CN108347194A - 一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，包括声子晶体谐振腔、流体能转换器、顶板和底板，所述声子晶体谐振腔由中心为单点空位缺陷的散射体阵列构成，所述流体能转换器安装在所述声子晶体谐振腔的中心，所述顶板和底板分别安装在所述声子晶体谐振腔和流体能转换器的顶部和底部。本发明具有多方向的流体能采集能力，更高的转换效率，更高的输出电能密度，更宽的流速响应范围；同时本发明结构简单、体积小，适合于小型电子设备及可携带设备供电。
Description
技术领域
本发明属于清洁能源采集及发电技术领域，具体是涉及一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，用以实现流体能的多方向、高效采集。
背景技术
流体能采集技术是清洁新能源发展的重要分支之一。流体能具有分布广、储量丰富、能量密度高、种类多等特点，一般包括海洋波浪能、潮汐能、水能、风能等。流体能采集器及采集技术的发展成为能量采集技术领域的热点。
流体能采集器根据流体能量类型主要可以分为风能采集器、水能采集器、波浪能采集器等。其中，风能采集器中比较典型的是风力发电机，其采用风致转动与电磁感应相结合的原理，利用风翼的转动驱动永磁铁切割磁力线而输出电能，这类风力发电机的机械结构比较复杂，加工精度和机械稳定性也要求较高，故体积较大、成本较高。水能采集器中比较典型的是水力发电机，其利用水位落差产生的冲力驱动水轮机转动，再通过发电机将水轮机转动产生的能量转化为电能输出，这类水利发电机的机械结构同样比较复杂，内部损耗较大，故电能输出效率不高。波浪能采集器有的是利用柔性材料在波浪流过表面易变形的机制结合压电效应实现电能输出；而有的是利用水气压强转换方法将水压转化为气压驱动活塞运动，再将活塞的机械能转化为电能输出，但是这两种设备的能量转换效率都不高。
目前，上述各类流体能采集器一般都存在以下缺点：
1、体积较大，不适合为小型电子设备及可携带装置供电；
2、流体能采集效率不是很高，且仅能对少数方向的流体能进行采集；
3、采集器的启动流速较大，且流速响应范围较小。
发明内容
针对以上现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，用以实现流体能的多方向、高效且大流速范围的采集。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，包括声子晶体谐振腔、流体能转换器、顶板和底板，所述声子晶体谐振腔由中心为单点空位缺陷的散射体阵列构成，所述流体能转换器安装在所述声子晶体谐振腔的中心，所述顶板和底板分别安装在所述声子晶体谐振腔和流体能转换器的顶部和底部；所述流体能转换器包括圆柱体、弹性金属薄板、压电片组和防水层，所述弹性金属薄板的两端分别固定在所述顶板和底板的中心，所述圆柱体套装在所述弹性金属薄板的中部，所述压电片组由两片分别粘合在所述弹性金属薄板两端面的压电片组成，所述压电片的表面均粘合有所述防水层。
更优的，所述声子晶体谐振腔与流体能转换器构成3×3或5×5的阵列结构，其中所述声子晶体谐振腔中的散射体的数量为8个或24个。
更优的，所述声子晶体谐振腔中的散射体的截面为圆形或正方形或十字形。
更优的，所述声子晶体谐振腔的晶格形状为正方形或三角形且晶格常数可调。
更优的，所述流体能转换器中的圆柱体的材质为有机玻璃或不锈钢。
更优的，所述流体能转换器中的弹性金属薄板的材质为铍青铜或不锈钢。
更优的，所述流体能转换器中的压电片的材质为压电陶瓷或压电单晶或PVDF。
更优的，所述流体能转换器中的防水层的材质为环氧树脂或塑料。
更优的，所述顶板和底板的材质为有机玻璃或不锈钢。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1、通过采用由中心为单点空位缺陷的散射体阵列构成的声子晶体谐振腔，这样增大了流体的流速，实现了多方向的流体能采集，从而极大地降低了流体能采集器的初始启动流速，同时扩大了流体能采集的流速范围，进而提高了流体能采集器的能量转换效率；
2、通过采用声子晶体谐振腔与流体能转换器相结合的方式，一方面由于声子晶体谐振腔的流速增益、初始流速降低能力，流体能转换器的高效压电转换能力，以及他们之间的谐振耦合作用，使得其与传统流体能采集器相比，本发明具有更高的转换效率、更高的输出电能密度、更宽的流速响应范围；另一方面由于声子晶体谐振腔和流体能转换器中圆柱体的多方向流体能响应能力，可实现多方向的流体能采集；
3、通过将声子晶体谐振腔和流体能转换器固定在底板和顶板之间，可使本装置结构更稳定、更耐用，同时本发明结构简单、体积小，适合于为小型电子设备及可携带设备供电。
附图说明
图1为一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器的结构示意图。
图2为本发明中声子晶体谐振腔和流体能转换器的结构示意图。
图3为本发明中声子晶体谐振腔的结构示意图。
图4为本发明中流体能转换器的结构示意图。
附图说明：1-声子晶体谐振腔，11-散射体，2-流体能转换器，21-圆柱体，22-弹性金属薄板，23-压电片，24-防水层，3-顶板，4-底板。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步地说明。
