CN106357158B - 面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置，以解决当前工业环境中用于俘获气体压力能发电的微能源发电装置存在发电效率低等技术问题。本发明包括微孔隙流量放大装置、柔性菱形发电装置和紧定螺钉。微孔隙流量放大装置与柔性菱形发电装置通过紧定螺钉螺纹连接。所述微孔隙流量放大装置可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气进行定向移动，并对诱导后的气体进行增速和增流，从排气端排出且作用于与微孔隙流量放大装置相连接的柔性菱形发电装置进行能量转化。本发明设计的压电发电装置可将气体流量放大，进而将发电效率提高3倍以上。在物联网节点等低功耗电子设备的供能技术领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置，属于低功耗电子设备供能技术领域。
背景技术
随着装备制造技术智能化水平的不断提高，并伴随着其与物联网技术的深度融合，大量的物联网节点在机械制造装备领域得到了广泛应用。同时，这也对物联网节点的工作指标提出了较高的技术需求，对物联网节点进行稳定可靠的持续供电是保证物联网节点正常工作的前提。当前机械制造领域的物联网节点供能方式主要包括电源直接供能和化学电池供能两种方式。然而，电源直接供能方式存在电磁干扰严重、系统布线复杂等问题；化学电池供能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供能的新型能源俘获技术以解决传统供能技术所带来的诸多缺陷。
利用压电发电元件的正压电效应俘获环境微能源转化为电能的环境微能源收集与转化技术，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。气体的压缩能量是工业生产中大量存在能量形式，其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压缩能量，结合压电发电元件的正压电效应将气体压缩能量转化为电能为无线物联网节点供能，可有效解决传统电源供能带来的布线复杂及化学电池供能带来的需定期更换、污染环境等问题。这对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。然而，当前工业环境中压电发电装置大多不能将气体压力能直接转化为电能，或能量转化效率较低制约了此类装置在物联网节点、低功耗传感器和低功耗器件等低功耗电子设备供能技术领域的应用。
发明内容
为解决当前工业环境中用于俘获气体压力能发电的微能源发电装置存在的发电效率低等技术问题，本发明公开一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置，为物联网节点供能提供一种可持续并且高效的压电发电装置。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置包括微孔隙流量放大装置、柔性菱形发电装置和紧定螺钉，微孔隙流量放大装置通过紧定螺钉与柔性菱形发电装置螺纹连接；所述微孔隙流量放大装置包括进气端、进气端螺钉、进气端密封圈、连接套筒、排气端密封圈、排气端和排气端螺钉；所述进气端通过进气端螺钉与连接套筒螺纹连接，进气端通过进气端密封圈与连接套筒气体密封；连接套筒通过排气端螺钉与排气端螺纹连接，连接套筒通过排气端密封圈与排气端气体密封；所述的柔性菱形发电装置包括圆形挡流板、发电端安装支座和菱形压电发电组件；所述圆形挡流板与发电端安装支座滑动配合，圆形挡流板与菱形压电发电组件固定，菱形压电发电组件与发电端安装支座固定。
所述进气端设置有引流孔、进气端螺纹孔，进气端螺纹孔与进气端螺钉螺纹连接；进气端设置有进气端密封圈凹槽，进气端密封圈凹槽与进气端密封圈固定；进气端设置有进气端连通孔。所述连接套筒设置有进气端套筒螺纹孔，进气端套筒螺纹孔与进气端螺钉螺纹连接；连接套筒设置有进气孔；连接套筒设置有排气端套筒螺纹孔，排气端套筒螺纹孔与排气端螺钉螺纹连接。所述排气端设置有喷气端连通孔、排气端密封圈凹槽、喷气口螺纹孔、增流装置螺纹连接孔和锥形喷气口；排气端密封圈凹槽与排气端密封圈固定，喷气口螺纹孔与排气端螺钉螺纹连接，增流装置螺纹连接孔与紧定螺钉螺纹连接。
所述圆形挡流板设置有加压端连接孔和导向圆柱；所述发电端安装支座设置有螺纹连接孔、发电机排气孔、受压端连接孔和导向圆环，导向圆环与导向圆柱滑动接触配合；所述菱形压电发电组件包括固定基板和压电发电元件。
所述进气端连通孔的直径为d1，d1的取值范围为10~25 mm；进气端与排气端间的重合长度为b，b的取值范围为10~20 mm；所述喷气端连通孔的直径为d2，d1与d2的比值为Z=d1/d2，Z的取值范围为0.5~0.8；锥形喷气口的锥角为β，β的取值范围为0~25°。
