CN104779766B - 用于构建风能采集器的振动结构及风能采集器 - Google Patents

Abstract

一种用于构建风能采集器的振动结构，其创新在于：所述振动结构由振动部和固定部组成；所述振动部由带状弹性材料塑形而成，所述带状弹性材料弯曲成U形，U形的开口部朝下，U形开口处两侧的带状弹性材料端部与固定部固定连接。本发明的有益技术效果是：提供了一种新的振动结构及风能采集器，得益于振动结构的结构优点，风能采集器对风向和风速的适应范围得到了扩展，能量采集效率得到了提高。

Description

用于构建风能采集器的振动结构及风能采集器

技术领域

本发明涉及一种能量采集装置，尤其涉及一种用于构建风能采集器的振动结构及风能采集器。

背景技术

无线传感技术和微型集成电子电路的不断发展，使得构建具有成千上万个节点的无线传感网络成为可能；传统电池由于存在尺寸大、寿命有限、污染环境等缺点，其在无线传感网络中的应用受到了限制；将环境能(如振动能、太阳能、风能等)转换为电能的能量采集器由于具备无化学原料、使用寿命长、易于集成等优点，是解决无线传感网络供能问题的有效途径。

风能是一种自然界中广泛存在的清洁能源，现有技术中，一般通过风能采集器来对风能进行采集并将其转换为电能；常见的风能采集器利用的风致振动机理主要有涡致振动、颤振和驰振，如中国发明专利CN103075313A、CN103762894A和CN103762896A公开的涡致振动风能采集器，它们主要适用于低风速条件下的风能采集，中国发明专利CN103715857A公开了一种颤振和电磁感应效应的风力发电装置，需要根据风场风速条件设计颤振翼参数并调整配重；中国发明专利CN103762896A公开了一种利用风致阻流体驰振的原理和压电效应，将风能转换为电能的装置，适用风速范围为1-6m/s；以上发明专利中的采集装置响应的风速范围都较窄；另外，现有报道的风能采集装置大多只能收集单一方向的风能，这就大大限制了它们在风速或风向随时间变化的环境中的采能效率。为实现多方向，宽风速范围的风能采集，中国发明专利CN102900621A公开了一种压电电磁并列风力发电装置，该装置使用风向仪监测风向，并自动调整装置方向，使风能采集器对准风向；使用脉动开关监测风速，并根据风速大小控制通风量。此发明可以在一定程度上实现多方向、宽风速范围的风能采集，但是需要采用旋转架、连杆等一些传动机械装置，并且需要消耗电能来控制这些机械装置，大大降低了其采集风能的效率。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种用于构建风能采集器的振动结构，其创新在于：所述振动结构由振动部和固定部组成；所述振动部由带状弹性材料塑形而成，所述带状弹性材料弯曲成U形，U形的开口部朝下，U形开口处两侧的带状弹性材料端部与固定部固定连接。

本发明的原理是：前述的振动结构采用带状弹性材料制作，其具备厚度薄、质量轻的特点，带状弹性材料弯曲成U形后，与固定部连接在一起围成一封闭区域，利用弹性材料自身的弹性模量使振动结构预先储存了一定的应力，当气体吹拂在振动结构上时，由于U形结构的扰流作用，振动结构可以在任意方向上的风力激励下产生流致振动，并且振动结构在不同风速条件下，会表现出不同的振型，将这种振动结构制作成风能采集器后，可以大大扩展风能采集器对风向和风速的适应范围，提高风能采集器的能量采集效率，改善风能采集器性能。另外，本发明结构简单，不需要设置结构复杂的扰流装置。

优选地，所述振动部上U形开口处的间隙宽度小于U形中部的间隙宽度。采用此优选方案后，可以使振动部的重心远离固定部，当气体吹拂到振动部上时，振动部可以以更加灵活、自由的方式振动，同时，此改进还能有效控制振动部的顶部向内凹陷的程度，避免振动部因顶部向内凹陷过大而无法回复形变；另外，振动部上U形开口处的结构体弯曲弧度较小，可以有效避免振动部倒伏。

