CN111756274B - 一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置，涉及清洁能源发电领域。本装置由基座、主轴、水平连接件、竖直连接件、振子和换能器构成。所述水平连接件连接的主轴和振子形成串联双圆柱拾取水平方向风能产生振动，所述竖直连接件连接的两个振子同样形成串联双圆柱拾取竖直方向风能产生振动。贴装于水平和竖直连接件交叉处的换能器采用正压电效应将振动能转换为电能。风向改变时，水平连接件可在风力驱动下绕主轴旋转进行自适应调整，从而时刻保持串联双圆柱俘能状态。本发明采用的双圆柱较传统单圆柱具有更高的俘能效率，可响应任意风向激励，能量利用率更高，在难以架设线缆的微型传感节点自供能领域有广阔的应用前景。

Description

一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置

技术领域

本发明属清洁能源发电领域，具体是一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置。

背景技术

无线传感节点、便携式电子器件以及微机电系统(MEMS)等低能耗电子产品的应用越来越广泛。但是，这些低能耗电子产品依旧采用电池作为其主要能源，这就会产生环境污染、回收困难并且需定期更换等一些问题。由于风动能具有清洁、容易获得和永不枯竭等特点，同时压电能量收集技术是一种可以将机械能转换为电能的环境能量收集技术，因此利用压电材料拾取风能代替传统电池为小型传感节点供能成为目前利用风能实现自供能的主要研究方向。

现有的风能采集器大多基于涡振原理并采用单一圆柱振子进行俘能，因此此类风能采集器的输出功率较低且风能利用率不高。大量研究发现，串行排列的双圆柱振子可以通过调整其相关的形状和位置参数来提升整体的俘能效率。经过对串行双圆柱俘能系统的二维层流模型进行仿真计算，并与单圆柱俘能系统进行对比发现：在间距比为6时，双圆柱俘能系统在同样风速的激励下所获取的升力幅值是单圆柱俘能系统的2.6倍，而俘能效率正比于升力幅值，因此，合理利用双圆柱涡激振动的特点可以弥补单圆柱俘能系统的缺陷，能够使得压电俘能系统具有更好的输出特性。

同时，大自然的风向会随时间而不断改变，但是目前的风能采集器均只能在单一或少数几个风向激励下输出电能，这就会造成能源的浪费以及风能采集器自身性能的不稳定。因此，设计一种具有较高风能采集效率以及能够响应任意风向激励的风能采集器变得尤为重要。

发明内容

本发明是为解决现有的单圆柱涡激振动风能俘获系统输出功率较小、风能采集效率较低；以及现有的风能俘获装置仅能响应单一或少数几个风向激励，造成风能资源的浪费和自身输出性能不稳定的问题，进而提供了一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置。

本发明为解决上述问题提供的技术方案是：

一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置，包括：基座、固定件、导电套筒、绝缘套筒、摩擦套筒、主轴、导线接头、接线螺钉、竖直连接件、3个振子、水平连接件、换能器、导线、4个基座螺钉、2片陶瓷压电片以及铜膜，所述水平连接件一端套接在主轴上另一端安装有振子，形成串行双圆柱俘能系统拾取水平方向的风能产生垂直于水平风向的周期性振动；所述竖直连接件两端均安装振子，形成串行双圆柱俘能系统拾取竖直方向上的风能产生垂直于竖直风向的周期性振动。

进一步地，所述水平连接件与主轴之间隔有摩擦套筒，摩擦套筒可以提供一定的摩擦力，用以防止振子在振动过程中出现“打滑”现象。

进一步地，所述水平连接件和竖直连接件两端圆柱孔中心轴线之间的距离为振子直径的6倍。

进一步地，所述换能器由2片陶瓷压电片和铜膜组成，铜膜安置在2片陶瓷压电片中间，2片陶瓷压电片极性相反并以铜膜作为公共端，为了将振动能转换为电能，换能器固定安装于水平连接件和竖直连接件的十字交叉处，以便将3个振子产生的振动经由水平和竖直连接件传递至换能器，使得换能器中的陶瓷压电片发生沿厚度方向上的周期性振动，根据正压电效应，陶瓷压电片就能够将水平和竖直方向上的振动能均转换为电能。

进一步地，为了将获取的电能引出，所述铜膜的一端向外伸出，便于焊接导线，导线一端焊接在铜膜的外伸端另一端通过接线螺钉固定于导线接头，导线接头与主轴紧密接触，所述铜膜、导线、导线接头、主轴均为导体形成通路引出电能的一极，所述主轴插入固定件中。

