CN102707084B - 一种带谐振腔的自供能风速计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带谐振腔的自供能风速计，包括长方体谐振腔和振动梁；谐振腔上有入风口和出风口；振动梁由压电复合梁和柔性梁组成，压电复合梁包含至少一个压电层；振动梁安装于谐振腔侧壁出风口处，其自由端朝入风口方向，并与风向形成一个攻角，振动梁的长度和宽度小于出风口的长度和宽度；压电层的金属电极分别连接储能器和频率计。谐振腔改变了流场分布，降低了风能采集的下临界风速，提高了低风速下的输出功率；风载荷在振动梁内产生轴向压力，降低了其抗弯刚度和固有频率，当风速在下临界风速和上临界风速之间时，压电层输出电压高于给定阈值，利用频率计测量压电层输出电压的频率就可以实现对风速的测量。

Description

一种带谐振腔的自供能风速计

技术领域

本发明属于测控仪器和可再生能源的交叉领域，特别涉及到风速测量仪器和将环境风能转换为电能的微能源器件。

背景技术

风速测量在气象、煤矿、隧道等的监测中均得到广泛应用，现有的风速计都需要一个独立的电源（大多为电池）为其供电，但对于偏远地区或危险地区的风速监测网络而言，大批量更换电池或充电不仅耗时、耗力，甚至是难以完成的。因此研制自供能的风速计具有重要意义。

微型能量采集器（如微型太阳能电池、热电池、振动能采集器、风能采集器等）具有低成本、小体积、长寿命、易集成、不需更换或充电等诸多优点，是无线传感网络节点、自治式微系统等的一种理想电源，近年来受到国内外广泛关注。风能是自然界广泛存在的一种可再生清洁能源，将环境风能转换为电能的微型风能采集器已成为目前国内外微能源研究的热点。基于风致振动机理的微型风能采集器具有可微型化、结构简单、易于加工等特点，是微型风能采集器的一种易于实现的技术方案。

当风速大于下临界风速时，基于风致振动机理的微型风能采集器才有较高的输出功率。目前报道的基于风致振动机理的微型风能采集器的下临界风速较高（大多在10m/s左右）。实际应用环境的风速大多低于10m/s，此时采集器的输出功率极小，不能满足应用对象的用电需求，因此开展降低微型风能采集器下临界风速的研究十分重要。另外，由于环境中的雨水、烈日、碰撞等均可能对采集器的性能均有重要影响，因此研究微型风能采集器的封装结构对微型风能采集器的实际应用具有重要意义。

发明内容

本发明针对风速计和微型风能采集器在实际应用时遇到的问题，提出了一种带谐振腔的自供能风速计，该谐振腔不仅可以降低风能采集的下临界风速，还可以实现对风速计结构的保护。

为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种带谐振腔的自供能风速计，该自供能风速计包括长方体谐振腔、振动梁、储能器和频率计；

所述谐振腔前侧开口为入风口，谐振腔侧壁的长方形开口为出风口；

所述振动梁由压电复合梁和柔性梁组成，压电复合梁包含至少一个压电层，压电层的上、下表面均有金属电极；

所述振动梁安装于谐振腔侧壁出风口处，柔性梁的一端形成自由端，自由端朝入风口方向，并向谐振腔内倾斜，与风向形成一个攻角，振动梁的长度小于出风口的长度，振动梁的宽度小于出风口的宽度；

所述压电层的金属电极分别连接储能器和频率计，储能器向频率计供电。

作为本发明的一种优选方案，所述自由端与风向形成一个5°~30°的攻角。

在风载荷作用下，气流流入谐振腔后减速，使腔内气压升高；柔性梁刚度很小，将向出风口处弯曲，机械回复力使其回到原位；当外界风速在下临界风速和上临界风速之间时，柔性梁形成稳定的自激振荡，使压电复合梁压电层内产生周期性形变，在压电层上、下表面引出金属电极便可以为储能器或负载供电，实现风能的获取与转换；另一方面，风载荷在振动梁内产生轴向压力，从而降低了振动梁的抗弯刚度，进一步降低了其固有频率，频率随着风速的增加单调降低，因此当风速在下临界风速和上临界风速之间时，利用频率计测量压电层输出电压的频率就可以实现对风速的测量。谐振腔结构改变了振动梁附近的流场分布，扩大了作用于振动梁的动风载荷，从而降低了风能采集的下临界风速，提高了低风速下的输出功率；当风速在下临界风速和上临界风速之间时，通过测量压电层输出电压的频率就可以实现对环境风速的检测。

与现有技术相比，本发明提出的一种带谐振腔的自供能风速计具有如下优点：

1、本发明提出的带谐振腔的自供能风速计，其通过引入谐振腔，改变了振动梁附近的流场分布，扩大了作用于振动梁的动风载荷，从而降低了风能采集的下临界风速，提高了其在低风速下的输出功率。

2、本发明提出的带谐振腔的自供能风速计，当风速在下临界风速和上临界风速之间时，输出电压大于给定阈值，压电层输出电压随风速的增加单调降低，因此通过测量输出电压的频率就可以实现风速的测量。

