CN104660099A - 一种音叉式压电谐振腔风能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，包括有簧片、压电陶瓷片、质量块、基座、盖板和前侧板，两个簧片分别固定于基座两侧构成音叉式结构，左右簧片、基座、上下盖板和左右前侧板构成谐振腔，压电陶瓷片粘贴于簧片根部区域，磁性质量块粘贴于簧片端部区域。上下盖板和左右前侧板前端形成谐振腔入风口，两侧簧片弯曲形成谐振腔出风口。本发明类似于口琴原理，当气流通过入风口进入谐振腔，空气流动能转化成结构振动能，使簧片产生音叉式自激振荡，利用磁性质量块降低谐振频率和抑制簧片过大振幅，利用压电陶瓷片将簧片的振动能转化为电能，从而实现风能发电。

Description

一种音叉式压电谐振腔风能发电装置

技术领域

本发明涉及微型化能量回收装置领域，具体是一种音叉式压电谐振腔风能发电装置。

背景技术

能源是人民生活和社会发展的驱动力，现行的能源供给方式主要是石油、煤炭以及天然气等的化石能源，这些化石能源的存储量是有限的，随着人们大量的开采已经日益减少，并且这些化石燃料的使用对水环境、空气环境等产生了极其恶劣的影响。因此，新能源的开发利用是社会发展的需求和趋势。风能是一种自然界广泛存在的能量形式，资源丰富、清洁、廉价、可再生，风能开发和利用具有广阔的应用前景。

微执行器和无线传感器网络等微型系统已广泛应用于环境监测、在线故障诊断、物联网、抗震救灾、军事侦察等重要领域，小型化、低功率化的微型电子器件的发展使得低功率能量供给系统获得了大规模的应用。对于便携式电子设备和无线传感网络节点，传统的能量供给装置为电池，由于容量和使用寿命的限制，电池无法给传感网络节点提供持续的电能，而大型网络的电池更换工作繁重而耗时，废旧电池亦会对环境产生严重的污染。近年来，通过微型化能量回收装置，将环境中存在的能源转化为电能来实现低功耗器件的能源自给的途径，受到各国科研机构、技术企业和政府部门的重视，取得了长足的发展，微型化风能回收装置亦得到了广泛的关注。

目前提出的微型化风能发电装置主要包括涡轮式、风车式、风带式、簧片式等结构。但现有的风能发电结构设计都存在很多不完善的地方，如输出功率较低、能量转化效率不高、适用风速范围窄、安装要求高、存在摩擦磨损、制造成本高等，实际应用中仍存在一些难以克服的问题。

发明内容    本发明的目的是提供一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，以解决现有技术的风力发电装置微型化过程中存在的输出功率低、转化效率低、摩擦磨损、安装难度大、成本高等问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，其特征在于：包括有形状相同且上下平行相对设置的上盖板和下盖板，上、下盖板后部之间设置有基座，且上盖板后部固定于基座上表面，下盖板后部固定于基座下表面，上、下盖板的左侧前部之间和右侧前部之间分别连接有前侧板，上、下盖板的左侧之间和右侧之间还分别设置有可弯曲的簧片，所述簧片后部固定于基座对应侧侧面，簧片前端朝向对应侧前侧板并与对应侧前侧板之间有间隙，簧片上侧边与上盖板之间、下侧边与下盖板之间亦有间隙，由上、下盖板、基座、左右侧前侧板、左右侧簧片围成谐振腔，且上、下盖板前端和左右侧前侧板前端形成谐振腔入风口，簧片弯曲时前端与对应侧前侧板之间空隙形成谐振腔出风口，所述簧片的前部位置单侧或两侧贴设有质量块，簧片与基座接近的根部位置单侧或两侧贴设有压电陶瓷片。

所述的一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，其特征在于：所述上、下盖板设置为等腰梯形，且上、下盖板前端为等腰梯形底边，谐振腔随上、下盖板形状设置为等腰梯形体结构，谐振腔入风口宽度大于基座前端宽度，前侧板和基座高度相等，簧片与上、下盖板以及前侧板之间保持微小的间隙，以保证簧片自由弯曲运动。

