一種在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置及方法。所述壓電發(fā)電裝置包括支架、裝夾結(jié)構(gòu)和粘有壓電材料的復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板，所述復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板裝夾在裝夾結(jié)構(gòu)上，復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板通過裝夾結(jié)構(gòu)固定在支架上。利用上述裝置在低速水流沖擊下壓電發(fā)電的方法為：采用低速水流直接沖擊復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板，帶動復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板隨著低速水流在兩種穩(wěn)態(tài)間往復(fù)變形，進而使得壓電材料產(chǎn)生形變后產(chǎn)生電能并收集。本發(fā)明實現(xiàn)了將低速波浪能轉(zhuǎn)化為電能的功能，具有實施結(jié)構(gòu)簡單的特點，使用方便，實用性強，可為小型低功耗負載提供電能。
【專利說明】一種在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于可再生能源發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種能量收集裝置及方法，特別涉及一種采用壓電的方式對低速水流的波浪能進行收集的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]當今社會能源緊張問題越來越嚴重，使得越來越多的人開始關(guān)注可再生環(huán)境能源，如風能、潮汐能、太陽能、波浪能等。壓電材料具有良好的力電轉(zhuǎn)換特性，能實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換，在能量收集領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。CN103354434A公開了一種雙穩(wěn)壓電懸臂梁振動能量。CN103647475A提供了一種寬頻壓電振動能量收集裝置。中國專利CN101951188公開了一種利用風能的壓電能量收集方法及裝置。CN103003568A中發(fā)明了一種用于從車輛經(jīng)過回收能量的壓電機械裝置。對于懸臂梁式的壓電發(fā)電裝置中存在普遍的是應(yīng)變分布不均，使得不能充分發(fā)揮壓電材料的潛能，發(fā)電效率不高。波浪能是地球上蘊藏著的巨大可再生能量，科學(xué)地開發(fā)和利用對緩解能源危機具有重要意義。CN102705147A公開了一種包括導(dǎo)流裝置、葉輪裝置、推力軸承、能量轉(zhuǎn)換輸出單元、浮箱裝置和錨固裝置的波浪能轉(zhuǎn)換裝置。CN102562424A公開了一種波浪能捕獲裝置。上述的收集裝置效率雖高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可捕獲高頻高振幅的波浪能，但對于低頻低振幅的波浪能效果并不理想。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置及方法，能夠應(yīng)用在低速水流沖擊下，通過壓電元件將波浪能轉(zhuǎn)換為電能，可向低功耗系統(tǒng)供電。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，包括支架、裝夾結(jié)構(gòu)和粘有壓電材料的復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板，所述復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板裝夾在裝夾結(jié)構(gòu)上，復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板通過裝夾結(jié)構(gòu)固定在支架上。
[0005]一種利用上述壓電發(fā)電裝置在低速水流沖擊下壓電發(fā)電的方法，其步驟如下:采用低速水流直接沖擊復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板，帶動復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板隨著低速水流在兩種穩(wěn)態(tài)間往復(fù)變形，進而使得壓電材料產(chǎn)生形變后產(chǎn)生電能并收集。
[0006]本發(fā)明中，采用該裝夾結(jié)構(gòu)，可簡單可靠地固定復(fù)合雙穩(wěn)態(tài)板，從而支撐其往復(fù)變形。
[0007]本發(fā)明中，所述的復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板為對稱雙穩(wěn)態(tài)圓弧板，兩種穩(wěn)態(tài)的形狀是具有相同曲率的圓弧形，可通過較低的外載荷在兩種穩(wěn)態(tài)間來回跳變。由于雙穩(wěn)態(tài)板成圓弧形，因此每塊壓電材料的應(yīng)變是相同的，因此可以通過外載荷驅(qū)動，使壓電材料隨著雙穩(wěn)態(tài)板的跳變而產(chǎn)生形變，從而最大限度地利用壓電材料的發(fā)電潛能，提高發(fā)電效率。為獲得壓電材料的應(yīng)變極限從而獲得最大的能量轉(zhuǎn)化，可以通過鋪層和尺寸調(diào)節(jié)控制雙穩(wěn)態(tài)板的曲率和尺寸。
