CN107688101B - 一种旗摆式多向风能采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旗摆式多向风能采集器，属新能源领域。上壳体底壁上设有套筒，下壳体顶壁上设有通孔；定磁环套在套筒上且经螺钉与上壳体底壁及下壳体顶壁相互连接；定磁环外套有动磁环，动定磁环的同性磁极相对安装，动磁环上下两端都均布地设有豁口；帆架摆臂上装有一个磁铁，摆臂一端设有弧形板、另一端设有立板；弧形板装在动磁环上，立板上装有旗帆；上壳侧壁端部装有上盖，下壳侧壁端部装在底座上，底座座板上装有电路板；下壳体顶壁上装有传感器，传感器均布在以套筒中心为圆心的圆周上；上壳体底壁上及下壳体顶壁上都装有压电振子，压电振子的基板靠近上壳体底壁或下壳体顶壁安装，压电振子自由端装有磁片，磁片与动磁环之间为排斥力。
Description
技术领域
本发明属新能源技术领域，具体涉及一种旗摆式多向风能采集器，用于环境中风向变化的自动监测。
背景技术
风向风速测量与监测技术在气象、民航、公路与桥梁及采矿等行业都有广泛的应用需求。目前，用于风向风速监测的新型传感器、数据采集与处理技术等都取得了长足的发展，其中便携式数字式风速测量仪在工业生产中已获得广泛的实际应用。然而，野外自然环境中风向风速测量方面还有一些急需解决的关键问题，如数据采集、处理及持续远程传输的能量供应问题，监测系统的低风速启动问题，等等。
发明内容
本发明提出一种旗摆式多向风能采集器，本发明采用的实施方案是：上壳体的底壁上设有套筒，下壳体的顶壁上设有通孔；定磁环套在套筒上，套筒的下端置于下壳体的顶壁上的通孔内，定磁环的上下两端分别顶靠在上壳体的底壁上和下壳体的顶壁上，定磁环、上壳体的底壁及下壳体的顶壁经螺钉相互连接；定磁环的外侧套有动磁环，动磁环与定磁环的同性磁极相对安装，动磁环可在上壳体的底壁与下壳体的顶壁之间绕定磁环转动，动磁环的上下两端都均布地设有豁口，豁口的功能是使动磁环端面沿圆周方向的磁场强度不同；帆架的摆臂上经螺钉安装有一个磁铁，摆臂的一端设有弧形板、另一端设有立板，立板位于摆臂上下两侧的长度相同；弧形板经螺钉安装在动磁环上，立板上安装有旗帆，旗帆安装在立板的垂直边缘上；上壳侧壁的端部经螺钉安装有上盖，下壳侧壁的端部经螺钉安装在底座上，底座的座板上经螺钉和垫圈安装有电路板，电路板置于下壳体内；下壳体的顶壁上安装有传感器，传感器均布在以套筒中心为圆心的圆周上，传感器和磁铁到套筒中心的距离相等。
上壳体的底壁上及下壳体的顶壁上都经螺钉和压板安装有压电振子，压电振子由基板及压电片粘接而成，基板靠近上壳体的底壁或下壳体的顶壁安装，压电振子的自由端经螺钉安装有磁片，磁片与动磁环之间的相互作用力为排斥力；压电振子安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；非工作的自然状态下、即无风且动磁环不受帆架施加的横向作用力时，各压电振子的最大变形量小于其许用值的一半，即小于其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板和压电振子的总厚度，Em和Ep分别为基板和压电片的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子的悬臂长度。
环境中有风吹过时，旗帆与风的耦合作用使帆架产生自激振动，从而使帆架、磁铁及动磁环相对定磁环、传感器及磁片发生相对运动，包括径向的相对移动和圆周方向的相对转动：动磁环与磁片间的相对位置变化使二者间的作用力发生变化，进而使压电振子的变形量发生变化，部分压电振子的变形量增加、另一部分压电振子的变形量减小，且变形量逐渐增加的压电振子的最大变形量小于其许用值。压电振子变形量交替增加与减小过程中压电片的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能，此为压电发电过程；所生成的电能经导线传输到电路板上，经转换处理后用于风向信号的处理计算与发射。
环境中的风向发生变化时，旗帆将带动帆架及磁铁绕定磁环转动，从而改变磁铁与各传感器的相对位置，使各传感器上所检测到的磁场强度发生变化，与磁铁距离近的传感器检测到的磁场强度高、远的传感器检测到的磁场强度弱或无磁场，故本发明根据各传感器检测到磁场强度的强弱及有无确定风向，所获得的风向变化信息经电路板上的信息发射系统发射出去。
优势与特色：结构简单、启动风速低，风向适应性强、适于自然环境中各方向风能的收集；工作中压电振子仅承受单向激励、产生单向弯曲变形且变形量可控，故可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中风能采集器的结构剖面示意图；
图2是本发明一个较佳实施例中帆架的结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是动磁环的结构示意图；
