[发明专利]收集弯曲振动能量的压电式发电机

说明书

技术领域

本发明涉及压电器件，一种这样的压电器件，它可以用作将弯曲振动机械能转换成为电能的压电发电机。

背景技术

目前公布的技术涉及压电技术的进一步发展，为了能量收集的目的而开发的压电动力产生装置，并且实质上可以与任何振动产生装置或结构集成为一体以提供自供电系统和装置。如CN 1220782A、CN1985380 A和CN 101017989A。其中CN 1220782A公开了一种在适合于激振包括压电体层的振动片而进行发电的小型、便携式装置的发电装置中，改善从激振装置向振动片的能量传递效率、通过手腕等的运动，高效率地进行发电；CN1985380A公开了单压电体器件和结构可单独用作平衡对结构，或与其它元件相结合来增强单体器件的动力收集能力；CN 101017989A公开了一种用于状态监控的基于压电振动发电的自供电微型无线传感网络节点，主要由压电振动电源、微控制器、RF发送装置和传感器组成。压电材料用于振动发电的研究的目的之一便是研究小型的轻便的结构，具有较好的机电耦合特性。振动式压电发电器件是利用压电陶瓷的横向压电效应而工作的。换句话说，就是使压电发电器件产生应变而进行发电。这种发电方式具有无污染、低成本和工作时不消耗任何材料的优点，达到节能环保的要求，具有显著的经济价值和社会价值。振动在周围环境中无处不在。一方面，周围环境中的振动会带来结构的损伤，缩短结构的使用寿命，另一方面对环境带来噪声污染。如果可以将这些不利的振动形式的能量收集起来，转换为电能的形式加以采集利用，不但减少结构损伤，降低结构维护成本，降低噪声，而且对人类社会日益匮乏的能源将是一个补充。从检索的现有技术资料显示，振动式压电发电器件的结构设计技术方案较少。

压电材料的某些优点早已被认识到，压电陶瓷是当今最有可为的发电材料，压电陶瓷材料的无铅化技术也在不断发展，这种技术在不断改进，有可能提供具有改进的工作能力和环保意义的压电材料。

发明内容

本发明的一个主要目的是采用一种小型的、轻便的压电能量采集结构，提供一种可以实际使用的采集从环境引发的振动产生的能量的一种压电器件，其可为微功耗电子系统提供工作动力。

本发明的压电器件是一种将弯曲振动机械能转换为微功率电能的压电器件，其特征在于：采用悬臂压电陶瓷-金属层叠三叠层结构，即上下两层是压电陶瓷层，它们的极化方向相反，它们分别通过导电胶层与中间的金属层粘接，上述上下两压电陶瓷层的电极面通过导线与具有整流及能量累积功能的电源电路相连；该压电器件固定端的金属层延伸到压电陶瓷层以外，压电器件通过该端的金属层固定。

为减小压电发电机的漏电电流，联接器件固定端的支撑体采用电的绝缘体。

本发明基于如下考虑，在振动时，其中间面在金属层的中间平面上，中间的金属层执行振动，而贴在它上面的压电陶瓷层作为能量转换部件将弯曲振动的机械能转换为电能。

压电陶瓷-金属复合薄板的总能量包括两部份，一是弹性能，另一个是电能。

E=12ST+12DE]]>

式中，T、S分别表示应力和应变，E和D分别表示电场强度和电位移

在低频时，压电发电机等效为一个电荷源和一个电容、一个电阻并联的模型。通过Agilent 4294A精密阻抗分析仪测定分析知，本发明的压电器件的低频电容低，取值在十几纳法至几十纳法，有利于减少压电发电机内部存储的电荷，从而提高输出电能的能力。在结构尺寸不太小的情况下，本发明的压电器件基波共振频率较低，取值从几赫兹到几百赫兹，有利于在低频环境中使用。

本发明的压电器件提供了一种新的能量来源，由于该器件主要由电极和压电陶瓷构成，原理上是利用压电陶瓷的横向正压电效应发电，因此与采用普通发电机方式发电具有响应速度快，成本低，结构简单，不发热，工作时不消耗任何材料等优点，达到节能的要求，具有显著的经济价值和社会价值。只要应力和温度在一定的允许范围内压电发电机几乎没有使用寿命的限制。

附图说明

图1是压电式发电机结构的三维视图。

图2是实施例概略构成图。