CN107134948A - 一种自适应宽频流体俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应宽频流体俘能器，其特征在于：包括底座、支撑杆、俘能机构和整流储存电路，支撑杆的下端活动连接在底座上以使支撑杆能够随风旋转，俘能机构有一个以上，俘能机构包括悬臂梁、压电双晶片和轻质圆柱体，悬臂梁的一端固定在支撑杆上，压电双晶片顶部固定于悬臂梁的另一端上，双电压晶片底部固定于轻质圆柱体顶部中央。该俘能器结构简单，且由于干扰柱体对流场的影响，可显著增大轻质圆柱体的振动幅值及锁频区间，从而输出更多的有效功率。

Description

一种自适应宽频流体俘能器
技术领域
本发明涉及新能源与微电子器件供能技术领域，具体涉及一种自适应宽频流体俘能器。
背景技术
目前，新型微电子产品在工程中的应用越来越广泛，如微机器人、生物传感器、健康监测仪等，且它们在正常工作时需要的功率可低至几微瓦。因此，这为小型俘能技术的发展提供了契机。
流体流动在自然界中分布非常广泛，且蕴藏着巨大的能量,比如海洋流、河流等。此外，大气中的风也是典型的流体运动，它们都可诱发结构出现所谓的流致振动。传统方式主要是通过涡轮机或叶片实现将流体流动转化为可利用的电能，转化机制是电磁俘能。但是，要想获得比较可观的能量，必须要有较大的起转流速来驱动涡轮机或叶片,这一方面造成流体能量资源的浪费，另一方面也阻碍了流体能量利用技术的广泛推广。
流体流动诱发结构产生的涡激振动现象在风工程、海洋工程中经常发生，当漩涡脱落频率与结构固有频率接近时，耦合系统发生锁频效应，结构产生较大的振动幅值。近年来这一固有特性在压电涡激振动能量采集中得到广泛应用，通过调节结构固有频率和质量比(结构与流体质量比值)，可在流体流速较小时就能实现能量采集。然而，以往研究发现，在利用涡激振动俘能时，输出功率较低，锁频范围较窄，这一定程度上限制了流体流动能量采集的效率。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种自适应宽频流体俘能器，该俘能器结构简单，且由于干扰柱体对流场的影响，可显著增大轻质圆柱体的振动幅值及锁频区间，从而输出更多的有效功率。
实现本发明上述目的所采样的技术方案为：
一种自适应宽频流体俘能器，其特征在于：包括底座、支撑杆、俘能机构和整流储存电路，支撑杆的下端活动连接在底座上以使支撑杆能够随风旋转，俘能机构有一个以上，俘能机构包括悬臂梁、压电双晶片和轻质圆柱体，悬臂梁的一端固定在支撑杆上，压电双晶片顶部固定于悬臂梁的另一端上，双电压晶片底部固定于轻质圆柱体顶部中央。
俘能机构有两个，两个俘能机构由上俘能机构和下俘能机构构成，上俘能机构包括上悬臂梁、上压电双晶片和上轻质圆柱体，上悬臂梁的一端均固定于支撑杆上，上压电双晶片顶部固定于上悬臂梁的另一端上，上双电压晶片底部固定于上轻质圆柱体顶部中央，下俘能机构包括下悬臂梁、下压电双晶片和下轻质圆柱体，下悬臂梁的一端固定于支撑杆上，下压电双晶片顶部固定于下悬臂梁的另一端上，下双电压晶片底部固定于下轻质圆柱体顶部中央，上轻质圆柱体位于下悬臂梁的正上方。
还包括风向标，风向标安装于支撑杆的上端上。
支撑杆为圆杆。
底座上设有轴承，支撑杆下端与轴承连接，支撑杆与轴承之间过盈配合。
上轻质圆柱体和下轻质圆柱体与支撑杆之间的距离均为D/2，D代表轻质圆柱直径。
所述的轴承为球轴承。
整流储存电路包括整流电路和超级电容，超级电容通过整流电路分别与上压电双晶片和下压电双晶片连接，所述的整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8和电阻R2，在振动的正半周，二极管D2和二极管D4导通，二极管D5和二极管D7导通，并联后连接电阻R1和超级电容C1；在振动的负半周，二极管D1和二极管D3导通，二极管D6和二极管D8导通，并联后连接电阻R2和超级电容C1。
