CN108488042A - 一种隧道风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道风力发电装置，该装置能实现对隧道中风能利用以及发电供能功能。由左右两块侧板以及上下两块护板围成框架，框架前后固定有两块风力接收罩，在护板外侧的电机和护板内侧的风力旋转器穿过护板连接，在两个风力旋转器的中间固定着导流体，在两个风力旋转器的上方各有两块压电片，分别嵌入两侧侧板中，振动薄板与四块的压电片固定连接，蓄电池和整流器位于下侧护板外部的罩壳内。发电机和压电片发出的电经整流器传输至蓄电池。本装置利用隧道风能发电，具有体积小，发电效率高等特点，特别适合在铁路隧道中使用。

Description

一种隧道风力发电装置
技术领域
本发明属于发电机械装置设计制造技术领域，特别是利用隧道风能和压电振动发电的装置。
背景技术
随着地铁工程投入和运营规模的日益扩大，地铁隧道的安全养护工作愈渐受重视。在此背景下，基于无线传感器网络技术(WSN)的隧道健康监测系统得到了很好的发展。无线传感器节点的能量供应单元通常采用干电池，但由于列车运行时间长，频率高，进入隧道的时间和人员限制严格，传感器布置后，电池难于更换，且无法像外部结构一样用太阳能供电，当电量消耗殆尽，节点就失去作用，极大地限制了无线传感器网络的发展。本产品基于风致振动机理和压电效应，对地铁隧道风能进行合理再利用。通过风致振动机理，利用薄板带动压电片的振动，加大压电片在合理范围内的形变量和振动频率，提高风能的利用率，引发压电效应，实现从风能到机械能再到可利用性的电能的转换，从而达到为向无线传感器节点供电的目的。
据检索，目前已有相关地铁风力发电的技术出现，例如中国专利申请号201521016746.8公开的“一种地铁隧道风力发电装置”，该专利所述的地铁隧道风力发电装置仅仅收集的是地铁通风口处的风能，对于地铁运行中产生的大量风能没有加以利用。再如中国专利申请201520610494.5公开的“用于地铁隧道的风力发电系统”，该专利所述的地铁风力发电装置使用风叶作为能量收集装置，占用的空间较大，不适合在地铁隧道中使用。以上两个专利所述的地铁隧道风力发电装置不宜用于在隧道内壁收集风能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题而提供一种隧道风力发电装置，旨在能够实现对隧道内产生的风能加以收集转化和利用。
本发明达到其目的所采用的技术方案是，一种隧道风力发电装置，长方体形框架由左右侧板和上下护板组成；该框架的前方进风口和后方出风口上均安装有风力接收罩；该框架内左、右侧分别设有一个风力旋转器，且该风力旋转器的轴从框架下护板上的孔中穿出后与发电机的轴连接，该框架左右侧板上沿平行于上下护板方向分别以悬臂梁方式固定有压电片，位于同一高度的该两个压电片的内端上面固定有一块厚度为0.3mm的振动薄板，位于两个风力旋转器之间的框架下护板上还左右设置有形状对称的两个导流体；上述两个发电机以及两个压电片发出的电经整流器接至蓄电池；整流器和蓄电池安装在该框架下护板底面上。
所述框架左右侧板上分别固定的压电片为两个；所述振动薄板固定在四个压电片的内端上。
所述导流体为直角三棱锥形，且该直角三棱锥的斜面为迎风面。
所述导流体的直角三棱锥的迎风面为向外凸出的弧形；所述整流器和蓄电池上还设置有罩壳。
1.所述风力旋转器结构为：四块相同的弧形立板以中心对称方式在轴上，该轴经轴承可转动地安装在上、下两块圆形板面的中心位置处。
2.所述两个风力接收罩前后对称，该前风力接收罩结构为：四个内凸弧形板围合形成长方形框架，其后部风口与上述长方形框架前方进风口吻合。
本发明的工作过程和工作原理：本装置使用时，固定于隧道内上壁，压电片一端固定于装置侧板，另一端为自由端，与振动薄板连结,风力旋转器与发电机通过轴相连。在列车从接近到驶离装置的过程中，隧道内部形成的活塞风从装置的风口通过，装置进入工作状态；在无隧道来车时，振动薄板和风力旋转器处于静止状态，装置停止工作。装置风口的风力接收罩对风向起到修饰和限定的作用。振动薄板下侧的导流体可调整水平方向气体流向，起到扰动气流的作用，一方面使得其振动薄板上下两侧空气流速的不稳定引起两侧气压的变化，导致振动薄板高频振动，进而使压电片的自由端受到振动薄板带动发生上下振动，产生相应的形变，引发正电效应，从而在表面积累电荷，实现从风能到机械能再到电能的转换。另一方面，导流体使得风力旋转器两侧空气流速产生速度差以此来带动风力旋转器旋转，通过连接的轴带动发电机运转实现风能到机械能再到电能的转换。经以上过程转换得到的电能通过整流滤波转换为直流电并在蓄电池中积累，作为无线传感器节点的能量供应单元。
与现有技术比较，本发明的有益效果是：
相比于传统化学电池供电的方式，本项目采用压电装置作为自供电装置供电源的主要部分，具备效率高，耗能小，结构简单，寿命长等诸多优点。
通过振动薄板的风致振动机理带动压电片振动，增大振动幅度和振动频率，提高能量转化效率；同时利用装置体积小的特点，增大功率密度，进一步提高了能量的利用率。
装置进风口设置风力接收罩，能更好的约束气流流向；内部设气流扰动结构，增大振动薄板上下两侧气体流速差，进而增强振动效果；创新性的使用振动薄板式结构与纵轴风力发电机相结合的结构，在节约成本的同时减小装置的体积，同时能更好地适用于部分双向来车的地铁隧道环境，避免了传统风叶结构在逆向风环境下无法工作甚至损坏机械结构的尴尬现象。
本产品所采用的材料均为无污染材料，而且本产品的体积小巧，可以充分利用空间资源，与传统镍氢电池相比不产生任何化学毒性污染并且能保持足够长的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的立体图。
图2是图1拆掉前后风力接受罩后的立体图。
图3是图2拆掉左右侧板的后视立体图。
图4是图3中风力旋转器的立体图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的详细说明。
图2、图3示出，一种隧道风力发电装置，长方体形框架由左右侧板3和上下护板2组成；该框架的前方进风口和后方出风口上均安装有风力接收罩1；该框架内左、右侧分别设有一个风力旋转器6，且该风力旋转器6的轴从框架下护板上的孔中穿出后与发电机11的轴连接，该框架左右侧板上沿平行于上下护板方向分别以悬臂梁方式固定有压电片4，位于同一高度的该两个压电片的内端上面固定有一块厚度0.3mm的振动薄板5，位于两个风力旋转器6之间的框架下护板上还左右设置有形状对称的两个导流体7；上述两个发电机10以及两个压电片4发出的电经整流器9接至蓄电池8；整流器9和蓄电池8安装在该框架下护板底面上。发电机轴可经联轴器与风力旋转器的轴连接。框架左右侧板上分别固定的压电片9为两个；所述振动薄板固定在四个压电片的内端上。导流体7为直角三棱锥形，且该直角三棱锥的斜面为迎风面。直角三棱锥的斜面即其底面。导流体7的直角三棱锥的迎风面为向外凸出的弧形；所述整流器9和蓄电池8上还设置有罩壳。
本装置部件由左右两块侧板3以及上下两块护板2围成，前后有两块风力接收罩1，分别与护板2和侧板3相连接，在护板2外侧的发电机10和护板2内侧的风力旋转器6穿过护板2连接，在两个风力旋转器6的中间固定着导流体7，在两个风力旋转器6的上方各有两块压电片4(即PZT材料压电片)，以悬臂梁形式分别嵌入两侧侧板3中，振动薄板5与四块的压电片4固定连接，蓄电池8和整流器9位于下侧护板2外部的罩壳内。
所述的风力接收罩1有两块，它们的一侧分别与侧板3和护板2围成的框架相连接。
所述的风力旋转器6有两块，它们分别位于下侧护板2的内部两端，与外部的发电机10连接。
所述导流体7有两块，分别固定于两个风力旋转器6的内侧。
所述的压电片4有四块，它们分别嵌入两边侧板3。

