CN102684553A - 一种垂吊式压电风能采集器 - Google Patents

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曾平
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Abstract

本发明涉及一种垂吊式压电风能采集器，用于为无线传感器节点提供电力。主体通过螺钉安装在挂架上，挂件通过螺钉安装在挂架上、且置于主体内；1-50个压电换能器置于所述主体内，压电换能器由一对钵型压电振子通过铆钉铆接而成，钵型压电振子由钵型壳和环形压电晶片粘接而成；第一个压电换能器的上端与挂件铆接，两个相连压电换能器的钵型壳体通过空心铆钉铆接，最后一个压电换能器下端的钵型壳体与球销铆接，球销通过主体下端的通孔伸出；球销上套有弹簧，弹簧压接在最后一个压电振子和主体下端面之间，风帆通过螺钉安装在所述球销套上。优点是：采用多个压电振子串联同步发电，可收集任意方向的微弱风能。

Description

一种垂吊式压电风能采集器
技术领域
    本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种垂吊式压电风能采集器，为无线传感器节点提供能量供应。
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。以往人们只注重的大规模风力发电系统的研究，近年来，随着无线传感网络技术的日趋成熟及其在环境监测、大型建筑物及桥梁的健康监测、工业、军事及公共安全等领域应用的普及，为其提供持续人能源供应的微小型风力发电机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。目前已提的微小型风力发电机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。现有的压电式风力发电机大都为旋转式的，即首先利用风使叶片旋转、再有叶片带动转轴激励压电振子发电，如中国专利200920111349.7、200910081331.1、200910082047.6、201010519391.X等。上述旋转式压电风力发电机的除了结构复杂、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、并且当发电机安装固定后无法自动适应实时变化的风向。对于无线传感网络监测而言，传感器节点位置是根据实际需要确定的，而不像大规模风力发电机组是以最大风速和最佳风向为目标的，因此用于无线传感网络节点供电的压电风力发电机须具有较强的环境适应能力、以及较强的发电能力，以满足实时供电的需求。
发明内容
针对无线传感网络节点的使用环境特点以及现有旋转式压电风力发电机所存在的不足，本发明提供一种垂吊式风能采集器。
本发明采用的实施方案是：主体通过螺钉安装在挂架上，挂件通过螺钉安装在挂架上、且置于所述的主体内；1-50个压电换能器置于所述主体内，所述压电换能器由一对钵型压电振子通过铆钉铆接而成，所述钵型压电振子由钵型壳体和环形压电晶片粘接而成；所述第一个压电换能器上端钵型壳体与挂件铆接，两个相连压电换能器的钵型壳体通过空心铆钉铆接，所述的最后一个压电换能器下端的钵型壳体与球销的上端铆接，所述球销通过主体下端的通孔伸出；所述球销上套有弹簧，所述弹簧压接在最后一个压电振子和主体的下端面之间；所述球销下端的球头上套有球销套，风帆通过螺钉安装在所述球销套上，所述风帆由帆布与帆架铆接而成；同一个压电换能器上的两个压电晶片通过导线一连接，不同压电换能器上的两个压电晶片通过导线二连接，压电振子通过导线组与安装在主体侧壁的无线传感器节点连接。
本发明中，弹簧的作用是平衡压电换能器及风帆等的重力，使压电振子在静态时不发生弯曲变形，并在风力较大时保护压电振子因变形过大而损坏；“十字型”风帆的作用是采集任意方向的风能、且具有风的汇聚及风力放大功能；球销及球销套的作用是使风帆与主体作相对的水平面内转动和垂直方向的摆动，从而适应无规律的风向变化；多个压电换能器采用串联方式连接，同步发电，输出功率较大。
当帆布受风力作用时，帆架及球销套相对球销的球头中心转动、及偏转并使球销套的上端与主体的下端面接触，从而使球销、弹簧及压电振子受向下的拉力作用；风力消失或减小时，风帆在其自身重力及弹簧力的作用下反向运动，从而使压电振子受压，压电振子受拉或受压变形时即将机械能转换成电能；由于风帆的纵向尺寸远大于球销套横向尺寸，因此风帆可将风力放大；当风力过大并使压电振子的变形量达到所能承受的最大值时，弹簧也达到最大的压缩量，球销所承受的拉力通过弹簧直接传递到主体上，从而避免压电振子因变形过大而损坏。