所述圆形挡流板的直径为d3，圆形挡流板与喷气端连通孔的直径比为W=d3/d2，W的取值范围为0.5~0.9；所述导向圆环的长度为L，导向圆柱的长度M，导向圆环与导向圆柱的长度比为P=L/M，P的取值范围为0.3~0.8。
所述的菱形压电发电组件中的压电发电元件可以选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
本发明设计的压电发电装置的工作原理是利用压电发电元件的正压电效应可将气体的压缩能量转化为电能。它可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气定向移动，并对诱导后的外界空气进行增速，在气体增速后从排气端流出并作用于柔性菱形发电装置实现电能转化。微孔隙流量放大装置具有一圈环状微型孔隙，由于孔隙的直径极小，使得在高压气体的作用下喷射出的气流较快。同时，由于微孔隙流量放大装置的结构为圆周方向的环状孔隙，因此喷射出的气体分布均匀。当快速的气体流动导致装置内部压力小于外界空气压力时，外部空气将会被均匀的吸入微孔隙流量放大装置，以达到增流的目的。柔性菱形发电装置的菱形四边形具有不稳定性，在外界气体压力的作用下易发生形变，其四个棱边互相连接又兼具力的传导与力的分解作用，可有效保护压电发电元件不会因形变过大而造成损坏。因此，柔性菱形发电装置可充分利用微孔隙流量放大装置所增加的气体流量实现气体压力能向电能转化。
本发明的有益效果是：利用所发明的微孔隙流量放大装置对小流量高压气体进行流量放大，将放大的流量通过排气端喷出，作用于出口处柔性菱形发电装置，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。本发明具有利用高压小流量气体进行流量放大的效果，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。相比于已有的压电发电装置，压电发电效率可提高3倍以上。在物联网节点、低功耗传感器以及低功耗器件等低功耗电子设备供能技术领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的结构示意图；
图2所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的微孔隙流量放大装置结构剖视图；
图3所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的进气端结构剖视图；
图4所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的连接套筒结构剖视图；
图5所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的进气端与排气端局部结构剖视图；
图6所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的排气端结构剖视图；
图7所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的排气端结构剖视图；
图8所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的柔性菱形发电装置结构示意图；
图9所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的圆形挡流板结构剖视图；
图10所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的发电端安装支座结构剖视图；
图11所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的菱形压电发电组件结构示意图；
图12所示为本发明提出的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的整流电路示意图。
具体实施方式
结合图1~图12说明本实施方式。本实施方式提供了一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的具体实施方案。所述一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置包括微孔隙流量放大装置1、柔性菱形发电装置2和紧定螺钉3。其中，微孔隙流量放大装置1通过紧定螺钉3与柔性菱形发电装置2螺纹连接。
