專利名稱：復(fù)合式振動(dòng)能量獲取系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源與發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化及共振原理，以及太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)馬達(dá)偏心激勵(lì)與壓電發(fā)電技術(shù)，在諸如道路交通旁、風(fēng)載和振動(dòng)激勵(lì)背景下將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能的方法。
背景技術(shù)：
從各種振動(dòng)及運(yùn)動(dòng)中收集能量是當(dāng)前新能源技術(shù)開(kāi)發(fā)的研究熱點(diǎn)。例如，美國(guó)賓夕法尼亞州已投入大量資金對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，歐洲許多繁忙超市的停車(chē)場(chǎng)已安裝有電能收集裝置。英國(guó)一家公司(J Sainsbury PLC)開(kāi)發(fā)的動(dòng)力學(xué)路板,可以在一小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生30千瓦的電量，為某超市 的收銀處供應(yīng)足夠的電力，而且該公司還開(kāi)發(fā)了高速路能量收集系統(tǒng)。目前以壓電材料為主的能量收集系統(tǒng)可以在一個(gè)較寬頻帶范圍內(nèi)提供每平方英寸5到15毫瓦的電力。最近以色列一家公司(Innowattech)沿高速路測(cè)試了一段10米長(zhǎng)的壓電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用壓電材料將車(chē)輛重力碾壓所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。如果將這種壓電發(fā)電機(jī)沿公路鋪設(shè)一公里長(zhǎng)，那么可I小時(shí)可平均產(chǎn)生200KW的電能，可為200 300戶家庭提供日常的電力需求。收集的電能還可用于路燈、廣告欄、交通信號(hào)等設(shè)施的供電。與此同時(shí)還可將采集的道路數(shù)據(jù)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)。因此，振動(dòng)能量收集器具有很好的應(yīng)用前景和巨大應(yīng)用價(jià)值。雖然以壓電材料為核心的振動(dòng)能量收集系統(tǒng)具有應(yīng)用潛力，但是一個(gè)非常重要的問(wèn)題是:到底有多少振動(dòng)能量可以從諸如高速路邊的振動(dòng)獲取，而且是否可以將其它形式的能量引入到振動(dòng)能中共同作用，以便進(jìn)一步增加能量收集效率，提高轉(zhuǎn)換電能的輸出，到目前為止還未有這樣的系統(tǒng)與裝置，本發(fā)明的提出將解決這一問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明將道路交通引起的風(fēng)載和振動(dòng)激勵(lì)以及太陽(yáng)能引入能量收集系統(tǒng)，提出了一種復(fù)合式振動(dòng)能量獲取系統(tǒng)，以優(yōu)化的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到增大振動(dòng)電能能量的收集。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案予以說(shuō)明。復(fù)合式振動(dòng)能量獲取系統(tǒng)具有:懸臂梁、太陽(yáng)能電池板、齒輪電機(jī)、偏心質(zhì)量塊、基座以及壓電片等，懸臂梁的上端裝有太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能電池板引線接于齒輪電機(jī)，太陽(yáng)能電池板給齒輪電機(jī)供電。齒輪電機(jī)軸連接偏心質(zhì)量塊，齒輪電機(jī)帶動(dòng)偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)。懸臂梁下端固定安裝在基座上，懸臂梁下端距離基座3-5_粘貼有壓電片。由懸臂梁的振動(dòng)使壓電片產(chǎn)生電能，壓電片接有引線將電能輸出。本發(fā)明的原理是，如果將一根臂下端豎直固定在基座上，上端作為自由端，那么在力學(xué)原理上是一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)。由于豎直懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成接近失穩(wěn)的狀態(tài)，所以在微小激勵(lì)條件下就可將機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行放大。在不考慮外界環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)而只有太陽(yáng)能存在條件下，太陽(yáng)能電池板接收太陽(yáng)能，并轉(zhuǎn)換成電能為齒輪電機(jī)供電。