專(zhuān)利名稱(chēng)：基于樓梯的壓電發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用壓電陶瓷材料正壓電效應(yīng)的能量回收裝置，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種基于樓梯的壓電發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
隨著能源的日趨緊張和人們環(huán)保意識(shí)的日趨增強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保等問(wèn)題以及環(huán)保無(wú)污染新能源的開(kāi)發(fā)和利用倍受世界各國(guó)的關(guān)注和重視。利用壓電陶瓷正壓電效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的裝置因其具有環(huán)保節(jié)能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、易于實(shí)現(xiàn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為世界各國(guó)研究人員的關(guān)注熱點(diǎn)。利用人體動(dòng)能進(jìn)行壓電發(fā)電，符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的要求，并具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)外所研究的利用人體動(dòng)能進(jìn)行壓電發(fā)電裝置較多，典型的如壓電發(fā)電鞋，國(guó)內(nèi)公開(kāi)號(hào)為CN101728975A專(zhuān)利所發(fā)明的一種基于人體動(dòng)能激勵(lì)的壓電發(fā)電裝置及其發(fā)電方法，它為一種腳型的壓電發(fā)電復(fù)合板，安裝于鞋墊或鞋底，將人們?nèi)粘Ｐ凶哌\(yùn)動(dòng)的部分能量轉(zhuǎn)換為電能。但是，目前的壓電發(fā)電鞋或鞋墊純屬個(gè)人行為，發(fā)電分散，發(fā)電量小，直接踩踏壓電陶瓷片易導(dǎo)致其破裂損壞，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性差。如果利用軌道交通、商場(chǎng)、樓梯口等人流量較大的場(chǎng)合人們踩踏的動(dòng)能進(jìn)行壓電發(fā)電，則具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。為了提高現(xiàn)有利用人體動(dòng)能進(jìn)行壓電發(fā)電的效益，公開(kāi)號(hào)為CN201956927U的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種利用人體頻繁踏走的壓電發(fā)電裝置，該裝置利用人體對(duì)彈簧杠桿機(jī)構(gòu)踩踏形成彈簧形變的勢(shì)能，進(jìn)而釋放彈簧形變勢(shì)能對(duì)壓電材料敲擊進(jìn)行壓電發(fā)電，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，發(fā)電量集中，但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該裝置存在一定的不足，由于人體踩踏杠桿結(jié)構(gòu)后腳收起的速度較慢，彈簧形變勢(shì)能釋放后對(duì)壓電陶瓷材料形成的敲擊力很小，影響了壓電陶瓷片的發(fā)電轉(zhuǎn)換效率，另外，人體踩踏的行程大于2mm，有踩空等不適感。為了利用人體踩踏樓前臺(tái)階的能量進(jìn)行發(fā)電，公開(kāi)號(hào)為CN102064734A的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種樓前臺(tái)階的壓電發(fā)電裝置，把壓電陶瓷設(shè)置于上地毯和下地毯之間，通過(guò)人體對(duì)壓電陶瓷的踩踏產(chǎn)生電能并進(jìn)行能量收集，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，發(fā)電量集中等優(yōu)點(diǎn)，但是該裝置也存在一定的不足:壓電轉(zhuǎn)化效率低，人體踩踏地毯后直接沖擊壓電陶瓷片，易導(dǎo)致壓電陶瓷片脆性破裂損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新型的基于樓梯的壓電發(fā)電裝置，目的是為了提高利用人體動(dòng)能進(jìn)行壓電發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率，避免踩踏壓電發(fā)電裝置時(shí)有踩空等不適感和直接踩踏壓電陶瓷片易導(dǎo)致其破裂損壞等問(wèn)題?！N基于樓梯的壓電發(fā)電裝置，包括動(dòng)子和定子兩部分，動(dòng)子由踏板6和聯(lián)接在踏板6上的定位銷(xiāo)5構(gòu)成，設(shè)置在定子的上方；定子由基板I和安裝在基板I上的支撐限位條2、彈簧3和壓電發(fā)電單元4構(gòu)成，基板I上設(shè)置有可以與動(dòng)子上定位銷(xiāo)5相配合的孔，當(dāng)定位銷(xiāo)5插入到基板I上的孔后，動(dòng)子就不能再前后左右移動(dòng)，只能上下移動(dòng)；三根支撐限位條2安裝在基板I上表面上，兩根設(shè)置在基板I兩邊，一根設(shè)置在基板I中間，把基板I分為兩個(gè)狹長(zhǎng)的區(qū)域，在這兩個(gè)狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)安裝有多個(gè)壓電發(fā)電單元4，且在每個(gè)狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，每隔1-3個(gè)壓電發(fā)電單元4的間距在其間隔中安裝有一個(gè)彈簧3 ;壓電發(fā)電單元4由上壓板48、T型彈性桿45、設(shè)置在T型彈性桿45上側(cè)靠近上壓板48的主動(dòng)壓塊46、設(shè)置在T型彈性桿45下側(cè)端部的從動(dòng)壓塊44、A支撐板40、B支撐板49、聯(lián)接件47、銅極板42以及粘貼在銅極板42上下兩面的方形A壓電陶瓷片41和方形B壓電陶瓷片42構(gòu)成，A壓電陶瓷片41和B壓電陶瓷片42均為沿厚度方向極化且極化方向相反，所有壓電發(fā)電單元4的A壓電陶瓷片41和B壓電陶瓷片42均通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)方式連接于能量轉(zhuǎn)換電路和能量?jī)?chǔ)存裝置；主動(dòng)壓塊46通過(guò)粘接或焊接方式設(shè)置在T型彈性桿45上側(cè)靠近上壓板48的位置，主動(dòng)壓塊46到上壓板48距離為T(mén)型彈性桿45懸臂長(zhǎng)度的1/10到1/2，從動(dòng)壓塊44通過(guò)粘接或焊接方式設(shè)置在T型彈性桿45端部下側(cè)；Α支撐板40、銅極板42、B支撐板49、T型彈性桿45和上壓板48依次從下向上設(shè)置，A支撐板40、銅極板42、Β支撐板49、Τ型彈性桿45和上壓板48上均開(kāi)設(shè)有可供聯(lián)接用的聯(lián)接孔，由聯(lián)接件47穿過(guò)各個(gè)零件的聯(lián)接孔后將其聯(lián)接為一體并固定在基板I上表面。當(dāng)T型彈性桿45的T型端部由上壓板48和B支撐板49夾緊固定后，T型彈性桿45就形成了懸臂杠桿結(jié)構(gòu)，T型彈性桿45被固定處為支點(diǎn)，主動(dòng)壓塊46到支點(diǎn)段為動(dòng)力臂，從動(dòng)壓塊44到支點(diǎn)段為阻力臂。在豎直方向上，所述的上壓板48的上表面高度和的支撐限位條2的上表面高度平齊，彈簧3上表面的高度和主動(dòng)壓塊46上表面高度平齊，且彈簧3和主動(dòng)壓塊46的上表面高度均比上壓板48和支撐限位條2上表面高度高出0.3^1.5mm。當(dāng)人體踩踏動(dòng)子的踏板6時(shí)，踏板6和主動(dòng)壓塊46向下移動(dòng)，根據(jù)杠桿原理，設(shè)置在T型彈性桿45下側(cè)的從動(dòng)壓塊44就會(huì)向下移動(dòng)多于主動(dòng)壓塊46下移的距離，即只需對(duì)踏板6和主動(dòng)壓塊46向下踩踏很小的距離，即可驅(qū)動(dòng)壓電發(fā)電板一端向下彎曲較大的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)能到電能的能量轉(zhuǎn)換，從而提高了壓電發(fā)電板的壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)人體踩踏結(jié)束腳抬起后，基板I上的彈簧3由于踏板6壓縮產(chǎn)生的勢(shì)能開(kāi)始釋放，彈起踏板6到原來(lái)位置，壓電發(fā)電板則由自身的彈性恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。