CN103066885A - 利用涡激振动的风能压电转换发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用涡激振动的风能压电转换发电装置，包括壳体、集风道、钝体、支撑架、压电片、箱体、以及设置在箱体内的电桥、直流稳压器和蓄电池；集风道与壳体的进风口连接，壳体内、且靠近进风口设多个钝体；支撑架安装在壳体内，其上设置至少一个压电片，压电片的自由端与钝体的内凹弧面对应；压电片的金属电极通过导线与电桥连接；电桥将交流电整流为直流电传输至直流稳压器；蓄电池用于存储直流稳压器输出的直流电。该发电装置利用可再生、洁净的清洁风绕流钝体产生卡门涡街，再通过带动能量密度大，发电效率高的压电片进行振动发电，提高了能源利用率，节约了能源，实现了无人自动控制持续自供电，并可以保护大气环境。

Description

利用涡激振动的风能压电转换发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种利用风能经过绕流钝体产生涡街驱动压电材料进行涡激振动发电的装置。

背景技术

无人传感器是一种世界范围内较为常见的研究项目。在地区偏远，环境恶劣的地方，使用电池对其供电存在巨大的不便性和技术难度。因此，设计出一种解决较小功率范围内持续稳定供电的装置，具有很强的实际意义和应用价值。

    压电效应是居里兄弟在100年前发现的，如果对压电材料施加应力，由于压电效应，压电片上下会产生电压差，称之为正压电效应；相反的，如果对其施加电压，则会使压电片产生机械应力从而产生机械位移，称之为逆压电效应。同时的，压电材料（锆钛酸铅PZT）具有较高的能量密度，峰值能量可以达到100-10000kw/kg。

    当空气流经钝体时，会在钝体后方产生卡门涡街，这是由冯卡门在1911年发现的现象。漩涡具有高能量，周期性等特点，且在漩涡行进过程中，存在一个区域，其漩涡强度最大，涡量最强。

    目前，使用压电材料进行风力发电还处于非常初级的阶段，常见的方法大致包括使用风力叶片带动转动轴承引起报警器等发声设备产生声音带动压电材料进行振动发电及直接用风吹动压电材料使其振动发电。这些方法存在风能能量利用率低，对风速要求较高等缺陷。单一的使用风吹过压电片在某些条件下可能会由于受力不均压电片停止振动的情况，从而影响发电效率。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供了一种提高能源利用率和无人控制的利用涡激振动的风能压电转换发电装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

利用涡激振动的风能压电转换发电装置，包括壳体、集风道、钝体、支撑架、压电片、箱体、以及设置在箱体内的电桥、直流稳压器和蓄电池；

所述壳体为筒状结构，筒状结构的壳体的一端为进风口，另一端为出风口；

所述集风道为喇叭结构，喇叭结构的集风道的小端口与壳体的进风口连接；

所述钝体为三角柱，三角柱的一面为平面，该平面为迎风面；三角柱的另外两面为内凹弧面；

所述壳体内、且靠近进风口设置多个钝体，钝体的迎风面与进风方向对应；支撑架安装在壳体内，支撑架上设置至少一个压电片，所述压电片的一端固定在支撑架上，另一端为自由端并与钝体的内凹弧面对应；

所述压电片的上、下表面的金属电极通过导线与电桥连接；

所述电桥用于将所述压电片上产生的交流电整流为直流电传输至所述直流稳压器；

所述直流稳压器用于将直流电进行稳压处理，输出稳定的电流；

所述蓄电池用于存储所述直流稳压器输出的直流电。

作为本发明的一种优选方案，该发电装置还包括控制器和逆变器；

所述控制器用于检测流经电桥的电流以及所述蓄电池的电量，并根据流经所述电桥的电流的大小来判断所述压电片的工作状态，当所述蓄电池的电量达到预先设定的阈值且有电流流经所述电桥时，启动所述逆变器；