上压电双晶片和下压电双晶片均呈条状，上压电双晶片和下压电双晶片均三明治结构，中间层为轻质金属材料层，两外层为压电材料层。
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：
1、该俘能器利用压电效应在流体流动条件下进行能量采集，由于干扰圆柱体对流场的影响，一方面减小了斯特罗哈数(St)，能有效增大能量采集的流速范围，实现宽频俘能；另一方面增大了升力系数(CL)，能较大提高能量采集性能。
2、该俘能系统引入风向标和球轴承等结构，能增加能量采集的灵活度，即，可以自适应不同的来流方向，避免了来流方向发生改变导致无法俘能的结果，提高了流体俘能器的环境自适应能力。
附图说明
图1为本发明的自适应宽频流体俘能器的结构示意图(省掉电路图)。
图2为压电双晶片的结构示意图。
图3为整流储存电路的电路图。
图4为本发明的自适应宽频流体俘能器简易结构的结构示意图。
图5为实验一中简易俘能器进行能量俘获的效果图。
其中，1-轴承、2-下轻质圆柱体、3-下压电双晶片、4-上轻质圆柱体、5-上双压电晶片、6-支撑杆、7-下悬臂梁、8-上悬臂梁、9-风向标、10-底座、11-压电材料层、12-轻质金属材料层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明提供的自适应宽频流体俘能器的结构示意图如图1所示，该俘能器包括底座10、支撑杆6、俘能机构、风向标9和整流储存电路。
底座10上设有轴承1，轴承1为球轴承，轴承1外圈与底10座固定连接，支撑杆6为圆杆，支撑杆6的下端与轴承1内圈连接，支撑杆6下端与轴承1内圈之间过盈配合，风向标9焊接在支撑杆6上端上。
俘能机构可以沿支撑杆的长度从上到下依次设置多个，本实施例中，俘能机构设置两个，两俘能机构由上俘能机构和下俘能机构构成。上俘能机构包括上悬臂梁8、上压电双晶片5和上轻质圆柱体4，下俘能机构包括下悬臂梁7、下压电双晶片3和下轻质圆柱体2，上轻质圆柱体和下轻质圆柱体的材质均为挤塑板。上悬臂梁8和下悬臂梁7均为条形板。如图2所示，上压电双晶片5和下压电双晶片3均呈条状，上压电双晶片5和下压电双晶片3均三明治结构，中间层为轻质金属材料层12，两外层为压电材料层11，轻质金属材料可以是铝合金，压电材料压可以为电陶瓷、压电纤维复合材料或压电薄膜等。上悬臂梁8和下悬臂梁7的一端均焊接于支撑杆6上，上压电双晶片5的上端通过螺栓固定于上悬臂梁8的另一端上，上轻质圆柱体4顶部中央通过粘连的方式粘结于上压电双晶片5的下端上，下压电双晶片3上端通过螺栓固定于下悬臂梁7的另一端上，下轻质圆柱体2顶部中央通过粘连的方式粘结于下压电双晶片3的下端上，上轻质圆柱体4位于下悬臂梁7的正上方。
如图3所示，整流储存电路包括整流电路和超级电容，超级电容通过整流电路分别与上压电双晶片和下压电双晶片连接，所述的整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8和电阻R2，在振动的正半周，二极管D2和二极管D4导通，二极管D5和二极管D7导通，并联后连接电阻R1和超级电容C1；在振动的负半周，二极管D1和二极管D3导通，二极管D6和二极管D8导通，并联后连接电阻R2和超级电容C1。
该采集器的工作原理如下：
风向标会随风向转动，当有流体(如风)流动时，风向标总是处于迎风方向，从而通过轴承带动支撑杆转动，进而带动俘能机构正对迎风方向，此时，轻质圆柱体后方产生漩涡脱落，当脱落频率与压电双晶片-轻质圆柱体结构的固有频率接近时，会发生涡激振动，从而带动压电双晶片往复振动，在压电效应下产生交变电压。
当轻质圆柱体后方安置一干扰圆柱体后，流场特性发生变化，可增大涡激振动共振流速范围和振动幅度，从而提高俘能效率，由于压电双晶片的往复运动产生的是交变电流，通过整流电路将交流电转换为直流电，最后将电能存储在超级电容中，为微传感器或微机电系统供电。
实验一、本发明的自适应宽频流体俘能器的能量俘获实验
