CN104993737A - 一种基于流致振动的双向能量采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流致振动的双向能量采集装置。该装置包括刚性翼段、转轴和两组压电梁，刚性翼段与转轴用非线性扭转弹簧连接，转轴和基础之间由固支为“L”型的压电梁架固支连接；当来流速度超过结构的临界速度后，刚性翼段在俯仰、沉浮和阻力方向上产生流致振动，此时压电梁能够采集到沉浮和阻力两个方向的弯曲机械能。与现有技术相比，本发明在能量采集时额外利用了周期性变化的结构阻力，以及相应的振动机械能，进而提高总体电能输出。

Description

一种基于流致振动的双向能量采集装置

技术领域

本发明涉及基于流致振动的能量采集装置，具体地说，是一种基于压电效应、在结构沉浮和阻力两个方向上实现能量采集的装置。

背景技术

近年来能量采集技术备受关注，其核心思想是将外界环境中各种形式的能源转化为可利用的电能，用以驱动低功耗设备、电池充能或实现局部系统的自我供给。尤其对于工作时间长、维护可靠性要求高、不便于配置传统电池的小型或微小型系统，如无线传感网络，能量采集是解决其能源供给问题的较好选择。在各类能量采集方案之中，基于流致振动的能量采集非常具有潜力。其思想是，在结构上布置换能器，并置于流场中，利用结构在流体作用下的振动得到电能输出。这类振动无需起振装置，结构复杂度较低，尺寸受限较小。当前该领域的设计方案大多基于流场中非流线体的单自由度驰振或二元翼段的极限环振动。换能器与系统的沉浮自由度耦合，将沉浮方向的振动机械能转化为电能。压电材料是主流的换能器之一，因为其输出功率密度高、重量轻、体积小、能耗低、响应快、刚度大，有利于结构轻便化、智能化，改善系统可维护性，提高工作性能。

目前基于流致振动的能量采集装置虽然能够提供持续的电能输出，但是从能量输出的大小来看，其电功率输出还普遍较低。设计该类能量采集装置的关键问题是，如何进一步有效利用流致振动机械能，提高其能量采集效果。

发明内容

针对上述现有技术现状，本发明所要解决的技术问题为：充分利用流致振动机械能，提高能量采集能力。本发明通过添加新的支撑元件和换能器，以达到同时对沉浮和阻力方向振动进行能量采集的目的，实现电能输出的进一步提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：该能量采集装置的结构部分包括刚性翼段、转轴、压电梁A、压电梁B、压电梁C和压电梁D。转轴通过非线性扭转弹簧连接在刚性翼段上，并且转轴平行于刚性翼段轴线方向贯穿所述刚性翼段；压电梁A和压电梁B沿来流方向布置，与刚性翼段两端伸出的转轴固支，并且位于刚性翼段的前缘方向；压电梁C和压电梁D分别垂直于压电梁A和压电梁B，并且压电梁C和压电梁D均垂直于转轴。所述压电梁C的一端与压电梁A呈90°固支呈“L”型压电梁架，另一端固支在基础上；所述压电梁D的一端与压电梁B呈90°固支呈“L”型压电梁架，另一端固支在基础上。整个结构放置于水平来流中，当流速超过刚性翼段的颤振临界值时，刚性翼段在俯仰、沉浮和阻力方向自发产生极限环振动，带动四个压电梁的往复弯曲振动，实现对沉浮和阻力方向振动的双向能量采集。

本发明和现有技术相比的优点和积极效果为：在保证结构简单的基础上，更加充分地利用了流致振动机械能，实现了同时对结构沉浮和阻力方向振动的双向能量采集，有利于提高电能输出，使这类能量采集装置具备更大的应用前景。

