CN111852771A - 一种自适应风向与风速的小型风能发电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自适应风向与风速的小型风能发电装置及方法，装置由风向自适应调节模块、旋转诱导摆动发电模块、方柱与三棱柱间距调控模块和方柱垂向位置调控模块构成。风向自适应调节模块用于调整装置与风的夹角，保证调向尾板位于背风侧且与风向平行。旋转诱导摆动发电模块利用装置旋转产生的不均匀旋转离心力带动磁铁晃动，致使水平布置的压电片变形而产生电能。由信号控制箱根据实时风速调控方柱垂向位置以及方柱和三棱柱间距，激发三棱柱驰振或尾流诱导振动，致使垂直布置的压电片变形而产生电能，达到最佳的能量捕获效果。

Description

一种自适应风向与风速的小型风能发电装置及方法
技术领域
本发明属于新能源开发与利用技术领域，具体涉及一种自适应风向与风速的小型风能发电装置及方法。
背景技术
近年来，微机电系统工程及技术得到快速发展，包含各类传感器的无线电设备功耗逐渐降低并成功运用于各个领域，但大多数要求不间断供电，若采用传统化石能源进行能量供应不仅会加剧能源危机，还会对环境产生严重污染，因此能否提供持续可再生的清洁能源成为了此类设备实际使用优先考虑的问题。目前，振动能、太阳能、热能、潮汐能等新型能量采集发电技术受到了广泛关注，相较之下振动蕴含的能量密度高、不受昼夜和天气影响，也不受器件封装限制，是一种理想的能量源，在发电领域具有良好的前景。
根据能量转换机理，振动能量采集方式可分为四类：压电式、电磁式、摩擦式和静电式。其中压电式能量采集器不仅设备简单、安装方便、附加元件少、几何外形小，而且机电转换效率较高，特别适合用于低功率设备的供电，如远洋浮标上的传感器、高铁桥梁上的传感器等。
风是自然界广泛存在的一种气流流动现象。当风绕过结构物时，会在两侧形成交替脱落的旋涡，导致结构受到流向和横向的作用力，从而激发振动。风能发电历史悠久，但目前为无线电设备供能的小型风能收集器较少，且大多只能从特定方向采集风能，没有充分考虑设备对环境的自适应能力。基于此，设计一种能够自适应风向与风速的小型风能发电装置显得十分必要。
发明内容
本发明针对背景技术中的不足，提出一种自适应风向与风速的小型风能发电装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自适应风向与风速的小型风能发电装置由风向自适应调节模块、旋转诱导摆动发电模块、方柱与三棱柱间距调控模块、方柱垂向位置调控模块四个部分构成。风向自适应模块包括固定底座、旋转撑杆、旋转轴承、旋转外壳、盖板、调向尾板及蓄电器。固定底座为一方墩，中部开有固定旋转撑杆的盲孔，盲孔内安装有旋转轴承；圆柱形旋转撑杆底端插入固定底座的盲孔，并嵌入盲孔内的旋转轴承，使旋转撑杆可以与固定底座间发生旋转滑移；旋转撑杆周向均匀布置有四个固定块，旋转撑杆顶部焊接于旋转外壳内的内部隔板圆心处；旋转外壳为中空圆柱体，其顶部焊接有盖板，中部设有内部隔板；盖板为一圆形薄板，其直径与旋转外壳内径相同，在内部隔板安装的滑轨正上方的盖板上开有矩形通孔，安装于滑轨上的圆柱撑杆可以在该矩形通孔中来回直线运动；调向尾板为一矩形薄板，调向尾板焊接在旋转外壳的外壁，并位于矩形通孔一侧且与矩形通孔处于同一垂直平面；蓄电器固定安装于固定底座的上表面。
旋转诱导摆动发电模块由四组沿旋转撑杆周向均匀布置的发电单元组成。发电单元包括一对相向布置的悬臂梁发电组件，每个悬臂梁发电组件包含一根水平布置的柔性悬臂杆、压电片和一块磁铁；压电片贴附于柔性悬臂杆两侧，每根薄板状柔性悬臂杆的一端连接磁铁；与旋转外壳连接的悬臂梁发电组件的柔性悬臂杆另一端焊接于旋转外壳的内壁，与旋转撑杆连接的悬臂梁发电组件另一端焊接于旋转撑杆周向布置的固定块上；该对悬臂梁发电组件相向布置的两块磁铁同磁性面相对，两块磁铁间留有间距。