实验方法：
如图4所示，在风洞中，将压电双晶片上端固定在墙顶上，将L1为8.3cm的轻质圆柱体顶部中央粘结于压电双晶片下端上，将L2为6.2cm的圆形支撑杆置于轻质圆柱体一侧且将圆形支撑杆固定于地面上，使圆形支撑杆与轻质圆柱体之间的距离L为0.8cm，制作成简易自适应宽频流体俘能器(简称简易俘能器)。将压电双晶片外接电阻R为500千欧(经测试该电阻值为最优值)，电路中连接NI 9229DAQ模块来实时测量输出电压，通过调节风速大小，得到不同风速下的电压值，进而得到不同风速下的功率值。
另外再设置两组实验组和对照组，两组实验组只改变圆形支撑杆的长度，圆形支撑杆的长度分别为1.4cm、4.2cm，对照组去掉圆形支撑杆。
实验结果：
实验结果如图5所示，从图5可以看出：1、相比较没有圆形支撑杆作用下，本发明的自适应宽频流体俘能器不仅能有效增大共振流速范围，实现宽频俘能，还能提高输出电功率值，提高能量采集效率；2、当圆形支撑杆与轻质圆柱体在竖直方向重叠的长度越多，不仅越能增大能量采集的流速范围，进一步实现宽频俘能，而且输出的电功率值越高，进一步提高能量采集效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如在支撑杆上增加多个俘能机构，或改变支撑杆的截面形状，改变各部件之间的连接方式等，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自适应宽频流体俘能器，其特征在于：包括底座、支撑杆、俘能机构和整流储存电路，支撑杆的下端活动连接在底座上以使支撑杆能够随风旋转，俘能机构有一个以上，俘能机构包括悬臂梁、压电双晶片和轻质圆柱体，悬臂梁的一端固定在支撑杆上，压电双晶片顶部固定于悬臂梁的另一端上，双电压晶片底部固定于轻质圆柱体顶部中央。
2.根据权利要求1所述的自适应宽频流体俘能器，其特征在于：俘能机构有两个，两个俘能机构由上俘能机构和下俘能机构构成，上俘能机构包括上悬臂梁、上压电双晶片和上轻质圆柱体，上悬臂梁的一端固定于支撑杆上，上压电双晶片顶部固定于上悬臂梁的另一端上，上双电压晶片底部固定于上轻质圆柱体顶部中央，下俘能机构包括下悬臂梁、下压电双晶片和下轻质圆柱体，下悬臂梁的一端固定于支撑杆上，下压电双晶片顶部固定于下悬臂梁的另一端上，下双电压晶片底部固定于下轻质圆柱体顶部中央，上轻质圆柱体位于下悬臂梁的正上方。
3.根据权利要求2所述的自适应宽频流体俘能器，其特征在于：还包括风向标，风向标安装于支撑杆的上端上。
4.根据权利要求3所述的自适应宽频流体俘能器，其特征在于：上轻质圆柱体和下轻质圆柱体与支撑杆之间的距离均为D/2，D代表轻质圆柱直径。
5.根据权利要求4所述的自适应宽频流体俘能器，其特征在于：支撑杆为圆杆。
6.根据权利要求5所述的自适应宽频流体俘能器，其特征在于：底座上设有轴承，支撑杆下端与轴承连接，支撑杆与轴承之间过盈配合。
7.根据权利要求6所述的自适应宽频流体俘能器，其特征在于：所述的轴承为球轴承。
8.根据权利要求7所述的自适应宽频流体俘能器，其特征在于：整流储存电路包括整流电路和超级电容，超级电容通过整流电路分别与上压电双晶片和下压电双晶片连接，所述的整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8和电阻R2，在振动的正半周，二极管D2和二极管D4导通，二极管D5和二极管D7导通，并联后连接电阻R1和超级电容C1；在振动的负半周，二极管D1和二极管D3导通，二极管D6和二极管D8导通，并联后连接电阻R2和超级电容C1。
9.根据权利要求8所述的自适应宽频流体俘能器，其特征在于：上压电双晶片和下压电双晶片均呈条状，上压电双晶片和下压电双晶片均三明治结构，中间层为轻质金属材料层，两外层为压电材料层。
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