一种手握型压电发电组件

1.本发明涉及压电发电技术领域，更具体地说，涉及一种手握型压电发电组件。


背景技术：

2.利用压电陶瓷的正压电效应进行发电的装置具有结构简单、易于加工制作、绿色无污染、无电磁干扰、易于微型化等特点，并且能量输出效率高，具有非常好的应用前景，目前已经成为世界各国研究人员关注的热点。国内外所研究的利用人体动能的压电发电装置较多，尤其是研究如何利用人行走踩踏时的动能，通过利用人体对弹簧杠杆机构踩踏形成形变的势能，进而对压电材料敲击进行压电发电；或者通过将压力直接施加在压电材料上使其形变，从而进行压电发电。
3.其中，利用人行走时的动能进行压电发电，可以应用到各个场合，应用广泛。但是当人体在不行走或者行走频率较低时，利用踩踏进行压电发电效率就比较低了，而人除了腿脚运动时的能量可以利用，人手部运动时的能量也可以被利用，在日常生活或者生产劳作中，手可以说是使用频率最高的部位了，因此潜藏着巨大的能量，通过合理设计压电发电装置的结构，可以利用手握住发电装置时的能量来进行压电发电。


技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种手握型压电发电组件，它可以实现利用人手握住时候的能量进行发电，提高对人体动能的利用率，同时在有限的空间内设置较多的压电片，提高空间的利用率，从而提高压电发电的转化效率。
6.2.技术方案
7.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
8.一种手握型压电发电组件，包括压电发电板，所述压电发电板包括呈矩形的金属基板和粘贴在金属基板上下两面的压电板压电片，所述压电板压电片沿厚度方向极化，且极化方向相反，所述压电板压电片均贴上电极引出导线连接到能量转换电路和能量储存装置，所述金属基板的两端设有可供连接用的连接孔；
9.悬臂式压电发电梁，所述悬臂式压电发电梁包括呈矩形的悬臂梁金属基板和粘贴在悬臂梁金属基板上下两面的悬臂梁压电片，所述悬臂梁压电片沿厚度方向极化，且极化方向相反，所述悬臂梁压电片均贴上电极引出导线连接到能量转换电路和能量储存装置，所述悬臂梁金属基板末端的下表面粘贴或者焊接有一长方体压块；
10.辅助支撑部件，所述辅助支撑部件包括波浪形弧面底板、支撑块和长螺栓，每段所述波浪形弧面底板的两端设置可供连接用的连接孔，由所述长螺栓穿过每个所述波浪形弧面底板的连接孔将其连接为一个整体，所述支撑块为所述波浪形弧面底板在每段底板凸弧下表面的中央处凸起的部分；
11.塑料外壳，所述塑料外壳包括塑料外框、塑料盖板、波浪形弹性软塑料板和长螺
栓，所述塑料外框和所述塑料盖板设置有可供连接用的连接孔，由所述长螺栓穿过连接孔将所述塑料外框和两块所述塑料盖板连接为一个整体，所述波浪形弹性软塑料板粘贴或者焊接在所述塑料外框的两端，且和所述塑料盖板、所述波浪形弹性软塑料板共同形成一个封闭的结构。
12.进一步的，所述压电板压电片包括呈矩形的上压电陶瓷片和呈矩形的下压电陶瓷片，且分别设置于所述金属基板的上下两面，所述悬臂梁压电片同样包括呈矩形的上压电陶瓷片和呈矩形的下压电陶瓷片，且分别设置于所述悬臂梁金属基板的上下两面。
13.进一步的，所述支撑块设置于竖直方向上，所述支撑块的下表面比悬臂式压电发电梁末端的长方体压块下表面高0.5-2.5mm。
14.进一步的，所述波浪形弧面底板包括四段波浪形底板，其中位于最左与最右两端的所述波浪形底板分别与所述塑料外框相连接，所述波浪形底板与所述塑料外框之间通过焊接或粘贴的方式相固定，相邻两段所述波浪形底板之间通过设置有连接块焊接在一起，共同组成波浪形弧面底板。
15.进一步的，所述波浪形底板上表面圆弧在其底面上投影的长度大于等于所述压电板压电片的长度，所述波浪形底板上表面圆弧在其底面上投影的宽度大于等于所述压电板压电片的宽度，所述波浪形底板圆弧面的圆心在每段圆弧中央正上方。
16.进一步的，所述波浪形底板下表面圆弧在其底面上投影的长度大于等于悬臂式压电发电梁上的所述悬臂梁压电片的长度，所述波浪形底板下表面圆弧在其底面上投影的宽度大于等于悬臂式压电发电梁上的所述悬臂梁压电片的宽度。
17.进一步的，所述连接块、所述波浪形底板以及所述压块均为非导电材料。
18.进一步的，所述波浪形弹性软塑料板的每段的弧面圆弧半径和所述波浪形弧面底板的上表面每段圆弧的半径相同，且设置在竖直方向上，所述压电板压电片的上表面比所述波浪形弹性软塑料板的圆弧最低处低0.5-1.5mm。
19.3.有益效果
20.相比于现有技术，本发明的优点在于：
21.(1)本方案设置有塑料外框和塑料盖板，将整个压电发电组件安装于封闭外壳内部，避免了与人体就直接接触，因此可以起到一个保护的作用，防止压电陶瓷被冲击破裂或者损坏，同时也可以保证其内部结构的稳定性，可以长期使用，保证使用安全性。
22.(2)本方案与现有的技术相比，该手握型压电发电组件利用了被开发较少的人体手部动能，同时在有限的空间内设置了较多的压电片，提高了空间利用率，并且整体结构稳固可靠，可长期持续使用，维修更换方便，对环境无污染，压电转换率高等特点。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图；
24.图2为本发明的前视图；
25.图3为本发明中塑料外框的结构示意图；
26.图4为本发明中塑料盖板的结构示意图；
27.图5为本发明中波浪形弹性软塑料板的结构示意图；
28.图6为本发明的压电板的结构示意图；
29.图7为本发明的波浪形圆弧底板的结构示意图；
30.图8为本发明的悬臂式压电发电梁结构示意图；
31.图9为本发明的长螺栓的结构示意图；
32.图10、图11为本发明的压电发电控制电路图。
33.图中标号说明：
34.1、塑料外框；2、塑料盖板；3、波浪形弹性软塑料板；4、压电板压电片；5、金属基板；6、连接块；7、波浪形底板；8、支撑块；9、压块；10、悬臂梁金属基板；11、悬臂梁压电片；12、压电发电控制电路a；13、压电发电控制电路b；14、长螺栓；121、整流电路a；131、整流电路b；122、滤波电容a；132、滤波电容b；123、超级电容a；133、超级电容b；124、稳压二极管a；134、稳压二极管b；125、负载a；135、负载b。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例：
37.请参阅图1-11，一种手握型压电发电组件，包括压电发电板，压电发电板包括呈矩形的金属基板5和粘贴在金属基板5上下两面的压电板压电片4，压电板压电片4包括呈矩形的上压电陶瓷片和呈矩形的下压电陶瓷片，且分别设置于金属基板5的上下两面，两块压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且极化方向相反，两块压电陶瓷片均贴上电极引出导线连接到能量转换电路和能量储存装置，金属基板5的两端设有可供连接用的连接孔；
38.其中，两块压电板压电片4的材料均为pzt-5h，长度为8mm，宽度为1mm，厚度为0.1mm；金属基板5的材料为铍青铜，长度为12mm，宽度为1mm，厚度为0.1mm；
39.悬臂式压电发电梁，悬臂式压电发电梁包括呈矩形的悬臂梁金属基板10和粘贴在悬臂梁金属基板10上下两面的悬臂梁压电片11，悬臂梁压电片11同样包括呈矩形的上压电陶瓷片和呈矩形的下压电陶瓷片，两块压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且极化方向相反，两块压电陶瓷片均贴上电极引出导线连接到能量转换电路和能量储存装置，悬臂梁金属基板10末端的下表面粘贴或者焊接有一长方体压块9；
40.其中，两块悬臂梁压电片11的材料均为pzt-5h，长度为4mm，宽度为1mm，厚度为0.1mm；悬臂梁金属基板10的材料为铍青铜，长度为5.5mm，宽度为1mm，厚度为0.1mm；压块9长度为0.6mm，宽度为1mm，高度为0.8mm；
41.辅助支撑部件，辅助支撑部件包括波浪形弧面底板、支撑块8和长螺栓14，每段波浪形弧面底板的两端设置可供连接用的连接孔，由长螺栓14穿过每个波浪形弧面底板的连接孔将其连接为一个整体，支撑块8为波浪形弧面底板在每段底板凸弧下表面的中央处凸起的部分；
42.其中，支撑块8的高度为1mm，长宽均为1mm；连接孔直径为0.25mm，长螺栓14公称直径为0.2mm；
43.塑料外壳，塑料外壳包括塑料外框1、塑料盖板2、波浪形弹性软塑料板3和长螺栓
14，塑料外框1和塑料盖板2设置有可供连接用的连接孔，由长螺栓14穿过连接孔将塑料外框1和两块塑料盖板2连接为一个整体，波浪形弹性软塑料板3粘贴或者焊接在塑料外框1的两端，且和塑料盖板2、波浪形弹性软塑料板3共同形成一个封闭的结构；
44.其中，塑料外框1的长度为52mm，宽度为1.2mm，底部高度为0.6mm，两端表面距离底部表面为4.5mm，塑料盖板2长度为52mm，宽度为5mm，厚度为0.1mm；波浪形弹性软塑料板3长度为50.5mm，弧面的半径为25mm，宽度为1mm，且两端粘贴在塑料外框1上。
45.当悬臂式压电发电梁固定在波浪形弧面底板的支撑块8上时，二者就形成了一个悬臂梁结构，固定端在支撑块8一侧，自由端在压块9一侧，悬臂式压电发电梁既可以受迫发生弯曲变形，也可以自由振动。
46.参阅图1和图7，支撑块8设置于竖直方向上，支撑块8的下表面比悬臂式压电发电梁末端的长方体压块9下表面高0.5-2.5mm。
47.参阅图1和图2，波浪形弧面底板包括四段波浪形底板7，其中位于最左与最右两端的波浪形底板7分别与塑料外框1相连接，波浪形底板7与塑料外框1之间通过焊接或粘贴的方式相固定，相邻两段波浪形底板7之间通过设置有连接块6焊接在一起，共同组成波浪形弧面底板。
48.参阅图1和图2，波浪形底板7上表面圆弧在其底面上投影的长度大于等于压电板压电片4的长度，波浪形底板7上表面圆弧在其底面上投影的宽度大于等于压电板压电片4的宽度，波浪形底板7圆弧面的圆心在每段圆弧中央正上方；
49.波浪形底板7下表面圆弧在其底面上投影的长度大于等于悬臂式压电发电梁上的悬臂梁压电片11的长度，波浪形底板7下表面圆弧在其底面上投影的宽度大于等于悬臂式压电发电梁上的悬臂梁压电片11的宽度；
50.其中波浪形底板7的上表面圆弧直径为20mm，同时圆弧面的上表面在底面上的投影长度≧12mm，圆弧面的上表面在底面上的投影宽度≧1mm；波浪形底板7下表面弧度为25mm，圆心在其中央正上方，圆弧面的下表面在底面上的投影长度≧5.5mm。
51.参阅图1和图2，连接块6、波浪形底板7以及压块9均为非导电材料。
52.参阅图1和图5，波浪形弹性软塑料板3的每段的弧面圆弧半径和波浪形弧面底板的上表面每段圆弧的半径相同，且设置在竖直方向上，压电板压电片4的上表面比波浪形弹性软塑料板3的圆弧最低处低0.5-1.5mm。
53.其中，当压电板压电片4和悬臂梁压电片11在受力发生变形时，其中部分受到压力逐渐下凹，逐渐与波浪形底板7的凹弧面贴合，从而保证了压电片从固定端到自由端每段均产生应力，通过合理设计波浪形底板7凹弧面的抛物线参数，可以保证每段压电片上产生应力的均匀性，以及保证压电片的变形在其脆性失效变形范围内，避免了每段压电板的中间发电量大，固定端发电量小的问题，提高了每段压电片的压电转换效率；