3、本发明提出的带谐振腔的自供能风速计，谐振腔对振动梁等具有明显的保护作用，可以有效降低雨水、烈日、碰撞等均对器件的影响，从而提高器件的寿命。

附图说明

图1是带谐振腔的自供能风速计的结构示意图；

图2是带谐振腔的自供能风速计俯视图；

图3是带谐振腔的自供能风速计主视图；

图4是带谐振腔的自供能风速计左视图；

图5是实验测得的输出电压有效值与风速的关系图；

图6是实验测得的输出电压频率与风速的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，一种带谐振腔的自供能风速计，包括长方体谐振腔1、振动梁2、储能器和用于检测电流或电压频率的频率计（图中未画出）。振动梁2由压电复合梁3和柔性梁4组成，谐振腔1前侧开口作为入风口，谐振腔1侧壁的长方形开口作为出风口，振动梁2安装于谐振腔1侧壁出风口处，柔性梁4的一端形成自由端，自由端朝向入风口方向，并向谐振腔1内倾斜，与风向形成一个5°~30°的攻角，振动梁2的长度和宽度小于出风口的长度和宽度，以确保振动梁2可以自由地通过出风口。该自供能风速计的俯视图、主视图和左视图分别见图2、图3和图4。压电层的金属电极分别连接储能器和频率计，储能器向频率计供电。

如图1所示的带谐振腔的自供能风速计在风载荷作用下，气流流入谐振腔1后减速，使腔内气压升高；柔性梁4刚度很小，将向出风口处弯曲，机械回复力使其回到原位。当外界风速在下临界风速和上临界风速之间时，柔性梁4形成稳定的自激振荡，使压电复合梁3的压电层内产生周期性形变，在压电层上、下表面引出金属电极便可以为储能器或负载供电，实现风能的获取与转换。谐振腔1改变了振动梁2附近的流场分布，扩大了作用于振动梁2的动风载荷，从而降低了风能采集的下临界风速，提高了压电层在低风速下的输出功率；另一方面，风载荷在振动梁2内产生轴向压力，从而降低了其抗弯刚度，进一步降低了其固有频率，频率随着风速的增加单调降低，因此当风速在下临界风速和上临界风速之间时，压电层的输出电压有效值大于给定阈值，通过采用频率计测量压电层输出电压的频率就可以实现对风速的测量。

为了验证本发明提出的带谐振腔的自供能风速计即可以将环境中的风能转换为电能，同时还具有测量风速的能力，制作了原理样机。样机的长方体谐振腔的外部尺寸和内部尺寸分别为64 mm×22 mm×14 mm和60 mm×20 mm×10 mm，长方体侧壁出风口的长度和宽度分别为38 mm和6.8 mm；压电复合梁选用Piezo Systems公司型号为T215-H4-203X的压电片，柔性梁采用PET材料，压电复合梁的长度、宽度和厚度分别为18 mm、6.4 mm和0.38 mm，柔性梁的长度、宽度和厚度分别为20 mm、6.4 mm 和0.25 mm；振动梁与风向的初始夹角约为10° 。

在小型风洞内对样机（即本发明的带谐振腔的自供能风速计）进行测试，当风速从2.2m/s逐渐增加到16.5m/s时，测得的压电层上、下电极之间的开路电压有效值如图5所示。由图5可见，当风速由2.2m/s增加到2.9m/s时，压电层开路电压略有增加，此时振动梁的振动不是稳定的简谐振动，开路电压不稳定，没有明显的优势频率出现；当风速由2.9m/s增加到3.1m/s时，开路电压由133mV陡增到1.74V，此时振动梁的振动是稳定的简谐振动，开路电压呈现为稳定的正弦波，相应的优势频率为60.8 Hz；风速增加到5.3m/s时，开路电压增加到2.57V，相应的频率降低到59.0 Hz；当风速进一步增加到9.6m/s时，开路电压降低为1.51V，相应的优势频率也降低为52.3 Hz；当风速增加到10.2 m/s时，开路电压陡然下降到57 mV，振动梁的振动不再是稳定的简谐振动，开路电压没有明显的优势频率，当风速进一步增加到16.5m/s时，开路电压约为248 mV。由以上实验结果可见，样机的下临界风速约为3.1m/s，上临界风速约为9.6m/s，当风速在下临界风速和上临界风速之间时，样机有较大功率输出，开路电压呈现为稳定的正弦波，有明显的优势频率，该优势频率随着风速的增加单调降低（见图6），因此通过测量压电层输出电压的频率，可以实现对风速的定量检测。

以上实验表明，本发明提出的带谐振腔的自供能风速计即可以将环境中的风能转换为电能，同时还具有测量风速的能力，该自供能风速计结构简单、便于制作，在气象监测等领域具有广阔应用前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种带谐振腔的自供能风速计，其特征在于：该自供能风速计包括长方体谐振腔、振动梁、储能器和频率计；

所述谐振腔前侧开口为入风口，谐振腔侧壁的长方形开口为出风口；

所述振动梁由压电复合梁和柔性梁组成，压电复合梁包含至少一个压电层，压电层的上、下表面均有金属电极；

所述振动梁安装于谐振腔侧壁出风口处，柔性梁的一端形成自由端，自由端朝入风口方向，并向谐振腔内倾斜，与风向形成一个攻角，振动梁的长度小于出风口的长度，振动梁的宽度小于出风口的宽度；

所述压电层的金属电极分别连接储能器和频率计，储能器向频率计供电；

所述自由端与风向形成一个5°~30°的攻角；

所述长方体谐振腔的外部尺寸和内部尺寸分别为64 mm×22 mm×14 mm和60 mm×20 mm×10 mm，长方体侧壁出风口的长度和宽度分别为38 mm和6.8 mm；所述压电复合梁的长度、宽度和厚度分别为18 mm、6.4 mm和0.38 mm，柔性梁的长度、宽度和厚度分别为20 mm、6.4 mm 和0.25 mm；振动梁与风向的初始夹角约为10°。