CN107332466A - 一种多振子压电风能捕获器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多振子压电风能捕获器，属流体发电领域。壳体的侧壁上设有通流孔，壳体的一端装有带通流孔和凸台的立板，凸台上装压电振子和弹性簧片，压电振子由基板和压电片粘接而成；压电振子的非固定端安装有顶块，顶块的非固定端顶靠在弹性簧片上；弹性簧片的非固定端安装有质量块和扰流体，扰流体上对称地镶嵌有两个动磁铁；壳体的侧壁上对称地安装有两个定磁铁，动磁铁和定磁铁的同性磁极相对安装，动磁铁和定磁铁的几何中心位于同一个圆周上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构。优势特色：自激振动发电，流体速度和方向的适应性强、结构简单；压电片仅受压应力，可靠性高；多振子同步工作，发电能力强。
Description
技术领域
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种多振子压电风能捕获器，为无线传感器节点提供能量。
背景技术
风能广泛存在于自然界中，风力发电已成为当今世界主流的能源之一。以往人们只注重大规模风力发电系统研究，近年来随着无线传感网络技术的日趋成熟及其在环境、建筑、桥梁、军事及公共安全等监测领域应用的普及，为其提供持续的能源供应的微小型风能捕获器的研究受到国内外学者的广泛关注，其原因在于：化学电池的能量有限、其使用时间远远小于无线传感监测系统的寿命，故需经常更换，严重制约了无线传感网络监测系统在远程及危险环境中的推广应用。目前已提出的微小型风能捕获器基本都是基于电磁原理和压电原理的，因压电式发电机的发电过程中不会产生电磁干扰，更适用于无线网络节点的应用需求。现有的压电式风能捕获器大都为旋转式的，即首先利用风使叶片旋转、再由叶片带动转轴激励压电振子发电，该类发电机除了结构复杂、需要机械部件转换运动外，风速较低时也难以驱动叶片旋转发电、并且工作时压电片承受交变的拉压应力，压电振子易因所受拉应力过大而损毁。
发明内容
针对传感器节点的供电需求及现有微小型风能捕获器所存在的问题，本发明提出一种多振子压电风能捕获器。本发明采用的实施方案是：壳体各侧壁上都设有通流孔，壳体的一端经螺钉安装有立板，立板上设有通流孔和凸台，凸台上通过螺钉安装压电振子和弹性簧片，弹性簧片两侧的压电振子数量相等，弹性簧片与其相邻的压电振子之间以及两个相邻压电振子之间都压接有垫片；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近弹性簧片安装；压电振子的非固定端经螺钉安装有顶块，顶块安装在压电振子的基板一侧，顶块的非固定端顶靠在弹性簧片上；弹性簧片的非固定端经螺钉安装有质量块和椭圆形的扰流体，扰流体为中空结构，扰流体上对称地镶嵌有两个动磁铁；壳体的侧壁上经螺钉对称地安装有两个定磁铁，动磁铁和定磁铁的同性磁极相对安装，动磁铁和定磁铁的几何中心位于同一个圆周上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板厚度和压电振子总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的长度。
非工作状态下，弹性簧片两侧的压电振子的变形和受力状态分别相同。工作时，即有流体流过扰流体时，扰流体会受到流体施加的交变的作用力，从而带动弹性簧片往复摆动，再经顶块迫使压电振子产生往复弯曲振动：当弹性簧片某一侧的压电振子弯曲变形量及压电片所受的压应力逐渐增加时，另一侧压电振子的变形量及压电片所受的压应力逐渐减小；压电片所受压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转变成电能。扰流体往复摆动过程中，同时受流体力、弹性簧片与压电振子的弹性力、及动磁铁与定磁铁间的排斥力的共同作用，流体力是扰流体往复摆动运动的驱动力、弹性簧片与压电振子的弹性力以及动磁铁与定磁铁间的排斥力为阻力；当动磁铁与定磁铁接触时，压电片所受的压应力为其许用压应力。