优选地，所述固定部为U形结构体，固定部的外侧面与振动部的外侧面平滑过渡，固定部内部的U形腔与振动部的U形开口向对，固定部的内侧面与振动部的内侧面平滑过渡；固定部内部的U形腔底部设置有固定孔。所述固定孔用于穿套螺栓，固定部通过螺栓固定在其他支承结构上；采用此改进后，固定部内部的U形腔与振动部上的U形腔形成整体，可以有效增加进入振动部内侧面的风量；另外，固定部采用螺栓固定的方式，也使得固定部可以在一定程度上发生振动，增强振动结构的振动效果。

在前述方案的基础上，本发明还提出了一种风能采集器，其特征在于：所述风能采集器由振动部、固定部和电输出部组成；所述振动部由带状弹性材料塑形而成，所述带状弹性材料弯曲成U形，U形的开口部朝下，U形开口处两侧的带状弹性材料端部与固定部固定连接；所述电输出部从如下四种并列方案中择一采用：

方案一：所述电输出部由连接板、感应线圈和永磁铁组成；所述连接板设置于振动部的内腔中，连接板两端分别与水平方向上振动部两侧的内壁连接；所述感应线圈设置于连接板的下侧面上；所述永磁铁设置于固定部上，应线圈位于永磁铁的磁场作用范围内；

方案二：所述电输出部由两块条形电极组成；第一条形电极设置于振动部的内腔中，第一条形电极两端分别与水平方向上振动部的内壁连接；第二条形电极设置于固定部上，第二条形电极位于振动部上U形开口处的间隙内；两个条形电极的极性面相对；

方案三：所述电输出部由固定板、永磁体和层状复合磁电换能器组成；所述固定板设置于振动部的内腔中，固定板两端分别与水平方向上振动部的内壁连接；层状复合磁电换能器设置于固定部上，层状复合磁电换能器位于振动部上U形开口处的间隙内；

方案四：所述电输出部由多片压电材料片组成；或者多片压电材料片粘贴在振动部的外周面上，或者多片压电材料片粘贴在振动部的内周面上，或者在振动部的外周面和内周面上同时粘贴多片压电材料片。

前述风能采集器方案中，振动部和固定部的功能如前所述，四种电输出部的原理分别如下：1）方案一中采用连接板、感应线圈和永磁铁来构成电输出部，当振动部在风力作用下振动时，感应线圈也随之发生振动，感应线圈振动过程中，就会往复切割永磁铁的磁力线，从而在感应线圈上形成交流输出；2）方案二中的两块条形电极在振动部的传动作用下，就会发生相对运动，形成电输出；3）方案三中，永磁体会随着振动部发生振动，这就等效为层状复合磁电换能器在磁场中运动，当层状复合磁电换能器感应到磁场变化后就能形成电输出。

优选地，所述振动部上U形开口处的间隙宽度小于U形中部的间隙宽度。

优选地，所述固定部为U形结构体，固定部的外侧面与振动部的外侧面平滑过渡，固定部内部的U形腔与振动部的U形开口向对；固定部内部的U形腔底部设置有固定孔；

采用方案一时，所述固定部上的U形腔开口处设置有支撑板，支撑板两端分别与水平方向上固定部两侧的内壁连接，所述永磁铁设置于支撑板上；

采用方案二时，所述第二条形电极设置于固定部上的U形腔开口处，第二条形电极两端分别与水平方向上固定部两侧的内壁连接；

采用方案三时，所述固定部上的U形腔开口处设置有支板，支板两端分别与水平方向上固定部两侧的内壁连接，所述层状复合磁电换能器的下端与支板连接。

优选地，采用方案一时，所述连接板采用绝缘材料制作，所述支撑板采用不导磁材料制作。

优选地，采用方案三时，所述层状复合磁电换能器和支板之间设置有永磁体二，永磁体二下端与支板上侧面连接，永磁体二上端与层状复合磁电换能器下端连接；永磁体二和永磁体的相对面极性相反；设置了永磁体二后，可以进一步提高磁场变化率。

优选地，所述固定板和支板均采用不导磁材料制作。

本发明的有益技术效果是：提供了一种新的振动结构及风能采集器，得益于振动结构的结构优点，风能采集器对风向和风速的适应范围得到了扩展，能量采集效率得到了提高。

附图说明

图1、本发明的振动结构的结构示意图；

图2、电输出部采用方案一时的结构示意图；

图3、电输出部采用方案二时的结构示意图；

图4、电输出部采用方案三时的结构示意图；

图5、电输出部采用方案四时的结构示意图；

图6、本发明的原理示意图一；

图7、本发明的原理示意图二；

图中各个标记所对应的名称分别为：振动部1、固定部2、连接板3、感应线圈4、永磁铁5、条形电极6、固定板7、永磁体8、层状复合磁电换能器9、支撑板10、支板11、永磁体二12、压电材料片13。