所述的一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，其特征在于：所述上下盖板和前侧板材料均为有机玻璃，上下盖板和前侧板通过有机玻璃胶水粘结为整体，所述基座材料为不锈钢块，上下盖板后部通过螺钉或环氧树脂胶对应固定于基座的上下表面。

所述的一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，其特征在于：所述簧片后部通过螺钉固定于基座的对应侧侧面，所述压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘贴于簧片根部区域的单侧或两侧，所述质量块通过螺钉或环氧树脂胶固定于簧片端部区域的单侧或两侧，所述压电陶瓷片和质量块、簧片高度相等。

所述的一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，其特征在于：所述簧片材料为不锈钢片，所述压电陶瓷片材料为PZT，压电陶瓷片上下表面镀银电极，厚度方向极化，所述的质量块为磁性材料，两簧片内侧贴设的质量块磁性相互排斥。

本发明供了一种成本低廉、安装方便、功率输出稳定、使用寿命长的音叉式压电谐振腔风能发电装置，在某些场合可替代电池，以适应无线传感领域的应用需求。

与已有技术相比，本发明的优点是：

采用双簧片对称结构，簧片尺寸、结构参数一致，类似于音叉结构，簧片共振时，簧片根部与基座产生的相反方向的应力会抵消，所以簧片的振动不会对装置产生影响，而且整个装置只有簧片在做振动，不存在摩擦运动，所以装置的寿命很长。而且在簧片的端部加上磁性质量块会降低簧片的谐振频率，容易使簧片产生共振，而且对簧片也产生了一种保护。

采用谐振腔结构，可以增大簧片的振动效率，提高风能转换效率。

该装置结构简单，容易安装，成本低，寿命长，尺寸小，易实现微型化。

附图说明

图1是本发明轴测示意图。

图2是本发明主剖视示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，包括有形状相同且上下平行相对设置的上盖板5-1和下盖板5-2，上、下盖板5-1、5-2后部之间设置有基座4，且上盖板5-1后部固定于基座4上表面，下盖板5-2后部固定于基座4下表面，上、下盖板5-1、5-2的左侧前部之间和右侧前部之间分别连接有前侧板6，上、下盖板5-1、5-2的左侧之间和右侧之间还分别设置有可弯曲的簧片1，簧片1后部固定于基座4对应侧侧面，簧片1前端朝向对应侧前侧板6并与对应侧前侧板6之间有间隙，簧片1上侧边与上盖板5-1之间、下侧边与下盖板5-2之间亦有间隙，由上、下盖板5-1和5-2、基座4、左右侧前侧板6、左右侧簧片1围成谐振腔，且上、下盖板5-1和5-2前端和左右侧前侧板6前端形成谐振腔入风口，簧片1弯曲时前端与对应侧前侧板6之间空隙形成谐振腔出风口，簧片1的前部位置单侧或两侧贴设有质量块3，簧片1与基座4接近的根部位置单侧或两侧贴设有压电陶瓷片2。

上、下盖板5-1和5-2设置为等腰梯形，且上、下盖板5-1和5-2前端为等腰梯形底边，谐振腔随上、下盖板5-1和5-2形状设置为等腰梯形体结构，谐振腔入风口宽度大于基座4前端宽度，前侧板6和基座4高度相等，簧片1与上、下盖板5-1和5-2以及前侧板6之间保持微小的间隙，以保证簧片1自由弯曲运动。

上下盖板5-1和5-2和前侧板6材料均为有机玻璃，上下盖板5-1和5-2和前侧板6通过有机玻璃胶水粘结为整体，基座4材料为不锈钢块，上下盖板5-1和5-2后部通过螺钉或环氧树脂胶对应固定于基座4的上下表面。

