CN112653353A - 一种微小型压电式风力发电装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种微小型压电式风力发电装置，由底座、弹簧和钝体构成。钝体包括一个封闭的容纳空间，所述容纳空间内设置有至少一个压电式振动能采集器。弹簧的一端与底座固定连接，另一端与所述钝体固定连接。风吹过钝体时引起钝体在弹簧上振动，实现风能向振动能的转化。通过在钝体内设置一个封闭的容纳空间，并将至少一个压电式振动能采集器设置于该容纳空间，使得钝体在带动压电式振动能采集器振动时，压电式振动能采集器可以将振动能转化为电能。由于压电式振动能采集器处于封闭空间中，使得压电式振动能采集器与外部环境完全隔离开，不会受到外界空气和液体的侵蚀，从而使得整个微小型压电式风力发电装置可以在野外长期稳定工作。
Description
技术领域
本申请涉及物联网和风力发电技术领域，特别是涉及一种微小型压电式风力发电装置。
背景技术
将风能转换为电能的微小型风力发电装置具有工作寿命长、免维护、无污染等优点，可用于替代电池为无线传感节点供电，近年来受到国内外的广泛关注。基于风致振动的微小型风力发电装置利用风致振动现象将风能转换为微小结构的振动能，进一步利用压电效应、静电感应、电磁感应或摩擦发电等机电转换原理进一步将微小结构的振动能转换为电能。在以上几类风力发电装置中，利用压电效应实现机电转换的压电式风力发电装置具有结构简单、功率密度高和易于微型化等优点，相关研究也最多。
传统的微小型压电式风力发电装置一般设置有悬臂式柔性压电复合梁，柔性压电复合梁在风的作用下发生风致振动，导致复合梁中的压电层发电。这类风力发电装置的压电复合梁是直接暴露于外部环境的，日晒雨淋会导致压电材料的压电性大幅衰减，环境中的水分(包含酸碱液体)会对引出电极等产生腐蚀，因此这类发电装置的稳定性和可靠性难以满足在野外长期稳定工作的要求。
发明内容
基于此，有必要针对传统微小型压电式风力发电装置难以满足在野外长期稳定工作的问题，提供一种适合于在野外环境长期工作的微小型压电式风力发电装置。
本申请提供一种微小型压电式风力发电装置，所述微小型压电式风力发电装置包括：
底座；
钝体，所述钝体包括一个封闭的容纳空间，所述容纳空间内设置有至少一个压电式振动能采集器，所述压电式振动能采集器用于将振动能转化为电能；
弹簧，设置于所述底座和所述钝体之间，用于与所述钝体配合作用，将风能转化为振动能；所述弹簧的一端与底座固定连接，另一端与所述钝体固定连接；
所述压电式振动能采集器包括压电复合梁和质量块；所述压电复合梁的一端与钝体的内壁固定连接，另一端与所述质量块固定连接，所述压电复合梁由柔性材料制成。
进一步地，所述钝体包括上壁板、多个侧壁板和底板；所述上壁板、所述多个侧壁板和所述底板共同包围形成所述容纳空间；所述弹簧与所述底板固定连接，以使所述弹簧与所述钝体整体固定连接。
进一步地，所述钝体为顶部封闭且底部开口的壳体；所述钝体包括上壁板、多个侧壁板和底板；所述上壁板和多个侧壁板包围形成一个顶部封闭且底部开口的壳体；所述上壁板、底板和多个侧壁板包围形成所述封闭的容纳空间；所述弹簧与所述底板固定连接，以使所述弹簧与所述钝体整体固定连接。
进一步地，所述压电式振动能采集器为多个，所述压电复合梁设置为长方体状，每一个压电复合梁的长度方向均不相同，所述长度方向为压电复合梁最长边的延伸方向。
进一步地，所述压电复合梁包括至少包含一个压电层，每一个压电层的上、下表面均贴附设置有一个金属电极层。
进一步地，每一个压电式振动能采集器的固有频率满足公式1；
其中，fNi0为第Ni个微小型压电式风力发电装置对应的预设固有频率，
为第Ni个压电式振动能采集器的固有频率，Ni为压电式振动能采集器的序号,
为第Ni个压电式振动能采集器中压电复合梁的刚度，
为第Ni个压电式振动能采集器中质量块的质量。
进一步地，所述底座、钝体和弹簧的表面涂覆有耐腐蚀的涂层。