附图说明

图1是本发明的基于流致振动的双向能量采集装置的三维结构示意图；

图2是本发明的基于流致振动的双向能量采集装置的结构侧视示意图；

图3是单个压电梁的侧视示意图。

图中：

1.刚性翼段；    2.扭转弹簧；    3.转轴；      4.压电梁A；    5.压电梁B

6.压电梁C；     7.压电梁D；     8.压电层A；   9.基体层；     10.压电层B。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种基于流致振动的双向能量采集装置，所述的能量采集装置由刚性翼段1、转轴3和两组压电梁组成，所述的两组压电梁分别为第一组压电梁和第二组压电梁，其中，第一组压电梁包括压电梁A4、压电梁B5，第二组压电梁包括压电梁C6和压电梁D7。如图1和图2所示，刚性翼段1和转轴3由轻质合金制成，转轴3沿刚性翼段1的轴线方向穿过刚性翼段1，二者通过非线性扭转弹簧2相连接，刚性翼段1可以绕转轴3产生俯仰运动；非线性扭转弹簧2提供主要的刚度非线性，使刚性翼段1能够产生有限振幅的极限环振动而不会出现发散现象；压电梁A4和压电梁B5沿来流方向水平放置在刚性翼段1的前缘方向，对称连接在刚性翼段1的两端伸出的转轴3上；压电梁A4和压电梁B5的一端分别与转轴3固支，另一端分别与压电梁C6和压电梁D7固支；压电梁C6和压电梁D7分别垂直于压电梁A4和压电梁B5，并且所述的压电梁C6和压电梁D7均与转轴3垂直，并分别与压电梁A4和压电梁B5呈90°固支形成“L”型的直角压电梁架，压电梁C6和压电梁D7的另一端分别竖直固支于基础上。本实施例的压电梁A4、压电梁B5、压电梁C6和压电梁D7均为双晶压电结构，如图3所示，共由三层组成：压电层A8、压电层B10以及基体层9，所述基体层9位于压电层A8和压电层B10中间。压电层A8和压电层B10的材料为压电陶瓷，在压电陶瓷表面覆盖金属电极层；基体层9的材料为柔性复合材料，其长度和宽度与压电层A8和压电层B10一致。

当来流速度低于所述双向能量采集装置的颤振临界速度时，能量采集装置不工作。当来流速度达到颤振临界速度时，刚性翼段1在其俯仰、沉浮自由度方向产生周期性的极限环振动，俯仰运动表现为绕转轴3的旋转运动，沉浮运动主要引起压电梁A4和压电梁B5的往复弯曲振动。当来流速度进一步增大，刚性翼段1的振幅变大，流场在刚性翼段1表面发生分离，周期性变化的阻力也随之产生并增大，使得刚性翼段1在阻力方向也产生极限环振动，该运动主要导致压电梁C6和压电梁D7的往复弯曲振动，此时，压电梁A4、压电梁B5、压电梁C6和压电梁D7均有电能输出。注意两组压电梁的连接方式导致了沉浮运动和阻力方向振动的耦合，即每个压电梁的电能输出同时受到两个方向上振动的影响。相比于仅含有沉浮方向支撑元件和换能器(压电梁A4和压电梁B5)的设计来说，本发明提供的双向能量采集装置额外利用了阻力方向上的流致振动机械能，实现对能量采集效果的改善，提高电能输出。

Claims (2)

1.一种基于流致振动的双向能量采集装置，其特征在于：包括刚性翼段、转轴、压电梁A、压电梁B、压电梁C和压电梁D，转轴通过非线性扭转弹簧连接在刚性翼段上，并且转轴平行于刚性翼段轴线方向贯穿所述刚性翼段；压电梁A和压电梁B沿来流方向布置，对称连接在刚性翼段两端伸出的转轴上；压电梁C和压电梁D分别垂直于压电梁A和压电梁B，并且压电梁C和压电梁D均垂直于转轴；所述压电梁C的一端与压电梁A呈90°固支呈“L”型压电梁架，另一端固支在基础上；所述压电梁D的一端与压电梁B呈90°固支呈“L”型压电梁架，另一端固支在基础上；整个结构放置于水平来流中，当流速超过刚性翼段的颤振临界值时，刚性翼段在俯仰、沉浮和阻力方向自发产生极限环振动，带动四个压电梁的往复弯曲振动，实现对沉浮和阻力方向振动的双向能量采集。

2.根据权利要求1所述的一种基于流致振动的双向能量采集装置，其特征在于：压电梁A、压电梁B、压电梁C和压电梁D均为双晶压电结构，共由三层组成：压电层A、压电层B以及基体层，所述基体层位于压电层A和压电层B中间；压电层A和压电层B的材料为压电陶瓷，在压电陶瓷表面覆盖金属电极层；基体层的材料为柔性复合材料，其长度和宽度与压电层A和压电层B一致。