本发明的特点及优势在于：                                               
Figure 2012101832222100002DEST_PATH_IMAGE002
采用垂吊式结构且与无线传感器节点集成，便于在任意环境下的安装固定；采用十字型风帆与球销结构，可实现任意方向及微弱风力的能量收集；
Figure 2012101832222100002DEST_PATH_IMAGE006
采用多压电振子串联并通过弹簧限位，发电能力强、可靠性高。钵型压电振子的晶片在同一表面只有一种应力状态，受拉或受压，同一表面产生电荷一样，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采集器静态时的结构示图；
图2 是图1的A-A剖示图；
图3是本发明一个较佳实施例中压电振子的结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是本发明一个较佳实施例中压电换能器的安装过程示意图；
图6是本发明一个较佳实施例中风能采集器受风力作用时的结构示图； 
图7是图4中B的局部放大图。
具体实施方式：
如图1、图2、图3、图4所示，主体2通过螺钉安装在挂架1上，挂件3通过螺钉安装在挂架1上、且置于所述的主体2内；1-50个压电换能器4置于所述主体2内，所述压电换能器4由一对钵型压电振子4-1通过铆钉4-2铆接而成，所述钵型压电振子4-1由钵型壳体4-1-1和环形压电晶片4-1-2粘接而成；所述第一个压电换能器4的上端与挂件3铆接，两个相连压电换能器4的钵型壳体4-1-1通过空心铆钉5铆接，所述的最后一个压电换能器4下端的钵型壳体4-1-1与球销6的上端铆接，所述球销6通过主体2下端的通孔2-1伸出；所述球销6上套有弹簧7，所述弹簧7压接在最后一个压电振子4和主体2的下端面之间；所述球销6下端的球头上套有球销套8，风帆9通过螺钉安装在所述球销套8上，所述风帆9由帆布9-2与帆架9-1铆接而成；同一个压电换能器4上的两个压电晶片4-1-2通过导线一10连接，不同压电换能器4上的两个压电晶片4-1-2通过导线二11连接，压电振子4-1通过导线组13与无线传感器节点12连接，所述无线传感器节点12通过螺钉安装在主体2的侧壁。
本发明中，弹簧7的作用是平衡压电换能器4及风帆9等的重力，使压电振子4-1在静态时不发生弯曲变形，并在风力较大时保护压电振子4-1因变形过大而损坏；“十字型”风帆9的作用是采集任意方向的风能、且具有风的汇聚及风力放大功能；球销6及球销套7的作用是使风帆9与主体2作相对的水平面内转动和垂直方向的摆动，从而适应无规律的风向变化；多个压电换能器4采用串联方式连接，同步发电，输出功率较大。
如图5所示，本发明中各压电换能器4的安装过程是这样的：首先将压电振子4-1与挂件3、或球销6或空心铆钉5铆接，然后再通过铆钉4-2将两个相邻的压电振子4-1铆接。
如图6、图7所示，当帆布9-2受风力作用时，帆架9-1及球销套8相对球销6的球头中心O点转动、并使球销套8的上端与主体2的下端面在C点接触，从而使球销6、弹簧7及压电振子4-1受向下的拉力作用；风力消失或减小时，风帆9在其自身重力及弹簧7的作用下反向运动，从而使压电振子4-1受压，压电振子4-1受拉或受压变形时即将机械能转换成电能；由于风帆9的纵向尺寸远大于球销套8横向尺寸，即OD远大于OC，因此风帆9可将风力放大；当风力过大并使压电振子4-1的变形量达到所能承受的最大值时，弹簧7也达到最大的压缩量，球销6所承受的拉力通过弹簧7直接传递到主体2上，从而避免压电振子4-1因变形过大而损坏。

Claims (1)

1.一种垂吊式压电风能采集器，其特征在于：主体通过螺钉安装在挂架上，挂件通过螺钉安装在挂架上、且置于所述的主体内；1-50个压电换能器置于所述主体内，所述压电换能器由一对钵型压电振子通过铆钉铆接而成，所述钵型压电振子由钵型壳体和环形压电晶片粘接而成；所述第一个压电换能器上端钵型壳体与挂件铆接，两个相连压电换能器的钵型壳体通过空心铆钉铆接，所述的最后一个压电换能器下端的钵型壳体与球销的上端铆接，所述球销通过主体下端的通孔伸出；所述球销上套有弹簧，所述弹簧压接在最后一个压电振子和主体的下端面之间；所述球销下端的球头上套有球销套，风帆通过螺钉安装在所述球销套上，所述风帆由帆布与帆架铆接而成；同一个压电换能器上的两个压电晶片通过导线一连接，不同压电换能器上的两个压电晶片通过导线二连接，压电振子通过导线组与安装在主体侧壁的无线传感器节点连接。
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