CN109889098A - 谐振腔式压电俘能器及车用风压自供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种谐振腔式压电俘能器，包括主腔体、两个压电结构和赫姆霍兹谐振腔，所述主腔体的头部开口，用作进气口；两个所述压电结构分别位于所述主腔体的左右两侧，所述压电结构为弹性悬臂梁结构，并在所述主腔体上形成出气口；所述赫姆霍兹谐振腔位于所述主腔体的尾部，所述赫姆霍兹谐振腔由赫姆霍兹谐振腔短管和赫姆霍兹谐振腔腔体组成，该赫姆霍兹谐振腔腔体和所述主腔体通过所述赫姆霍兹谐振腔短管连通。本发明还提供了一种使用上述谐振腔式压电俘能器的车用风压自供电系统。所述谐振腔式压电俘能器同时克服了车用风压自供电系统中的风车与单簧片发电结构的缺点，具有结构简单、稳定性好、能量回收率高、有利于结构微型化等特点。
Description
技术领域
本发明属于压电发电技术领域，具体涉及一种谐振腔式压电俘能器及车用风压自供电系统。
背景技术
汽车智能技术的进步促进了微传感器技术的快速发展。目前微传感器主要采用传统的化学电池供电。化学电池体积大、能量密度低、使用寿命短，且需定期更换，因此直接从环境中获取可再生能源为微传感器供电的自供电系统研究受到越来越多的关注。
汽车行驶时产生较大的风压，压电材料在外力作用下可直接产生电荷，故利用压电材料在风压作用下发电具有一定的研究价值。风压自供电系统主要有风车与单簧片两种结构。从现有研究来看，风车发电机能量回收率较高，但是结构复杂，不利于微型化；而单簧片结构风压发电机的结构简单，但是能量回收率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明确有必要提供一种谐振腔式压电俘能器及车用风压自供电系统，以解决上述问题。
为此，本发明所采用的技术方案是：一种谐振腔式压电俘能器，包括主腔体、两个压电结构和赫姆霍兹谐振腔，其中，所述主腔体的头部开口，用作进气口；两个所述压电结构分别位于所述主腔体的左右两侧，所述压电结构为弹性悬臂梁结构，并在所述主腔体上形成出气口；所述赫姆霍兹谐振腔位于所述主腔体的尾部，所述赫姆霍兹谐振腔由赫姆霍兹谐振腔短管和赫姆霍兹谐振腔腔体组成，该赫姆霍兹谐振腔腔体和所述主腔体通过所述赫姆霍兹谐振腔短管连通。
基于上述，所述谐振腔式压电俘能器还包括位于所述进气口处的扰流圆柱，且所述扰流圆柱的中心位于所述主腔体的中心轴上。
基于上述，所述压电结构主要由压电片和固定在所述主腔体上的金属基板组成，所述金属基板的一端为固定端，另一端为自由端，从而构成所述弹性悬臂梁结构；所述固定端靠近所述进气口设置，所述压电片贴在所述固定端的根部，所述自由端处形成所述出气口并靠近所述赫姆霍兹谐振腔设置。
基于上述，所述主腔体主要是由左侧面、上侧面、右侧面、下侧面以及尾面构成的头部敞口的长方体，且所述左侧面和所述右侧面上各开设有一压电结构粘结口，该两个压电结构粘结口对称设置在所述主腔体上，所述尾面的中心开设有短管连接口。优选地，所述短管连接口的直径与所述赫姆霍兹谐振腔短管的外径相等。
基于上述，所述金属基板粘贴在所述压电结构粘结口，且所述金属基板的长度比所述压电结构粘结口的长度小0.5～2 mm。所述金属基板的长度小于所述压电结构粘结口主要是为了防止所述金属基板与所述主腔体发生碰撞，但是两者的长度差也不能太大，否则会影响所述压电结构的发电量。如此，优选地，所述金属基板的宽度比所述压电结构粘结口的宽度小0.5～1mm。
基于上述，所述赫姆霍兹谐振腔腔体主要是由左盖、腔体圆管和右盖组成的圆柱形结构，所述左盖的中心开设中心孔，所述赫姆霍兹谐振腔短管与所述赫姆霍兹谐振腔腔体连接在所述中心孔处。优选地，所述中心孔的直径与所述赫姆霍兹谐振腔短管的外径相等。
基于上述，所述主腔体的中心轴、所述赫姆霍兹谐振腔短管的中心轴和所述赫姆霍兹谐振腔腔体的中心轴位于同一直线上。