具体实施方式

一种用于构建风能采集器的振动结构，其创新在于：所述振动结构由振动部1和固定部2组成；所述振动部1由带状弹性材料塑形而成，所述带状弹性材料弯曲成U形，U形的开口部朝下，U形开口处两侧的带状弹性材料端部与固定部2固定连接。

进一步地，所述振动部1上U形开口处的间隙宽度小于U形中部的间隙宽度。

进一步地，所述固定部2为U形结构体，固定部2的外侧面与振动部1的外侧面平滑过渡，固定部2内部的U形腔与振动部1的U形开口向对，固定部2的内侧面与振动部1的内侧面平滑过渡；固定部2内部的U形腔底部设置有固定孔。

一种风能采集器，其创新在于：所述风能采集器由振动部1、固定部2和电输出部组成；所述振动部1由带状弹性材料塑形而成，所述带状弹性材料弯曲成U形，U形的开口部朝下，U形开口处两侧的带状弹性材料端部与固定部2固定连接；所述电输出部从如下四种并列方案中择一采用：

方案一：所述电输出部由连接板3、感应线圈4和永磁铁5组成；所述连接板3设置于振动部1的内腔中，连接板3两端分别与水平方向上振动部1两侧的内壁连接；所述感应线圈4设置于连接板3的下侧面上；所述永磁铁5设置于固定部2上，应线圈4位于永磁铁5的磁场作用范围内；

方案二：所述电输出部由两块条形电极6组成；第一条形电极6设置于振动部1的内腔中，第一条形电极6两端分别与水平方向上振动部1的内壁连接；第二条形电极6设置于固定部2上，第二条形电极6位于振动部1上U形开口处的间隙内；两个条形电极6的极性面相对；

方案三：所述电输出部由固定板7、永磁体8和层状复合磁电换能器9组成；所述固定板7设置于振动部1的内腔中，固定板7两端分别与水平方向上振动部1的内壁连接；层状复合磁电换能器9设置于固定部2上，层状复合磁电换能器9位于振动部1上U形开口处的间隙内；

方案四：所述电输出部由多片压电材料片13组成；或者多片压电材料片13粘贴在振动部1的外周面上，或者多片压电材料片13粘贴在振动部1的内周面上，或者在振动部1的外周面和内周面上同时粘贴多片压电材料片13。

进一步地，所述振动部1上U形开口处的间隙宽度小于U形中部的间隙宽度。

进一步地，所述固定部2为U形结构体，固定部2的外侧面与振动部1的外侧面平滑过渡，固定部2内部的U形腔与振动部1的U形开口向对；固定部2内部的U形腔底部设置有固定孔；

采用方案一时，所述固定部2上的U形腔开口处设置有支撑板10，支撑板10两端分别与水平方向上固定部2两侧的内壁连接，所述永磁铁5设置于支撑板10上；

采用方案二时，所述第二条形电极6设置于固定部2上的U形腔开口处，第二条形电极6两端分别与水平方向上固定部2两侧的内壁连接；

采用方案三时，所述固定部2上的U形腔开口处设置有支板11，支板11两端分别与水平方向上固定部2两侧的内壁连接，所述层状复合磁电换能器9的下端与支板11连接。

进一步地，采用方案一时，所述连接板3采用绝缘材料制作，所述支撑板10采用不导磁材料制作。

进一步地，采用方案三时，所述层状复合磁电换能器9和支板11之间设置有永磁体二12，永磁体二12下端与支板11上侧面连接，永磁体二12上端与层状复合磁电换能器9下端连接；永磁体二12和永磁体8的相对面极性相反。

进一步地，所述固定板7和支板11均采用不导磁材料制作。

下面我们再从流体力学的角度来分析一下本发明的振动状态：参见图6，当风从正面或背面（图中两个箭头所示方向即分别为“正面”和“背面”）吹拂到振动部1上时，振动部1会发生颤振，并且振动的幅度和频率随着风速增大而增大，当风速继续增大到一定程度时，振动进入混沌模态，不再具有周期性；

