CN108386317A - 一种双形态多功能压电风能收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双形态多功能压电风能收集装置，属于压电风能收集领域。来自不同方向的风吹打复合风扇，复合风扇转动时带动与其同轴相连的转盘转动，转盘外圈凸齿或是在冲击式激励下击打圆形主架上的压电梁，或是在非接触式磁激励下利用其与压电梁自由端上磁铁之间的斥力使得压电梁变形，进而驱动压电梁工作。该装置基本结构包括圆形主架、复合风扇、转盘、大三角架、小三角架、压电梁。本发明解决了现有的压电风能收集装置功能单一、不适用于风向多变的环境中，装置只适合PZT或PVDF梁，且只能保证单一数量的多梁工作时实现均匀分布等不足。
Description
技术领域
本发明属于压电风能收集领域，涉及一种风能到旋转机械能，再将旋转机械能通过压电效应转变为电能的能量转换装置，尤其涉及一种双形态多功能压电风能收集装置。
背景技术
压电能量收集技术简单易行，且绿色无污染。利用压电介质收集风能作为一种全新的发电技术可以实现无线传感器网络自供电；尤其在一些常规供电模式难以发挥作用的极端环境里，压电风能发电技术也能发挥作用，因此具有很好的研究价值与应用潜力。
现行的压电风能收集装置主要分为直接作用和间接作用两种。直接作用即风直接掠过压电片，利用颤振机理使压电梁振动，此种模式最为简单，但压电悬臂梁只在其固有频率处有较大振幅，且振动状态不稳定，因此实用性上很受限；间接方式即先将风能通过旋转机械变为机械能，再将机械能通过压电片的变形转变为电能，输出更稳定且工作的风速范围更宽，因此实用性更好；本发明所涉及的装置属于后者。
专利201010519391.X公开的一种利用风能的压电能量收集方法及装置采用风能驱动旋转载体转动，带动其上的永磁体转动，对压电梁上的磁体产生磁力，从而驱动压电梁变形。专利201220330059公开的压电式风力发电装置的突出特点为使用调速开关控制通风量，并采用集约装置聚集风能，从而使得发电效果更佳。专利201410609727.X所公开的风速自调节及低风速可开启的压电风能收集装置采用风扇叶片击打三角形梁，并通过喇叭状集约风道与伞状整流装置更加有效的将风能转换为电能。以上专利中所涉及的装置功能单一，不适用于风向多变的环境中，装置只适合刚性梁或柔性梁，且只能保证单一数量的多梁工作时实现均匀分布。本发明提出的一种双形态多功能压电风能收集装置则克服了上述不足，风能收集效果更佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，克服现行压电风能收集系统功能单一，无法用于风向多变的环境，工作梁的数量单一等不足，提供一种双形态多功能压电风能收集方法及装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种双形态多功能压电风能收集装置，来自不同方向的风吹打复合风扇，复合风扇转动时带动与其同轴相连的转盘转动，转盘外圈凸齿13或是在冲击式激励下击打圆形主架4上的压电梁，或是在非接触式磁激励下利用其与压电梁自由端上磁铁之间的斥力使得压电梁变形，进而驱动压电梁工作。该装置基本结构包括圆形主架4、复合风扇、转盘、大三角架22、小三角架15、压电梁。
所述圆形主架4由两个环形平面结构构成，二者平行设置。圆形主架4的两环形面上在相对应的位置分别打有5～8个对孔7，通过对孔7将压电梁均匀分布在圆形主架4上，即在圆形主架上最多可以均匀分布8个压电梁。圆形主架4的端部设有与环形平面垂直的结构，该结构上设有直立孔5，且在该结构的一端设有一个与环形平面平行的凸起，该凸起上设有一个横放孔6，直立孔5或横放孔6用于将圆形主架4以直立或横放的状态固定。
所述转盘固定在圆形主架4内部的中心轴线上，包括转盘内轴11和转盘外圈12两部分，转盘内轴11由大三角架22和小三角架15固定在圆形主架4的中轴线上，转盘外圈12通过螺纹与转盘内轴11连接，转盘外圈12上均匀分布凸齿13，用来粘接永久磁铁10。单个压电梁所受激励频率由转盘转速和转盘上凸齿13的个数共同决定，通过控制外圈12上的凸齿13数量改变激励频率。
所述的复合风扇与转盘同轴相连于圆形主架4外侧，包括扇形叶片1、弓形叶片2和锥形面3，扇形叶片1接受来自单一方向的风，弓形叶片2的横截面为机翼构型；所述整个装置为直立形态时，扇形叶片1主要承载风力而逆时针旋转，同时弓形叶片2由于上下表面流速不均而产生升力，从而促进旋转效果；整个装置为横放形态时，弓形叶片2为主要承载风力，产生逆时针旋转，同时扇形叶片1中个别叶片受风力作用，从而促进旋转效果。