方柱与三棱柱间距调控模块由传动单元和信号控制单元组成。传动单元置于内部隔板上，包括滑轨、定滑轮、皮带和三棱柱振动发电组件。两根滑轨平行固定在隔板上，中间留有空隙供皮带运动；皮带分别套装在定滑轮和电机B的转轴上，由电机B驱动运移。三棱柱振动发电组件包含圆柱撑杆，垂向布置的柔性悬臂杆，压电片和三棱柱。三棱柱横截面为等腰三角形，三棱柱顶边背向方柱，而底面与方柱相对布置；压电片贴附于柔性悬臂杆两侧；垂直布置的柔性悬臂杆的上端固定于三棱柱底部，下端固定于圆柱撑杆的顶部；圆柱撑杆底部开有滑槽并嵌于滑轨内，同时圆柱撑杆的底面安装在皮带上，在皮带的带动下三棱柱振动发电组件可以来回直线运动。信号控制单元包括激光位移传感器B、信号控制箱B和电机B。通过测量圆柱撑杆的位置得到三棱柱与方柱的间距，再把该间距信号发送至信号控制箱B，由信号控制箱B判断并发出指令，控制电机B驱动皮带传动。
方柱垂向位置调控模块包括支撑门架、方柱支撑杆、方柱、电机A、信号控制箱A、激光位移传感器A、压力传感器和绞绳。支撑门架两侧板焊接在盖板上且其立框与调向尾板平行，支撑门架顶板中部开有供绞绳通过的通孔；方柱支撑杆上端焊接在支撑门架顶板中部，下端焊接在盖板上；方柱中心开有供方柱支撑杆穿过的方形通孔，方柱顶面四个顶点处设有环扣与绞绳绑定；绞绳穿过支撑门架顶板的通孔与电机A的转轴相连；电机A和信号控制箱A安装于支撑门架顶板的上表面；压力传感器布置在支撑门架顶部迎风侧，用于测量风速并把风速信号传至信号控制箱A；激光位移传感器A安置于支撑门架顶板的下表面，用于测量方柱的垂向位置；激光位移传感器A将方柱的垂向位置信号发送至信号控制箱A，由信号控制箱A判断后发送指令，控制电机A带动绞绳上下运动。
采用所述的自适应风向与风速的小型风能发电装置提供一种自适应风向与风速的小型风能发电方法。将装置的固定底座固定安装在风场中。当风与调向尾板有夹角时，风会施加作用力推动调向尾板旋转，在调向尾板的带动下，除固定底座外，上部装置都将跟随旋转直至调向尾板位于背风侧且与风向平行。在旋转过程中，装置的旋转角速度不均匀变化，产生旋转离心力，旋转外壳内部悬臂梁发电组件的端部磁铁发生不均匀晃动，导致柔性悬臂杆弯曲，引起压电片变形而产生电能；此外，由于两块磁铁同性磁面相向布置，在晃动过程中能够越过临界点而获得较大的加速度，增大柔性悬臂杆的变形，从而提高压电片的发电效能。另一方面，安装于支撑门架顶部迎风侧的压力传感器捕获驻压信号，通过驻压与速度的转化公式P＝0.5ρU2经信号控制箱A折算为实时风速，同时激光位移传感器A将测量的方柱垂向位置信号传输至信号控制箱A。信号控制箱A首先判断风速大小是否超过临界值：(Ⅰ)若风速未超过临界值，根据激光位移传感器A监测到的方柱垂向实时位置，信号控制箱A控制电机A带动绞绳调控方柱垂向位置直到方柱撤离，将三棱柱完全暴露在来流环境中，此时方柱与三棱柱间距调控模块不工作；在风速小于临界值时，三棱柱在垂直于来流方向上来回振动，致使垂直布置的柔性悬臂杆弯曲，引起压电片变形而产生电能；(Ⅱ)若风速超过临界值，根据此时的方柱垂向实时位置，信号控制箱A控制电机A带动绞绳运动，调控方柱垂向位置直到完全遮蔽后方三棱柱为止，同时方柱与三棱柱间距调控模块开始工作。根据实验测试结果，在方柱与三棱柱不同间距下三棱柱的尾涡诱导振动响应程度不同，因此需要在已知风速下调整二者间距以达到最佳的风能采集效果。压力传感器获得的驻压信号和激光位移传感器B监测的方柱与三棱柱实时间距同步传输至信号控制箱B，信号控制箱B首先将压力信号转换为风速，再根据对应风速下推荐的最佳方柱与三棱柱间距对电机B发出指令，电机B带动皮带运动，因三棱柱振动发电组件固定安装在皮带上，因此三棱柱振动发电组件也将同步运动，达到最佳的方柱与三棱柱间距，从而实现最佳的风能采集效果；在风速大于临界值时，方柱遮蔽三棱柱，三棱柱发生尾涡诱导振动，在垂直于来流方向上来回振动，致使垂直布置的柔性悬臂杆弯曲，进而引起压电片变形而产生电能。