进一步地，为了将获取的电能引出，所述水平连接件与竖直连接件紧密接触，水平连接件与导电套筒也紧密接触，所述水平连接件、竖直连接件、导电套筒均为导体形成通路引出电能的另一极，所述导电套筒也插入固定件中。

进一步地，所述固定件、绝缘套筒、基座均为绝缘体用以防止短路，且固定件上下表面开有凹槽，用于将主轴上的电能一极和导电套筒上的电能另一极引出，从而为微型传感节点供能。

进一步地，虽然所述水平连接件与主轴之间隔有提供一定摩擦力的摩擦套筒，但是摩擦力较风力而言过于微小，因此在水平连接件受风力驱动绕主轴旋转过程中该摩擦力可以忽略不计，所以在水平和竖直方向上的两套串行双圆柱俘能系统可以随风向的改变而自适应调整，从而时刻保持与风向一致，并处于最佳的俘能状态——“串行双圆柱俘能状态”，使得本装置实现响应任意风向激励。

本发明与现有技术相比有以下效果：

1.本装置在水平和竖直方向均形成串行双圆柱俘能系统，经过仿真分析发现在相同风速激励下本装置所采用的串行双圆柱俘能系统受到的升力幅值是传统单圆柱俘能系统的2.6倍，而俘能系统的输出功率和俘能效率正比于升力幅值，因此本装置较现有单圆柱俘能系统具有较高的输出功率和俘能效率；

2.本装置的机械结构设计巧妙，以至于两套俘能系统可以随风向改变进行自适应调整，因此能够收集任意方向的风能，较仅能收集单一或少数几个方向的现有俘能系统有较高的风能利用率和更为稳定的输出性能。

附图说明

图1、一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置整体示意图。

图2、一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置局部剖视图。

图3、摩擦套筒、导线接头以及接线螺钉装配示意图。

图4、换能器示意图。

具体实施方式

结合图1至图4对本装置进行进一步描述，本装置包括基座1、固定件2、导电套筒3、绝缘套筒4、摩擦套筒5、主轴6、导线接头7、接线螺钉8、竖直连接件9、3个振子10、水平连接件11、换能器12、导线13、4个基座螺钉14、2片陶瓷压电片15、铜膜16。

本装置的具体连接方式：主轴6安装在基座1上，然后再用4个基座螺钉14将固定件2安装在基座1上，同时固定件2与主轴6之间形成过盈配合以便将主轴6固定；主轴6上套接有绝缘套筒4，绝缘套筒4与主轴6之间采用间隙配合；绝缘套筒4外部套接有导电套筒3，导电套筒3与绝缘套筒4之间采用间隙配合；水平连接件11一端固定在主轴6上，另一端安装有振子10，振子10与水平连接件11之间采用固定连接；水平连接件11与导电套筒3紧密接触；水平连接件11与主轴6之间隔有摩擦套筒5；摩擦套筒5与水平连接件11采用固定连接与主轴6之间采用过盈配合；摩擦套筒5一侧开口，并在开口处安装有导线接头7；导线接头7上安装接线螺钉；竖直连接件9两端均安装有振子，振子10与竖直连接件9之间采用固定连接；水平连接件11与竖直连接件9十字交叉相连，并采用固定连接，形成紧密接触；在水平连接件11与竖直连接件9相连处粘贴有换能器12；换能器12包括2片陶瓷压电片15和铜膜16，2片陶瓷压电片分别贴装于材质为铜的水平连接件11和竖直连接件9表面且极性相反，并在中间隔有铜膜16；铜膜16为2片陶瓷压电片的公共端并且一端向外伸出；导线13一端焊接在铜膜16上，另一端通过接线螺钉8固定在导线接头7上。

本装置的具体实现方式：某一时刻，本装置受到具有一定方向的自然风激励，水平连接件11连接的主轴6和振子10形成串行双圆柱俘能系统拾取水平方向的风能产生垂直于水平风向的周期性振动，竖直连接件9连接的两个振子10形成串行双圆柱俘能系统拾取竖直方向的风能产生垂直于竖直风向的周期性振动，水平连接件11与主轴6之间隔有提供一定摩擦力的摩擦套筒5，用以防止振子10振动过程中出现“打滑”现象；水平连接件11和竖直连接件9将振动传递给换能器12，使得换能器12中的陶瓷压电片15产生沿厚度方向上的周期性形变，陶瓷压电片15利用正压电效应将振动能转换为电能；电能的一极送至铜膜16公共端，并由导线13传导至导线接头7，导线接头7与主轴6紧密接触，同时主轴6为导体并插入固定件2中；电能的另一极送至水平连接件11和竖直连接件9，再经由水平连接件11传导至导电套筒3，导电套筒3也插入固定件2中；固定件2、绝缘套筒4、基座1均为绝缘体，防止短路，且固定件2上下表面开有凹槽便于将送至固定件2的电能引出；下一时刻，风向改变时，由于水平连接件11可以在风力驱动下绕主轴6旋转，因此两套串行双圆柱俘能系统可以在风力驱动下进行自适应调整来维持串行双圆柱俘能状态，从而实现响应任意风向激励并将风能转换为电能。