图5是图4的俯视图；
图6是图1的A-A剖视图；
图7是图1的B-B剖视图。
具体实施方式
上壳体a的底壁a1上设有套筒a2，下壳体b的顶壁b1上设有通孔；定磁环c套在套筒a2上，套筒a2的下端置于下壳体b的顶壁b1上的通孔内，定磁环c的上下两端分别顶靠在上壳体a的底壁a1上和下壳体b的顶壁b1上，定磁环c、上壳体a的底壁a1及下壳体b的顶壁b1经螺钉相互连接；定磁环c的外侧套有动磁环d，动磁环d与定磁环c的同性磁极相对安装，动磁环d可在上壳体a的底壁a1与下壳体b的顶壁b1之间绕定磁环c转动，动磁环d的上下两端都均布地设有豁口d1，豁口d1的功能是使动磁环d端面沿圆周方向的磁场强度不同；帆架e的摆臂e1上经螺钉安装有一个磁铁m，摆臂e1的一端设有弧形板e2、另一端设有立板e3，立板e3位于摆臂e1上下两侧的长度相同；弧形板e2经螺钉安装在动磁环d上，立板e3上安装有旗帆f，旗帆f安装在立板e3的垂直边缘上；上壳侧壁a3的端部经螺钉安装有上盖g，下壳侧壁b2的端部经螺钉安装在底座h上，底座h的座板h1上经螺钉和垫圈i安装有电路板j，电路板j置于下壳体b内；下壳体b的顶壁b1上安装有传感器k，传感器k均布在以套筒a2中心为圆心的圆周上，传感器k和磁铁m到套筒a2中心的距离相等。
上壳体a的底壁a1上及下壳体b的顶壁b1上都经螺钉和压板z安装有压电振子n，压电振子n由基板n1及压电片n2粘接而成，基板n1靠近上壳体a的底壁a1或下壳体b的顶壁b1安装，压电振子n的自由端经螺钉安装有磁片p，磁片p与动磁环d之间的相互作用力为排斥力；压电振子n安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；非工作的自然状态下、即无风且动磁环d不受帆架e施加的横向作用力时，各压电振子n的最大变形量小于其许用值的一半，即小于其中：B＝1-α+αβ，A＝α4(1-β)2-4α3(1-β)+6α2(1-β)-4α(1-β)+1，α＝hm/H，β＝Em/Ep，hm和H分别为基板n1和压电振子n的总厚度，Em和Ep分别为基板n1和压电片n2的杨氏模量，k31和分别为压电陶瓷材料的机电耦合系数和许用压应力，L为压电振子n的悬臂长度。
环境中有风吹过时，旗帆f与风的耦合作用使帆架e产生自激振动，从而使帆架e、磁铁m及动磁环d相对定磁环c、传感器k及磁片p发生相对运动，包括径向的相对移动和圆周方向的相对转动：动磁环d与磁片p间的相对位置变化使二者间的作用力发生变化，进而使压电振子n的变形量发生变化，部分压电振子n的变形量增加、另一部分压电振子n的变形量减小，且变形量逐渐增加的压电振子n的最大变形量小于其许用值。压电振子n变形量交替增加与减小的过程中压电片n2的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能，此为压电发电过程；所生成的电能经导线传输到电路板j上，经转换处理后用于风向信号的处理计算与发射。
环境中的风向发生变化时，旗帆f将带动帆架e及磁铁m绕定磁环c转动，从而改变磁铁m与各传感器k的相对位置，使各传感器k上所检测到的磁场强度发生变化，与磁铁m距离近的传感器k检测到的磁场强度高、远的传感器k检测到的磁场强度弱或无磁场，故本发明根据各传感器k检测到磁场强度的强弱及有无确定风向，所获得的风向变化信息经电路板j上的信息发射系统发射出去。
Claims (1)
1.一种旗摆式多向风能采集器，其特征在于：上壳体的底壁上设有套筒，下壳体的顶壁上设有通孔；定磁环套在套筒上，套筒的下端置于下壳体的顶壁上的通孔内，定磁环的上下两端分别顶靠在上壳体的底壁上和下壳体的顶壁上，定磁环、上壳体的底壁及下壳体的顶壁经螺钉相互连接；定磁环的外侧套有动磁环，动磁环与定磁环的同性磁极相对安装，动磁环在上壳体的底壁与下壳体的顶壁之间绕定磁环转动，动磁环的上下两端都均布地设有豁口；帆架的摆臂上装有一个磁铁，摆臂的一端设有弧形板、另一端设有立板，立板位于上壳侧壁和下壳侧壁的外侧，立板位于摆臂上下两侧的长度相同；弧形板安装在动磁环上，立板上安装有旗帆，旗帆安装在立板的垂直边缘上；上壳侧壁的端部安装有上盖，下壳侧壁的端部安装在底座上，底座的座板上装有电路板；下壳体的顶壁上装有传感器，传感器均布在以套筒中心为圆心的圆周上，传感器和磁铁到套筒中心的距离相等；上壳体的底壁上及下壳体的顶壁上都装有压电振子，压电振子由基板及压电片粘接而成，基板靠近上壳体的底壁或下壳体的顶壁安装，压电振子自由端装有磁片，磁片与动磁环之间的相互作用力为排斥力；压电振子安装前为平直结构，安装后为弯曲结构；非工作时各压电振子的最大变形量小于其许用值的一半，工作中各压电振子的最大变形量小于其许用值。
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