本发明由于采取以上方案，从而具有以下优点：
1.本发明能够针对不同风向自适应调整方位，有效采集不同方向的风能，避免了能量浪费；
2.本发明具有速度自适应调控特性，适应于更宽的风速范围；
3.本发明联合振动和旋转摆动发电，提高了发电效率；
4.本发明具备电能自供给能力。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图
图2为本发明旋转诱导摆动发电模块示意图
图3为本发明方柱与三棱柱间距调控模块示意图
图4为本发明方柱垂向位置调控模块示意图
图5为三棱柱驰振示意图
图6为三棱柱尾流诱导振动示意图
图7为三棱柱驰振及尾流诱导振动实验测试结果
图8为本发明旋转诱导摆动发电原理示意图
图9为本发明工作流程示意图
其中：1、固定底座；2、旋转撑杆；3、旋转轴承；4、旋转外壳；5、盖板；6、内部隔板；7、调向尾板；8、支撑门架；9、方柱支撑杆；10、方柱；11、压力传感器；12、信号控制箱A；13、电机A；14、绞绳；15、激光位移传感器A；16、三棱柱；17、柔性悬臂杆；18、压电片；19、圆柱撑杆；20、滑轨；21、定滑轮；22、皮带；23、信号控制箱B；24、电机B；25、激光位移传感器B；26、磁铁；27、固定块；28、蓄电器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。
如图1所示，一种自适应风向与风速的小型风能发电装置由风向自适应调节模块、旋转诱导摆动发电模块、方柱与三棱柱间距调控模块、方柱垂向位置调控模块四个部分构成。风向自适应模块包括固定底座1、旋转撑杆2、旋转轴承3、旋转外壳4、盖板5、调向尾板7及蓄电器28。固定底座1为一方墩，中部开有固定旋转撑杆2的盲孔，盲孔内安装有旋转轴承3；圆柱形旋转撑杆2底端插入固定底座1的盲孔，并嵌入盲孔内的旋转轴承3，使旋转撑杆2可以与固定底座1间发生旋转滑移；旋转撑杆2周向均匀布置有四个固定块27，旋转撑杆2顶部焊接于旋转外壳4内的内部隔板6圆心处；旋转外壳4为中空圆柱体，其顶部焊接有盖板5，中部设有内部隔板6；盖板5为一圆形薄板，其直径与旋转外壳4内径相同，在内部隔板6安装的滑轨20正上方的盖板5上开有矩形通孔，安装于滑轨20上的圆柱撑杆19可以在该矩形通孔中来回直线运动；调向尾板7为一矩形薄板，调向尾板7焊接在旋转外壳4的外壁，并位于矩形通孔一侧且与矩形通孔处于同一垂直平面；蓄电器28固定安装于固定底座1的上表面。
如图2所示，旋转诱导摆动发电模块由四组沿旋转撑杆2周向均匀布置的发电单元组成。发电单元包括一对相向布置的悬臂梁发电组件，每个悬臂梁发电组件包含一根水平布置的柔性悬臂杆17、压电片18和一块磁铁26；压电片18贴附于柔性悬臂杆17两侧，每根薄板状柔性悬臂杆17的一端连接磁铁26；与旋转外壳4连接的悬臂梁发电组件的柔性悬臂杆17另一端焊接于旋转外壳4的内壁，与旋转撑杆2连接的悬臂梁发电组件另一端焊接于旋转撑杆2周向布置的固定块27上；该对悬臂梁发电组件相向布置的两块磁铁26同磁性面相对，两块磁铁26间留有间距。
