CN110798099A - 一种用于河流发电的压电俘能器 - Google Patents
一种用于河流发电的压电俘能器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110798099A CN110798099A CN201910459662.8A CN201910459662A CN110798099A CN 110798099 A CN110798099 A CN 110798099A CN 201910459662 A CN201910459662 A CN 201910459662A CN 110798099 A CN110798099 A CN 110798099A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- piezoelectric
- blunt body
- plate
- substrate
- arc
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010248 power generation Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract 4
- 210000005069 ears Anatomy 0.000 abstract description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 9
- 230000026683 transduction Effects 0.000 description 8
- 238000010361 transduction Methods 0.000 description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 241001124569 Lycaenidae Species 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 2
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 1
- 239000010842 industrial wastewater Substances 0.000 description 1
- 230000002262 irrigation Effects 0.000 description 1
- 238000003973 irrigation Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 description 1
- 238000003903 river water pollution Methods 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/185—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators using fluid streams
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
- H02N2/186—Vibration harvesters
Abstract
本发明涉及一种用于河流发电的压电俘能器，属新能源技术领域。主体纵梁两端设有横梁，横梁内外侧分别设有导轨和换能腔，换能腔内装有换能器；换能器由隔板及其两侧经框架压接的压电振子构成，框架由主副梁以及连接主副梁两端的侧板构成；由基板与压电片粘接而成的悬臂梁压电振子压接在主梁和隔板间，压电片靠近框架安装；摆轴两端各设有两个驱动面、中部设有一个安装面，摆轴两端置于换能器中的两压电振子间；耦合器的钝体上的摆臂端部装在摆轴的安装面上，摆臂两侧的安装面上还装有板簧，板簧的自由端置于滑块的滑道内，滑块耳板装在导轨上；两个半弧板的侧耳分别装在导轨上下两侧，钝体的摆臂置于半弧板的豁口内，半弧板凸面靠近钝体。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种用于河流发电的压电俘能器，用于构造自供电河流监测系统。
背景技术
我国境内遍布的河流达数千条之多。近年来，由于工业废污水处理力度不够、水土流失及农药和化肥等使用不当等原因，部分河流都存在一定程度的污染问题，无法满足居民生活及农田灌溉的需求。此外，因目前有些地区中小河流防洪设施不完善、缺少相关防洪设施，汛期来临之际存在溃堤或漫堤等危险，直接威胁了沿岸群众的生命和财产安全。因此，河流监测已受到国家相关部门的高度重视；同时，国内专家学者也相继提出了相应的监测方法和手段，包括针对河水污染的水质监测技术，针对防洪及泥石流等自然灾害的雨量、水位以及河道水流速等监测技术等多方面，以及为监测系统供电的各类微小型俘能器，但现有的微小型俘能器在可靠性及流速适应性等方面都存在一定的问题，严重地阻碍了其推广应用。
发明内容