齒輪電機(jī)工作并驅(qū)動(dòng)偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，偏心質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行頻率與豎直懸臂梁的諧振頻率相同或接近，利用結(jié)構(gòu)共振原理放大豎直懸臂梁的來(lái)回?cái)[動(dòng)。豎直懸臂梁的來(lái)回?cái)[動(dòng)使得梁表面上的壓電片變形，于是壓電片產(chǎn)生電荷并經(jīng)過(guò)引線輸出電能或電壓。這種只考慮太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電能可以看作是一種太陽(yáng)能激勵(lì)所產(chǎn)生的電能，系統(tǒng)裝置可以將太陽(yáng)能不斷地轉(zhuǎn)換成電能輸出，其輸出電壓波形基本保持水平。除此之外關(guān)鍵是:本發(fā)明豎直懸臂梁可以在諸如微風(fēng)或微小振動(dòng)激勵(lì)環(huán)境下產(chǎn)生一定幅度的擺動(dòng)振動(dòng)。由于微小振動(dòng)環(huán)境是常見(jiàn)的情況，因此該懸臂梁在通常的環(huán)境下也能夠產(chǎn)生擺動(dòng)，進(jìn)而也能夠產(chǎn)生一定的較穩(wěn)定的電能輸出，其電壓波形也基本保持水平。本發(fā)明的特點(diǎn)和有益的效果在于:該系統(tǒng)通過(guò)懸臂梁以壓電片等發(fā)電原理，將太陽(yáng)能和環(huán)境振動(dòng)能量同時(shí)轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)兩種能源共同作用加強(qiáng)電能的輸出。將機(jī)動(dòng)車(chē)行駛引起的風(fēng)載和振動(dòng)激勵(lì)轉(zhuǎn)換成電能或電壓輸出，同時(shí)又利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)偏心塊振動(dòng)產(chǎn)生附加的電能或電壓輸出，進(jìn)一步增強(qiáng)了能量轉(zhuǎn)換的輸出效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與原理示意圖。圖2是自重2.6噸的一輛越野車(chē)(單人駕駛)以時(shí)速80km/小時(shí)經(jīng)過(guò)本發(fā)明系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出電壓波形。圖3是自重5.6噸的一輛校車(chē)(車(chē)內(nèi)有近20名學(xué)生)以時(shí)速50km/小時(shí)經(jīng)過(guò)本發(fā)明系統(tǒng)時(shí)壓電梁產(chǎn)生的輸出電壓曲線。圖4是自重4.5噸的一輛運(yùn)貨車(chē)(空載)以時(shí)速70km/小時(shí)經(jīng)過(guò)本發(fā)明系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出電壓波形。圖5是三輛自重分別為1.8噸轎車(chē)(車(chē)內(nèi)2人)、2.0噸轎車(chē)(單人駕駛)、4.5噸貨車(chē)(半載)依次以80km/小時(shí)、75km/小時(shí)、60km/小時(shí)的時(shí)速同時(shí)經(jīng)過(guò)本發(fā)明系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出電壓波形。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖并通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。需要指出的是，本實(shí)施方式是敘述性的，而非限定的，不以此實(shí)施例限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。復(fù)合式振動(dòng)能量獲取系統(tǒng)，(如圖1)本裝置的技術(shù)結(jié)構(gòu)為:懸臂梁I的上端裝有太陽(yáng)能電池板2，太陽(yáng)能電池板引線接于齒輪電機(jī)3，太陽(yáng)能電池板給齒輪電機(jī)供電。齒輪電機(jī)軸連接偏心質(zhì)量塊4，齒輪電機(jī)帶動(dòng)偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)。懸臂梁下端固定安裝在基座5上，上端作為自由端，懸臂梁下端距離基座3_5mm粘貼有壓電片6。由懸臂梁的振動(dòng)使壓電片產(chǎn)生電能，壓電片接有引線將電能輸出。作為實(shí)施例:懸臂梁的材料為不銹鋼7Crl7，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為:長(zhǎng)度(不包括固定在懸臂梁基座內(nèi)部長(zhǎng)度)380mm,寬度25mm,厚度1mm。壓電片的尺寸參數(shù)為:長(zhǎng)56mm,寬20mm，厚0.5mm。壓電片粘貼在懸臂梁表面根部，距基座上表面3mm。偏心質(zhì)量塊的質(zhì)量為