参见图7，当风从侧面（图中箭头所示方向即为“侧面”）吹拂到振动部1上时，低风速下，气流会在振动部1的表面产生涡街脱落，从而对振动部1产生一个净压力激发其振动，并且涡街脱落的频率与风速成正相关，当涡街脱落频率达到振动部1的固有频率时，发生共振，振动最为剧烈；风速超过一定范围时，振动进入混沌模态；

当风从振动部1顶部吹拂到振动部1上时，会在振动部1的中部表面以及靠近U形开口的部位附近产生涡街脱落，激发振动部1振动，振动幅度及频率随风速增大而增加；当涡街脱落的频率接近振动部1的固有频率时，就会发生频率锁定效应，风速在一定范围内增大时，振动部1的振动频率只在其固有频率附近变化，振动部1持续大幅度振动；当风速继续增大到一定程度后，振动进入混沌模态。

Claims (6)

1.一种风能采集器，其特征在于：所述风能采集器由振动部（1）、固定部（2）和电输出部组成；所述振动部（1）由带状弹性材料塑形而成，所述带状弹性材料弯曲成U形，U形的开口部朝下，U形开口处两侧的带状弹性材料端部与固定部（2）固定连接；所述电输出部从如下四种并列方案中择一采用：

方案一：所述电输出部由连接板（3）、感应线圈（4）和永磁铁（5）组成；所述连接板（3）设置于振动部（1）的内腔中，连接板（3）两端分别与水平方向上振动部（1）两侧的内壁连接；所述感应线圈（4）设置于连接板（3）的下侧面上；所述永磁铁（5）设置于固定部（2）上，应线圈（4）位于永磁铁（5）的磁场作用范围内；

方案二：所述电输出部由两块条形电极（6）组成；第一条形电极（6）设置于振动部（1）的内腔中，第一条形电极（6）两端分别与水平方向上振动部（1）的内壁连接；第二条形电极（6）设置于固定部（2）上，第二条形电极（6）位于振动部（1）上U形开口处的间隙内；两个条形电极（6）的极性面相对；

方案三：所述电输出部由固定板（7）、永磁体（8）和层状复合磁电换能器（9）组成；所述固定板（7）设置于振动部（1）的内腔中，固定板（7）两端分别与水平方向上振动部（1）的内壁连接；层状复合磁电换能器（9）设置于固定部（2）上，层状复合磁电换能器（9）位于振动部（1）上U形开口处的间隙内；

方案四：所述电输出部由多片压电材料片（13）组成；或者多片压电材料片（13）粘贴在振动部（1）的外周面上，或者多片压电材料片（13）粘贴在振动部（1）的内周面上，或者在振动部（1）的外周面和内周面上同时粘贴多片压电材料片（13）。

2.根据权利要求1所述的风能采集器，其特征在于：所述振动部（1）上U形开口处的间隙宽度小于U形中部的间隙宽度。

3.根据权利要求1所述的风能采集器，其特征在于：所述固定部（2）为U形结构体，固定部（2）的外侧面与振动部（1）的外侧面平滑过渡，固定部（2）内部的U形腔与振动部（1）的U形开口向对；固定部（2）内部的U形腔底部设置有固定孔；

采用方案一时，所述固定部（2）上的U形腔开口处设置有支撑板（10），支撑板（10）两端分别与水平方向上固定部（2）两侧的内壁连接，所述永磁铁（5）设置于支撑板（10）上；

采用方案二时，所述第二条形电极（6）设置于固定部（2）上的U形腔开口处，第二条形电极（6）两端分别与水平方向上固定部（2）两侧的内壁连接；

采用方案三时，所述固定部（2）上的U形腔开口处设置有支板（11），支板（11）两端分别与水平方向上固定部（2）两侧的内壁连接，所述层状复合磁电换能器（9）的下端与支板（11）连接。

4.根据权利要求3所述的风能采集器，其特征在于：采用方案一时，所述连接板（3）采用绝缘材料制作，所述支撑板（10）采用不导磁材料制作。

5.根据权利要求3所述的风能采集器，其特征在于：采用方案三时，所述层状复合磁电换能器（9）和支板（11）之间设置有永磁体二（12），永磁体二（12）下端与支板（11）上侧面连接，永磁体二（12）上端与层状复合磁电换能器（9）下端连接；永磁体二（12）和永磁体（8）的相对面极性相反。

6.根据权利要求5所述的风能采集器，其特征在于：所述固定板（7）和支板（11）均采用不导磁材料制作。