基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的輪式壓電儲(chǔ)能吊扇的設(shè)計(jì)與研究

劉 豐，周軒屹，陳子軒，林穎杰，潘宏剛

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的輪式壓電儲(chǔ)能吊扇的設(shè)計(jì)與研究

劉 豐，周軒屹，陳子軒，林穎杰，潘宏剛

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

根據(jù)壓電發(fā)電可將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)的改造并結(jié)合吊扇自身的特性,采用一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的新型輪式壓電發(fā)電方式，設(shè)計(jì)出可自發(fā)電并儲(chǔ)能的吊扇。測(cè)試結(jié)果表明，壓電裝置的機(jī)電耦合系數(shù)高，可有效提高吊扇的能量利用效率，32 h即可把容量為112 mAh的鎳氫可充電電池充滿，能夠保證教室、車站或者其他公共場(chǎng)合的低能耗設(shè)備的正常工作。

輪式壓電；懸臂梁；機(jī)械能轉(zhuǎn)換；儲(chǔ)能吊扇

1 壓電型電器研究現(xiàn)狀分析

近幾十年來(lái)，壓電材料作為一種新穎的實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能直接轉(zhuǎn)換的功能材料，越來(lái)越受人們的重視。由于能量源頭是消耗的機(jī)械能，不消耗其他能源，所以壓電材料具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家對(duì)壓電材料特性的研究和發(fā)電能力的探索已經(jīng)獲得了實(shí)質(zhì)性的成果[1-2]。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織的研究人員正在開發(fā)可以直接穿在身上的發(fā)電制服，利用運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體與衣服、衣服與衣服之間的壓力來(lái)產(chǎn)生電能，然后儲(chǔ)存進(jìn)鑲嵌在衣服內(nèi)的軟式蓄電池里，就可以用來(lái)為行動(dòng)電話或MP3充電；美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了壓電發(fā)電鞋，使用壓電材料制作鞋的前底面與鞋跟，底面使用可撓的聚偏氟乙烯(PVDF)壓電聚合物材料；新加坡國(guó)防科技局和新加坡大學(xué)的研究者也嘗試在鞋里安裝壓電材料，讓鞋子變成充電器，壓電鞋的出現(xiàn)使人們邊走路邊發(fā)電的想法變成了現(xiàn)實(shí)。

由此可見，壓電發(fā)電技術(shù)作為一種新興的綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。但壓電發(fā)電裝置作為獨(dú)立的微能源器件來(lái)滿足商業(yè)和生活需求，還僅僅處于實(shí)驗(yàn)階段，以壓電片來(lái)發(fā)電的技術(shù)并沒(méi)有完全成熟。因此，針對(duì)壓電裝置的新型節(jié)能電器的設(shè)計(jì)與研究就顯得十分必要。

2 設(shè)計(jì)理念及創(chuàng)新性分析

2.1 設(shè)計(jì)理念

基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的輪式壓電儲(chǔ)能吊扇裝置結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

輪式壓電的儲(chǔ)能式吊扇由基板、壓電片、擋板、鉚釘、負(fù)載線、隔音層、中軸所組成，壓電片與基板用環(huán)氧乙烯粘貼固定，基板鑲嵌在中軸中，擋板通過(guò)鉚釘固定在隔音層上，負(fù)載線通過(guò)中軸與基板上各個(gè)壓電片上的導(dǎo)線連接，且各個(gè)壓電片之間為并聯(lián)關(guān)系，負(fù)載線與儲(chǔ)能電路串聯(lián)連接。與傳統(tǒng)的吊扇相比，該裝置在工作時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能可以被高效利用，結(jié)合壓電發(fā)電可將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的特點(diǎn)，提出了利用改進(jìn)后的基于懸臂梁式的輪式壓電發(fā)電的裝置，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。

1-基板；2-壓電片；3-鉚釘；4-隔音層；5-擋板；6-中軸圖1 輪式壓電儲(chǔ)能吊扇裝置結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

將改進(jìn)后的壓電發(fā)電裝置嵌入于吊扇中腔內(nèi)，并聯(lián)的扇葉形壓電片固定在中軸下部，與墻壁相對(duì)靜止。通過(guò)扇葉的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)腔壁上的擋板滑擦中軸下部壓電片所在的基板，壓電片受力形變后產(chǎn)生電荷，電荷經(jīng)過(guò)后續(xù)電路處理、收集后經(jīng)中軸內(nèi)的電路輸出到負(fù)載，至此完成將旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的大量機(jī)械

能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。

并聯(lián)式扇形壓電片的能量捕獲及收集是實(shí)現(xiàn)自供電的關(guān)鍵。通過(guò)研究壓電能量轉(zhuǎn)移原理[3-5]，設(shè)計(jì)了并聯(lián)式壓電片的發(fā)電結(jié)構(gòu)，以提高裝置的負(fù)載能力，存儲(chǔ)下來(lái)的電能可供給LED照明或者給多檔位蓄電池、充電電池充電。壓電裝置能量收集的電路如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置在白天所收集的電能可以滿足教室的照明設(shè)備及投影儀等耗電設(shè)備對(duì)電能的需求，剩余電量也可進(jìn)行儲(chǔ)存，以保證停電情況下各設(shè)備的正常工作，這樣便有效地提高了能量利用的效率。