如图3所示，方柱与三棱柱间距调控模块由传动单元和信号控制单元组成。传动单元置于内部隔板6上，包括滑轨20、定滑轮21、皮带22和三棱柱振动发电组件。两根滑轨20平行固定在内部隔板6上，中间留有空隙供皮带22运动；皮带22分别套装在定滑轮21和电机B24的转轴上，由电机B24驱动运移。三棱柱振动发电组件包含圆柱撑杆19，垂向布置的柔性悬臂杆17，压电片18和三棱柱16。三棱柱16横截面为等腰三角形，三棱柱16顶边背向方柱10，而底面与方柱10相对布置；压电片18贴附于柔性悬臂杆17两侧；垂直布置的柔性悬臂杆17的上端固定于三棱柱16底部，下端固定于圆柱撑杆19的顶部；圆柱撑杆19底部开有滑槽并嵌于滑轨20内，同时圆柱撑杆19的底面安装在皮带22上，在皮带22的带动下三棱柱振动发电组件可以来回直线运动。信号控制单元包括激光位移传感器B25、信号控制箱B23和电机B24。通过测量圆柱撑杆19的位置得到三棱柱16与方柱10的间距，再把该间距信号发送至信号控制箱B23，由信号控制箱B23判断并发出指令，控制电机B24驱动皮带22传动。
如图4所示，方柱垂向位置调控模块包括支撑门架8、方柱支撑杆9、方柱10、电机A13、信号控制箱A12、激光位移传感器A15、压力传感器11和绞绳14。支撑门架8两侧板焊接在盖板5上且其立框与调向尾板7平行，支撑门架8顶板中部开有供绞绳14通过的通孔；方柱支撑杆9上端焊接在支撑门架8顶板中部，下端焊接在盖板5上；方柱10中心开有供方柱支撑杆9穿过的方形通孔，方柱10顶面四个顶点处设有环扣与绞绳14绑定；绞绳14穿过支撑门架8顶板的通孔与电机A13的转轴相连；电机A13和信号控制箱A12安装于支撑门架8顶板的上表面；压力传感器11布置在支撑门架8顶部迎风侧，用于测量风速并把风速信号传至信号控制箱A12；激光位移传感器A15安置于支撑门架8顶板的下表面，用于测量方柱10的垂向位置；激光位移传感器A15将方柱10的垂向位置信号发送至信号控制箱A12，由信号控制箱A12判断后发送指令，控制电机A13带动绞绳14上下运动。
如图9所示，采用所述的自适应风向与风速的小型风能发电装置提供一种自适应风向与风速的小型风能发电方法。将装置的固定底座1固定安装在风场中。当风与调向尾板7有夹角时，风会施加作用力推动调向尾板7旋转，在调向尾板7的带动下，除固定底座1外，上部装置都将跟随旋转直至调向尾板7位于背风侧且与风向平行。如图8所示，在旋转过程中，装置的旋转角速度不均匀变化，产生旋转离心力，旋转外壳4内部悬臂梁发电组件的端部磁铁26发生不均匀晃动，导致柔性悬臂杆17弯曲，引起压电片18变形而产生电能；此外，由于两块磁铁26同性磁面相向布置，在晃动过程中能够越过临界点而获得较大的加速度，增大柔性悬臂杆17的变形，从而提高压电片18的发电效能。另一方面，安装于支撑门架8顶部迎风侧的压力传感器11捕获驻压信号，通过驻压与速度的转化公式P＝0.5ρU2经信号控制箱A12折算为实时风速，同时激光位移传感器A15将测量的方柱10垂向位置信号传输至信号控制箱A12。信号控制箱A12首先判断风速大小是否超过临界值：(Ⅰ)若风速未超过临界值，根据激光位移传感器A15监测到的方柱10垂向实时位置，信号控制箱A12控制电机A13带动绞绳14调控方柱10垂向位置直到方柱10撤离，将三棱柱16完全暴露在来流环境中，此时方柱与三棱柱间距调控模块不工作；如图5所示，在风速小于临界值时，三棱柱16在垂直于来流方向上来回振动，致使垂直布置的柔性悬臂杆17弯曲，引起压电片18变形而产生电能；(Ⅱ)若风速超过临界值，根据此时的方柱10垂向实时位置，信号控制箱A12控制电机A13带动绞绳14运动，调控方柱10垂向位置直到完全遮蔽后方三棱柱16为止，同时方柱与三棱柱间距调控模块开始工作。如图7所示，根据实验测试结果，在方柱10与三棱柱16不同间距下三棱柱16的尾涡诱导振动响应程度不同，因此需要在已知风速下调整二者间距以达到最佳的风能采集效果。压力传感器11获得的驻压信号和激光位移传感器B25监测的方柱10与三棱柱16实时间距同步传输至信号控制箱B23，信号控制箱B23首先将压力信号转换为风速，再根据对应风速下推荐的最佳方柱10与三棱柱16间距对电机B24发出指令，电机B24带动皮带22运动，因三棱柱振动发电组件固定安装在皮带22上，因此三棱柱振动发电组件也将同步运动，达到最佳的方柱10与三棱柱16间距，从而实现最佳的风能采集效果；如图6所示，在风速大于临界值时，方柱10遮蔽三棱柱16，三棱柱16发生尾涡诱导振动，在垂直于来流方向上来回振动，致使垂直布置的柔性悬臂杆17弯曲，进而引起压电片18变形而产生电能。
实施例：
本发明装置采用模块化安装，首先将固定底座1固定安装于风场，在固定底座1中部的盲孔中安设旋转轴承3，将旋转撑杆2下端插入旋转轴承3中，而旋转撑杆2的上端与内部隔板6焊接固定，内部隔板6周向壁面与旋转外壳4内壁焊接固定，将位于内部隔板6下方的四对悬臂梁发电组件分别安装于旋转外壳4的内壁和旋转撑杆2周向均匀布置的固定块27中，至此完成风速自适应调节模块和旋转诱导摆动发电模块的安装；然后，将方柱与三棱柱间距调控模块固定安装于内部隔板6上，同时盖板5焊接在旋转外壳4顶部；最后，将方柱垂向位置调控模块布置于盖板上，并使支撑门架8和方柱支撑杆9与盖板5焊接固定，同时将蓄电器28固定于固定底座1的上表面，完成该装置的安装。
安装完毕后，将该装置的固定底座1固定在风场中。当风与调向尾板7有夹角时，风会施加作用力推动调向尾板7旋转，在调向尾板7的带动下，除固定底座1外，上部装置都将跟随旋转直至调向尾板7位于背风侧且与风向平行。在旋转过程中，装置的旋转角速度不均匀变化，产生旋转离心力，旋转外壳4内部悬臂梁发电组件的端部磁铁26发生不均匀晃动，导致柔性悬臂杆17弯曲，引起压电片18变形而产生电能；此外，由于两块磁铁26同性磁面相向布置，在晃动过程中能够越过临界点而获得较大的加速度，增大柔性悬臂杆17的变形，从而提高压电片18的发电效能。另一方面，安装于支撑门架8顶部迎风侧的压力传感器11捕获驻压信号，通过驻压与速度的转化公式P＝0.5ρU2经信号控制箱A12折算为实时风速，同时激光位移传感器A15将测量的方柱10垂向位置信号传输至信号控制箱A12。信号控制箱A12首先判断风速大小是否超过临界值：(Ⅰ)若风速未超过临界值，根据激光位移传感器A15监测到的方柱10垂向实时位置，信号控制箱A12控制电机A13带动绞绳14调控方柱10垂向位置直到方柱10撤离，将三棱柱16完全暴露在来流环境中，此时方柱与三棱柱间距调控模块不工作；在风速小于临界值时，三棱柱16在垂直于来流方向上来回振动，致使垂直布置的柔性悬臂杆17弯曲，引起压电片18变形而产生电能；(Ⅱ)若风速超过临界值，根据此时的方柱10垂向实时位置，信号控制箱A12控制电机A13带动绞绳14运动，调控方柱10垂向位置直到完全遮蔽后方三棱柱16为止，同时方柱与三棱柱间距调控模块开始工作。根据实验测试结果，在方柱10与三棱柱16不同间距下三棱柱16的尾涡诱导振动响应程度不同，因此需要在已知风速下调整二者间距以达到最佳的风能采集效果。压力传感器11获得的驻压信号和激光位移传感器B25监测的方柱10与三棱柱16实时间距同步传输至信号控制箱B23，信号控制箱B23首先将压力信号转换为风速，再根据对应风速下推荐的最佳方柱10与三棱柱16间距对电机B24发出指令，电机B24带动皮带22运动，因三棱柱振动发电组件固定安装在皮带22上，因此三棱柱振动发电组件也将同步运动，达到最佳的方柱10与三棱柱16间距，从而实现最佳的风能采集效果；在风速大于临界值时，方柱10遮蔽三棱柱16，三棱柱16发生尾涡诱导振动，在垂直于来流方向上来回振动，致使垂直布置的柔性悬臂杆17弯曲，进而引起压电片18变形而产生电能。

Claims (2)

1.一种自适应风向与风速的小型风能发电装置，由风向自适应调节模块、旋转诱导摆动发电模块、方柱与三棱柱间距调控模块、方柱垂向位置调控模块四个部分构成；风向自适应模块包括固定底座(1)、旋转撑杆(2)、旋转轴承(3)、旋转外壳(4)、盖板(5)、调向尾板(7)及蓄电器(28)；固定底座(1)为一方墩，中部开有固定旋转撑杆(2)的盲孔，盲孔内安装有旋转轴承(3)；圆柱形旋转撑杆(2)底端插入固定底座(1)的盲孔，并嵌入盲孔内的旋转轴承(3)，使旋转撑杆(2)可以与固定底座(1)间发生旋转滑移；旋转撑杆(2)周向均匀布置有四个固定块(27)，旋转撑杆(2)顶部焊接于旋转外壳(4)内的内部隔板(6)圆心处；旋转外壳(4)为中空圆柱体，其顶部焊接有盖板(5)，中部设有内部隔板(6)；盖板(5)为一圆形薄板，其直径与旋转外壳(4)内径相同，在内部隔板(6)安装的滑轨(20)正上方的盖板(5)上开有矩形通孔，安装于滑轨(20)上的圆柱撑杆(19)可以在该矩形通孔中来回直线运动；调向尾板(7)为一矩形薄板，调向尾板(7)焊接在旋转外壳(4)的外壁，并位于矩形通孔一侧且与矩形通孔处于同一垂直平面；蓄电器(28)固定安装于固定底座(1)的上表面；旋转诱导摆动发电模块由四组沿旋转撑杆(2)周向均匀布置的发电单元组成；发电单元包括一对相向布置的悬臂梁发电组件，每个悬臂梁发电组件包含一根水平布置的柔性悬臂杆(17)、压电片(18)和一块磁铁(26)；压电片(18)贴附于柔性悬臂杆(17)两侧，每根薄板状柔性悬臂杆(17)的一端连接磁铁(26)；与旋转外壳(4)连接的悬臂梁发电组件的柔性悬臂杆(17)另一端焊接于旋转外壳(4)的内壁，与旋转撑杆(2)连接的悬臂梁发电组件另一端焊接于旋转撑杆(2)周向布置的固定块(27)上；该对悬臂梁发电组件相向布置的两块磁铁(26)同磁性面相对，两块磁铁(26)间留有间距；方柱与三棱柱间距调控模块由传动单元和信号控制单元组成；传动单元置于内部隔板(6)上，包括滑轨(20)、定滑轮(21)、皮带(22)和三棱柱振动发电组件；三棱柱振动发电组件包含圆柱撑杆(19)，垂向布置的柔性悬臂杆(17)，压电片(18)和三棱柱(16)；三棱柱(16)横截面为等腰三角形，三棱柱(16)顶边背向方柱(10)，而底面与方柱(10)相对布置；压电片(18)贴附于柔性悬臂杆(17)两侧；垂直布置的柔性悬臂杆(17)的上端固定于三棱柱(16)底部，下端固定于圆柱撑杆(19)的顶部；其特征在于：所述的方柱与三棱柱间距调控模块传动单元的两根滑轨(20)平行固定在内部隔板(6)上，中间留有空隙供皮带(22)运动；皮带(22)分别套装在定滑轮(21)和电机B(24)的转轴上，由电机B(24)驱动运移；所述的圆柱撑杆(19)底部开有滑槽并嵌于滑轨(20)内，同时圆柱撑杆(19)的底面安装在皮带(22)上，在皮带(22)的带动下三棱柱振动发电组件可以来回直线运动；所述的信号控制单元包括激光位移传感器B(25)、信号控制箱B(23)和电机B(24)；通过测量圆柱撑杆(19)的位置得到三棱柱(16)与方柱(10)的间距，再把该间距信号发送至信号控制箱B(23)，由信号控制箱B(23)判断并发出指令，控制电机B(24)驱动皮带(22)传动；方柱垂向位置调控模块包括支撑门架(8)、方柱支撑杆(9)、方柱(10)、电机A(13)、信号控制箱A(12)、激光位移传感器A(15)、压力传感器(11)和绞绳(14)；支撑门架(8)两侧板焊接在盖板(5)上且其立框与调向尾板(7)平行，支撑门架(8)顶板中部开有供绞绳(14)通过的通孔；方柱支撑杆(9)上端焊接在支撑门架(8