CN110752773A - 一种气流致振压电发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气流致振压电发电机，属新能源技术领域。前后框架上都设有上下梁及连接上下梁的弧形板和横梁，弧形板的内凹面靠近横梁一侧；上下梁上分别设有带圆弧限形面的上下压块；弧形板上设有方槽，方槽的开口和限形面位于横梁的同一侧；前后框架经螺钉连接且其上的限形面和弧形板上方槽的开口分别正对安装，两个弧形板构成挡板；前后框架的横梁之间压接有一个簧片和两个压电振子；簧片的自由端经压板和螺钉与钝体的耳板相连，耳板和压板均为T型结构且其窄端位于弧形板的方槽内，钝体两端位于上下梁的内侧；压电振子由基板与其一侧所粘接的压电片构成，基板和簧片比压电片宽，基板一侧与簧片接触、另一侧的固定端根部与限形面相切。

Description

一种气流致振压电发电机
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种气流致振压电发电机，用于隧道内气流动能回收。
背景技术
隧道已成为目前公路及铁路网络的重要组成部分。为确保汽车及火车能够正常安全通行、实现隧道环境及通行车辆的实时监测，隧道中需要安装各类仪器设备及照明设施，因此隧道中也要有相应的供电设施。如采用传统的电缆供电，电缆的铺设及后续维护的难度较大、成本较高；如采用电池供电，因电池寿命有限、需经常更换，使用极其不便，尤其是在偏远山区。
发明内容
本发明提出一种气流致振压电发电机，本发明采用的实施方案是：前后框架上都设有上下梁及连接上下梁的弧形板和横梁，弧形板的内凹面靠近横梁一侧；上梁上设有带限形面的上压块、下梁上设有带限形面的下压块，限形面为圆弧曲面；弧形板上设有方槽，方槽的开口和限形面位于横梁的同一侧；前后框架经螺钉连接且其上的限形面和弧形板上方槽的开口分别正对着安装，两个弧形板构成挡板；前后框架的横梁之间压接有一个簧片和两个压电振子，压电振子位于簧片的两侧；簧片的自由端经压板和螺钉与钝体的耳板相连，钝体为空心圆柱壳体，钝体靠近挡板的外凸面，耳板和压板均为T型结构且其窄端位于弧形板的方槽内，钝体的两端位于上下梁的内侧；压电振子由基板与其一侧所粘接的压电片构成；基板和簧片的宽度相同且比压电片宽，基板上未粘接压电片的一侧与簧片接触、另一侧的固定端根部与限形面相切，压电片不与限形面接触；非工作时簧片厚度方向的对称中心层、钝体的中心线及挡板的宽度方向的对称中心层位于同一垂直平面内；挡板的宽度与钝体的直径之比即宽径比为1～3，钝体的外表面到挡板的最小间距与钝体的直径之比即间径比为0～3。
本发明中，气流由钝体流向挡板和簧片的固定端，气流流经钝体后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体前后两侧的气流压力交替变化从而产生使钝体及簧片往复摆动的激振力，簧片摆动时迫使压电振子向使压电片承受压应力的方向弯曲变形，压电振子的往复弯曲变形过程中即将气流能转换成了电能；气流经过钝体后受到挡板的阻碍时，气流的流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值大幅度增加或减小；钝体摆动幅值足够大时将通过簧片将压电振子的基板压靠在限形面上，此时压电片长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。
本发明中，基板和压电片厚度相等，限形面的半径为
Figure BSA0000183774760000011
不使用限形面时压电振子自由端的许用变形量为
Figure BSA0000183774760000012
其中：l为压电振子的悬臂长度，h为压电振子总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。
优势与特色：①钝体后方设置的挡板可有效调节钝体的耦合振动响应特性，易于通过调节二者间距、尺度等参数获得所需的钝体振动放大比，流速适应性及发电能力；②压电振子单向弯曲变形且变形量可控、应力分布均匀，故发电能力强、可靠性高。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是本发明一个较佳实施例中后框架的结构示意图；
图4是图3的B-B剖视图；
图5是图3的C-C剖视图。
具体实施方式
前框架a’和后框架a上都设有上梁a1、下梁a2及连接上梁a1和下梁a2的弧形板a3和横梁a4，弧形板a3的内凹面靠近横梁a4一侧；上梁a1上设有带限形面m的上压块a11、下梁a2上设有带限形面m的下压块a21，限形面m为圆弧曲面；弧形板a3上设有方槽a31，方槽a31的开口和限形面m位于横梁a4的同一侧；前框架a’和后框架a经螺钉连接且其上的限形面m和弧形板a3上方槽a31的开口分别正对着安装，两个弧形板a3构成挡板Y；前框架a’和后框架a的横梁a4之间压接有一个簧片c和两个压电振子d，压电振子d位于簧片c的两侧；簧片c的自由端经压板b和螺钉与钝体e的耳板e1相连，钝体e为空心圆柱壳体，钝体e靠近挡板Y的外凸面，钝体e的耳板e1和压板b均为T型结构且其窄端位于弧形板a3的方槽a31内，钝体e的两端位于上梁a1和下梁a2的内侧；压电振子d由基板d1与其一侧所粘接的压电片d2构成；基板d1和簧片c的宽度相同且比压电片d2宽，基板d1的一侧与簧片c接触、另一侧的固定端根部与限形面m相切，压电片d2不与限形面m接触；非工作时簧片c厚度方向的对称中心层、钝体e的中心线及挡板Y的宽度方向的对称中心层位于同一垂直平面内，即图2中水平面z内；挡板Y的宽度H与钝体e的直径D之比即宽径比为H/D＝1～3，钝体e的外表面到挡板Y的最小间距L与钝体e的直径D之比即间径比为L/D＝0～3。
本发明中，气流由钝体e流向挡板Y和簧片c的固定端，气流流经钝体e后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体e前后两侧的气流压力交替变化从而产生使钝体e及簧片c往复摆动的激振力，簧片c摆动时迫使压电振子d向使压电片d2承受压应力的方向弯曲变形，压电振子d的往复弯曲变形过程中即将气流能转换成了电能；气流经过钝体e后受到挡板Y的阻碍时，气流的流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值大幅度增加或减小；钝体e摆动幅值足够大时将通过簧片c将压电振子d的基板d1压靠在限形面m上，此时压电片d2长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。
本发明中，基板d1和压电片d2厚度相等，限形面m的半径为不使用限形面时压电振子d自由端的许用变形量为
Figure BSA0000183774760000022
其中：l为压电振子d的悬臂长度，h为压电振子d的总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。