圖2 壓電裝置能量收集電路

圖3 壓電陶瓷PZT-4

與傳統(tǒng)的壓電結(jié)構(gòu)相比，圓環(huán)型外殼及扇葉形并聯(lián)壓電片結(jié)構(gòu)可利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械中大量的動(dòng)能增加壓電片的振動(dòng)次數(shù)，從而使電量大大增加；與電動(dòng)機(jī)的發(fā)電方式相比，不需要太大的轉(zhuǎn)速，可大規(guī)模普及辦公場(chǎng)所及公共場(chǎng)合，作為高效的節(jié)能型電器使用，具有很好的應(yīng)用前景。

圖4 輪式壓電儲(chǔ)能吊扇工作流程

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 儲(chǔ)能吊扇的實(shí)驗(yàn)研究及參數(shù)分析

壓電振子基板的金屬層選擇用彈性良好的磷青銅[6]，其中錫的含量占2%～8%，磷的含量占0.1%～0.4%，其余為銅合金，因其耐磨性和彈性較好，故可作為壓電振子的基板。壓電陶瓷為PZT-4，如圖3所示，壓電振子所用材料的性能參數(shù)[7]如表1所示。整個(gè)壓電裝置采用懸臂梁結(jié)構(gòu)并聯(lián)安裝于吊扇內(nèi)固定的基板上。

壓電陶瓷片和基板之間的粘接材料采用環(huán)氧樹脂[6]，又稱環(huán)氧乙烯。固化后的環(huán)氧樹脂具有良好的介電性能，硬度高，變定收縮率小，柔韌性較好，制品尺寸穩(wěn)定性好，對(duì)金屬和非金屬材料的表面具有優(yōu)異的粘接強(qiáng)度，化學(xué)性能穩(wěn)定。

將3個(gè)與基板嵌套好的壓電振動(dòng)片(每塊壓電片的規(guī)格如表2所示)互成120°并聯(lián)于吊扇中軸下部，形成扇葉形結(jié)構(gòu)，腔壁上的擋板隨輪腔與外電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)。每個(gè)壓電振動(dòng)片由鉚釘固定在中軸下部，形成懸臂梁式結(jié)構(gòu)，懸臂梁的支撐方式可以產(chǎn)生最大的機(jī)電耦合系數(shù)和彎曲，諧振頻率也較

低[7]。長(zhǎng)方形壓電陶瓷采用懸臂梁式支撐方式[8]，如圖5所示。輸出電路連接壓電片的正負(fù)兩極，便于電能的收集，安裝完成后啟動(dòng)裝置，觀察電動(dòng)機(jī)、發(fā)電結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)效果和壓電片的形變程度。

表1 材料的性能參數(shù)

圖5 壓電片懸臂梁發(fā)電結(jié)構(gòu)

圖6 壓電電學(xué)等效模型

參數(shù)密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa泊松比長(zhǎng)/mm寬/mm厚/mm金屬基層8900850000.350150.7壓電層7400765000.2540150.3

調(diào)節(jié)吊扇轉(zhuǎn)速控制旋鈕，測(cè)試壓電振動(dòng)片在不同轉(zhuǎn)動(dòng)速度下的形變程度及不同黏貼位置時(shí)的壓電能力。每隔10 min測(cè)一次發(fā)電裝置的電壓，得出不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的電壓量，通過(guò)Matlab計(jì)算，重復(fù)多次后，確定最佳轉(zhuǎn)速、壓電片最佳黏貼位置以及最佳發(fā)電效率。

從電學(xué)角度來(lái)看，壓電陶瓷可以等效為一個(gè)正弦電流源Ip與內(nèi)在的極間電容Cp并聯(lián)[9]，如圖6所示。Ip(t)=Ipsinωt，Ip和ω分別為電流源的振幅和頻率，相應(yīng)R值跟壓電元件的外部激勵(lì)有關(guān)。假設(shè)電流源幅值和電極電容Cp恒定，忽略外部負(fù)載對(duì)內(nèi)部相關(guān)參數(shù)的影響，極化電流Ip的大小隨壓電元件機(jī)械激勵(lì)而變化，可求出電路輸出功率：

式中，Ip為電流有效值，當(dāng)R=1/ωc時(shí)，即外部負(fù)載阻抗和壓電陶瓷等效阻抗相匹配時(shí)，負(fù)載能夠吸收的能量最大。在設(shè)計(jì)整流和存儲(chǔ)電路時(shí)要考慮負(fù)載和壓電元件等效電阻，使壓電振子的輸出功率達(dá)到最大化。

壓電材料產(chǎn)生的電壓高、電流小，為了高效地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)橋式整流電路進(jìn)行穩(wěn)壓整流[9-11]且對(duì)儲(chǔ)能電路與懸臂梁式壓電模塊并聯(lián)安裝調(diào)試線路進(jìn)行分析優(yōu)化，然后啟動(dòng)電源，通過(guò)電壓表測(cè)試實(shí)際供電情況，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。整流穩(wěn)壓電路如圖7和圖8所示。

