CN107359813B - 一种隧道行车气流致振俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道行车气流致振俘能器，属新能源领域。壳体左侧设有两个挡风板、右侧设有横梁；壳体的前后壁内侧靠近挡风板处都装有限位块，限位块、横梁及壳体的水平对称中心重叠；横梁上下两侧都装有压电振子，压电振子与横梁接触面为水平面，压电振子自由端装有迎风板；压电振子是由等厚度基板和压电片粘接而成的悬臂梁，压电片靠近横梁安装，迎风板靠近基板安装；压电振子自由端位于挡风板右侧且对称布置在限位块的上下两侧；风从壳体右侧吹向左侧并使迎风板左右往复摆动、压电振子上下往复摆动，压电振子自由端顶靠在限位块上时的变形量小于其许用值；额定风速下，压电振子的静变形量为其许用值的一半、迎风板的迎风角为Q＝15°～60°。
Description
技术领域
本发明属新能源技术领域，具体涉及一种隧道行车气流致振俘能器。
背景技术
隧道已成为目前公路及铁路网络的重要组成部分。为确保汽车及火车能够正常安全同行、实现隧道环境及通行车辆的实时监测，隧道中需要安装各类仪器设备及照明设施，因此隧道中也要有相应的供电设施。如采用传统的电缆供电，电缆的铺设及后续维护的难度较大、成本较高；如采用电池供电，因电池寿命有限、需经常更换，使用极其不便，尤其是在偏远山区。
发明内容
本发明提出一种隧道行车气流致振俘能器，本发明采用的实施方案是：壳体由顶壁、底壁、前壁和后壁构成，壳体的内部左侧设有两个挡风板、右侧设有横梁，挡风板和横梁的两端都分别固定在前壁和后壁上；前壁和后壁的内侧靠近挡风板处都经螺钉安装有限位块，限位块、横梁及壳体在水平方向上的对称中心重叠，挡风板相对限位块的水平方向的中心线对称布置；横梁上下两侧都经压板和螺钉安装有压电振子，压电振子与横梁的接触面为水平面，压电振子的自由端经螺钉安装有迎风板；压电振子是由等厚度的基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，压电片靠近横梁安装，迎风板靠近基板安装；压电振子自由端位于挡风板的右侧且对称布置在限位块的上下两侧。
当车辆快速从隧道中通过时便会有风生成，风从壳体的右侧吹向左侧；风吹过迎风板时会在迎风板后面生成漩涡，漩涡的连续生成与脱落使迎风板左右两侧风压交替地增加和减小，从而迫使迎风板左右往复摆动，迎风板左右往复摆动再带动压电振子上下往复摆动，压电振子自由端变形过大并顶靠在限位块上时压电振子变形量小于其许用值，压电振子上下往复摆动的过程中即将机械能转换成电能。
本发明中，压电振子主要是通过迎风板与风耦合作用形成的卡门漩街实现自激振动发电的，迎风板存在使发电效果较好的较佳迎风角，迎风角是指迎风板与来风方向间的夹角；额定风速下，压电振子的静变形量为其许用值的一半、迎风板的较佳迎风角为Q＝15～60°；挡风板的功能是改善挡风板与压电振子之间区域内的漩涡生成条件并提高漩涡强度，进而提高压电振子的振幅、发电能力及风向的适应性。
本发明中压电振子安装前的自然状态下为预弯结构或平直结构，压电振子为预弯结构时，基板置于压电片内侧、基板预弯半径小于压电片预弯半径，要解决的关键问题是确保压电振子的预弯半径大于其最小许用弯曲半径、避免压电片因制作过程中拉应力过大而损坏；压电振子为平直结构时，关键是确保工作中压电振子变形量小于其许用值、避免压电片因压应力过大而损毁；压电振子为预弯结构时压电片凸面上的最小许用预弯半径为压电振子为平直结构时的最大许用变形量为式中H、L分别为压电振子总厚度和悬臂长度，β＝E1/E2，E1、E2分别为基板和压电片的弹性模量，g31分别为压电材料的介电常数和电压常数，分别为压电材料的许用拉应力和许用压应力。
优势与特色：结构简单、启动风速低，易通过阵列方式提高发电及供电能力，可实现隧道内仪器设备的自供电运行，无需化学电池和铺设电缆；通过压电振子端部附加的迎风板与风的耦合作用激励压电振子，结构及安装参数易调节并获得较佳状态，最关键是压电振子单向弯曲变形、压电振子长度方向与风向相同或夹角很小、最大静变形达到一定程度后不再随风速增加而增大，故发电能力强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中采用平直压电振子俘能器工作时的结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是本发明一个较佳实施例中采用预弯压电振子俘能器工作时的结构示意图；
