CN108347193A - 一种采用局域谐振声子晶体板的风能采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，包括底座、局域谐振声子晶体板、调谐质量块、压电片，所述局域谐振声子晶体板位于所述底座内，所述局域谐振声子晶体板包括弹性金属基板和位于弹性金属基板上的若干局域谐振子，本采集器采用调谐质量块大大提高了风能采集器的性能可调性及实际适应性，即针对不同风能采集场合，通过改变调谐质量块的数量而调整局域谐振声子晶体板的布拉格通带，以保证局域谐振子局域谐振与弹性金属基板内布拉格散射之间强烈的波耦合作用，从而达到最优的采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及清洁能量采集及发电技术领域，尤其涉及采用局域谐振声子晶体板的风能采集器。
背景技术
风能采集及发电技术是新能源领域最为关注的研究方面之一，有力地支撑了国家能源的可持续发展大业。其中，新兴风能采集器为日益微型化的便携式电子电气设备提供持续、稳定的电能支持。
传统风能采集器主要采用风致转动与电磁感应相结合的原理，这种转动式风能采集器的机械结构比较复杂，而且加工精度与机械稳定性要求较高以减少采集器自身的机械损耗。此外，受限于微型化永磁铁的低能量密度及机械结构微型化的困难，微型化转动式风能采集器损耗大、输出低。而基于风致振动原理的风能采集器因具有结构简单、易于微型化加工的优势，成为当前国内外风能采集技术研究的热点。
基于风致振动原理的风能采集器主要分为涡激振动式、颤振式、腔体式风能采集器三种。涡激振动式风能采集器利用风流在钝体后方激发的涡流脱落产生垂直于风流方向的作用力，驱动钝体振动，再把这种振动转化为电能输出。颤振式风能采集器利用薄片在风流作用下的颤振效应和压电效应，将风能转化为电能输出。腔体式风能采集器利用腔体结构对风流的增速作用，加大腔体谐振幅度，再结合振动换能器，最终将风能转化为电能。当前已有这三种风能采集器虽然结构简单，但是其采集效率依然有待提高且仅对少数方向的风流有效，无法满足自然条件下多风向或不确定风向的风能高效采集
发明内容
为解决上述技术问题，本专利公开一种采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，以此实现风能的多方向、高效采集。
本发明提出了一种采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，包括底座、局域谐振声子晶体板、调谐质量块、压电片，所述局域谐振声子晶体板位于所述底座内，所述局域谐振声子晶体板包括弹性金属基板和位于弹性金属基板上的若干局域谐振子，所述局域谐振子的局域谐振与弹性金属基板内的布拉格散射发生强耦合作用。
优选的，所述调谐质量块位于所述局域谐振声子晶体板上表面中心；所述压电片连接于局域谐振声子晶体板下表面。
优选的，所述局域谐振子数量为8个或24个。
优选的，所述局域谐振子设置于所述调谐质量块周围，并与所述调谐质量块形成构成3×3周期或5×5周期阵列结构。
优选的，所述局域谐振子包括弹性支棒和位于所述弹性支棒上的风能拾取棒。
优选的，所述压电片的极化面与所述弹性金属基板表面平行。
优选的，所述风能拾取棒的截面为圆形或正方形或长方形。
优选的，所述局域谐振声子晶体板晶格形状为正方形或三角形，且晶格常数可调。
优选的，所述调谐质量块为有机玻璃。
优选的，所述压电片由PZT-5H制成。
本发明提出的采用局域谐振声子晶体板的风能采集器有以下有益效果：
(1)局域谐振子采用的弹性支棒，与已有的片状悬臂梁相比，能够将更多方向的风能更高效地转换为振动能；
(2)风能采集器采用了局域谐振声子晶体板结构：
一方面，局域谐振声子晶体板中局域谐振子的局域谐振与弹性金属基板内的布拉格散射发生强耦合作用，因而比一般的局域谐振子阵列组合结构具有更高的转换效率、更高的输出电能密度；
另一方面，结合局域谐振子和局域谐振声子晶体板本身的多方向风能响应能力，可实现多方向的风能采集。
(3)调谐质量块的采用大大提高了风能采集器的性能可调性及实际适应性，即针对不同风能采集场合，通过改变调谐质量块的数量而调整局域谐振声子晶体板的布拉格通带，以保证局域谐振子局域谐振与弹性金属基板内布拉格散射之间强烈的波耦合作用，从而达到最优的采集效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的立体结构示意图；
图3为本发明的局域谐振声子晶体板的结构示意图；
图4为本发明的局域谐振子的结构示意图；
其中，1、局域谐振声子晶体板；2、调谐质量块；3、压电片；4、底座；11、局域谐振子；12、弹性金属基板；111、风能拾取棒；112、弹性支棒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例
如图1至图4所示，包括底座4、局域谐振声子晶体板1、调谐质量块2、压电片3，所述局域谐振声子晶体板1位于所述底座4内，所述调谐质量块2位于所述局域谐振声子晶体板1上表面中心，调谐质量块2的采用大大提高了风能采集器的性能可调性及实际适应性，即针对不同风能采集场合，通过改变调谐质量块2的数量而调整局域谐振声子晶体板1的布拉格通带，以保证局域谐振子11局域谐振与弹性金属基板12内布拉格散射之间强烈的波耦合作用，从而达到最优的采集效率，局域谐振声子晶体板1中局域谐振子11的局域谐振与弹性金属基板12内的布拉格散射发生强耦合作用，因而比一般的局域谐振子11阵列组合结构具有更高的转换效率、更高的输出电能密度。