選用鎳氫可充電電池進(jìn)行能量收集，如圖9所示。鎳氫可充電電池具有高電荷密度，不需要典型的充電控制器和電壓校正器來(lái)組成電路，比鋰電池更適合做壓電陶瓷發(fā)電的儲(chǔ)能元件。為電池充電的電路包括3部分：橋式整流器、電容和充電電池，這樣簡(jiǎn)單的電路既可以完成電量的收集，也減少了電能在收集過(guò)程中的損耗。

圖7 整流穩(wěn)壓電路流程

圖8 整流穩(wěn)壓電路

鎳氫充電電池的供電電路如圖10所示。選用的鎳氫可充電電池的容量為112 mA·h，需要32 h即可把電池充滿。

圖9 鎳氫可充電電池

圖10 鎳氫可充電電池的供電電路

將LED顯示器、充電器與蓄電池或超級(jí)電容相連，調(diào)試整個(gè)裝置，確定并聯(lián)連接時(shí)壓電裝置的電能輸出效果好，觀察發(fā)電、儲(chǔ)能、輸出部分的工作穩(wěn)定性，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。

3.2 實(shí)驗(yàn)效益分析

經(jīng)試驗(yàn)，每塊壓電片形變一次的輸出電壓為3.5 V，收集模塊輸出功率為20×10-3W，輸出電能為16×10-3J，輪式裝置的3片壓電片經(jīng)扇腔轉(zhuǎn)動(dòng)一周，會(huì)形變9次，吊扇轉(zhuǎn)速大約為200 r/min，計(jì)算其發(fā)電量為

Q=16×10-3×9×200×60=1 728 J=4.8×10-4kW·h

1間教室按4個(gè)吊扇計(jì)算，每天工作10 h，其發(fā)電量為4.8×10-4×10×4=1.92×10-2kW·h，可供1個(gè)20 W的燈泡工作約1 h。

按照每所學(xué)校有10座樓，每座教學(xué)樓共有60個(gè)教室來(lái)計(jì)算，可自發(fā)電：

1.92×10-2×60×10=11.52 kW·h

由此可知，每天每所學(xué)校存儲(chǔ)的電量為11.52度，全國(guó)有2 000多所高校，可存儲(chǔ)25 000度電，每天節(jié)省電費(fèi)12 000多元。

按2 000所高校計(jì)算，每年使用電扇時(shí)間為60 h，則：

節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約11.52×60×2 000×0.32=442.368 t

減少CO2排放量11.52×60×2 000×0.32×2.62=1 159 t

減少SO2排放量11.52×60×2 000×0.32×0.008 5=3.76 t

減少NO排放量11.52×60×2 000×0.32×0.007 4=3.27 t

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算，對(duì)于充電容量為112 mA·h的鎳氫可充電電池，需要32 h即可把電池充滿。對(duì)于公共場(chǎng)合，尤其是學(xué)校，應(yīng)用該裝置可以存儲(chǔ)大量電能以保證教室內(nèi)低能耗設(shè)備的正常工作，在一定程度上可緩解供電壓力。

該裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，安裝維護(hù)方便，能量的轉(zhuǎn)換、采集、儲(chǔ)存過(guò)程無(wú)污染，作為一種將所消耗機(jī)械能進(jìn)行回收利用的新型綠色能源電器，成功應(yīng)用后能帶來(lái)可觀的電能回報(bào)，對(duì)進(jìn)一步減少燃煤等化石能源的使用，減少環(huán)境污染有著深遠(yuǎn)的意義。

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(責(zé)任編輯 張 凱 校對(duì) 佟金鍇)

Wheel type piezoelectric energy storage based on cantilever beam structure design and research of ceiling fans

LIU Feng,ZHOU Xuan-yi,CHEN Zi-xuan,LIN Ying-jie,PAN Hong-gang

(College of Energy and Power Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，Liaoning Province)

According to the piezoelectric power generation can be the characteristics of the vibration of mechanical energy into electrical energy,To reform the traditional piezoelectric power structure design and combined with the nature of the ceiling fan,design can be spontaneous electric ceiling fans and energy storage.It adopts a new wheel based on the structure of cantilever piezoelectric power generation.The experimental results show that the Charging capacity is 112 mah ni-mh rechargeable battery,The battery can be full of 32 hours,High electromechanical coupling coefficient of piezoelectric device,which can effectively improve the utilization efficiency of the energy of the ceiling fan,Applied to the public,can store a lot of energy to ensure that the classroom,station or other public places of low energy consumption equipment normal work,As a new green energy electric equipment,its application prospect.

Wheel type piezoelectric; cantilever beam; Mechanical energy conversion; Energy storage ceiling fans

2016-11-10

遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201511632011)

劉 豐(1995-)，男，遼寧葫蘆島人。

潘宏剛(1982-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，高級(jí)工程師，博士研究生。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.01.016

TN384

A

1673-1603(2017)01-0085-06