基于上述，所述主腔体的长度130～170 mm，宽度35～45 mm，高度20～30 mm；所述金属基板为宽度12～18 mm、长度90～100 mm的长方形结构，所述压电片为宽度12～18 mm、长度9～15 mm的长方形结构；所述金属基板固定在距离所述主腔体的头部20～30 mm处；所述腔体圆管的外径20～28 mm，长度10～15 mm；所述赫姆霍兹谐振腔短管的外径14～18mm，长度8～12 mm。其中，所述赫姆霍兹谐振腔短管的外径略大于所述赫姆霍兹谐振腔短管的内径；本文中的“长度”方向是指平行于所述主腔体的中心轴的方向。可以理解，本发明中的各个元件的尺寸大小可以根据需要设计，只要所述赫姆霍兹谐振腔能够起到增强所述主腔体内的气体压强的作用，实现风能发电即可。
本发明还提供一种使用上述谐振腔式压电俘能器的车用风压自供电系统，包括：上述谐振腔式压电俘能器、储能组件和定位传感器，所述谐振腔式压电俘能器将风能转化为电能，并将电能传递给所述储能组件储存，所述储能组件为所述定位传感器提供电能。
基于上述，所述储能组件为充电电池或超级电容器。
与现有技术相比，本发明提供的谐振腔式压电俘能器包括主腔体、两个压电结构和赫姆霍兹谐振腔，气流从所述进气口依次进入所述主腔体、所述赫姆霍兹谐振腔短管和所述赫姆霍兹谐振腔腔体，所述主腔体内的气体受到压缩，压强增大，两个所述压电结构发生弯曲打开所述主腔体上的所述出气口，所述赫姆霍兹谐振腔短管内气体振动，使得所述赫姆霍兹谐振腔腔体的气体对之产生恢复力，所述主腔体内气体压强减小，所述压电结构复位，关闭所述出气口，如此反复形成周期性循环；当两个所述压电结构受到风压的作用时，将风压能转化为电能，因此，本发明提供的上述谐振腔式压电俘能器通过其各个元件的相互配合，不但能实现风能发电，而且结构简单、稳定性好，有利于结构微型化。另外，所述赫姆霍兹谐振腔固定在所述主腔体的尾部，能够增强所述主腔体腔内气体压强，以增加所述压电结构的振幅，从而增大所述压电结构的发电量，提高能量回收率。故，上述谐振腔式压电俘能器同时克服了车用风压自供电系统中的风车与单簧片发电结构的缺点。
进一步，所述主腔体的进气口处设置扰流圆柱，使所述主腔体内产生卡门涡街效应，增强所述主腔体腔内气体紊乱程度，以增大压电模块的发电量，提高能量回收率。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的谐振腔式压电俘能器的一个工作状态示意图。
图2为本发明实施例1提供的谐振腔式压电俘能器的主视图。
图3为本发明实施例1提供的谐振腔式压电俘能器的左视图。
图4为本发明实施例1提供的谐振腔式压电俘能器的右视图。
图5为所述赫姆霍兹谐振腔沿图2中的虚线A-A的剖面图。
图6本发明实施例2提供的车用风压自供电系统的示意图。
各图中：1、扰流圆柱，2、主腔体，21、进气口，22、出气口，23、压电结构粘结口，24、短管连接口，3、压电陶瓷片，4、基板，5、赫姆霍兹谐振腔短管，6、赫姆霍兹谐振腔腔体，61、右盖，62、腔体圆管，63、左盖，64、中心孔，7、谐振腔式压电俘能器，8、储能组件，9、定位传感器。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。其中，本文中使用的技术术语或科技术语应当为本发明所属技术领域人员所理解的通常意义；本文中使用的“头”、“尾”、“上”、“下”、“左”、“右”等方位词仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
实施例1
请参阅图1～图5，本实施例提供一种谐振腔式压电俘能器，包括扰流圆柱1、主腔体2、两个压电结构和赫姆霍兹谐振腔，其中，所述主腔体2的头部开口，用作进气口21；两个所述压电结构分别位于所述主腔体2的左右两侧，所述压电结构为弹性悬臂梁结构，并在所述主腔体2上形成出气口22；所述赫姆霍兹谐振腔位于所述主腔体2的尾部，所述赫姆霍兹谐振腔由赫姆霍兹谐振腔短管5和赫姆霍兹谐振腔腔体6组成，该赫姆霍兹谐振腔腔体6和所述主腔体2通过所述赫姆霍兹谐振腔短管5连通。