如图1和4所示为一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器的结构示意图，包括声子晶体谐振腔1、流体能转换器2、顶板3和底板4。
上述声子晶体谐振腔1由中心为单点空位缺陷的8个圆形散射体11构成，即8个散射体11形成3×3的阵列结构。上述流体能转换器2安装在声子晶体谐振腔1的中心，即声子晶体谐振腔1与流体能转换器2构成3×3的阵列结构。上述顶板3和底板4分别安装在声子晶体谐振腔1和流体能转换器2的顶部和底部，即通过顶板3和底板4可将声子晶体谐振腔1和流体能转换器2固定，使其更加稳定、更加耐用。
上述流体能转换器2包括圆柱体21、弹性金属薄板22、压电片组和防水层24。上述弹性金属薄板22的两端分别固定在顶板3和底板4的中心，而圆柱体21套装在弹性金属薄板22的中部。上述压电片组由两片分别粘合在弹性金属薄板22两端面的压电片23组成，而在压电片23的表面均粘合有防水层24。
上述散射体11、圆柱体21、顶板3和底板4的材质均采用有机玻璃，而弹性金属薄板22的材质为铍青铜，压电片23的材质为压电陶瓷，防水层24的材质为环氧树脂。
本发明的工作原理如下：
当流体流入声子晶体谐振腔1，流体经过每个散射体11时，流体场被扰乱并在散射体11背面两侧产生周期性交替脱落的漩涡，漩涡的脱落导致流体场中存在压强分布差异。当漩涡频率与声子晶体谐振腔1的工作频率接近时，所有散射体11激发的脱落漩涡在腔体中心同相叠加，形成局部增强的流体场，流体流速大大增加。此时，处于声子晶体谐振腔1中心位置的流体能转换器2中的圆柱体21，在流速增强的流体作用下，产生强烈的涡激振动。这种涡激振动继而驱动弹性金属薄板22振动，并通过界面耦合方式传递到压电片组，压电片组中压电片23因压电效应将振动能转化为电能输出，从而实现流体能到电能的转换。一方面，声子晶体谐振腔1的流速增益作用，不仅极大地降低流体能采集器的初始启动流速，扩展了能量采集的流速范围；还提高了流体能采集器2的转换效率及电能输出，实现大流速范围、高效的流体能采集。另一方面，声子晶体谐振腔1的结构对称性和流体能转换器2中圆柱体21的多方向响应能力，使得流体能采集器具有多方向流体能采集的能力。因此，基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器具有多方向、高效的大流速范围流体能采集能力。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，其特征在于：包括声子晶体谐振腔、流体能转换器、顶板和底板，所述声子晶体谐振腔由中心为单点空位缺陷的散射体阵列构成，所述流体能转换器安装在所述声子晶体谐振腔的中心，所述顶板和底板分别安装在所述声子晶体谐振腔和流体能转换器的顶部和底部；
所述流体能转换器包括圆柱体、弹性金属薄板、压电片组和防水层，所述弹性金属薄板的两端分别固定在所述顶板和底板的中心，所述圆柱体套装在所述弹性金属薄板的中部，所述压电片组由两片分别粘合在所述弹性金属薄板两端面的压电片组成，所述压电片的表面均粘合有所述防水层。
2.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，其特征在于：所述声子晶体谐振腔与流体能转换器构成3×3或5×5的阵列结构，其中所述声子晶体谐振腔中的散射体的数量为8个或24个。
3.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，其特征在于：所述声子晶体谐振腔中的散射体的截面为圆形或正方形或十字形。
4.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，其特征在于：所述声子晶体谐振腔的晶格形状为正方形或三角形且晶格常数可调。
5.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，其特征在于：所述流体能转换器中的圆柱体的材质为有机玻璃或不锈钢。
6.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，其特征在于：所述流体能转换器中的弹性金属薄板的材质为铍青铜或不锈钢。
7.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，其特征在于：所述流体能转换器中的压电片的材质为压电陶瓷或压电单晶或PVDF。
8.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，其特征在于：所述流体能转换器中的防水层的材质为环氧树脂或塑料。
9.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体谐振腔的小型流体能采集器，其特征在于：所述顶板和底板的材质为有机玻璃或不锈钢。
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|---|---|---|---|---|
| CN108962213A (zh) * | 2018-10-12 | 2018-12-07 | 南京光声超构材料研究院有限公司 | 一种利用曲率半径调控带隙的声子晶体 |
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