所述的压电梁为柔性梁23、刚性梁9。
当压电梁为刚性梁9时，所述的装置还包括支承台16和旋转体17。支承台16固定于圆形主架4另一侧，用来固定转盘内轴11的大三角架22替换为支承台16上的小径圆形凸出19，旋转体17通过螺纹固定于大径圆形凸出18上，转盘内轴11两端设有两个阻挡片14，用于防止转盘转动时发生横向移动；刚性梁9通过延伸片20和夹片8固定在旋转体17上，刚性梁9的自由端位于凸齿13正上方。在刚性梁9自由端和凸齿13分别粘接磁铁10，实现非接触式磁激励。
当压电梁为柔性梁23时，所述的装置还包括锯齿形滑道21、夹片8和底座24。锯齿形滑道21通过对孔7固定在圆形主架4内侧，柔性梁23由两个夹片8固定于锯齿形滑道21上，以此实现多个压电梁成圆周均匀分布；此时整个装置只能为横放形态。当在整个装置底部安装底座24时，装置则可呈现直立形态。横放和直立两种形态中均可通过锯齿形滑道21调节柔性梁23的位置使之与凸齿13接触，实现冲击式激励；亦可分别在柔性梁的自由端与凸齿13上粘接磁铁10，并且调节柔性梁23使之与凸齿13非接触，实现为磁激励。
当压电梁为柔性梁23时，其设置方式还可以与刚性梁9的设置方式完全相同。将柔性梁23固定在旋转体17上实现非接触，或将柔性梁23固定在锯齿形滑道21上实现非接触，这两种设置方式下磁激励波形并不相同，前者为半周期三角波，后者为全周期三角波。
所述的柔性梁23为PVDF梁，所述的刚性梁9为PZT梁。
本发明的有益效果：本发明解决了现有的压电风能收集装置功能单一、不适用于风向多变的环境中，装置只适合PZT或PVDF梁，且只能保证单一数量的多梁工作时实现均匀分布等不足。双形态多功能压电风能收集系统不仅可以使用PVDF压电梁，而且还可以使用PZT压电梁；不仅能收集单一方向的风能(直立形)，而且还能够收集任意方向的风能(横放式)；激励模式不仅可以实现冲击式，而且可以实现为非接触式；不仅能够使用不同长度的压电梁，而且能够改变转盘上磁铁与压电梁上磁铁间距；本装置还能够通过灵活改变激励磁铁的数量来改变激励频率。因此本装置的实用性大大增强。
附图说明
图1为带PZT梁的直立非接触压电风能收集系统示意图。
图2为带PVDF梁压电风能收集系统直立形态图。
图3为带PVDF梁压电风能收集系统横放形态图。
图4为圆形主架局部示意图。
图5为锯齿形滑道示意图。
图6为转盘装配示意图。
图中：1扇形叶片；2弓形叶片；3锥形面；4圆形主架；5直立孔；6横放孔；7对孔；8夹片；9刚性梁；10磁铁；11转盘内轴；12转盘外圈；13凸齿；14阻挡片；15小三角架；16支承台；17旋转体；18大径圆形凸出；19小径半圆形凸出；20延伸片；21锯齿形滑道；22大三角架；23柔性梁；24底座。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明提供的一种双形态多功能压电风能收集装置做进一步说明。
实施例1：带PZT梁的直立非接触式压电风能收集系统。如图1所示，圆形主架4由孔5直立式固定；转盘内轴11由小三角15和小径半圆形凸出19固定在圆形主架内部中轴线上，凸齿13均匀分布的转盘外圈12通过螺纹连接在转盘内轴上；由扇形叶片1、弓形叶片2和圆锥面3构成的复合风扇在圆形主架外侧与转盘同轴相连；支承台16配置于圆形主架另一侧，旋转体17通过螺纹连接在支承台的大径圆形凸出18上，PZT梁9由延伸片20与夹片8共同固定于旋转体周围，PZT梁的自由端和凸齿的顶部粘接永磁铁。上述工作方式下扇形叶片起主要作用，接受单一方向的风。
实施例2：带PVDF梁的直立非接触式压电风能收集系统。圆形主架直立时固定于底座24上，转盘由小三角15和大三角22共同固定于圆形主架内部，复合风扇同轴固定于小三角外侧，5个锯齿形滑道由对孔7均匀固定于圆形主架上，三角形PVDF梁由上下夹片8固定于锯齿形滑道上。三角形梁自由端和转盘凸齿侧面分别粘接磁铁。上述工作方式下扇形叶片起主要作用，接受单一方向的风。
实施例3：带PVDF梁的横放非接触式电风压能收集系统。实施例2中的整个系统去掉底座，并通过横放孔6横向固定。上述工作方式下弓形叶片起主要作用，接受任意方向的风。
实施例1、2和3的工作原理：风吹风扇转动，带动同轴相连的转盘转动，转盘凸齿上的磁铁对PZT梁或PVDF梁自由端的磁铁产生斥力作用，从而驱使梁产生变形，进而将旋转机械能转变为电能。