本发明提出一种用于河流发电的压电俘能器，本发明采用的实施方案是：主体的纵梁两端对称地设有与其垂直的横梁，两横梁内侧都设有导轨、外侧都设有换能腔，换能腔内部经端盖压接有换能器，端盖经螺钉安装在换能腔侧壁端部；换能器由隔板及其两侧经框架压接的压电振子构成，框架为由主副梁以及连接主副梁两端的侧板构成的长方形结构；框架的主梁和隔板经螺钉连接，压电振子一端压接在主梁和隔板之间构成悬臂结构，压电振子由基板与压电片粘接而成，基板和压电片材料分别为黄铜和PZT4；侧板上与压电振子相对的限形面为圆弧面，限形面和主梁上与压电振子基板相接触的表面相切；框架的内腔的平面尺寸比基板小、比压电片大，压电振子固定端的基板与限形面相切，压电片靠近框架安装；摆轴两端各设有两个驱动面、中部设有一个安装面，驱动面和安装面均为平面，各驱动面的平面尺寸相同且相互平行；摆轴两端置于换能腔内，摆轴上带驱动面的部分置于同一换能器中两个压电振子之间；驱动面与压电振子平行时驱动面与基板自由端相接触但无作用力，摆轴转动使基板与驱动面脱离、与摆轴的外圆表面接触时压电振子变形量小于其许用值，即此时压电片上的最大应力小于其许用值；耦合器的钝体上设有摆臂，钝体为空心圆柱壳体，摆臂端部经螺钉装在摆轴的安装面上，摆臂两侧的安装面上还经螺钉和压板安装有板簧，板簧为悬臂型且其自由端置于滑块的滑道内，滑块的耳板经螺钉安装在主体的导轨上，钝体的轴线、摆轴的轴线及压电振子的平面相互平行；半弧板两端设有侧耳、中部设有豁口，两个半弧板的侧耳经螺钉分别安装在主体的导轨的上下两侧，钝体的摆臂置于半弧板的豁口内，两个半弧板顶靠在一起构成弧板，弧板凸面靠近钝体安装。
非工作时，耦合器处于自然的平衡状态，板簧及压电振子都处于无弯曲变形的平直状态；水由钝体流向弧板时在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水流压力交替变化从而产生使耦合器往复摆动的激振力，耦合器摆动时通过摆臂带动摆轴摆动，摆轴再经驱动面迫使压电振子产生使压电片承受压应力的弯曲变形，压电振子往复弯曲变形过程中即将流体动能转换成了电能；水流经过钝体后受到弧板阻碍时其流向、漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值及频率发生变化，振动幅值增大或减小；钝体摆动幅值达到一定值时，基板自由端与摆轴的驱动面脱离、与摆轴的圆弧面接触，此时基板贴合在限形面上、压电片长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，此后压电振子的变形量不随钝体振幅的增加而进一步增大，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。
本发明中，弧板宽度H与钝体直径D之比即宽径比为H/D＝1～3，钝体外表面与弧板凸面的最小间距l与钝体直径D之比即间径比为l/D＝0～3，弧板的半径不大于钝体与摆轴的轴间距；可通过调节弧板的安装位置调节钝体外表面到弧板凸面的最小距离，从而改变间径比，实现钝体振幅的有效控制，即使振幅增加或减小；此外，还可通过调节滑块的安装位置调节板簧弯曲刚度，从而使俘能器的基频与涡激振动频率相适应，提高俘能器的流速适应性。
本发明中，基板和压电片厚度相等，限形面的半径为
不使用限形面时压电振子自由端的许用变形量为
其中：l为压电振子悬臂长度，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通过与耦合器摇臂相连的摆轴同时激励密封腔内的压电振子，压电振子不与水流接触、仅受可控的单向弯曲变形故应力分布均匀、发电能力强、可靠性高；②耦合器钝体后方设置的弧板可有效调节钝体的流固耦合振动响应特性，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；③耦合器与板簧构成的振动系统基频可调，河水流速的适应性强。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是本发明一个较佳实施例中主体旋转后的结构示意图；
图5是图4的C-C剖视图；
图6是本发明一个较佳实施例中摆轴旋转后的结构示意图；
图7是图6的俯视图；
图8是本发明一个较佳实施例中耦合器的结构示意图；
图9是图8的俯视图；
图10是本发明一个较佳实施例中框架的结构示意图；
图11是图10俯视图；
图12是本发明一个较佳实施例中半弧板的结构示意图；
图13是图12的右视图；
图14是本发明一个较佳实施例中滑块的结构示意图；
图15是图14的左视图。
具体实施方式
主体a的纵梁a1两端都设有横梁a2，横梁a2与纵梁a1垂直且对称配置在纵梁a1的两端，两个横梁a2的内侧都设有导轨a3、外侧都设有换能腔a4，换能腔a4的内部经端盖b压接有换能器Q，端盖b经螺钉安装在换能腔a4的侧壁端部；换能器Q由隔板f及其两侧经框架e压接的压电振子d构成，框架e为由主梁e1、副梁e2以及连接主梁e1和副梁e2两端的侧板e3构成的长方形结构；两个框架e的主梁e1和一个隔板f经螺钉连接，主梁e1和隔板f之间压接有压电振子d，压电振子d的一端压接在主梁e1和隔板f之间构成悬臂结构，压电振子d由基板d1与压电片d2粘接而成，基板d1和压电片d2的材料分别为黄铜和PZT4；侧板e3上与压电振子d相对的限形面e4为圆弧面，限形面e4和主梁e1上与压电振子d的基板d1相接触的表面相切；框架e的内腔e5的平面尺寸比基板d1的小、比压电片d2的大，压电振子d固定端的基板d1与限形面e4相切，压电片d2靠近框架e安装；摆轴c的两端各设有两个驱动面c1、中部设有一个安装面c2，驱动面c1和安装面均为平面，各驱动面c1的平面尺寸相同且相互平行；摆轴c的两端经横梁a2上的轴孔a5伸入到换能腔a4内，摆轴c上带驱动面c1的部分置于同一换能器Q中两个压电振子d之间；驱动面c1与压电振子d平行时驱动面c1与基板d1的自由端相接触但无作用力，摆轴c转动使基板d1与驱动面c1脱离、与摆轴c的外圆表面接触时压电振子d的变形量小于其许用值，即此时压电片d2上的最大应力小于其许用值；耦合器g的钝体g1中部设有摆臂g2，钝体g1为空心圆柱壳体，摆臂g2端部经螺钉装在摆轴c的安装面c2上，摆臂g2两侧的安装面c2上还经螺钉和压板h安装有板簧i，板簧i为悬臂型且其自由端置于滑块j的滑道j2内，滑块j的耳板j1经螺钉安装在主体a的导轨a3上，钝体g1的轴线、摆轴c的轴线及压电振子d的平面相互平行：半弧板k的两端设有侧耳k1、中部设有豁口k2，两个半弧板k的侧耳k1经螺钉分别安装在主体a的导轨a3的上下两侧，钝体g1的摆臂g2置于半弧板k的豁口k2内，两个半弧板k顶靠在一起构成弧板K，弧板K的凸面靠近钝体g1安装。