所述主腔体2主要是由左侧面、上侧面、右侧面、下侧面以及尾面构成的头部敞口的长方体，且所述左侧面和所述右侧面上各开设有一压电结构粘结口23，该两个压电结构粘结口23在所述主腔体2上对称设置；所述尾面的中心开设有短管连接口24，该短管连接口24的直径与所述赫姆霍兹谐振腔短管5的外径相等。其中，在本实施例中，所述主腔体的长度150 mm，宽度40 mm，高度25 mm，所述左侧面与所述右侧面的尺寸由所述主腔体的长度和高度决定，所述尾面的尺寸由所述主腔体的宽度和高度决定；所述压电结构粘结口23的尺寸分别为96 mm和15 mm，所述短管连接口24的直径为16 mm。
所述扰流圆柱1安装在所述进气口21处，且该扰流圆柱1的中心位于所述主腔体2的中心轴上，所述扰流圆柱1能使气体在所述主腔体2内产生卡门涡街效应，增强所述主腔体2腔内气体紊乱程度，产生的涡街力作用于两侧的金属基片，增大压电陶瓷片的发电量，从而达到增大能力回收率的目的。其中，在本实施例中，所述扰流圆柱1的直径5 mm、高度23mm。
所述压电结构粘贴在所述主腔体2上的压电结构粘结口23处，从而使得两个所述压电结构对称设置在所述主腔体2上。所述压电结构主要由压电陶瓷片3和金属基板4组成。所述金属基板4的一端粘贴在所述主腔体的左侧面或右侧面上的压电结构粘结口23处，另一端呈自由状态，且所述金属基板4的长度略小于所述压电结构粘结口23的长度，所述金属基板4的宽度略小于所述压电结构粘结口23的宽度，从而构成所述弹性悬臂梁结构。本实施例中所述金属基板4的长度略比所述压电结构粘结口23的长度小2 mm，所述金属基板4的宽度略比所述压电结构粘结口23的宽度小0.5 mm；如此，可以防止所述金属基板4与所述主腔体2发生碰撞，同时也不会影响所述压电结构的发电量。所述金属基板4固定在所述主腔体2的一端为固定端，另一端为自由端。所述固定端靠近所述进气口21设置，所述压电陶瓷片3贴在所述固定端的根部，所述自由端形成所述出气口22并靠近所述赫姆霍兹谐振腔设置。其中，在本实施例中，所述压电陶瓷片和所述金属基板均呈长方形，所述压电陶瓷片3的宽度为15 mm、长度为10 mm，所述金属基板4的宽度为15 mm、长度为94 mm，所述金属基板4距离所述主腔体2的头部25 mm。
所述赫姆霍兹谐振腔腔体6主要由右盖61、腔体圆管62和左盖63组成圆柱体，且所述左盖63的中心开设中心孔64，该中心孔的直径与所述赫姆霍兹谐振腔短管的外径相等，本实施例中所述中心孔的直径为16 mm。所述中心孔64与所述短管连接口24对应设置，并通过所述赫姆霍兹谐振腔短管5连接，从而使得所述主腔体2与所述赫姆霍兹谐振腔连通。所述主腔体2的中心轴、所述赫姆霍兹谐振腔短管5的中心轴和所述赫姆霍兹谐振腔腔体6的中心轴位于同一直线上。其中，在本实施例中，所述赫姆霍兹谐振腔腔体6的腔体圆管的直径24 mm、长度12 mm，所述赫姆霍兹谐振腔短管5的外径16 mm，长度9 mm。
所以，所述赫姆霍兹谐振腔中的所述赫姆霍兹谐振腔短管5与所述赫姆霍兹谐振腔腔体6两部分组成可有效增强所述主腔体2腔内气体压强。当所述赫姆霍兹谐振腔入口收到声波作用时，所述赫姆霍兹谐振腔短管5内的空气振动，使得所述赫姆霍兹谐振腔腔体6内的空气对之产生恢复力，所述赫姆霍兹谐振腔腔体6内的空气振动再通过所述赫姆霍兹谐振腔短管5发出声波增强外面的声场。由此可见，本实施例提供的谐振腔式压电俘能器的赫姆霍兹谐振腔的长度及直径均小于所述主腔体2的长度、宽度和高度，即，所述赫姆霍兹谐振腔的体积远小于所述主腔体2的体积，从而有利于实现谐振腔式压电俘能器的微型化。
本实施例提供的上述谐振腔式压电俘能器的工作过程如下：当汽车行驶时，气流从所述主腔体2的进气口21进入，所述主腔体2内空气受到压缩，压强增大，所述金属基板4发生弯曲打开主腔体2上的出气口22；所述主腔体2内空气压强减小，所述金属基板4复位，关闭出气口；如此反复形成周期性循环。当所述金属基板4受到风压的作用发生弯曲变形时，贴在其根部的所述压电陶瓷片3受到应力作用产生应变。由于所述压电陶瓷片3的正压电效应，被极化的压电陶瓷片3上下表面产生的电荷形成电势差，从而形成电压，压电陶瓷片与负载等组成封闭的能量输出电路，输出电能，从而实现将风压能转化为电能。