另外，还可以将实施例2或3中磁铁去掉，并通过改变夹片的位置使得PVDF梁与凸齿接触，此时压电风能收集系统变为冲击式压电风能收集系统。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种双形态多功能压电风能收集装置，其特征在于，来自不同方向的风吹打复合风扇，复合风扇转动时带动与其同轴相连的转盘转动，转盘外圈凸齿(13)或是在冲击式激励下击打圆形主架(4)上的压电梁，或是在非接触式磁激励下利用其与压电梁自由端上磁铁之间的斥力使得压电梁变形，进而驱动压电梁工作；该装置基本结构包括圆形主架(4)、复合风扇、转盘、大三角架(22)、小三角架(15)、压电梁；
所述圆形主架(4)由两个环形平面结构构成，二者平行设置；圆形主架(4)的两环形面上在相对应的位置打对孔(7)，通过对孔(7)将压电梁均匀分布在圆形主架(4)上；圆形主架(4)的端部设有与环形平面垂直的结构，该结构上设有直立孔(5)，且在该结构的一端设有一个与环形平面平行的凸起，该凸起上设有一个横放孔(6)，直立孔(5)或横放孔(6)用于将圆形主架(4)以直立或横放的状态固定；所述转盘固定在圆形主架(4)内部的中心轴线上，包括转盘内轴(11)和转盘外圈(12)两部分，转盘内轴(11)由大三角架(22)和小三角架(15)固定在圆形主架(4)的中轴线上，转盘外圈(12)与转盘内轴(11)连接，转盘外圈(12)上均匀分布凸齿(13)，用来粘接磁铁(10)；所述的复合风扇与转盘同轴相连于圆形主架(4)外侧，包括扇形叶片(1)、弓形叶片(2)和锥形面(3)；
所述的压电梁为柔性梁(23)、刚性梁(9)；
当压电梁为刚性梁(9)时，所述的装置还包括支承台(16)和旋转体(17)；支承台(16)固定于圆形主架(4)另一侧，转盘内轴(11)由支承台(16)上的小径圆形凸出(19)固定，旋转体(17)固定于大径圆形凸出(18)上；刚性梁(9)通过延伸片(20)和夹片(8)固定在旋转体(17)上，刚性梁(9)的自由端位于凸齿(13)正上方；在刚性梁(9)自由端和凸齿(13)分别粘接磁铁(10)，实现非接触式磁激励；
当压电梁为柔性梁(23)时，所述的装置还包括锯齿形滑道(21)、夹片(8)和底座(24)；锯齿形滑道(21)通过对孔(7)固定在圆形主架(4)内侧，柔性梁(23)由夹片(8)固定于锯齿形滑道(21)上，以此实现多个压电梁成圆周均匀分布；此时整个装置只能为横放形态；当在整个装置底部安装底座(24)时，装置则可呈现直立形态；横放和直立两种形态中均可通过锯齿形滑道(21)调节柔性梁(23)的位置使之与凸齿(13)接触，实现冲击式激励；亦可分别在柔性梁的自由端与凸齿(13)上粘接磁铁(10)，并且调节柔性梁(23)使之与凸齿(13)非接触，实现为磁激励。
2.根据权利要求1所述的一种双形态多功能压电风能收集装置，其特征在于，当压电梁为柔性梁(23)时，其设置方式还可以与刚性梁(9)的设置方式完全相同；将柔性梁(23)固定在旋转体(17)上实现非接触，或将柔性梁(23)固定在锯齿形滑道(21)上实现非接触，这两种设置方式下磁激励波形并不相同，前者为半周期三角波，后者为全周期三角波。
3.根据权利要求1或2所述的一种双形态多功能压电风能收集装置，其特征在于，所述的转盘内轴(11)两端设有两个阻挡片(14)，用于防止转盘转动时发生横向移动。
4.根据权利要求1或2所述的一种双形态多功能压电风能收集装置，其特征在于，所述的单个压电梁所受激励频率由转盘转速和转盘上凸齿(13)的个数共同决定，通过控制转盘外圈(12)上的凸齿(13)数量改变激励频率。
5.根据权利要求3所述的一种双形态多功能压电风能收集装置，其特征在于，所述的单个压电梁所受激励频率由转盘转速和转盘上凸齿(13)的个数共同决定，通过控制转盘外圈(12)上的凸齿(13)数量改变激励频率。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种双形态多功能压电风能收集装置，其特征在于，所述的柔性梁(23)为PVDF梁，所述的刚性梁(9)为PZT梁。
7.根据权利要求3所述的一种双形态多功能压电风能收集装置，其特征在于，所述的柔性梁(23)为PVDF梁，所述的刚性梁(9)为PZT梁。
8.根据权利要求4所述的一种双形态多功能压电风能收集装置，其特征在于，所述的柔性梁(23)为PVDF梁，所述的刚性梁(9)为PZT梁。
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190510 |