Claims (6)

1.一种隧道风力发电装置，其特征在于，长方体形框架由左右侧板(3)和上下护板(2)组成；该框架的前方进风口和后方出风口上均安装有风力接收罩(1)；该框架内左、右侧分别设有一个风力旋转器(6)，且该风力旋转器(6)的轴从框架下护板上的孔中穿出后与发电机(10)的轴连接，该框架左右侧板上沿平行于上下护板方向分别以悬臂梁方式固定有压电片(4)，位于同一高度的该两个压电片的内端上面固定有一块厚度0.3mm的振动薄板(5)，位于两个风力旋转器(6)之间的框架下护板上还左右设置有形状对称的两个导流体(7)；上述两个发电机(10)以及两个压电片(4)发出的电经整流器(9)接至蓄电池(8)；整流器(9)和蓄电池(8)安装在该框架下护板底面上。
2.根据权利要求1所述的一种隧道风力发电装置，其特征在于，所述框架左右侧板上分别固定的压电片(4)为两个；所述振动薄板(5)固定在四个压电片的内端上。
3.根据权利要求2所述的一种隧道风力发电装置，其特征在于，所述导流体(7)为直角三棱锥形，且该直角三棱锥的斜面为迎风面。
4.根据权利要求3所述的一种隧道风力发电装置，其特征在于，所述导流体(7)的直角三棱锥的迎风面为向外凸出的弧形；所述整流器(9)和蓄电池(8)上还设置有罩壳。
5.根据权利要求4所述的一种隧道风力发电装置，其特征在于，所述风力旋转器(6)结构为：四块相同的弧形立板固定在风力旋转器的轴上，该轴经轴承可转动地安装在上、下两块圆形板的中心位置处。
6.根据权利要求5所述的一种隧道风力发电装置，其特征在于，所述两个风力接收罩(1)前后对称，该前风力接收罩结构为：四个内凸弧形板围合形成长方形框架，其后部风口与上述长方体框架前方进风口吻合。
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