因此，本实施例提供的谐振腔式压电俘能器通过其结构设计以及各元件的尺寸配合，使得上述谐振腔式压电俘能器不但具有结构简单、能够实现风压能转化为电能等特点，还具有稳定性好、能够提高能量回收率等优点。
实施例2
请参阅图6，本发明实施例提供一种车用风压自供电系统，包括：图1～图5所示的谐振腔式压电俘能器7、储能组件8和定位传感器9，所述谐振腔式压电俘能器7将风压能转化为电能，并将电能传递给所述储能组件8储存，所述储能组件8为所述定位传感器提供电能9，从而实现风压无线自供电。因此，所述谐振腔式压电俘能器7和所述定位传感器9通过所述储能组件8电连接。本实施例中，所述储能组件为镍氢可充电电池，所述谐振腔式压电俘能器7安装在汽车车架底部。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种谐振腔式压电俘能器，其特征在于：包括主腔体、两个压电结构和赫姆霍兹谐振腔，其中，所述主腔体的头部开口，用作进气口；两个所述压电结构分别位于所述主腔体的左右两侧，所述压电结构为弹性悬臂梁结构，并在所述主腔体上形成出气口；所述赫姆霍兹谐振腔位于所述主腔体的尾部，所述赫姆霍兹谐振腔由赫姆霍兹谐振腔短管和赫姆霍兹谐振腔腔体组成，该赫姆霍兹谐振腔腔体和所述主腔体通过所述赫姆霍兹谐振腔短管连通。
2.根据权利要求1所述的谐振腔式压电俘能器，其特征在于：所述谐振腔式压电俘能器还包括位于所述进气口处的扰流圆柱，且所述扰流圆柱的中心位于所述主腔体的中心轴上。
3.根据权利要求1或2所述的谐振腔式压电俘能器，其特征在于：所述压电结构主要由压电片和固定在所述主腔体上的金属基板组成，所述金属基板的一端为固定端，另一端为自由端，从而构成所述弹性悬臂梁结构；所述固定端靠近所述进气口设置，所述压电片贴在所述固定端的根部，所述自由端处形成所述出气口并靠近所述赫姆霍兹谐振腔设置。
4.根据权利要求3所述的谐振腔式压电俘能器，其特征在于：所述主腔体主要是由左侧面、上侧面、右侧面、下侧面以及尾面构成的头部敞口的长方体，且所述左侧面和所述右侧面上各开设有一压电结构粘结口，该两个压电结构粘结口对称设置在所述主腔体上，所述尾面的中心开设有短管连接口。
5. 根据权利要求4所述的谐振腔式压电俘能器，其特征在于：所述金属基板粘贴在所述压电结构粘结口，且所述金属基板的长度比所述压电结构粘结口的长度小0.5～2 mm。
6.根据权利要求1所述的谐振腔式压电俘能器，其特征在于：所述赫姆霍兹谐振腔腔体主要是由左盖、腔体圆管和右盖组成的圆柱形结构，所述左盖的中心开设中心孔，所述赫姆霍兹谐振腔短管与所述赫姆霍兹谐振腔腔体连接在所述中心孔处。
7.根据权利要求6所述的谐振腔式压电俘能器，其特征在于：所述主腔体的中心轴、所述赫姆霍兹谐振腔短管的中心轴和所述赫姆霍兹谐振腔腔体的中心轴位于同一直线上。
8. 根据权利要求1或6所述的谐振腔式压电俘能器，其特征在于：所述主腔体的长度130～170 mm，宽度35～45 mm，高度20～30 mm；所述金属基板为宽度12～18 mm、长度90～100 mm的长方形结构，所述压电片为宽度12～18 mm、长度9～15 mm的长方形结构；所述金属基板固定在距离所述主腔体的头部20～30 mm处；所述腔体圆管的外径20～28 mm，长度10～15 mm；所述赫姆霍兹谐振腔短管的外径14～18 mm，长度8～12 mm。
9.一种车用风压自供电系统，其特征在于：包括权利要求1～8任一项所述的谐振腔式压电俘能器、储能组件和定位传感器，其中，所述谐振腔式压电俘能器将风能转化为电能，并将电能传递给所述储能组件储存，所述储能组件为所述定位传感器提供电能。
10.根据权利要求9所述的车用风压自供电系统，其特征在于：所述储能组件为充电电池或超级电容器。
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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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