CN106329990B - 一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器，以解决已有压电俘能器在高压气体直接冲击压电俘能器俘获电能时存在俘能功率小、效率低等技术问题。本发明由阶梯式微孔隙增流装置、圆筒阵列式压电发电装置和紧定螺钉三部分组成。所述阶梯式微孔隙增流装置可对高压小流量气体的流量和流速进行放大，作用于圆筒阵列式压电发电装置实现能量俘获。本发明可将气体流量放大，并对放大流量的气体进行压电能量收集，显著提高压电俘能器的功率，提升俘能效率3倍以上。通过全桥整流电路可以持续有效的为低功耗电子设备供能，在低功耗电子设备、物联网节点以及低功耗传感器供能技术领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器，属于低功耗电子设备供能技术领域。
背景技术
随着制造装备技术的智能化水平不断提高及其与物联网技术的深度融合，大量的物联网节点等低功耗器件在机械制造装备领域得到广泛应用。目前，对物联网节点等低功耗器件进行稳定、可靠的持续供电，是保证物联网节点等低功耗器件正常工作的前提。当前机械制造领域的物联网节点等低功耗器件供能方式主要有电源直接供电和化学电池供电两种方式。其中，电源直接供电方式导致电磁干扰严重、系统布线复杂等问题，而化学电池供电方式则存在电池使用寿命有限、需定期更换以及环境污染等不足。因此，需研究一种用于物联网节点等低功耗器件供能的新型能源供给技术以解决传统供能技术所带来的诸多弊端。
利用压电材料的正压电效应俘获环境微能源转化为电能的环境能源收集技术，由于具有能量转换效率高、清洁无污染、不受电磁干扰以及使用寿命长等优势，成为微能源转化与供给技术的研究热点。气体动能是工业生产中大量存在的能量形式，其同样具备安全清洁可再生等优势。因此，合理利用工业生产环境中的气体能量，结合压电材料的正压电效应将气体能量转化为电能为无线物联网节点等低功耗器件供能，可有效解决传统电源供电带来的布线复杂及电池供电带来的需定期更换、污染环境等问题，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。传统的压电俘能器普遍利用工业环境中的高压气体直接冲击压电俘能器来俘获电能，使得传统气体冲击式压电俘能器存在俘能功率小、效率低的问题，限制了压电俘能器在低功耗电子设备供能技术领域的发展与应用。
发明内容
为解决已有压电俘能器在高压气体直接冲击压电俘能器俘获电能时存在俘能功率小、效率低等技术问题，本发明公开一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器，为低功耗器件提供一种功率大、效率高的供能装置。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器由阶梯式微孔隙增流装置、圆筒阵列式压电发电装置和紧定螺钉三部分组成，其中阶梯式微孔隙增流装置和圆筒阵列式压电发电装置通过紧定螺钉紧固连接；所述阶梯式微孔隙增流装置设置有圆锥式吸气端、锥形出气端、增流端螺纹连接孔、供气孔、一级微型射流孔、二级微型射流孔和挡环；所述圆筒阵列式压电发电装置，包括发电装置固定支座、压电发电元件、谐振弹簧和扰流圆柱，固定支座与阶梯式微孔隙增流装置通过紧定螺钉进行螺纹连接，压电发电元件之间连接有谐振弹簧，扰流圆柱与压电发电元件胶粘连接。
所述阶梯式微孔隙增流装置中圆锥式吸气端位于阶梯式微孔隙增流装置的吸气端，锥形出气端位于阶梯式微孔隙增流装置的出气端，所述增流端螺纹连接孔靠近锥形出气端，所述增流端螺纹连接孔与紧定螺钉螺纹连接，所述一级微型射流孔和二级微型射流孔位于阶梯式微孔隙增流装置的中部，一级微型射流孔和二级微型射流孔之间设置有挡环，所述供气孔靠近二级微型射流孔。
所述圆筒阵列式压电发电装置中的发电装置固定支座由发电端螺纹连接孔、固定槽、固定连接孔和环形排气孔组成，发电端螺纹连接孔可通过紧定螺钉与阶梯式微孔隙增流装置进行螺纹连接，固定槽与压电发电元件可通过环氧树脂胶进行胶粘连接，固定连接孔和环形排气孔位于发电装置固定支座两端；所述扰流圆柱带有圆柱固定槽，扰流圆柱中的圆柱固定槽与压电发电元件通过环氧树脂胶进行胶粘连接。