所述压电片3连接于局域谐振声子晶体板1下表面，所述局域谐振声子晶体板1包括弹性金属基板12和位于弹性金属基板12上的若干局域谐振子11，
所述局域谐振子11数量为8个或24个，所述局域谐振子11设置于所述调谐质量块2周围，并与所述调谐质量块2形成构成3×3周期或5×5周期阵列结构，所述局域谐振子11包括弹性支棒112和位于所述弹性支棒112上的风能拾取棒111，局域谐振子11采用的弹性支棒112，与已有的片状悬臂梁相比，能够将更多方向的风能更高效地转换为振动能
优选的，所述压电片3的极化面与所述弹性金属基板12表面平行，所述风能拾取棒111的截面为圆形或正方形或长方形，所述局域谐振声子晶体板1晶格形状为正方形或三角形，且晶格常数可调，所述调谐质量块2为有机玻璃，所述压电片3由PZT-5H制成
采用局域谐振声子晶体板1的风能采集器由局域谐振声子晶体板1、调谐质量块2、压电片3、底座4组成。其中，局域谐振声子晶体板1由八个局域谐振子11底部固定在弹性金属基板12上而成，弹性金属基板12四周固定在底座4上，本实施例中的底座4和弹性金属基板12选用圆形，也可选用其他多边形，并且弹性金属基板12的材料选用铍青铜、不锈钢
上述例子中，当风流经过每个局域谐振子11的风能风能拾取棒111时，风流场会被扰乱并在风能风能拾取棒111的背风面两侧产生周期性交替脱落的漩涡。漩涡的脱落导致风流场中气压分布不均，并在风能风能拾取棒111两侧交替产生与风向垂直的压力，这个压力驱动风能风能拾取棒111振动而产生涡激振动。每个局域谐振子11引发的涡激振动通过其弹性支棒112传递到弹性金属基板12形成初级振动波，初级振动波在板内遇到其他局域谐振子11发生布拉格散射，形成多级散射振动波。而后，所有局域谐振子11引发的多级散射振动波在弹性金属基板12内产生多重散射叠加作用。当局域谐振子11的涡激振动频率处于局域谐振声子晶体板1的通带范围时，在弹性金属基板12中心及附近位置将产生多重散射叠加正向作用，即多级散射振动波的同相叠加，从而获得极大的振动增强。这种局域谐振与布拉格散射的强耦合作用，实现了风能到振动能的高效转换。最后，采用高机电耦合系数的压电片3作为机电换能器，将振动能转化为电能输出，从而实现高效的风能采集。此外，局域谐振子11本身具有的多方向风能响应能力和局域谐振声子晶体板1的结构对称性导致风能采集器具有多风向响应能力。因此，采用局域谐振声子晶体板1的风能采集器能够实现多方向风能高效采集。
对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，其特征在于，包括底座、局域谐振声子晶体板、调谐质量块、压电片，所述局域谐振声子晶体板位于所述底座内，所述局域谐振声子晶体板包括弹性金属基板和位于弹性金属基板上的若干局域谐振子，所述局域谐振子的局域谐振与弹性金属基板内的布拉格散射发生强耦合作用。
2.根据权利要求1所述的采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，其特征在于，所述调谐质量块位于所述局域谐振声子晶体板上表面中心；所述压电片连接于局域谐振声子晶体板下表面。
3.根据权利要求1所述的采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，其特征在于，所述局域谐振子数量为8个或24个。
4.根据权利要求3所述的采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，其特征在于，所述局域谐振子设置于所述调谐质量块周围，并与所述调谐质量块形成构成3×3周期或5×5周期阵列结构。
5.根据权利要求3或4所述的采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，其特征在于，所述局域谐振子包括弹性支棒和位于所述弹性支棒上的风能拾取棒。
6.根据权利要求3所述的采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，其特征在于，所述压电片的极化面与所述弹性金属基板表面平行。
7.根据权利要求5所述的采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，其特征在于，所述风能拾取棒的截面为圆形或正方形或长方形。
8.根据权利要求1所述的采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，其特征在于，所述局域谐振声子晶体板晶格形状为正方形或三角形，且晶格常数可调。
9.根据权利要求1或2所述的采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，其特征在于，所述调谐质量块为有机玻璃。
10.根据权利要求1或2所述的采用局域谐振声子晶体板的风能采集器，其特征在于，所述压电片由PZT-5H制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180731 |