、压电圈构成，所述的涡轮转子组件包括涡轮叶片9、转轴7和弹性片轴套8构成，涡轮叶片9固定在转轴7的一端，弹性片轴套8固定在转轴7的中间；

弹性滚轮组件包括滚珠3、滚珠转轴4、支撑架5、弹性片6构成，所述的滚珠转轴4放置在支撑架5并形成固定连接，滚珠3穿过滚珠转轴4并能自由自由转动，弹性片6一端与支撑架5紧固连接，另一端与弹性片轴套8紧固连接，并保证滚珠3始终与压电圈2保持接触；

压电圈2由柔性的压电复合材料所围成，并将其固定在盒体1内圈上，压电圈2始终与滚珠3保持接触。

本发明压电发电装置的滚珠3、支撑架5、弹性片6数量相同，为两个以上；其中弹性片6可以根据不同环境流动速率选择不同刚度，能达到对压电圈2一定可调的预压力。