本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的多孔阵列式增流装置对小流量高压气体进行流量放大，所放大的流量通过出锥形出气端喷出，激励圆筒阵列式压电发电装置，使内部压电发电组件产生弯曲形变以达到利用放大气流进行能量收集与电能的转化效果，可显著提高压电发电装置的功率，提升俘能效率3倍以上。本发明具有利用高压小流量气体进行气体流量放大的效果，并兼具充分利用放大的流量进行压电能量收集的技术优势，在低功耗电子设备供能技术领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明提出的一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器的结构示意图；
图2 所示为本发明提出的阶梯式微孔隙增流装置的剖视图；
图3所示为本发明提出的阶梯式微孔隙增流装置的圆锥式吸气端剖视图；
图4所示为本发明提出的阶梯式微孔隙增流装置的锥形出气端剖视图；
图5所示为本发明提出的圆筒阵列式压电发电装置结构示意图；
图6所示为本发明提出的圆筒阵列式压电发电装置左视图；
图7所示为本发明提出的发电装置固定支座左视图；
图8所示为本发明提出的扰流圆柱结构示意图；
图9所示为本发明提出的全桥整流电路示意图。
具体实施方式
结合图1~图9说明本实施方式。本实施方式提供了一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器的具体实施方案。所述一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器由阶梯式微孔隙增流装置1、圆筒阵列式压电发电装置2和紧定螺钉3组成，其中阶梯式微孔隙增流装置1设置有增流端螺纹连接孔1-3，所述增流端螺纹连接孔1-3与圆筒阵列式压电发电装置2上的发电端螺纹连接孔2-1-1通过紧定螺钉3进行螺纹连接。
所述阶梯式微孔隙增流装置1包括圆锥式吸气端1-1、锥形出气端1-2、增流端螺纹连接孔1-3、供气孔1-4、一级微型射流孔1-5、二级微型射流孔1-6和挡环1-7；
所述圆锥式吸气端1-1位于阶梯式微孔隙增流装置1的吸气端，锥形出气端1-2位于阶梯式微孔隙增流装置1的出气端，所述增流端螺纹连接孔1-3靠近锥形出气端1-2，所述增流端螺纹连接孔1-3与紧定螺钉3螺纹连接，所述一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6位于阶梯式微孔隙增流装置1的中部，一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6之间设置有挡环1-7，挡环1-7可阻隔一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6，所述供气孔1-4靠近二级微型射流孔1-6，高压气体经由所述供气孔1-4同时进入一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6，诱导气体和高压气体组成的混合气体经由一级微型射流孔1-5进行一次空气能放大，经由二级微型射流孔1-6进行二次加速，二次加速后的混合气体通过锥形出气端1-2喷出阶梯式微孔隙增流装置1。
所述的圆筒阵列式压电发电装置2，包括发电装置固定支座2-1、压电发电元件2-2、谐振弹簧2-3和扰流圆柱2-4；发电装置固定支座2-1由发电端螺纹连接孔2-1-1、固定槽2-1-2、固定连接孔2-1-3和环形排气孔2-1-4组成；扰流圆柱2-4设置有圆柱固定槽2-4-1；发电端螺纹连接孔2-1-1可通过紧定螺钉3与阶梯式微孔隙增流装置1进行螺纹连接；固定槽2-1-2与压电发电元件2-2可通过环氧树脂胶进行胶粘连接；压电发电元件2-2之间连接有谐振弹簧2-3；压电发电元件2-2与扰流圆柱2-4中的圆柱固定槽2-4-1通过环氧树脂胶进行胶粘连接，所述的压电发电元件2-2利用正压电效应，实现气体压力能到电能的转换，通过全桥整流电路可以持续有效的为物联网节点供能。