Claims (1)

1.一种气流致振压电发电机，其特征在于：前后框架上都设有上下梁及连接上下梁的弧形板和横梁，弧形板的内凹面靠近横梁一侧；上梁上设有带限形面的上压块、下梁上设有带限形面的下压块，限形面为圆弧曲面；弧形板上设有方槽，方槽的开口和限形面位于横梁的同一侧；前后框架经螺钉连接且其上的限形面和弧形板上方槽的开口分别正对安装，两个弧形板构成挡板；前后框架的横梁之间压接有一个簧片和两个压电振子，压电振子位于簧片的两侧；簧片的自由端经压板和螺钉与钝体的耳板相连，钝体靠近挡板的外凸面，耳板和压板均为T型结构且其窄端位于弧形板的方槽内，钝体两端位于上下梁的内侧；压电振子由基板与其一侧所粘接的压电片构成，基板和簧片的宽度相同且比压电片宽，基板的一侧与簧片接触、另一侧的固定端根部与限形面相切，压电片不与限形面接触；非工作时簧片厚度方向的对称中心层、钝体的中心线及挡板的宽度方向的对称中心层位于同一垂直平面内；挡板宽度与钝体的直径之比即宽径比为1～3，钝体的外表面到挡板的最小间距与钝体的直径之比即间径比为0～3。
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JP2006132397A (ja) * 2004-11-04 2006-05-25 Akita Univ 流力振動を利用した圧電セラミックによる発電方法及び装置
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