由于踏板6較大，當(dāng)有人踩踏壓板時(shí)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)壓電發(fā)電單元4進(jìn)行發(fā)電，最大限度的利用了人體踩踏產(chǎn)生的動(dòng)能。整個(gè)壓電發(fā)電裝置放置在人流較大的樓梯上，當(dāng)有人連續(xù)經(jīng)過(guò)踩踏踏板6并釋放時(shí)，該壓電發(fā)電裝置即可完成連續(xù)的壓電發(fā)電過(guò)程。更進(jìn)一步，整個(gè)基于樓梯的壓電發(fā)電裝置的踏板6上鋪一層地毯進(jìn)行外觀(guān)美化。由于上壓板48和支撐限位條2的支撐限位作用，限制踏板6、主動(dòng)壓塊46和人體僅能向下移動(dòng)0.3^1.5mm，距離較短，無(wú)踩空等不適的感覺(jué)，且避免了人體踩踏沖擊力和壓電陶瓷片的直接接觸，保證壓電陶瓷片不被沖擊破裂或損壞。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該基于樓梯的壓電發(fā)電裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率容量大 、整機(jī)制造裝配容易、成本低、壓電轉(zhuǎn)換效率高、踩踏時(shí)無(wú)踩空等不適感、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中壓電發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明壓電發(fā)電單元的前視圖。
圖4是本發(fā)明中壓電發(fā)電單元上壓板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明中壓電發(fā)電單元T型彈性桿的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明中壓電發(fā)電單元B支撐板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明中壓電發(fā)電單元銅極板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)明中壓電發(fā)電單元A支撐板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是本發(fā)明中壓電發(fā)電單元主動(dòng)壓塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是本發(fā)明中壓電發(fā)電單元從動(dòng)壓塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖11是本發(fā)明中基板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是本發(fā)明中支撐限位條的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明:1.基板，2.支撐限位條，3.彈簧B，4.壓電發(fā)電單元，5.定位銷(xiāo)，
6.踏板，40.A支撐板，41.A壓電陶瓷片，42.銅極板，43.B壓電陶瓷片，44.從動(dòng)壓塊，45.T型彈性桿，46.主動(dòng)壓塊，47.聯(lián)接件，48.上壓板，49.B支撐板
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1-3所示，基于樓梯的壓電發(fā)電裝置包括動(dòng)子和定子兩部分，動(dòng)子由踏板6和聯(lián)接在踏板6上的定位銷(xiāo)5構(gòu)成，設(shè)置在定子的上方，踏板6材料為松木，長(zhǎng)2200mm，寬290mm,厚6mm ;定子由基板I和安裝在基板I上的支撐限位條2、彈簧3和壓電發(fā)電單元4構(gòu)成，基板I材料為松木，長(zhǎng)2200mm，寬290mm，厚20mm，基板I上設(shè)置有可以與動(dòng)子上定位銷(xiāo)5相配合的孔，孔徑為10.1mm,定位銷(xiāo)5直徑為10mm，當(dāng)定位銷(xiāo)5插入到基板I上的孔后，動(dòng)子就不能再前后左右移動(dòng)，只能上下移動(dòng)；三根支撐限位條2安裝在基板I上表面上，兩根設(shè)置在基板I兩邊，一根設(shè)置在基板I中間，把基板I分為兩個(gè)狹長(zhǎng)的區(qū)域，在這兩個(gè)狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)按照等間距設(shè)置，每側(cè)安裝18個(gè)壓電發(fā)電單元4，在基板I上方共計(jì)安裝有36個(gè)壓電發(fā)電單元4，且在每個(gè)狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，每隔1-3個(gè)壓電發(fā)電單元4的間距在其間隔中安裝有一個(gè)彈簧3,彈簧3中徑16mm,長(zhǎng)度20mm。壓電發(fā)電單元4包括上壓板48、T型彈性桿45、主動(dòng)壓塊46、從動(dòng)壓塊44、A支撐板40、B支撐板49、螺釘、銅極板42以及粘貼在銅極板42上下兩面的A壓電陶瓷片41和B壓電陶瓷片42，銅極板42材料為鈹青銅，長(zhǎng)度為70mm，寬度為50mm，厚度為0.3mm，A壓電陶瓷片41和B壓電陶瓷片42的材料均為PZT-5，長(zhǎng)度為50mm，寬度為50mm，厚度為0.2mm,A壓電陶瓷片41和B壓電陶瓷片42均為沿厚度方向極化且極化方向相反，每對(duì)A壓電陶瓷片41和B壓電陶瓷片42進(jìn)行并聯(lián)，然后再將36個(gè)壓電發(fā)電單元4進(jìn)行并聯(lián)連接于能量轉(zhuǎn)換電路和能量?jī)?chǔ)存裝置；主動(dòng)壓塊46粘接在T型彈性桿45上側(cè)靠近上壓板48的位置，主動(dòng)壓塊46到上壓板48距離為T(mén)型彈性桿45懸臂長(zhǎng)度的1/5，從動(dòng)壓塊44通過(guò)粘接在T型彈性桿45端部下側(cè)；A支撐板40、銅極板42、B支撐板49、T型彈性桿45和上壓板48依次從下向上設(shè)置，A支撐板40、銅極板42、B支撐板49、T型彈性桿45和上壓板48上均開(kāi)設(shè)有可供聯(lián)接用的聯(lián)接孔，孔直徑為4_，由螺釘穿過(guò)各個(gè)零件的聯(lián)接孔后將其聯(lián)接為一體并固定在基板I上表面，螺釘47公稱(chēng)直徑為3mm。在豎直方向上，所述的上壓板48的上表面高度和的支撐限位條2的上表面高度平齊，彈簧3上表面的高度和主動(dòng)壓塊46上表面高度平齊，且彈簧3和主動(dòng)壓塊46的上表面高度均比上壓板48和支撐限位條2上表面高度高出1mm。
結(jié)合圖4-12所示，踏板6、定位銷(xiāo)5、基板1、支撐限位條2、銅極板42、從動(dòng)壓塊44、T型彈性桿45、主動(dòng)壓塊46、上壓板48、B支撐板49和A支撐板40結(jié)構(gòu)示意圖，充分體現(xiàn)了各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)，以便理解各個(gè)零件之間的聯(lián)接關(guān)系。將該發(fā)明的壓電發(fā)電裝置放于樓梯上，模擬人體踩踏的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)人踩踏動(dòng)子踏板6時(shí)，踏板6和主動(dòng)壓塊46僅能向下移動(dòng)1mm，人體踩踏向下位移距離較短，無(wú)踩空等不適感，根據(jù)杠桿原理，主動(dòng)壓塊46向下移動(dòng)1mm，設(shè)置在T型彈性桿45下側(cè)的從動(dòng)壓塊44則向下移動(dòng)5_，當(dāng)踩踏壓板時(shí)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)了多個(gè)壓電發(fā)電單元4進(jìn)行發(fā)電，當(dāng)有人連續(xù)經(jīng)過(guò)踩踏踏板6并釋放時(shí)，該壓電發(fā)電裝置即可完成連續(xù)的壓電發(fā)電過(guò)程。當(dāng)踩踏頻率為IHz時(shí)，使用示波器對(duì)A壓電陶瓷片I和B壓電陶瓷片3的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，其輸出電壓最大值分別為12.2V和11.8V，發(fā)電性能良好。