本申请涉及一种微小型压电式风力发电装置，由底座、弹簧和钝体构成。钝体包括一个封闭的容纳空间，所述容纳空间内设置有至少一个压电式振动能采集器。弹簧的一端与底座固定连接，另一端与所述钝体固定连接。风吹过钝体时引起钝体在弹簧上振动，实现风能向振动能的转化。通过在钝体内设置一个封闭的容纳空间，并将至少一个压电式振动能采集器设置于该容纳空间，使得钝体在带动压电式振动能采集器振动时，压电式振动能采集器可以将振动能转化为电能。由于压电式振动能采集器处于封闭空间中，使得压电式振动能采集器与外部环境完全隔离开，不会受到外界空气和液体的侵蚀，从而使得整个微小型压电式风力发电装置可以在野外长期稳定工作。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的一种结构的微小型压电式风力发电装置的结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的另一种结构的微小型压电式风力发电装置的结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的微小型压电式风力发电装置中，压电式振动能采集器的结构示意图；
图4为本申请一实施例提供的微小型压电式风力发电装置中，压电复合梁的结构示意图；
图5为本申请一实施例提供的微小型压电式风力发电装置中，压电复合梁的结构示意图；
图6为本申请一实施例提供的微小型压电式风力发电装置中，压电复合梁的结构示意图；
图7为本申请一实施例提供的微小型压电式风力发电装置中，钝体的结构示意图；
图8为本申请一实施例提供的微小型压电式风力发电装置中，钝体的结构示意图；
图9为本申请一实施例提供的微小型压电式风力发电装置中，钝体的结构示意图；
图10为本申请一实施例提供的微小型压电式风力发电装置中，钝体的结构示意图。
附图标记：
10-底座；20-钝体；210-容纳空间；220-压电式振动能采集器；
221-压电复合梁；221a-压电层；221b-金属电极层；221c-结构层；
222-质量块；231-上壁板；232-侧壁板；233-底板；30-弹簧；
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供一种微小型压电式风力发电装置。需要说明的是，本申请提供的微小型压电式风力发电装置可以应用于任何季节的野外场景。
如图1所示，在本申请的一实施例中，所述微小型压电式风力发电装置包括底座10、钝体20和弹簧30。所述弹簧30设置于所述底座10和所述钝体20之间。所述弹簧30的一端与底座10固定连接。所述弹簧30的另一端与所述钝体20固定连接。
所述钝体20包括一个封闭的容纳空间210。所述容纳空间210内设置有至少一个压电式振动能采集器220。所述压电式振动能采集器220用于将振动能转化为电能。所述压电式振动能采集器220包括压电复合梁221和质量块222。所述压电复合梁221的一端与钝体20的内壁固定连接。所述压电复合梁221的另一端与所述质量块222固定连接。所述压电复合梁221由柔性材料制成。
具体地，所述钝体20可以为一个多边形的壳体。所述弹簧30可以为不锈钢弹簧。
钝体20将位于其全封闭容纳空间210内的压电式振动能采集器220与外部环境完全隔离开，对压电式振动能采集器220具有良好的保护作用，可有效防止日晒雨淋和灰尘对压电式振动能采集器220的影响，因此在野外长期工作时具有良好的稳定性和可靠性。
可选地，，钝体20和底座10的外表面不设置有凹坑或者下凹的部分，这可以避免底座10和钝体20裸露在空气中的表面避免有凹坑或者下凹的部分，进一步可以避免积水和积尘。可选地，钝体20和底座10的顶面可以为平面或凸面。
可选地，压电式振动能采集器220也可以采取其他形式的结构，如多梁多质量块结构、曲梁结构等。
风吹过钝体20时，钝体20受到风载荷作用，钝体20将在弹簧30上发生风致振动，压电式振动能采集器220跟随钝体20一起振动，实现将风能转化为振动能。压电式振动能采集器220还可以将振动能进一步转化为电能，实现为无线传感节点等供电。