所述逆变器用于在所述控制器的控制下将所述蓄电池存储的直流电转换成交流电输出。

作为本发明的另一种优选方案，该发电装置还包括增幅薄片，所述增幅薄片的一端连接在压电片的自由端上。

作为本发明的又一种优选方案，所述增幅薄片的材料为塑料薄膜。

作为本发明的一种改进方案，所述压电片由压电陶瓷材料制成。

作为本发明的另一种改进方案，所述支撑架上设有与压电片数量相等的插槽，在插槽内的两侧分别设置导电铜片，所述压电片插入插槽内，压电片的上、下表面的金属电极分别与插槽内两侧的导电铜片接触，导电铜片通过导线与电桥连接。

与现有技术相比，本发明的利用涡激振动的风能压电转换发电装置具有如下优点：

1、当风经过钝体后会产生漩涡，漩涡的周期性脱落及旋转的方向性均与压电片在受力时即产生电荷的特性相一致，且漩涡在击打压电片尾部的增幅薄片时，增幅薄片会带动压电片产生较强的振动，从而提高压电效率。

2、微风通过集风道进入壳体内加速，绕流过钝体，在一定条件下，钝体后流场会形成周期性的、具有稳定发放频率的脱体涡街，这些涡街作用于流场中的压电片，产生周期性的流体激振力使压电片振动，压电片振动能直接转换为电能。因此，该发电装置可有效利用环境中的微风，使其通过该装置时产生电能。

3、该发电装置利用微风发电，原动力充足，装置尺寸小，结构简单，应用范围广。

4、风能直接通过振动能形式转换为电能，没有传统集风装置的摩擦耗能，效率高；同时也克服了越来越严重的能源和环境危机，风力资源取之不尽，并且对环境无污染，克服风力发电中受地理条件影响的缺陷。

附图说明

图1为利用涡激振动的风能压电转换发电装置的结构示意图；

图2为集风道的结构示意图；

图3为集风角度和最大风速的曲线图

图4为钝体的结构示意图；

图5为压电片插入插槽的结构示意图。

附图中： 1—壳体； 2—集风道； 3—钝体； 4—支撑架； 5—压电片； 6—箱体； 7—电桥； 8—直流稳压器； 9—蓄电池； 10—导线； 11—控制器； 12—逆变器； 13—增幅薄片； 14—插槽； 15—导电铜片； 16—平面； 17—内凹弧面。

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，利用涡激振动的风能压电转换发电装置，包括壳体1、集风道2、钝体3、支撑架4、压电片5、箱体6、增幅薄片13、以及设置在箱体6内的电桥7、直流稳压器8、蓄电池9、控制器11和逆变器12。

其中，壳体1为筒状结构，筒状结构的壳体1的一端为进风口，另一端为出风口。图1中，壳体1的上端为进风口，壳体1的下端为出风口，出风口设计为渐扩状喷管，便于出风。

集风道2为喇叭结构，如图2所示，喇叭结构的集风道2的小端口与壳体1的进风口连接。集风道2的集风角度为54°～60°，选用渐缩式方式及在各角度集风效率如图3所示。

钝体3为三角柱，如图4所示，三角柱的一面为平面16，该平面16为迎风面；三角柱的另外两面为内凹弧面17。壳体1内、且靠近进风口设置多个钝体3，钝体3的迎风面与进风方向对应。支撑架4安装在壳体1内，支撑架4上设置至少一个压电片5，压电片5的一端固定在支撑架4上，另一端为自由端并与钝体3的内凹弧面对应。本实施例中，压电片5由压电陶瓷PZT（锆钛酸铅PZT）材料制成，易被吹动，压电片5采用“三明治”结构，采用长宽高为11cm×8cm×0.02cm的透明薄片作为中间层，两边为压电薄膜层。增幅薄片13的材料为塑料薄膜，增幅薄片13连接在压电片5的自由端上。

如图5所示，支撑架4上设有与压电片5数量相等的插槽14，在插槽14内的两侧分别设置导电铜片15，压电片5插入插槽14内，压电片5的上、下表面的金属电极分别与插槽14内两侧的导电铜片15接触，导电铜片15通过导线10与电桥7连接。插槽14由绝缘材料制成，在压电片5插入插槽时，压电片5固定端两侧也同时连接导电铜片15，导电铜片15和压电片5上、下表面的金属电极接触进行导电，从而可以实现压电片安装与拆卸方便、简便。