非工作时，耦合器g处于自然的平衡状态，板簧i及压电振子d都处于无弯曲变形的平直状态；水由钝体g1流向弧板K时，水流经钝体g1后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体g1前后两侧的水流压力交替变化从而产生使耦合器g往复摆动的激振力，耦合器g摆动时通过摆臂g2带动摆轴c摆动，摆轴c再经驱动面c1迫使压电振子d产生使压电片d2承受压应力的弯曲变形，压电振子d的往复弯曲变形过程中即将流体动能转换成了电能；水流经过钝体g1后受到弧板K的阻碍时其流向、漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值及频率发生变化，振动幅值增大或减小；钝体g1摆动幅值达到一定值时，基板d1自由端与摆轴c的驱动面c1脱离、与摆轴c的圆弧面接触，此时基板d1还贴合在限形面e4上、压电片d2长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，此后压电振子d的变形量不随钝体g1振幅的增加而进一步增大，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。
本发明中，弧板K的宽度H与钝体g1的直径D之比即宽径比为H/D＝1～3，钝体g1的外表面与弧板K凸面的最小间距l与钝体g1的直径D之比即间径比为l/D＝0～3，弧板K的半径r不大于钝体g1与摆轴c的轴间距；可通过调节弧板K的安装位置调节钝体g1的外表面到弧板K凸面的最小距离l，从而改变间径比，实现钝体g1的振幅的有效控制，即使振幅增加或减小；此外，还可通过调节滑块j的安装位置调节板簧i的弯曲刚度，从而使俘能器的基频与涡激振动频率相适应，提高俘能器的流速适应性。
本发明中，基板d1和压电片d2厚度相等，限形面e4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
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)
1.一种用于河流发电的压电俘能器，其特征在于：主体的纵梁两端对称地设有与其垂直的横梁，横梁内外侧分别设有导轨和换能腔，换能腔内经端盖压接有换能器；换能器由隔板及其两侧经框架压接的压电振子构成，框架由主副梁以及连接主副梁两端的侧板构成；由基板与压电片粘接而成的压电振子一端压接在主梁和隔板之间构成悬臂结构，侧板上与压电振子相对的圆弧限形面和主梁上与压电振子基板相接触的表面相切；框架的内腔平面尺寸比基板小、比压电片大，压电片靠近框架安装；摆轴两端各设有两个驱动面、中部设有一个安装面，摆轴两端带驱动面的部分置于换能器中的两压电振子间；驱动面与压电振子平行时驱动面与基板自由端相接触但无作用力，摆轴转动使基板与驱动面脱离、与摆轴的外圆表面接触时压电振子变形量小于其许用值；耦合器的钝体上的摆臂端部装在摆轴的安装面上，摆臂两侧的安装面上还装有板簧，板簧的自由端置于滑块的滑道内，滑块的耳板装在导轨上；两个半弧板的侧耳分别装在导轨的上下两侧，钝体的摆臂置于半弧板的豁口内，两个半弧板顶靠在一起构成弧板，弧板凸面靠近钝体安装；弧板宽度与钝体直径之比为1～3，钝体外表面与弧板凸面的最小间距与钝体直径之比为0～3，弧板半径不大于钝体与摆轴的轴间距。。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910459662.8A CN110798099B (zh) | 2019-05-18 | 2019-05-18 | 一种用于河流发电的压电俘能器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910459662.8A CN110798099B (zh) | 2019-05-18 | 2019-05-18 | 一种用于河流发电的压电俘能器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110798099A true CN110798099A (zh) | 2020-02-14 |
| CN110798099B CN110798099B (zh) | 2021-11-12 |
Family
ID=69426894
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910459662.8A Active CN110798099B (zh) | 2019-05-18 | 2019-05-18 | 一种用于河流发电的压电俘能器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110798099B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112202364A (zh) * | 2020-09-29 | 2021-01-08 | 长春工业大学 | 一种用于河流监测的压电俘能器 |
| CN114050736A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-02-15 | 浙江师范大学 | 一种流致振-旋转式摩擦发动机 |
| CN114050741A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-02-15 | 浙江师范大学 | 一种行走激励的压电俘能器 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| CN103075313A (zh) * | 2013-01-15 | 2013-05-01 | 重庆大学 | 一种利用低速气流流致振动收集电能的方法 |