图4是图3的左视图。
具体实施方式
壳体a由顶壁a1、底壁a2、前壁a3和后壁a4构成，壳体a的内部左侧设有两个挡风板a5，壳体a的内部右侧设有横梁a6，挡风板a5和横梁a6的两端分别固定在前壁a3和后壁a4上；前壁a3和后壁a4的内侧靠近挡风板a5处都经螺钉安装有限位块b，限位块b、横梁a6及壳体a在水平方向上的对称中心重叠，挡风板a5相对限位块b的水平方向的中心线对称布置；横梁a6的上下两侧都经压板c和螺钉安装有压电振子e，压电振子e与横梁a6的接触面为水平面，压电振子e的自由端经螺钉安装有迎风板d；压电振子e是由等厚度的基板e1和压电片e2粘接而成的悬臂梁结构，压电片e2靠近横梁a6安装，迎风板d靠近基板e1安装；压电振子e的自由端位于挡风板a5的右侧且对称布置在限位块b的上下两侧。
当车辆快速从隧道中通过时便会有风生成，风从壳体a的右侧吹向左侧；风吹过迎风板d时会在迎风板d后面生成漩涡，漩涡的连续生成与脱落使迎风板d左右两侧风压交替地增加和减小，从而迫使迎风板d左右往复摆动，迎风板d左右往复摆动再带动压电振子e上下往复摆动，压电振子e自由端变形过大并顶靠在限位块b上时压电振子e变形量小于其许用值，压电振子e上下往复摆动的过程中即将机械能转换成电能。
本发明中，压电振子e主要是通过迎风板d与风耦合作用形成的卡门漩街实现自激振动发电的，迎风板d存在使发电效果较好的较佳迎风角，迎风角是指迎风板d与来风方向间的夹角；额定风速下，压电振子e的静变形量为其许用值的一半、迎风板d的较佳迎风角为Q＝15～60°；挡风板a5的功能是改善挡风板a5与压电振子e之间区域B内的漩涡生成条件并提高漩涡强度，进而提高压电振子e的振幅、发电能力及风向的适应性。
本发明中压电振子e安装前的自然状态下为预弯结构或平直结构，压电振子e为预弯结构时，基板e1置于压电片e2内侧、基板e1预弯半径小于压电片e2预弯半径，要解决的关键问题是确保压电振子e的预弯半径大于其最小许用弯曲半径、避免压电片e2因制作过程中拉应力过大而损坏；压电振子e为平直结构时，关键是确保工作中压电振子e变形量小于其许用值、避免压电片e2因压应力过大而损毁；压电振子e为预弯结构时压电片e2凸面上的最小许用预弯半径为压电振子e为平直结构时的最大许用变形量为式中H、L分别为压电振子e的总厚度和悬臂长度，β＝E1/E2，E1、E2分别为基板e1和压电片e2的弹性模量，g31分别为压电材料的介电常数和电压常数，分别为压电材料的许用拉应力和许用压应力。
Claims (1)
1.一种隧道行车气流致振俘能器，其特征在于：壳体由顶壁、底壁、前壁和后壁构成，壳体的内部左侧设有两个挡风板、右侧设有横梁，挡风板和横梁的两端都分别固定在前壁和后壁上；前壁和后壁的内侧靠近挡风板处都装有限位块，限位块、横梁及壳体在水平方向上的对称中心重叠，挡风板相对限位块的水平方向的中心线对称布置；横梁上下两侧都装有压电振子，压电振子与横梁的接触面为水平面，压电振子自由端装有迎风板；压电振子是由等厚度的基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，压电片靠近横梁安装，迎风板靠近基板安装；压电振子自由端位于挡风板右侧且对称布置在限位块的上下两侧；风从壳体右侧吹向左侧并迫使迎风板左右往复摆动、压电振子上下往复摆动，压电振子自由端变形过大并顶靠在限位块上时压电振子变形量小于其许用值；额定风速下，压电振子的静变形量为其许用值的一半、迎风板的迎风角为Q＝15°～60°。
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| 基于流固耦合作用的压电液压振动俘能器;李征 等;《光学精密工程》;20120531;第20卷(第5期);1002-1008 |
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