自然风通过集风道2绕流钝体3后会形成周期性的、具有稳定发放频率的脱体涡街，这些涡街作用于流场中的压电片5，产生周期性的流体激振力，流体激振力使设置在流场中的压电片5振动，利用压电效应，振动能直接转换为电能，通过导线10输入电桥7。电桥7用于将压电片5上产生的交流电整流为直流电传输至直流稳压器8。直流稳压器8用于将直流电进行稳压处理，输出稳定的电流；蓄电池9用于存储直流稳压器8输出的直流电。控制器11用于检测流经电桥7的电流以及蓄电池9的电量，并根据流经电桥7的电流的大小来判断压电片5的工作状态，当蓄电池9的电量达到预先设定的阈值且有电流流经电桥7时，启动逆变器12。逆变器12用于在控制器11的控制下将蓄电池9存储的直流电转换成交流电输出。

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 (6)

1.利用涡激振动的风能压电转换发电装置，其特征在于，包括壳体（1）、集风道（2）、钝体（3）、支撑架（4）、压电片（5）、箱体（6）、以及设置在箱体（6）内的电桥（7）、直流稳压器（8）和蓄电池（9）；

所述壳体（1）为筒状结构，筒状结构的壳体（1）的一端为进风口，另一端为出风口；

所述集风道（2）为喇叭结构，喇叭结构的集风道（2）的小端口与壳体（1）的进风口连接；

所述钝体（3）为三角柱，三角柱的一面为平面（16），该平面（16）为迎风面；三角柱的另外两面为内凹弧面（17）；

所述壳体（1）内、且靠近进风口设置多个钝体（3），钝体（3）的迎风面与进风方向对应；支撑架（4）安装在壳体（1）内，支撑架（4）上设置至少一个压电片（5），所述压电片（5）的一端固定在支撑架（4）上，另一端为自由端并与钝体（3）的内凹弧面对应；

所述压电片（5）的上、下表面的金属电极通过导线（10）与电桥（7）连接；

所述电桥（7）用于将所述压电片（5）上产生的交流电整流为直流电传输至所述直流稳压器（8）；

所述直流稳压器（8）用于将直流电进行稳压处理，输出稳定的电流；

所述蓄电池（9）用于存储所述直流稳压器（8）输出的直流电。

2.根据权利要求1所述的利用涡激振动的风能压电转换发电装置，其特征在于：还包括控制器（11）和逆变器（12）；

所述控制器（11）用于检测流经电桥（7）的电流以及所述蓄电池（9）的电量，并根据流经所述电桥（7）的电流的大小来判断所述压电片（5）的工作状态，当所述蓄电池（9）的电量达到预先设定的阈值且有电流流经所述电桥（7）时，启动所述逆变器（12）；

所述逆变器（12）用于在所述控制器（11）的控制下将所述蓄电池（9）存储的直流电转换成交流电输出。

3.根据权利要求1所述的利用涡激振动的风能压电转换发电装置，其特征在于：还包括增幅薄片（13），所述增幅薄片（13）连接在压电片（5）的自由端上。

4.根据权利要求1所述的利用涡激振动的风能压电转换发电装置，其特征在于：所述增幅薄片（13）的材料为塑料薄膜。

5.根据权利要求1所述的利用涡激振动的风能压电转换发电装置，其特征在于：所述压电片（5）由压电陶瓷材料制成。

6.根据权利要求1所述的利用涡激振动的风能压电转换发电装置，其特征在于：所述支撑架（4）上设有与压电片（5）数量相等的插槽（14），在插槽（14）内的两侧分别设置导电铜片（15），所述压电片（5）插入插槽（14）内，压电片（5）的上、下表面的金属电极分别与插槽（14）内两侧的导电铜片（15）接触，导电铜片（15）通过导线（10）与电桥（7）连接。

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