[0008]本發(fā)明中，所述的壓電材料在制備雙穩(wěn)態(tài)板時通過一起固化的方式進行粘結(jié)，也可以待固化后再粘結(jié)。為了增大發(fā)電效率，上下表面都可以粘貼壓電材料，其在上下表面的數(shù)量相同、位置相對，所有壓電材料利用導(dǎo)線串聯(lián)，且發(fā)電效率可以通過調(diào)節(jié)壓電材料的數(shù)量控制。
[0009]本發(fā)明中，所述的壓電材料可以為壓電陶瓷、壓電晶片或壓電薄膜。只要是具有壓電常數(shù)及高機電耦合系數(shù)和介電常數(shù)的壓電材料均可用于制備本發(fā)明的復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板。
[0010]本發(fā)明中，所述的復(fù)合材料雙穩(wěn)態(tài)板中的增強體若為碳纖維，由于碳纖維導(dǎo)電，因此整個雙穩(wěn)態(tài)板可以作為電極，若增強體為玻璃纖維，則需要增設(shè)電極。
[0011]本發(fā)明中，所述的復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板的個數(shù)至少為一個，可以通過需求變化，當復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板為多個時，將其等間距裝夾在裝夾結(jié)構(gòu)上。
[0012]本發(fā)明中，所述的復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板需要進行防水處理。
[0013]由于復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板固化后成圓弧形，因此每塊壓電材料的應(yīng)變是相同的，因此可以最大限度地利用壓電材料的發(fā)電潛能，提高發(fā)電效率。本發(fā)明實現(xiàn)了將低速波浪能轉(zhuǎn)化為電能的功能，具有實施結(jié)構(gòu)簡單的特點，使用方便，實用性強，可為小型低功耗負載提供電能。例如，可在大橋下安置本發(fā)明提供的壓電發(fā)電裝置，利用所產(chǎn)生的電能為大橋結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測傳感器供電。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明壓電發(fā)電裝置的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明壓電發(fā)電裝置的工作原理示意圖；
圖3為本發(fā)明中所采用的復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板兩種穩(wěn)態(tài)的示意圖；
圖4為本發(fā)明中復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板壓電陶瓷排布示意圖；
圖5為雙穩(wěn)態(tài)殼體鋪層方式的不意圖。

【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0016]【具體實施方式】一:如圖1所示，本發(fā)明提供了一種低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，包括支架1、裝夾結(jié)構(gòu)2、復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3。
[0017]本實施方式中采用壓電陶瓷片作為壓電材料4，將10片壓電陶瓷片粘貼在復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3正面的中間，如圖4所示，同樣在復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3反面的相同位置粘貼相同數(shù)目的壓電陶瓷片，利用導(dǎo)線將所有壓電陶瓷片串聯(lián)起來，直接利用復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3作為一個電極，并用防水膠將整塊復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3進行防水處理。
[0018]本實施方式中所述的復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3的數(shù)量為8，利用裝夾結(jié)構(gòu)2將復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3間隔相同的距離平行排布，如圖2所示。將裝夾結(jié)構(gòu)2利用螺栓固定在支架I上。將整個裝置置于低速水流中，調(diào)整復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3的位置最大利用水流的沖擊作用，如圖2中所示，實箭頭為水流來流方向，虛箭頭為水流回流方向，來流使得復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3彎向圖中上方，而回流使得復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3彎向圖中下方，因此可以使壓復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板3能夠來回地在兩種穩(wěn)態(tài)間變化，進而使壓電陶瓷不斷形變產(chǎn)生電能，實現(xiàn)對能量的轉(zhuǎn)換。最后通過整流電路可以將所產(chǎn)生的電能進行儲存再利用。
[0019]【具體實施方式】二:本實施方式中提供了一種復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板，固化前為平板矩形，固化后為圓弧形，固化后具有兩種形狀的穩(wěn)態(tài)，如圖3所示，上方為第一種穩(wěn)態(tài)，下方為第二種穩(wěn)態(tài)。本實施方式中所述的復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板采用復(fù)合材料與金屬混雜鋪層，在復(fù)合材料固化溫度下固化，冷卻后由于殘余熱應(yīng)力可形成圓弧形雙穩(wěn)態(tài)效果。