所述的微孔隙流量放大装置1为面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的流量放大装置。所述微孔隙流量放大装置1包括进气端1-1、进气端螺钉1-2、进气端密封圈1-3、连接套筒1-4、排气端密封圈1-5、排气端1-6和排气端螺钉1-7。所述进气端1-1通过进气端螺钉1-2与连接套筒1-4螺纹连接；所述进气端1-1通过进气端密封圈1-3与连接套筒1-4气体密封；所述连接套筒1-4通过排气端螺钉1-7与排气端1-6螺纹连接；所述连接套筒1-4通过排气端密封圈1-5与排气端1-6气体密封。所述进气端1-1设置有引流孔1-1-1，诱导外界气体由引流孔1-1-1进入进气端1-1；所述进气端1-1设置有进气端螺纹孔1-1-2，进气端螺纹孔1-1-2与排气端螺钉1-7螺纹连接；所述进气端1-1设置有进气端密封圈凹槽1-1-3，所述进气端密封圈凹槽1-1-3用于安装进气端密封圈1-3；所述进气端1-1设置有进气端连通孔1-1-4，诱导气体经由进气端连通孔1-1-4排出进气端1-1。所述连接套筒1-4设置有进气端套筒螺纹孔1-4-1，所述进气端套筒螺纹孔1-4-1与进气端螺钉1-2螺纹连接；所述连接套筒1-4设置有进气孔1-4-2，压缩气体由进气孔1-4-2进入连接套筒1-4；所述连接套筒1-4设置有排气端套筒螺纹孔1-4-3，排气端套筒螺纹孔1-4-3与排气端螺钉1-7螺纹连接。所述排气端1-6设置有喷气端连通孔1-6-1，混合气体由喷气端连通孔1-6-1进入排气端1-6；所述排气端1-6设置有排气端密封圈凹槽1-6-2，所述排气端密封圈凹槽1-6-2用于固定排气端密封圈1-5；所述排气端1-6设置有喷气口螺纹孔1-6-3，喷气口螺纹孔1-6-3与排气端螺钉1-7螺纹连接；所述排气端1-6设置有增流装置螺纹连接孔1-6-4，所述增流装置螺纹连接孔1-6-4与紧定螺钉3螺纹连接；所述排气端1-6设置有锥形喷气口1-6-5，混合气体经由锥形喷气口1-6-5喷出微孔隙流量放大装置1。
所述的柔性菱形发电装置2为面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置的发电装置。所述柔性菱形发电装置2包括圆形挡流板2-1、发电端安装支座2-2和菱形压电发电组件2-3；所述圆形挡流板2-1设置有加压端连接孔2-1-1，所述圆形挡流板2-1设置有导向圆柱2-1-2；所述发电端安装支座2-2设置有螺纹连接孔2-2-1，所述发电端安装支座2-2设置有发电机排气孔2-2-2，所述发电端安装支座2-2设置有受压端连接孔2-2-3，所述发电端安装支座2-2设置有导向圆环2-2-4；所述菱形压电发电组件2-3包括固定基板2-3-1和压电发电元件2-3-2，所述压电发电元件2-3-2通过环氧树脂AB胶粘接于固定基板2-3-1表面，可将气体压力能转化为电能，并通过发电装置的整流电路对电能进行管理；所述固定基板2-3-1通过环氧树脂AB胶与加压端连接孔2-1-1粘接；所述固定基板2-3-1通过环氧树脂AB胶与受压端连接孔2-2-3粘接；该具体实施方式中压电发电元件2-3-2可采用哈尔滨芯明天公司和保定市宏声声学器厂家的压电陶瓷片PZT；该具体实施方式中压电发电元件2-3-2也可采用美国精量电子（深圳）有限公司的柔性强韧性压电材料PVDF。
所述进气端1-1中进气端连通孔1-1-4的直径为d1，d1取值满足的范围为10~25 mm，通过调节d1的值可以改变混合气体的流量，本具体实施方式中d1的取值为16 mm。所述进气端1-1与排气端1-6之间的重合部分长度为Y，Y取值满足的范围为10~20 mm，通过调节Y的值可以改变混合气体的流态；本具体实施方式中Y的取值为15 mm。所述连接套筒1-4中的进气孔1-4-2直径为d0，b与d0的比值为F=b/d0，F取值满足的范围为1~3，通过调节F的值可以改变提供的压缩气体的流速；本具体实施方式中F的取值为2.5。所述进气端1-1中进气端连通孔1-1-4直径为d1，b与d1的比值为G=b/d1，G取值满足的范围为0.1~0.4，通过调节G的取值可以改变气体的流速；本具体实施方式中G取值为0.1。所述排气端1-6中喷气端连通孔1-6-1的直径为d2，d1与d2的比值为Z=d1/d2，Z取值满足的范围为0.5~0.8，通过调节Z值可以改变气体的流量；本具体实施方式中Z的取值为0.8。所述锥形喷气口1-6-5的锥角具有角度值β，β取值满足范围为0~25°，通过调节β的值可以调节排气端1-6喷出的混合气体的流速，本具体实施方式中β的取值为20°。
所述的柔性菱形发电装置2设置有圆形挡流板2-1，所述圆形挡流板2-1的直径为d3，圆形挡流板2-1与排气端1-6中喷气端连通孔1-6-1的直径d2的比值W=d3/d2介于0.5~0.9之间，通过调节W的比值可改变混合气体的流速；本具体实施方式中W的取值为0.8。所述发电端安装支座2-2中的导向圆环2-2-4的长度为L，所述导向圆柱2-1-2的长度M，导向圆环2-2-4与导向圆柱2-1-2间的比值P=L/M介于0.3~0.8之间，通过调节P值可以改变导向圆柱2-1-2和导向圆环2-2-4间的刚度；本实施方式中P的取值为0.5。所述菱形压电发电组件2-3的固定基板2-3-1具有四条棱边，其中每条棱边的长度都为c；所述菱形压电发电组件2-3的长轴长度为a，短轴长度为b，长短轴的比值E=b/a，E的取值范围介于0.2~1.8之间，通过调节E值可以改变菱形压电发电组件2-3的发电效果；本实施方式中E的取值为0.8。