簧片1后部通过螺钉固定于基座4的对应侧侧面，压电陶瓷片2通过环氧树脂胶粘贴于簧片1根部区域的单侧或两侧，质量块3通过螺钉或环氧树脂胶固定于簧片1端部区域的单侧或两侧，压电陶瓷片2和质量块3、簧片1高度相等。

簧片1材料为不锈钢片，压电陶瓷片2材料为PZT，压电陶瓷片2上下表面镀银电极，厚度方向极化，质量块3为磁性材料，两簧片1内侧贴设的质量块磁性相互排斥。

本发明根据口琴的工作原理，将音叉结构与谐振腔相结合，发电部件是压电陶瓷，粘接在簧片根部上共同构成了一个微型风能发电装置。

具体的工作过程及原理：

本发明中，当气流从谐振腔的入风口吹入，由于簧片1堵住了谐振腔体的侧面，气流的不断涌入使谐振腔体内部的压力增大，在内外压差的作用下，迫使簧片1的自由端向外弯曲；当簧片1弯曲一定程度，在谐振腔侧面形成出风口，释放出腔体内的高压空气，腔体内外压差降低，簧片1回弹；当气流持续存在的时候，簧片1就会产生周期性的自激来回弯曲振动。压电陶瓷2粘接在簧片1根部，簧片弯曲振动产生周期性的变形，使得压电陶瓷片产生周期性的应力，由于压电效应，压电陶瓷片表面电极上就会产生电荷，电荷经过导线连接电能存储元件或负载，就会将产生的交流电能存储起来或驱动负载。

Claims (5)

1.一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，其特征在于：包括有形状相同且上下平行相对设置的上盖板和下盖板，上、下盖板后部之间设置有基座，且上盖板后部固定于基座上表面，下盖板后部固定于基座下表面，上、下盖板的左侧前部之间和右侧前部之间分别连接有前侧板，上、下盖板的左侧之间和右侧之间还分别设置有可弯曲的簧片，所述簧片后部固定于基座对应侧侧面，簧片前端朝向对应侧前侧板并与对应侧前侧板之间有间隙，簧片上侧边与上盖板之间、下侧边与下盖板之间亦有间隙，由上、下盖板、基座、左右侧前侧板、左右侧簧片围成谐振腔，且上、下盖板前端和左右侧前侧板前端形成谐振腔入风口，簧片弯曲时前端与对应侧前侧板之间空隙形成谐振腔出风口，所述簧片的前部位置单侧或两侧贴设有质量块，簧片与基座接近的根部位置单侧或两侧贴设有压电陶瓷片。

2.根据权利要求1所述的一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，其特征在于：所述上、下盖板设置为等腰梯形，且上、下盖板前端为等腰梯形底边，谐振腔随上、下盖板形状设置为等腰梯形体结构，谐振腔入风口宽度大于基座前端宽度，前侧板和基座高度相等，簧片与上、下盖板以及前侧板之间保持微小的间隙，以保证簧片自由弯曲运动。

3.根据权利要求1所述的一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，其特征在于：所述上下盖板和前侧板材料均为有机玻璃，上下盖板和前侧板通过有机玻璃胶水粘结为整体，所述基座材料为不锈钢块，上下盖板后部通过螺钉或环氧树脂胶对应固定于基座的上下表面。

4.根据权利要求1所述的一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，其特征在于：所述簧片后部通过螺钉固定于基座的对应侧侧面，所述压电陶瓷片通过环氧树脂胶粘贴于簧片根部区域的单侧或两侧，所述质量块通过螺钉或环氧树脂胶固定于簧片端部区域的单侧或两侧，所述压电陶瓷片和质量块、簧片高度相等。

5.根据权利要求1所述的一种音叉式压电谐振腔风能发电装置，其特征在于：所述簧片材料为不锈钢片，所述压电陶瓷片材料为PZT，压电陶瓷片上下表面镀银电极，厚度方向极化，所述的质量块为磁性材料，两簧片内侧贴设的质量块磁性相互排斥。