所述的圆锥式吸气端1-1的最大直径为D1，D1的取值满足的范围为60~80 mm，通过调节D1的值可以调节诱导气体的进气速度，本具体实施方式中D1的取值为60 mm，所述圆锥式吸气端1-1的锥角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°，通过调节θ的值可以调节诱导气体的进气速度，本具体实施方式中θ的取值为20°；所述锥形出气端1-2的最小直径为D2，D2与D1的比值为G=D2/D1，G的取值满足的范围为0.4~0.8，本具体实施方式中G的取值为0.8；所述锥形出气端1-2的锥角为α，α的取值满足的范围为0~20°，通过调节α的值可以调节混合气体的流速，本具体实施方式中α的取值为15°；所述的供气孔1-4直径为D3，D3与D1的比值为F=D3/D1，F的取值满足的范围为0.02~0.1，本具体实施方式中F的取值为0.1；所述供气孔1-4中心与圆锥式吸气端1-1的直线距离为L1，L1的取值满足的范围为10~25 mm，本具体实施方式中L1的取值为15 mm；所述供气孔1-4中心与锥形出气端1-2直线距离为L2，L1与L2的比值为J=L1/L2，J的取值满足的范围为0.2~0.5，本具体实施方式中J的取值为0.3；所述一级微型射流孔1-5的孔径为D4，D4的取值满足的范围是40~60 mm，本具体实施方式中D4的取值为50 mm，所述一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6之间的距离为L3，D4与L3的比值为Z=D4/L3，Z的取值满足的范围为2~5，本具体实施方式中Z的取值为2；所述二级微型射流孔1-6孔径为D5，D5与L3的比值为X=D5/L3，X的取值满足的范围为2~5，本具体实施方式中X的取值为2。
所述的圆筒阵列式压电发电装置2中的扰流圆柱2-4的长度为h、直径为D，h/D的取值范围介于1~3之间；发电装置固定支座2-1中的两个固定槽2-1-2之间中心距离为A，A与D的比值介于2~5之间；谐振弹簧2-3的自然原长为B，固定槽2-1-2的半径为R，谐振弹簧2-3与固定槽2-1-2满足关系式A=B+2R。
所述的圆筒阵列式压电发电装置2中的压电发电元件2-2选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
所述的全桥整流电路由二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9和电容C1组成。当增流气体从锥形出气端1-2流出后，激励圆筒阵列式压电发电装置2，在正压电效应的作用下会产生正负交替周期性变化的电信号，将产生的电信号通过导线连接到全桥整流电路的输入端。当产生正向电信号时，二极管D6和二极管D9导通构成闭合回路，电能可存储于电容C1中；当产生负向电信号时，二极管D7和二极管D8导通构成闭合回路，且整流后的电信号流向与二极管D6、二极管D9闭合回路电信号流向相同，因此电能仍存储于电容C1中。经过整流存储后的电能可经由C1流出到输出端低功耗器件进行供电。所述二极管（D6~D9）可以是NI5408整流二极管，所述电容C1的电容量范围为100~1000μF。
工作原理：压电材料的正压电效应可以将气体的冲击能量转化为电能，本发明所设计的一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器可在小流量高压气体的作用下诱导外界空气进行定向流动，基于管内壁与气体间粘性作用力的影响，可将诱导后的外界空气进行增速，在气体增速后从锥形出气端流出并激励与阶梯式微孔隙增流装置相连接的圆筒阵列式压电发电装置进行电能的转化。阶梯式微孔增流装置能够二次加速将高压气体以极快的速度喷出，从而提高气体分子间粘性作用力所带来的影响，进而有效提升了增流的效果。圆筒阵列式压电发电装置的技术优势在于其采用扰流圆柱增强气体冲击所带来的发电效果，气流在扰流圆柱的影响下可进行附壁流动形成涡流，涡流含有较高的气体能量，当涡流脱落时将能量释放从而使扰流圆柱带动压电元件发生较大形变，压电元件直接将气体能量转化为电能，同时谐振弹簧与压电元件两两相连，此种连接可产生谐振作用使压电元件发生多次形变以收集更多的气体动能。因此，圆筒阵列式压电发电装置可充分利用阶梯式微孔隙增流装置所增加的气体流量进行气体能量向电能的转化。
综合以上所述内容，本发明设计的一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器，可将气体流量放大，并对放大流量的气体进行压电能量收集，可显著提高压电俘能器的功率，提升俘能效率3倍以上。通过全桥整流电路可以持续有效的为低功耗电子设备供能，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。
Claims (4)