所述的发电装置的整流电路包括二极管（D6~D9）和电容C1。当增流气体从排气端1-6流出后，激励柔性菱形发电装置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流出到输出端对物联网节点进行供电。所述二极管（D6~D9）可以是NI 5408整流二极管，所述电容C1的电容量范围为100~1000 μF。
综合以上所述内容，本发明设计的压电发电装置可有效解决当前工业环境中用于俘获气体压力能发电的微能源发电装置存在的发电效率低等技术问题。可将气体流量和流速放大，进而将装置的发电效率提高3倍以上。在物联网节点、低功耗器件与低功耗传感器等低功耗电子设备的供能技术领域具有广泛的应用前景。
Claims (4)
1.一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置，该压电发电装置包括微孔隙流量放大装置（1）、柔性菱形发电装置（2）和紧定螺钉（3），微孔隙流量放大装置（1）通过紧定螺钉（3）与柔性菱形发电装置（2）螺纹连接；所述微孔隙流量放大装置（1）包括进气端（1-1）、进气端螺钉（1-2）、进气端密封圈（1-3）、连接套筒（1-4）、排气端密封圈（1-5）、排气端（1-6）和排气端螺钉（1-7）；所述进气端（1-1）通过进气端螺钉（1-2）与连接套筒（1-4）螺纹连接，进气端（1-1）通过进气端密封圈（1-3）与连接套筒（1-4）气体密封；连接套筒（1-4）通过排气端螺钉（1-7）与排气端（1-6）螺纹连接，连接套筒（1-4）通过排气端密封圈（1-5）与排气端（1-6）气体密封；所述的柔性菱形发电装置（2）包括圆形挡流板（2-1）、发电端安装支座（2-2）和菱形压电发电组件（2-3）；所述圆形挡流板（2-1）与发电端安装支座（2-2）滑动配合，圆形挡流板（2-1）与菱形压电发电组件（2-3）固定，菱形压电发电组件（2-3）与发电端安装支座（2-2）固定；
其特征在于：所述进气端（1-1）设置有引流孔（1-1-1）、进气端螺纹孔（1-1-2），进气端螺纹孔（1-1-2）与进气端螺钉（1-2）螺纹连接；进气端（1-1）设置有进气端密封圈凹槽（1-1-3），进气端密封圈凹槽（1-1-3）与进气端密封圈（1-3）固定；进气端（1-1）设置有进气端连通孔（1-1-4）；所述连接套筒（1-4）设置有进气端套筒螺纹孔（1-4-1），进气端套筒螺纹孔（1-4-1）与进气端螺钉（1-2）螺纹连接；连接套筒（1-4）设置有进气孔（1-4-2）；连接套筒（1-4）设置有排气端套筒螺纹孔（1-4-3），排气端套筒螺纹孔（1-4-3）与排气端螺钉（1-7）螺纹连接；所述排气端（1-6）设置有喷气端连通孔（1-6-1）、排气端密封圈凹槽（1-6-2）、喷气口螺纹孔（1-6-3）、增流装置螺纹连接孔（1-6-4）和锥形喷气口（1-6-5）；排气端密封圈凹槽（1-6-2）与排气端密封圈（1-5）固定，喷气口螺纹孔（1-6-3）与排气端螺钉（1-7）螺纹连接，增流装置螺纹连接孔（1-6-4）与紧定螺钉（3）螺纹连接；所述圆形挡流板（2-1）设置有加压端连接孔（2-1-1）和导向圆柱（2-1-2）；所述发电端安装支座（2-2）设置有螺纹连接孔（2-2-1）、发电机排气孔（2-2-2）、受压端连接孔（2-2-3）和导向圆环（2-2-4），导向圆环（2-2-4）与导向圆柱（2-1-2）滑动接触配合；所述菱形压电发电组件（2-3）包括固定基板（2-3-1）和压电发电元件（2-3-2）。
2.根据权利要求1所述的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置，其特征在于所述进气端连通孔（1-1-4）的直径为d1，d1的取值范围为10~25 mm；进气端（1-1）与排气端（1-6）间的重合长度为Y，Y的取值范围为10~20 mm；所述喷气端连通孔（1-6-1）的直径为d2，d1与d2的比值为Z=d1/d2，Z的取值范围为0.5~0.8；锥形喷气口（1-6-5）的锥角为β，β的取值范围为0~25°。
3.根据权利要求1所述的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置，其特征在于所述圆形挡流板（2-1）的直径为d3，圆形挡流板（2-1）与喷气端连通孔（1-6-1）的直径比为W=d3/d2，W的取值范围为0.5~0.9；所述导向圆环（2-2-4）的长度为L，导向圆柱（2-1-2）的长度M，导向圆环（2-2-4）与导向圆柱（2-1-2）的长度比为P=L/M，P的取值范围为0.3~0.8。
4.根据权利要求1所述的一种面向物联网节点供能的微环流孔射流激励压电发电装置，其特征在于所述的菱形压电发电组件（2-3）中的压电发电元件（2-3-2）选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
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