)顶板中部，下端焊接在盖板(5)上；方柱(10)中心开有供方柱支撑杆(9)穿过的方形通孔，方柱(10)顶面四个顶点处设有环扣与绞绳(14)绑定；绞绳(14)穿过支撑门架(8)顶板的通孔与电机A(13)的转轴相连；电机A(13)和信号控制箱A(12)安装于支撑门架(8)顶板的上表面；压力传感器(11)布置在支撑门架(8)顶部迎风侧，用于测量风速并把风速信号传至信号控制箱A(12)；激光位移传感器A(15)安置于支撑门架(8)顶板的下表面，用于测量方柱(10)的垂向位置；激光位移传感器A(15)将方柱(10)的垂向位置信号发送至信号控制箱A(12)，由信号控制箱A(12)判断后发送指令，控制电机A(13)带动绞绳(14)上下运动。
2.一种自适应风向与风速的小型风能发电方法，采用如权利要求1所述的自适应风向与风速的小型风能发电装置，其特征在于：将装置的固定底座(1)固定安装在风场中；当风与调向尾板(7)有夹角时，风会施加作用力推动调向尾板(7)旋转，在调向尾板(7)的带动下，除固定底座(1)外，上部装置都将跟随旋转直至调向尾板(7)位于背风侧且与风向平行；如图8所示，在旋转过程中，装置的旋转角速度不均匀变化，产生旋转离心力，旋转外壳(4)内部悬臂梁发电组件的端部磁铁(26)发生不均匀晃动，导致柔性悬臂杆(17)弯曲，引起压电片(18)变形而产生电能；此外，由于两块磁铁(26)同性磁面相向布置，在晃动过程中能够越过临界点而获得较大的加速度，增大柔性悬臂杆(17)的变形，从而提高压电片(18)的发电效能；另一方面，安装于支撑门架(8)顶部迎风侧的压力传感器(11)捕获驻压信号，通过驻压与速度的转化公式P＝0.5ρU2经信号控制箱A(12)折算为实时风速，同时激光位移传感器A(15)将测量的方柱(10)垂向位置信号传输至信号控制箱A(12)；信号控制箱A(12)首先判断风速大小是否超过临界值：(Ⅰ)若风速未超过临界值，根据激光位移传感器A(15)监测到的方柱(10)垂向实时位置，信号控制箱A(12)控制电机A(13)带动绞绳(14)调控方柱(10)垂向位置直到方柱(10)撤离，将三棱柱(16)完全暴露在来流环境中，此时方柱与三棱柱间距调控模块不工作；如图5所示，在风速小于临界值时，三棱柱(16)在垂直于来流方向上来回振动，致使垂直布置的柔性悬臂杆(17)弯曲，引起压电片(18)变形而产生电能；(Ⅱ)若风速超过临界值，根据此时的方柱(10)垂向实时位置，信号控制箱A(12)控制电机A(13)带动绞绳(14)运动，调控方柱(10)垂向位置直到完全遮蔽后方三棱柱(16)为止，同时方柱与三棱柱间距调控模块开始工作；如图7所示，根据实验测试结果，在方柱(10)与三棱柱(16)不同间距下三棱柱(16)的尾涡诱导振动响应程度不同，因此需要在已知风速下调整二者间距以达到最佳的风能采集效果；压力传感器(11)获得的驻压信号和激光位移传感器B(25)监测的方柱(10)和三棱柱(16)实时间距同步传输至信号控制箱B(23)，信号控制箱B(23)首先将压力信号转换为风速，再根据对应风速下推荐的最佳方柱(10)和三棱柱(16)间距对电机B(24)发出指令，电机B(24)带动皮带(22)运动，因三棱柱振动发电组件固定安装在皮带(22)上，因此三棱柱振动发电组件也将同步运动，达到最佳的方柱(10)与三棱柱(16)间距，从而实现最佳的风能采集效果；如图6所示，在风速大于临界值时，方柱(10)遮蔽三棱柱(16)，三棱柱(16)发生尾涡诱导振动，在垂直于来流方向上来回振动，致使垂直布置的柔性悬臂杆(17)弯曲，进而引起压电片(18)变形而产生电能。
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