0.1Kg (可根據(jù)懸臂梁材料特性及其諧振頻率以及偏心距設(shè)計(jì))，其偏心距為10mm。將本發(fā)明系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工況現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)，裝置安裝在路邊，對(duì)過(guò)往的不同類型車(chē)輛進(jìn)行振動(dòng)能量采集、記錄 與分析。圖2-圖5就是在路邊測(cè)量得到的不同車(chē)輛、不同載荷和不同速度等工況下，系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出電壓波形。當(dāng)時(shí)測(cè)量環(huán)境工況是晴天并稍有微風(fēng)。當(dāng)沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)本裝置時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓波形是每個(gè)圖中左端開(kāi)始的水平線部分，表示太陽(yáng)能激勵(lì)和微風(fēng)激勵(lì)產(chǎn)生的電壓。而當(dāng)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓波形是圖中右端突起的曲線部分，表示經(jīng)過(guò)車(chē)輛產(chǎn)生的大強(qiáng)度振動(dòng)和大的風(fēng)載激勵(lì)引起的電壓，且該突起的電壓曲線是疊加在左端水平電壓線上的?？梢钥吹剑瑘D2顯示出系統(tǒng)最大可以產(chǎn)生1.58v的振動(dòng)電能電壓。圖3顯示出系統(tǒng)最大可以產(chǎn)生1.64v的振動(dòng)電能電壓。圖4顯示出系統(tǒng)最大可以產(chǎn)生1.53v的振動(dòng)電能電壓。圖5顯示出系統(tǒng)最大可以產(chǎn)生1.45v的振動(dòng)電能電壓。由于不同的車(chē)型和不同的車(chē)速產(chǎn)生不同的氣流和振動(dòng)波，因此圖2-圖5量化表示了不同大小的電壓輸出波形以及不同的最大輸出電壓值，而且4個(gè)圖的起始輸出電壓均為1.38v，該電壓為太陽(yáng)能激勵(lì)和微風(fēng)激勵(lì)所產(chǎn)生。說(shuō)明將本裝置放置在有陽(yáng)光或強(qiáng)振動(dòng)激勵(lì)的環(huán)境中時(shí)，太陽(yáng)能以及車(chē)輛產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)會(huì)疊加在一起，導(dǎo)致懸臂梁產(chǎn)生更大幅度的擺動(dòng)，從而產(chǎn)生更多的電荷，如1.58、
1.64、1.53、1.45V等。沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)，僅在外界環(huán)境和太陽(yáng)能激勵(lì)情況下，裝置也可以產(chǎn)生
1.38V 的電壓。
權(quán)利要求
1.復(fù)合式振動(dòng)能量獲取系統(tǒng)，具有懸臂梁、太陽(yáng)能電池板、齒輪電機(jī)、偏心質(zhì)量塊、基座以及壓電片，其特征是:懸臂梁(I)的上端裝有太陽(yáng)能電池板(2)，太陽(yáng)能電池板引線接于齒輪電機(jī)(3)，太陽(yáng)能電池板給齒輪電機(jī)供電，齒輪電機(jī)軸連接偏心質(zhì)量塊(4)，齒輪電機(jī)帶動(dòng)偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)，懸臂梁下端固定安裝在基座(5)上，上端作為自由端，懸臂梁下端距離基座3-5_粘貼有壓電片(6)，由懸臂梁的振動(dòng)使壓電片產(chǎn)生電能，壓電片接有引線將電能輸出。 ·
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種復(fù)合式振動(dòng)能量獲取系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)是懸臂梁的上端裝有太陽(yáng)能電池板，電池板引線接于齒輪電機(jī)，齒輪電機(jī)軸連接偏心質(zhì)量塊，齒輪電機(jī)帶動(dòng)偏心質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動(dòng)。懸臂梁下端固定在基座上，懸臂梁下端距離基座3mm粘貼有壓電片，由懸臂梁的振動(dòng)使壓電片產(chǎn)生電能。當(dāng)本發(fā)明裝置放置在晴天以及諸如機(jī)動(dòng)車(chē)道路旁等振動(dòng)環(huán)境中時(shí)，車(chē)輛經(jīng)過(guò)所產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)與太陽(yáng)能的激勵(lì)，引起裝置的懸臂梁的擺動(dòng)，使壓電片產(chǎn)生電量，將太陽(yáng)能和環(huán)境振動(dòng)能同時(shí)轉(zhuǎn)換成電能輸出。突破了以往太陽(yáng)能或振動(dòng)單一能源轉(zhuǎn)換為電能的方式，通過(guò)兩種能源共同作用，提高了電能轉(zhuǎn)換輸?shù)某鲂省?br> 文檔編號(hào)H02N2/18GK103248266SQ20131016350
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月7日
發(fā)明者孫建橋, 冷永剛, 莊葆華, 高毓璣 申請(qǐng)人:天津大學(xué)