| CN105006991A (zh) * | 2015-07-22 | 2015-10-28 | 上海交通大学 | 叠层压电式井下能量采集装置 |
| CN105680717A (zh) * | 2016-04-18 | 2016-06-15 | 苏州大学 | 一种叶片式复合风动能量收集器 |
| CN105932907A (zh) * | 2016-06-15 | 2016-09-07 | 浙江师范大学 | 一种风电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器 |
| CN106026771A (zh) * | 2016-06-15 | 2016-10-12 | 浙江师范大学 | 一种自调频压电水流俘能器 |
| CN107359772A (zh) * | 2017-08-17 | 2017-11-17 | 浙江师范大学 | 一种磁耦合逐级激励式流体俘能器 |
-
2019
- 2019-05-18 CN CN201910459662.8A patent/CN110798099B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| CN103075313A (zh) * | 2013-01-15 | 2013-05-01 | 重庆大学 | 一种利用低速气流流致振动收集电能的方法 |
| CN105006991A (zh) * | 2015-07-22 | 2015-10-28 | 上海交通大学 | 叠层压电式井下能量采集装置 |
| CN105680717A (zh) * | 2016-04-18 | 2016-06-15 | 苏州大学 | 一种叶片式复合风动能量收集器 |
| CN105932907A (zh) * | 2016-06-15 | 2016-09-07 | 浙江师范大学 | 一种风电齿轮箱监测用旋流激励压电俘能器 |
| CN106026771A (zh) * | 2016-06-15 | 2016-10-12 | 浙江师范大学 | 一种自调频压电水流俘能器 |
| CN107359772A (zh) * | 2017-08-17 | 2017-11-17 | 浙江师范大学 | 一种磁耦合逐级激励式流体俘能器 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112202364A (zh) * | 2020-09-29 | 2021-01-08 | 长春工业大学 | 一种用于河流监测的压电俘能器 |
| CN114050736A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-02-15 | 浙江师范大学 | 一种流致振-旋转式摩擦发动机 |
| CN114050741A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-02-15 | 浙江师范大学 | 一种行走激励的压电俘能器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110798099B (zh) | 2021-11-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110798099B (zh) | 一种用于河流发电的压电俘能器 | |
| CN106026771B (zh) | 一种自调频压电水流俘能器 | |
| CN107317518B (zh) | 一种河流监测系统用自供电装置 | |
| CN107359823B (zh) | 一种扭摆式压电俘能器 | |
| CN107359772B (zh) | 一种磁耦合逐级激励式流体俘能器 | |
| CN106160573B (zh) | 一种用于河流监测的自激压电俘能器 | |
| CN110880885B (zh) | 一种涡激振动俘能器 | |
| CN110752778B (zh) | 一种磁耦合钝体扰流致振发电机 | |
| CN107317515A (zh) | 一种水流致振俘能器 | |
| CN110752775B (zh) | 一种水流致振压电发电机 | |
| CN110752774B (zh) | 一种用于河流监测系统的压电俘能器 | |
| CN110808692B (zh) | 一种涡激振动式压电发电机 | |
| CN110752777B (zh) | 一种钝体扰流致振发电机 | |
| CN205681334U (zh) | 一种自调频压电水流俘能器 | |
| CN112202364B (zh) | 一种用于河流监测的压电俘能器 | |
| CN107359822B (zh) | 一种位移放大式钝体扰流俘能器 | |
| CN110798096B (zh) | 一种流致回转式压电发电机 | |
| CN110752781B (zh) | 一种两用压电发电机 | |
| CN107359812B (zh) | 一种用于河流监测的间接激励式压电俘能器 | |
| CN107355332A (zh) | 一种可调频水流致振发电机 | |
| CN107482952B (zh) | 一种流体压电俘能器 | |
| CN107332465A (zh) | 一种压电‑电磁混合式流体俘能器 | |
| CN207069870U (zh) | 一种磁耦合逐级激励式流体俘能器 | |
| CN107395054B (zh) | 一种间接激励的多振子压电风力发电机 | |
| CN207069943U (zh) | 一种压电‑电磁混合式流体俘能器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |