CN110011566A - 基于气流激振的压电能量收集装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气流激振的压电能量收集装置及工作方法，基于气流激振的压电能量收集装置包括气流激振系统和换能系统，所述气流激振系统包括喷嘴和共振腔，所述共振腔的前端设置有尖劈，所述尖劈正对着喷嘴出口，所述换能系统包括压电换能器和储能控制电路板，所述压电换能器的一端以悬臂形式设置在共振腔的腔体内，所述压电换能器的另一端悬空，所述共振腔上设置有储能控制电路板。本发明提供一种基于气流激振的压电能量收集装置及工作方法，实现对无线传感节点的自供电需求，电能转换效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于气流激振的压电能量收集装置及工作方法，属于气流压电换能技术领域。
背景技术
目前，环境能量收集技术能够源源不断地将环境中各种形式的能量转化为电能，具有体积小、寿命长、能量密度高等显著优点，在无线传感节点自供电方面具有潜在的应用前景。风力、气流在工作环境中广泛存在，如自然风、管道内气体流动、运动物体的迎面气流等。靠风或气流直接推动涡轮叶片驱动的转动式电磁能量收集器存在结构复杂、加工和安装较为困难等问题，难以实现微小型化，至今得不到广泛实施和应用。现有的气流激振压电发电装置都是基于气流与结构的动力作用而引起的自激振动，装置结构复杂，其固有频率高，需要的启动速度也高，存在能量收集器功率密度低和流速适应性差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于气流激振的压电能量收集装置及工作方法，实现对无线传感节点的自供电需求，电能转换效率高。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于气流激振的压电能量收集装置，包括气流激振系统和换能系统，所述气流激振系统包括喷嘴和共振腔，所述共振腔的前端设置有尖劈，所述尖劈正对着喷嘴出口，所述换能系统包括压电换能器和储能控制电路板，所述压电换能器的一端以悬臂形式设置在共振腔的腔体内，所述压电换能器的另一端悬空，所述共振腔上设置有储能控制电路板。
进一步，所述喷嘴通过连接板与共振腔相连，所述喷嘴正对共振腔，所述连接板的上端面与喷嘴相连，所述连接板的下端面与共振腔相连。
进一步，所述喷嘴为变截面的楔形孔，所述喷嘴入口的面积大于喷嘴出口的面积，所述喷嘴出口正对共振腔的尖劈处。
进一步，所述压电换能器由压电片和金属基板组成，所述压电片设置在金属基板上，所述金属基板通过导线与储能控制电路板电性连接。
进一步，所述共振腔的上端设置有安装槽，所述压电换能器的一端设置在安装槽中并通过盖板固定，所述压电换能器靠近共振腔后端的部分悬空，所述储能控制电路板集成在共振腔的后端。
进一步，所述共振腔的后端设置有安装槽，所述压电换能器的一端设置在安装槽中并通过盖板固定，所述压电换能器靠近共振腔上端的部分悬空，所述储能控制电路板集成在共振腔的底端。
一种基于气流激振的压电能量收集装置的工作方法，它包含如下步骤：
步骤一、环境气流经喷嘴喷出后形成射流；
步骤二、所述射流冲击尖劈后形成旋涡脱落产生正向边棱音；
步骤三、所述正向边棱音在共振腔内进行传播，并在共振腔的后端反射回来，产生负向边棱音；
步骤四、所述正向边棱音和负向边棱音触发共振腔内部的空气进入谐振状态，形成驻波共振；
步骤五、所述共振腔内的空气在驻波共振影响下作周期性的膨胀与压缩运动，驱动压电换能器摆动，所述压电换能器形成振动产生应变并在压电片的厚度方向形成电压，所述电压经储能控制电路板实现能量存储与供电。
采用了上述技术方案，本发明将气流动能转化为振动能，并结合振动压电能量收集技术实现发电，压电换能器采用悬臂形式固定，降低了本身的固有频率，从而进一步降低启动速度，提高了电能转换效率，结构更加简单。
附图说明
图1为本发明的基于气流激振的压电能量收集装置的实施例一的能量收集方案示意图；
图2为本发明的实施例一的机械结构部分的结构示意图；
图3为本发明的喷嘴的结构示意图；
图4为本发明的实施例一共振腔的结构示意图；
图5为本发明的实施例一的共振腔和压电换能器的位置关系图；
图6为本发明的连接板的结构示意图；
图7为本发明的压电换能器的结构示意图；
图8为本发明的盖板的结构示意图；
图9为本发明的储能控制电路原理图；
图10为本发明的实施例二的能量收集方案示意图；
图11为本发明的共振腔长度方向上声压幅值分布图；
图12为本发明的共振腔最右端截面的声压分布曲线；
图13为本发明的压电换能器水平放置时所受载荷示意图；
图14为本发明的实施例二的共振腔和压电换能器的位置关系图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1～9所示，一种基于气流激振的压电能量收集装置，包括气流激振系统1和换能系统2，气流激振系统1是基于流体动力声源结构，所述气流激振系统1包括喷嘴11和共振腔12，所述共振腔12的前端设置有尖劈13，共振腔12为半封闭式结构，所述尖劈13正对着喷嘴11出口，所述换能系统2包括压电换能器21和储能控制电路板22，所述压电换能器21以悬臂形式水平设置在共振腔12的上端，压电换能器21采用悬臂形式固定，降低了本身的固有频率，从而进一步降低启动速度，所述压电换能器21靠近共振腔12后端的部分悬空，所述储能控制电路板22集成在共振腔12的后端。
如图2、3所示，所述喷嘴11通过连接板14与共振腔12相连，所述喷嘴11正对共振腔12，所述连接板14的上端面与喷嘴11相连，所述连接板14的下端面与共振腔12相连，所述共振腔12的上端设置有安装槽15，所述压电换能器21设置在安装槽15中并通过盖板16固定。
如图2所示，所述喷嘴11为变截面的楔形孔，所述喷嘴11入口的面积大于喷嘴11出口的面积，这样有利于提高射流3的速度，所述喷嘴11出口正对共振腔12的尖劈13处。
如图7、9所示，所述压电换能器21由PZT-5H压电片211和金属基板212组成，所述压电片211设置在金属基板212上，所述金属基板212通过导线与储能控制电路板22电性连接，储能控制电路板22由整流电路、电容C以及恒压芯片MAX1615所组成，输入接口与压电换能器21中的导线相连接，可将压电片211产生的交流电压转化成恒定直流电压5V/3.3V。
如图11所示，将压电换能器21以悬臂形式水平设置在共振腔12的上端，压电换能器21所受的声压载荷逐渐增大的，沿共振腔长度方向的纵向截面上各点声压相等，形式为p＝p0 sin wt，声压载荷的频率是一样的，声压在不同长度上的幅值p0是增大的，如图13所示，p0沿长度方向逐渐增大，最靠近共振腔12后端截面声压幅值p0最大。图中横坐标的0-60mm长度为共振腔12的总长，压电换能器21的放置在40-60mm段。
实施例二
如图10所示，一种基于气流激振的压电能量收集装置，包括气流激振系统1和换能系统2，气流激振系统1是基于流体动力声源结构，所述气流激振系统1包括喷嘴11和共振腔12，所述共振腔12的前端设置有尖劈13，共振腔12为半封闭式结构，所述尖劈13正对着喷嘴11出口，所述换能系统2包括压电换能器21和储能控制电路板22，所述压电换能器21以悬臂形式垂直设置在共振腔12的后端，压电换能器21采用悬臂形式固定，降低了本身的固有频率，从而进一步降低启动速度，所述压电换能器21靠近共振腔12上端的部分悬空，所述储能控制电路板22集成在共振腔12的底端。
如图14所示，所述喷嘴11通过连接板14与共振腔12相连，所述喷嘴11正对共振腔12，所述连接板14的上端面与喷嘴11相连，所述连接板14的下端面与共振腔12相连，所述共振腔12的后端设置有安装槽15，所述压电换能器21设置在安装槽15中并通过盖板16固定。
如图2所示，所述喷嘴11为变截面的楔形孔，所述喷嘴11入口的面积大于喷嘴11出口的面积，这样有利于提高射流3的速度，所述喷嘴11出口正对共振腔12的尖劈13处。
如图7、9所示，所述压电换能器21由PZT-5H压电片211和金属基板212组成，所述压电片211设置在金属基板212上，所述金属基板212通过导线与储能控制电路板22电性连接，储能控制电路板22由整流电路、电容C以及恒压芯片MAX1615所组成，输入接口与压电换能器21中的导线相连接，可将压电片211产生的交流电压转化成恒定直流电压5V/3.3V。
如图12所示，将压电换能器21以悬臂形式垂直设置在共振腔12的后端，压电换能器21所受的声压载荷是均匀的，声压载荷是一个交变载荷，声压幅值p0稳定，纵向截面上各点声压相等，形式为声压p＝p0 sin wt。
实施例三
如图1～9所示，一种基于气流激振的压电能量收集装置的工作方法，它包含如下步骤：
步骤一、环境气流经喷嘴11喷出后形成射流3；
步骤二、所述射流3冲击尖劈13后形成旋涡4脱落产生正向边棱音；
步骤三、所述正向边棱音在共振腔12内进行传播，并在共振腔12的后端反射回来，产生负向边棱音；
步骤四、所述正向边棱音和负向边棱音触发共振腔12内部的空气进入谐振状态，形成驻波共振；
步骤五、所述共振腔12内的空气在驻波共振影响下作周期性的膨胀与压缩运动，驱动压电换能器21摆动，所述压电换能器21形成振动产生应变并在压电片211的厚度方向形成电压，所述电压经储能控制电路板22实现能量存储与供电。
