[实用新型]基于压电振动的微型风能转换装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于将环境中的微能源风能转化为电能的装置，特别是一种将风能转化为机械振动能量，进而产生电能的基于压电振动的微型风能转换装置。属于微能源技术领域。

背景技术

近年来发展起来的微能源技术，由于能够源源不断地收集环境中的微能量，并转化为电能，并且具有体积小、寿命长、成本低、能量密度高等显著优点，所以是解决微型器件与系统电源问题的有效途径。其中，振动式微型风能转换装置是微能源领域的研究重点，因具有上述优点，故已成为当前代表微能源的主要标志性技术。从振动能转换成电能的角度来说，主要有三种方式被广泛地采用：静电式，压电式和电磁感应。其中，压电式转换方式，由于更具有结构简单、不发热、寿命几乎无限、易于实现微小化等优点，而被认为是最有前景的一种转换方式。

国内针对压电式振动型能量转换装置的研究起步较晚，采集器的工作频率单一，频带比较窄，采集到的能量微弱等问题，也一直普遍存在。在优化微型风能转换装置的专利和论文中，主要集中在能量采集电路，对悬臂梁的横截面形状和模态的优化，然而后者需要更大的结构空间，不利于紧凑结构的实现。如专利公布号为CN103701364A的“一种风致振动宽频带压电发电装置”中，公开的技术方案：包括风扇、固定支座、旋转永磁体、旋转轴、固定永磁体、弹簧、支撑框架和至少 2 个压电发电梁，所述旋转永磁体与风扇固定于同一旋转轴上，且各旋转永磁体的N极指向旋转轴轴心，所述支撑框架通过4个相同的弹簧固定于固定支座上，各压电发电梁一端固定于支撑框架上 ；所述固定永磁体固定于支撑框架下端，且固定永磁体的 S 极指向旋转轴，所述压电发电梁由金属质量块、弹性金属薄片、上层压电片和下层压电片组成，所述金属质量块固定于弹性金属薄片自由端及弯曲处，上层压电片和下层压电片分别粘贴于弹性金属薄片的上、下两个表面。该技术方案是运用带永磁体的风扇，通过电磁力的作用实现压电悬臂梁的受迫振动，对风能进行转换；然而由于产生的电能有限，该结构需要至少两个压电发电梁，多个悬臂梁并联，结构较为复杂，占用空间较大，由于微型器件受到有限空间的限制，难以进一步扩展。另一方面，传统压电陶瓷片容易受到大变形而产生脆裂，从而限制了产生的电能输出。传统压电陶瓷片由于机电耦合系数低，只能将少量输入的振动能量转化成电能输出。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于压电振动的微型风能转换装置，解决了现有风能转换结构受有限空间的限制，传统压电片的机电耦合系数低，约束了能量转化等问题，其结构设计合理，调节方便，减少占用空间，增大压电陶瓷片的应变能力，提高机电耦合系数，增加能量获取效率，不受机械能量源的限制，充分地利用外界环境中的风能，进而拓宽了能量收集的风速频带。

本实用新型所采用的技术方案是：该基于压电振动的微型风能转换装置包括基座，组装在基座上的夹具、固定在夹具上的压电换能装置以及振动发生器，其技术要点是：所述压电换能装置由下端固定在夹具上的悬臂梁和贴附在悬臂梁上的压电陶瓷片所构成，转接臂的下臂与悬臂梁的上端固定连接，转接臂的上臂组装振动发生器，在悬臂梁的上端设置负刚度机构，负刚度机构包括三块平行布置且两两相斥的永磁体，即位于转接臂中部的连接孔内的永磁体，分别设置在转接臂两侧的连接座上的永磁体，通过转接臂将振动发生器产生的振动传递给刚度降低的悬臂梁，悬臂梁反复弯曲振动的同时，带动压电陶瓷片利用压电效应将输入的振动能转换成电能。

所述连接座各自的滑道内组装有滑套，设置在转接臂两侧的连接座上的永磁体分别固定在对应的滑套上，滑套上设置调节螺栓，通过调节螺栓的转动驱动固定在滑套上的永磁体，随着滑套沿轴向移动，调整滑套上的永磁体与转接臂中部连接孔内的永磁体之间的相对位置，改变相斥永磁体之间的斥力，使与转接臂连接的悬臂梁达到负刚度状态，加大悬臂梁振动时的振幅，带动压电陶瓷片随着反复弯曲振动产生压电效应。

贴附在悬臂梁上的所述压电陶瓷片采用压电纤维复合材料制成的压电陶瓷片。

振动发生器包括风扇和设置在风扇上的偏心配重。

悬臂梁和转接臂为一体结构。