优势与特色：①利用钝体所受流体升力产生自激振动，激振力及激励频率可通过扰流体尺度调节，低速时激励效果也较好，流体速度及方向适应性强、结构简单；②工作中压电片仅承受压应力，可靠性高；③定磁铁具有限位和缓冲的双重功能，进一步提高了可靠性；④弹性簧片同时激励多个压电振子，发电能力强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中风能捕获器的主视图；
图2是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
壳体b的各侧壁上都设有通流孔b1，壳体b的一端经螺钉安装有立板a，立板a上设有通流孔a1和凸台a2，凸台a2上通过螺钉安装压电振子e和弹性簧片c，弹性簧片c两侧的压电振子e的数量相等，弹性簧片c与其相邻的压电振子e之间、两个相邻压电振子e之间都压接有垫片i；压电振子e由基板e1和压电片e2粘接而成，基板e1靠近弹性簧片c安装；压电振子e的非固定端经螺钉安装有顶块f，顶块f安装在压电振子e的基板e1的一侧，顶块f的非固定端顶靠在弹性簧片c上；弹性簧片c的非固定端经螺钉安装有质量块j和椭圆形的扰流体d，扰流体d为中空结构，扰流体d上对称地镶嵌有两个动磁铁h；壳体b的左右侧壁上经螺钉对称地安装有两个定磁铁g，动磁铁h和定磁铁g的同性磁极相对安装，动磁铁h和定磁铁g的几何中心位于同一个圆周上；压电振子e安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片e2上的最大压应力为其许用压应力的一半，即压电振子e的变形量为其最大允许变形量的一半并由下式确定：其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板e1厚度和压电振子e总厚度，Em和Ep分别为基板e1和压电片e2的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子e的长度。
非工作状态下，弹性簧片c两侧的压电振子e的变形和受力状态分别相同。工作时，即有流体流过扰流体d时，扰流体d会受到流体施加的左右交变的作用力，从而带动弹性簧片c往复摆动，再经顶块f迫使压电振子e产生往复弯曲振动：当弹性簧片c某一侧的压电振子e弯曲变形量及压电片e2所受的压应力逐渐增加时，另一侧压电振子e的变形量及压电片e2所受的压应力逐渐减小；压电片e2所受压应力的交替增加与减小过程中即将机械能转变成电能。扰流体d往复摆动过程中，同时受流体力、弹性簧片c与压电振子e的弹性力、及动磁铁h与定磁铁g间的排斥力的共同作用，流体力是扰流体d往复摆动运动的驱动力、弹性簧片c与压电振子e的弹性力以及动磁铁h与定磁铁g间的排斥力为阻力；当动磁铁h与定磁铁g接触时，压电片e2所受的压应力为其许用压应力。
Claims (1)
1.一种多振子压电风能捕获器，其特征在于：壳体各侧壁上都设有通流孔，壳体的一端安装有立板，立板上设有通流孔和凸台，凸台上安装压电振子和弹性簧片，弹性簧片两侧的压电振子数量相等，弹性簧片与其相邻的压电振子之间以及两个相邻压电振子之间都压接有垫片；压电振子由基板和压电片粘接而成，基板靠近弹性簧片安装；压电振子的非固定端安装有顶块，顶块安装在压电振子的基板一侧，顶块的非固定端顶靠在弹性簧片上；弹性簧片的非固定端安装有质量块和椭圆形的扰流体，扰流体为中空结构，扰流体上对称地镶嵌有两个动磁铁；壳体的侧壁上对称地安装有两个定磁铁，动磁铁和定磁铁的同性磁极相对安装，动磁铁和定磁铁的几何中心位于同一个圆周上；压电振子安装前为平直结构、安装后为弯曲结构，非工作时压电片上的最大压应力为其许用压应力的一半；非工作状态下，弹性簧片两侧的压电振子的变形和受力状态分别相同；当动磁铁与定磁铁接触时，压电片所受的压应力为其许用压应力。
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| JP2002262584A (ja) * | 2001-03-01 | 2002-09-13 | Leben Co Ltd | 圧電素子を用いた発電機、および水力、風力を用いた発電機 |
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