本装置的工作原理：本装置的初始动能是自然界的各向风能，在水平和竖直方向上的两套串行双圆柱俘能系统采用涡激振动原理拾取风能产生垂直于各自风向的周期性振动，然后水平连接件11和竖直连接件9将振动传递至换能器12所在位置，即两套串行双圆柱俘能系统的交汇处，使换能器12中的陶瓷压电片15产生沿厚度方向上的周期性形变，陶瓷压电片15采用正压电效应将振动能转换为电能，再经由其他辅助部件将电能引出，另外两套串行双圆柱俘能系统可以随风向改变进行自适应调整，时刻保持最佳俘能状态——“串行双圆柱状态”，因此本装置可以响应任意风向激励。

Claims (7)

1.一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置，其特征在于，包括：基座、主轴、水平连接件、竖直连接件、3个振子和换能器；所述主轴安装在基座上，所述水平连接件一端套接在主轴上另一端安装有振子，在水平方向上形成串联双圆柱俘能系统拾取水平方向风能产生振动，所述竖直连接件两端均安装有振子，在竖直方向上形成串联双圆柱俘能系统拾取竖直方向风能产生振动，所述水平连接件与竖直连接件十字交叉相连，并在相连处贴装有换能器，所述换能器将分别在水平和竖直方向上的两套串联双圆柱俘能系统拾取风能所获得的振动能转化为电能，所述水平连接件可以在风力驱动下绕主轴旋转，因此在风向改变时，两套串联双圆柱俘能系统可以在风力驱动下进行自适应调整来维持串联双圆柱俘能状态，从而响应全风向激励。

2.根据权利要求1所述一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置，其特征在于：所述基座上安装有用于固定主轴的固定件，主轴上套接有绝缘套筒，绝缘套筒外部套接有导电套筒。

3.根据权利要求1所述一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置，其特征在于：所述水平连接件可以绕主轴轴线做旋转运动，并与主轴之间隔有用于提供一定摩擦力的摩擦套筒，用以防止在振子振动过程中出现“打滑”现象。

4.根据权利要求3所述一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置，其特征在于：所述摩擦套筒为绝缘体且一侧开口，在开口处安装有导线接头，导线接头上安装有用于固定导线的接线螺钉。

5.根据权利要求1所述一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置，其特征在于：所述水平连接件和竖直连接件材质为铜，并且水平连接件与主轴连接一侧有开口便于引出电能的导线穿过。

6.根据权利要求1所述一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置，其特征在于：所述换能器用于将机械能转换为电能，包括2片陶瓷压电片和铜膜，2片陶瓷压电片分别贴装于水平连接件和竖直连接件表面且极性相反，并在中间隔有铜膜作为其公共端。

7.一种基于权利要求6所述的一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置的风能采集方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：某一时刻，若本装置受到水平方向上的自然风激励，依靠水平连接件连接的主轴和振子在水平方向上形成串联双圆柱俘能系统通过拾取风能产生垂直于风向的周期性振动；若本装置受到竖直方向上的自然风激励，依靠竖直连接件连接的2个振子在竖直方向上形成串联双圆柱俘能系统通过拾取风能产生垂直于风向的周期性振动；

步骤二：水平连接件和竖直连接件将振动传导至换能器，使换能器中的陶瓷压电片在厚度方向上产生周期性形变，陶瓷压电片采用正压电效应将振动能转换为电能；

当下一时刻，风向改变时，由于水平连接件可以在风力驱动下绕主轴旋转，因此水平和竖直方向上的两套串联双圆柱俘能系统可以在风力驱动下进行自适应调整来维持串联双圆柱俘能状态，然后再重复步骤一和二，由此便可充分利用自然界的各向风能产生电能，也可时刻维持串联双圆柱俘能状态来增大俘能器的俘能效率。

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