權(quán)利要求
1.一種基于樓梯的壓電發(fā)電裝置，其特征在于:包括動(dòng)子和定子兩部分，動(dòng)子由踏板(6)和聯(lián)接在踏板(6)上的定位銷(xiāo)(5)構(gòu)成，設(shè)置在定子的上方；定子由基板(I)和安裝在基板⑴上的支撐限位條⑵、彈簧⑶和壓電發(fā)電單元⑷構(gòu)成，壓電發(fā)電單元⑷由上壓板(48)、T型彈性桿(45)、設(shè)置在T型彈性桿(45)上側(cè)靠近上壓板(48)的主動(dòng)壓塊(46)、設(shè)置在T型彈性桿(45)下側(cè)端部的從動(dòng)壓塊(44)、A支撐板(40)、B支撐板(49)、聯(lián)接件(47)、銅極板(42)以及粘貼在銅極板(42)上下兩面的方形A壓電陶瓷片(41)和方形B壓電陶瓷片(42)構(gòu)成；Α支撐板(40)、銅極板(42)、Β支撐板(49)、Τ型彈性桿(45)和上壓板(48)依次從下向上設(shè)置，A支撐板(40)、銅極板(42)、Β支撐板(49)、Τ型彈性桿(45)和上壓板(48)上均開(kāi)設(shè)有可供聯(lián)接用的聯(lián)接孔，由聯(lián)接件(47)穿過(guò)各個(gè)零件的聯(lián)接孔后將其聯(lián)接為一體并固定在基板(I)上表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于樓梯的壓電發(fā)電裝置，其特征在于:所述的A壓電陶瓷片(41)和B壓電陶瓷片(42)均為沿厚度方向極化且極化方向相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于樓梯的壓電發(fā)電裝置，其特征在于:所述的A壓電陶瓷片(41)和B壓電陶瓷片(42)均通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)方式連接于能量轉(zhuǎn)換電路和能量?jī)?chǔ)存裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于樓梯的壓電發(fā)電裝置，其特征在于:在豎直方向上，所述的上壓板(48)的上表面高度和的支撐限位條(2)的上表面高度平齊，彈簧(3)上表面的高度和主動(dòng)壓塊(46 )上表面高度平齊，且彈簧(3)和主動(dòng)壓塊(46)的上表面高度均比上壓板(48)和支撐限位條(2)上表面高度高出0.3^1.5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的基于樓梯的壓電發(fā)電裝置，其特征在于:所述基板(I)上安裝有多個(gè)壓電發(fā)電單兀(4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的基于樓梯的壓電發(fā)電裝置，其特征在于:所述基板(I)上表面每隔1-3個(gè)壓電發(fā)電單元(4)間距安裝有彈簧(3)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的基于樓梯的壓電發(fā)電裝置，其特征在于:還包括地毯，在所述的踏板(6)上鋪一層地毯進(jìn)行外觀(guān)美化。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于樓梯的壓電發(fā)電裝置，包括動(dòng)子和定子兩部分，動(dòng)子由踏板(6)和聯(lián)接在踏板(6)上的定位銷(xiāo)(5)構(gòu)成，設(shè)置在定子的上方；定子由基板(1)和安裝在基板(1)上的支撐限位條(2)、彈簧(3)和壓電發(fā)電單元(4)構(gòu)成；壓電發(fā)電單元(4)由上壓板(48)、T型彈性桿(45)、設(shè)置在T型彈性桿(45)上側(cè)靠近上壓板(48)的主動(dòng)壓塊(46)、設(shè)置在T型彈性桿(45)下側(cè)端部的從動(dòng)壓塊(44)、A支撐板(40)、B支撐板(49)、聯(lián)接件(47)、銅極板(42)以及粘貼在銅極板(42)上下兩面的A壓電陶瓷片(41)和B壓電陶瓷片(42)構(gòu)成，并由聯(lián)接件(47)將其固定在基板(1)上表面。
文檔編號(hào)H02N2/18GK103178747SQ20131013959
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者殷振, 李華, 曹自洋, 王廣勛, 伯潔, 謝鷗, 蔣兆瑋, 張珺, 許生俊, 潘彬 申請(qǐng)人:蘇州科技學(xué)院