1.一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器，该压电俘能器由阶梯式微孔隙增流装置（1）、圆筒阵列式压电发电装置（2）和紧定螺钉（3）三部分组成，其中阶梯式微孔隙增流装置（1）和圆筒阵列式压电发电装置（2）通过紧定螺钉（3）紧固连接；所述阶梯式微孔隙增流装置（1）设置有圆锥式吸气端（1-1）、锥形出气端（1-2）、增流端螺纹连接孔（1-3）、供气孔（1-4）、一级微型射流孔（1-5）、二级微型射流孔（1-6）和挡环（1-7）；所述圆筒阵列式压电发电装置（2），包括发电装置固定支座（2-1）、压电发电元件（2-2）、谐振弹簧（2-3）和扰流圆柱（2-4），固定支座（2-1）与阶梯式微孔隙增流装置（1）通过紧定螺钉（3）进行螺纹连接，压电发电元件（2-2）之间连接有谐振弹簧（2-3），扰流圆柱（2-4）与压电发电元件（2-2）胶粘连接；
其特征在于：所述阶梯式微孔隙增流装置（1）中圆锥式吸气端（1-1）位于阶梯式微孔隙增流装置（1）的吸气端，锥形出气端（1-2）位于阶梯式微孔隙增流装置（1）的出气端，所述增流端螺纹连接孔（1-3）靠近锥形出气端（1-2），所述增流端螺纹连接孔（1-3）与紧定螺钉（3）螺纹连接，所述一级微型射流孔（1-5）和二级微型射流孔（1-6）位于阶梯式微孔隙增流装置（1）的中部，一级微型射流孔（1-5）和二级微型射流孔（1-6）之间设置有挡环（1-7），所述供气孔（1-4）靠近二级微型射流孔（1-6）；所述圆筒阵列式压电发电装置（2）中的发电装置固定支座（2-1）由发电端螺纹连接孔（2-1-1）、固定槽（2-1-2）、固定连接孔（2-1-3）和环形排气孔（2-1-4）组成，发电端螺纹连接孔（2-1-1）可通过紧定螺钉（3）与阶梯式微孔隙增流装置（1）进行螺纹连接，固定槽（2-1-2）与压电发电元件（2-2）可通过环氧树脂胶进行胶粘连接，固定连接孔（2-1-3）和环形排气孔（2-1-4）位于发电装置固定支座（2-1）两端；所述扰流圆柱（2-4）带有圆柱固定槽（2-4-1），扰流圆柱（2-4）中的圆柱固定槽（2-4-1）与压电发电元件（2-2）通过环氧树脂胶进行胶粘连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器，其特征在于所述的阶梯式微孔隙增流装置（1）中圆锥式吸气端（1-1）的最大直径为D1，D1的取值满足的范围为60~80 mm，所述圆锥式吸气端（1-1）的锥角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°；所述锥形出气端（1-2）的最小直径为D2，D2与D1的比值为G=D2/D1，G的取值满足的范围为0.4~0.8；所述锥形出气端（1-2）的锥角为α，α的取值满足的范围为0~20°；所述的供气孔（1-4）直径为D3，D3与D1的比值为F=D3/D1，F的取值满足的范围为0.02~0.1；所述供气孔（1-4）中心与圆锥式吸气端（1-1）的直线距离为L1，L1的取值满足的范围为10~25 mm；所述供气孔（1-4）中心与锥形出气端（1-2）直线距离为L2，L1与L2的比值为J=L1/L2，J的取值满足的范围为0.2~0.5；所述一级微型射流孔（1-5）的孔径为D4，所述一级微型射流孔（1-5）和二级微型射流孔（1-6）之间的距离为L3，D4与L3的比值为Z=D4/L3，Z的取值满足的范围为2~5；所述二级微型射流孔（1-6）孔径为D5，D5与L3的比值为X=D5/L3，X的取值满足的范围为2~5。
3.根据权利要求1所述的一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器，其特征在于所述圆筒阵列式压电发电装置（2）中的扰流圆柱（2-4）的长度为h、直径为D，h/D的取值范围介于1~3之间；发电装置固定支座（2-1）中的两个固定槽（2-1-2）之间中心距离为A，A与D的比值介于2~5之间；谐振弹簧（2-3）的自然原长为B，固定槽（2-1-2）的半径为R，谐振弹簧（2-3）与固定槽（2-1-2）满足关系式A=B+2R。
4.根据权利要求1所述的一种利用双层增流激励的涡街震荡压电俘能器，其特征在于压电发电元件（2-2）选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
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