[发明专利]组合式压电发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及发电和充电装置，特别是涉及一种压力发电和磁电发电的组合应用于电池充电或对外供电的装置。

背景技术

由于压电材料性能的提高，如PVDF、压电光纤等新型材料提高了压电材料的柔韧性和压电转化效率，同时还看到国外同行们在正压电方向的研究成果。国内学者们也开始了对正压电效应的研究。

现在国内外专家学者分别从压电材料、压电振子的结构、能量收集电路就提高能量的转化效率做出研究。

对于压电材料方面的研究。现在常用的压电材料有锆钛酸铅,又称为PZT。虽然PZT型的压电材料应用最为广泛,但PZT陶瓷易碎,使得PZT压电片在压电俘能系统中不能承受大的应变。Lee等研究表明在高频周期载荷作用下,压电陶瓷极易产生疲劳裂纹,发生脆性断裂，故又有了另一种常用的压电材料为聚偏氟乙稀(PVDF)。PVDF是一种压电聚合体,相比于与PZT,具有更好柔韧性。Lee等研究表明PVDF更适合应用于交变载荷的场合。且由于PVDF的柔韧性能更好,其使用寿命更长,俘获的能量将更多。最新的研究结果Mohammadi等研究了一种压电光纤混合体,它由不同直径的压电光纤和环氧树脂构成，这种材料柔韧性和压电转化效率较以前的均有提高。现在，专家们又提出了纳米压电材料。

对于压电振子的结构的研究。现在常用的有直压型、钹型、悬臂梁型。Kim等研制出了一种新型的cymbal压电俘能装置,在压电圆片两侧分别粘接一个相同的碟形金属帽。这种结构与堆结构相比,金属帽能使压电片上的应力分布更加均匀,从而有利于提高了压电俘能装置的俘能效率。哈工大谢涛等对矩形、梯形和三角形的压电悬臂梁电荷灵敏度进行了研究,分别建立矩形、梯形和三角形压电悬臂梁电荷灵敏度的数学模型,研究表明,在相同激励作用下,三角形压电悬臂梁具有最高的电荷灵敏度,俘获能量最大。华中科技大学胡洪平等对螺旋状压电俘能器进行了结构性能分析,讨论了激励加载方式与输出能量功率密度的关系,得出面内加载方式优于面外加载方式的结论,同时讨论了阻抗、外加质量块对俘能器性能的影响规律。与此同时，中南大学陈子光等理论研究了压电陶瓷圆柱壳的扭转振动,可将旋转机械能转换为电能,并获得了压电陶瓷圆柱壳俘能器输出电压、输出电流、效率及输出功率密度的解析表达式。

对于能量采集电路和存储装置研究现状，KIM等用由一个全桥整流器和充电电容组成标准能量存储电路对cymbal俘能器进行了实验研究,能量储存装置现在大部分采用超级电容，Guan和Liao等对超级电容器与可充电镍氢电池、可充电锂离子作为能量存储元件进行了研究。研究显示超级电容电池的充电效率最大可以达到95%，锂离子电池的最大充电效率是92%,略低于超级电容，镍氢电池充电效率最低,最大可达到69%。

综上所述，以上几种方式均是极力发掘压电陶瓷的发电效率，而考虑到压电发电主要应用在体积空间有效的地方，故提出了与磁电相组合的新型压力发电装置，来提高有效空间内的发电量。同时对压电发电的传力结构进行了创新性的设计，以此来提高压电部分的发电量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了提高一定空间内的压电装置的发电量和有效空间内整个系统的空间发电效率，提供一种组合式压电发电系统，该系统通过物理分解力的方式来提高一定空间下压电发电的效率，结合磁电发电来进一步提高整个系统在一定空间的发电效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供的组合式压电发电系统是一种将压电陶瓷的正压电效应和磁电的电磁感应效应相结合起来组成的发电装置，其通过人行走时产生的踩压力作用在发电盒的上壳的上端面上，产生向下的位移，使绕在上壳内壁的线圈切割嵌于发电盒的底壳侧壁的磁铁产生的磁感线，从而产生电流，与此同时下压对压电叠堆前面的与上壳相连的机械振子作用时，由于物理分解力现象的存在，压电叠堆受压面的单位面积上的力提高，压电发电部分开始作用产生电荷，通过导线输送到调节电路中。

该组合式压电发电系统主要由发电盒、调节电路和充电电路组成，其中：由发电盒产生的电量经导线流入调节电路，经调节电路调节成稳定电压时，再经导线与充电电路相连，将电量储存起来。

所述发电盒内可以设有压电发电部分和磁电发电部分。