54.同时当压块9带动悬臂式压电发电梁变形时，随着压块9逐步向上移动，悬臂式压电发电梁的上表面从固定端到自由端逐步与波浪形底板7的下表面圆弧面贴合，从而保证了悬臂式压电发电梁从固定端到自由端每段均产生应力，通过合理设计波浪形底板7的下表面圆弧的半径，可以保证每段压电片上产生应力的均匀性，以及保证压电片的变形在其脆性失效变形范围内，避免了固定端变形大，自由端变形小的问题，提高了每段压电片的压电转换效率。
55.参阅图1-11，在与电路连接时，压电板压电片4和悬臂梁压电片11可分别连接到压电发电控制电路a12、压电发电控制电路b13，在每块压电片表面贴上电极引出导线，将压电片连接到控制电路里；
56.其中，以压电发电控制电路a12为例，多块压电陶瓷之间并联连接，作为输入端接入压电发电控制电路a12，输出端先连接到整流电路a121的输入端，整流电路a121的输出端先连接到滤波电容a122之后再与超级电容a123的正极与负极相连接，超级电容a123与负载a125连接，同时稳压二极管a124与超级电容a123的正负极相连接，用以保护超级电容a123；每次激励产生的电能通过整流电路a121和滤波电容a122之后，将电能输送到超级电容a123，再由超级电容a123为负载a125供电；
57.以压电发电控制电路b13为例，多块压电陶瓷之间并联连接，作为输入端接入压电发电控制电路b13，输出端先连接到整流电路b131的输入端，整流电路b131的输出端先连接到滤波电容b132之后再与超级电容b133的正极与负极相连接，超级电容b133与负载b135连接，同时稳压二极管b134与超级电容b133的正负极相连接，用以保护超级电容b133；每次激励产生的电能通过整流电路b131和滤波电容b132之后，将电能输送到超级电容b133，再由超级电容b133为负载b135供电。
58.在使用时：当人手握住压电发电组件即握住塑料外框1和波浪形弹性软塑料板3时，四根手指按压在波浪形弹性软塑料板3的四段凸弧上，塑料板发生弹性形变并且向下弯曲，波浪形弹性软塑料板3的下表面与压电板压电片4和悬臂梁压电片11表面相接触，进而使压电发电板受到压力，发生弯曲变形，从而产生电荷；而辅助支撑装置中的波浪形底板7提供了压电板变形的空间，在压电板在变形过程中也逐渐与波浪形底板7的上凹弧面贴合，保证了每段压电片上应变的均匀性，提高了压电转换效率；同时在塑料外框1的底部，由于人握住的时候手掌部分会抵住塑料外框1的底部，根据牛顿第二定律，外框底部也会受到压力发生弯曲变形，在外框底部变形过程中其上表面会逐渐与悬臂式压电发电梁的压块9下表面接触，进而使压块9驱动悬臂式压电发电梁的自由端向上移动，发生弯曲变形，在变形的过程中逐渐与波浪形底板7的下表面贴合，保证了悬臂式压电发电梁从固定端到自由端每段压电片形变的均匀性，提高了压电转换效率；
59.当人松开手时，波浪形弹性软塑料板3会恢复原状，其下表面与压电板压电片4和悬臂梁压电片11分离，由于塑料外框1底部也不再受到压力，因此外框底部上表面也会与悬臂式压电发电梁的压块9表面分离，因此人握住或松开的过程就是一次发电的过程；
60.而当人握住不放的时候，由于人手中的力是不断变化的，因此塑料外框1和波浪形弹性软塑料板3也会受到不断变化的力，其内部的压电板压电片4和悬臂梁压电片11也会持续的发生形变，所以该手握型压电发电组件既可以完成单次的发电过程，也可以完成连续的发电过程。
61.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。