[0020]所述的鋪層由復(fù)合材料對稱鋪層和金屬復(fù)合材料混雜鋪層組成，復(fù)合材料對稱鋪層的兩側(cè)為尺寸對稱的金屬復(fù)合材料混雜鋪層。
[0021]所述的復(fù)合材料對稱鋪層為90°和0°復(fù)合材料對稱鋪層，其中90°復(fù)合材料層在外側(cè)，0°復(fù)合材料層在90°復(fù)合材料層中間，具體鋪層厚度可由所需的曲率進行改變。
[0022]所述的金屬復(fù)合材料混雜鋪層依次由90°復(fù)合材料層、金屬層、90°復(fù)合材料層組成。
[0023]所述的0°復(fù)合材料層的總厚度與金屬層的厚度相同，同時兩種鋪層中90°層厚度相問。
[0024]所述的金屬復(fù)合材料混雜鋪層和復(fù)合材料對稱鋪層的尺寸可調(diào)來獲得理想的曲率。
[0025]所述的復(fù)合材料為碳纖維樹脂復(fù)合材料或玻璃纖維樹脂復(fù)合材料。
[0026]所述的金屬為鋁或鋁合金等輕金屬。
[0027]【具體實施方式】三:本實施方式中復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板的具體鋪層方式如圖5所示，圖的上方為鋪層俯視圖，下方為不同區(qū)域鋪層的剖面圖。鋪層分為兩個區(qū)域，I區(qū)域為纖維復(fù)合材料對稱鋪層，其中90°纖維復(fù)合材料層5在外側(cè)，而0°纖維復(fù)合材料層6在中間，如[902/02/902] ;11區(qū)域為金屬纖維混雜區(qū)域，同樣90°纖維復(fù)合材料層5在外側(cè)，金屬Al層7在中間，如[902/Α1/902]。需要注意的是，為保持厚度一致，I區(qū)域中0°纖維復(fù)合材料鋪層的厚度應(yīng)與II區(qū)域金屬Al的厚度相同，而90°纖維復(fù)合材料層在兩個區(qū)域外層對稱鋪層。而為了保證對稱性從而保證可獲得相同的兩種穩(wěn)態(tài)形狀，纖維對稱鋪層I區(qū)域兩側(cè)的金屬纖維混雜區(qū)域II的尺寸是相同對稱的。
【權(quán)利要求】
1.一種在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述壓電發(fā)電裝置包括支架、裝夾結(jié)構(gòu)和粘有壓電材料的復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板，所述復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板裝夾在裝夾結(jié)構(gòu)上，復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板通過裝夾結(jié)構(gòu)固定在支架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板為對稱雙穩(wěn)態(tài)圓弧板，米用復(fù)合材料與金屬混雜鋪層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述鋪層由復(fù)合材料對稱鋪層和金屬復(fù)合材料混雜鋪層組成，復(fù)合材料對稱鋪層的兩側(cè)為尺寸對稱的金屬復(fù)合材料混雜鋪層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述復(fù)合材料對稱鋪層為90°復(fù)合材料和0°復(fù)合材料對稱鋪層，其中90°復(fù)合材料層在外側(cè)，0°復(fù)合材料層在90°復(fù)合材料層中間；所述金屬復(fù)合材料混雜鋪層依次由90°復(fù)合材料層、金屬層、90°復(fù)合材料層組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述0°復(fù)合材料層的總厚度與金屬層的厚度相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述復(fù)合材料為碳纖維樹脂復(fù)合材料或玻璃纖維樹脂復(fù)合材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板的上下表面在相同位置對稱粘貼數(shù)量相同的壓電材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述壓電材料在制備復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板時通過一起固化的方式進行粘結(jié)，或待復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板固化后粘結(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、7或8所述的在低速水流沖擊下壓電發(fā)電裝置，其特征在于所述壓電材料為壓電陶瓷、壓電晶片或壓電薄膜。
10.一種利用權(quán)利要求1所述裝置在低速水流沖擊下壓電發(fā)電的方法，其特征在于所述方法步驟如下: 采用低速水流直接沖擊復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板，帶動復(fù)合壓電雙穩(wěn)態(tài)板隨著低速水流在兩種穩(wěn)態(tài)間往復(fù)變形，進而使得壓電材料產(chǎn)生形變而產(chǎn)生電能并收集。
【文檔編號】H02N2/18GK104079208SQ201410335395
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】戴福洪, 李 昊, 潘殿坤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)