本发明的工作原理如下：
环境气流经喷嘴11喷出后形成射流3，在共振腔12前端静止的空气中通过时，边界上因高速流与静止介质的接触，不断产生旋涡4，向前推动且不断发展变宽。射流3冲击尖劈13后被分离，形成旋涡4脱落产生边棱音，即偶极子声源。声波在共振腔12内进行传播，并在共振腔12的后端反射回来，共振腔12的后端为刚性底部，同时存在正、负向声波，触发腔体内部的空气进入谐振状态，形成驻波共振，产生稳定声源并得到放大，其频率被俘获，由共振腔12结构尺寸所决定。此时，射流3在尖劈13附近周期性地振荡，以维持边棱音以及共振腔12内的驻波共振。
在驻波共振影响下，共振腔12内空气将作周期性的膨胀与压缩运动，驱动悬臂梁式压电换能器21摆动，形成振动，从而产生应变，引起电荷在压电片上下表面聚集，并在压电材料的厚度方向形成电压，经储能控制电路，实现能量存储与供电。根据谐振原理，当压电换能器21的固有频率与激振力频率相同时，系统处于共振状态，压电换能器21振动的幅度达到最大值，压电材料激发的电量就会越多，从而使得压电换能器21的输出电能最大。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于气流激振的压电能量收集装置，包括气流激振系统(1)和换能系统(2)，其特征在于：所述气流激振系统(1)包括喷嘴(11)和共振腔(12)，所述共振腔(12)的前端设置有尖劈(13)，所述尖劈(13)正对着喷嘴(11)出口，所述换能系统(2)包括压电换能器(21)和储能控制电路板(22)，所述压电换能器(21)的一端以悬臂形式设置在共振腔(12)的腔体内，所述压电换能器(21)的另一端悬空，所述共振腔(12)上设置有储能控制电路板(22)。
2.根据权利要求1所述的基于气流激振的压电能量收集装置，其特征在于：所述喷嘴(11)通过连接板(14)与共振腔(12)相连，所述喷嘴(11)正对共振腔(12)，所述连接板(14)的上端面与喷嘴(11)相连，所述连接板(14)的下端面与共振腔(12)相连。
3.根据权利要求1所述的基于气流激振的压电能量收集装置，其特征在于：所述喷嘴(11)为变截面的楔形孔，所述喷嘴(11)入口的面积大于喷嘴(11)出口的面积，所述喷嘴(11)出口正对共振腔(12)的尖劈(13)处。
4.根据权利要求1所述的基于气流激振的压电能量收集装置，其特征在于：所述压电换能器(21)由压电片(211)和金属基板(212)组成，所述压电片(211)设置在金属基板(212)上，所述金属基板(212)通过导线与储能控制电路板(22)电性连接。
5.根据权利要求1所述的基于气流激振的压电能量收集装置，其特征在于：所述共振腔(12)的上端设置有安装槽(15)，所述压电换能器(21)的一端设置在安装槽(15)中并通过盖板(16)固定，所述压电换能器(21)靠近共振腔(12)后端的部分悬空，所述储能控制电路板(22)集成在共振腔(12)的后端。
6.根据权利要求1所述的基于气流激振的压电能量收集装置，其特征在于：所述共振腔(12)的后端设置有安装槽(15)，所述压电换能器(21)的一端设置在安装槽(15)中并通过盖板(16)固定，所述压电换能器(21)靠近共振腔(12)上端的部分悬空，所述储能控制电路板(22)集成在共振腔(12)的底端。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的基于气流激振的压电能量收集装置的工作方法，其特征在于，它包含如下步骤：
步骤一、环境气流经喷嘴(11)喷出后形成射流(3)；
步骤二、所述射流(3)冲击尖劈(13)后形成旋涡(4)脱落产生正向边棱音；
步骤三、所述正向边棱音在共振腔(12)内进行传播，并在共振腔(12)的后端反射回来，产生负向边棱音；
步骤四、所述正向边棱音和负向边棱音触发共振腔(12)内部的空气进入谐振状态，形成驻波共振；
步骤五、所述共振腔(12)内的空气在驻波共振影响下作周期性的膨胀与压缩运动，驱动压电换能器(21)摆动，所述压电换能器(21)形成振动产生应变并在压电片(211)的厚度方向形成电压，所述电压经储能控制电路板(22)实现能量存储与供电。
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| CN113131790B (zh) * | 2021-04-22 | 2022-06-17 | 长春工业大学 | 一种安装于台阶上的压电发电装置 |
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