本实施例提供一种微小型压电式风力发电装置，由底座10、弹簧30和钝体20构成。钝体20包括一个封闭的容纳空间210，所述容纳空间210内设置有至少一个压电式振动能采集器220。弹簧30的一端与底座10固定连接，另一端与所述钝体20固定连接。风吹过钝体20时引起钝体20在弹簧30上振动，实现风能向振动能的转化。通过在钝体20内设置一个封闭的容纳空间210，并将至少一个压电式振动能采集器220设置于该容纳空间210，使得钝体20在带动压电式振动能采集器220振动时，压电式振动能采集器220可以将振动能转化为电能。由于压电式振动能采集器220处于封闭空间中，使得压电式振动能采集器220与外部环境完全隔离开，不会受到外界空气和液体的侵蚀，从而使得整个微小型压电式风力发电装置可以在野外长期稳定工作。
如图2所示，在本申请的一实施例中，所述钝体20包括上壁板231、多个侧壁板232和底板233。所述上壁板231、所述多个侧壁板232和所述底板233共同包围形成所述容纳空间210。所述弹簧30与所述底板233固定连接，以使所述弹簧30与所述钝体20整体固定连接。
具体地，弹簧30的作用是作为风致振动的一个弹性部件，当风吹过钝体20时，风载荷会导致弹簧30变形，从而导致钝体20在弹簧30上振动。容纳空间210虽然是封闭的，但是其内部一定是真空，为了降低加工成本，容纳空间210的内部可以为常压的空气。
通过本实施例的设置，钝体20既可以内部形成封闭的容纳空间210，又可与弹簧30固定连接。
如图2所示，在本申请的一实施例中，所述钝体20为顶部封闭且底部开口的壳体。所述钝体20包括上壁板231、多个侧壁板232和底板233。所述上壁板231和多个侧壁板232包围形成一个顶部封闭且底部开口的壳体。所述上壁板231、底板233和多个侧壁板232包围形成所述封闭的容纳空间210。所述弹簧30与所述底板233固定连接，以使所述弹簧30与所述钝体20整体固定连接。
具体地，本实施例提供了另一种结构的钝体20。在本实施例中，钝体20为顶部封闭且底部开口的壳体。钝体20的底部开口是为了弹簧30可以伸入钝体20，和底板233固定连接。所述上壁板231、底板233和多个侧壁板232依然包围形成一个封闭的容纳空间210。
如图1所示，在本申请的一实施例中，所述压电式振动能采集器220为多个。所述压电复合梁221设置为长方体状。每一个压电复合梁221的长度方向均不相同。所述长度方向为压电复合梁221最长边的延伸方向。
具体地，压电复合梁221的长度方向，即压电复合梁221的采集振动能的方向。每一个压电复合梁221的长度方向均不相同，可以使得风致振动导致的钝体20在不同方向的平动和/或转动的振动能转换为电能，即可以使得压电式振动能采集器220可以采集来自于不同方向的振动能。
本实施例中，通过设置多个压电式振动能采集器220，可以实现采集来自于不同方向的振动能，间接的提高了发电效率。
在本申请的一实施例中，所述压电复合梁221包括至少包含一个压电层221a。每个压电层221a的上、下表面均贴附设置有一个金属电极层221b。
具体地，在受到风载荷作用时，钝体20将在弹簧30上发生风致振动，压电式振动能采集器220跟随钝体20一起振动，进而导致压电式振动能采集器220的压电复合梁221振动。压电复合梁221一旦振动，压电层221a弯曲，一会受拉力，一会受压力。可以理解，设置于压电复合梁221的压电层221a的上、下表面的金属电极层221b之间将产生交变的电势差，利用该电势差就可以为无线传感节点等供电。
所述压电层221a可以由压电材料制成。可选地，所述压电层221a可以由钛酸铅(PZT)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氮化铝(AlN)和压电纤维复合材料(MFC)中的一种制成。所述金属电极层221b可以由导电性能优良的材料制成。可选地，所述金属电极层221b可以由铝制成。
本实施例中，通过设置至少一个压电层221a，以及在每个压电层221a的上、下表面均贴附设置有一个金属电极层221b，使得在受到风载荷作用时，压电式振动能采集器220跟随钝体20一起振动，设置于压电复合梁221的压电层221a的上、下表面的金属电极层221b之间产生交变的电势差，实现将风能转化为振动能，振动能再转换为电能。
如图4所示，在本申请的一实施例中，所述压电复合梁221包括层叠设置的两个压电层221a。
具体地，本实施例是双压电层221a结构，如图4所示。
如图5所示，在本申请的一实施例中，所述压电复合梁221包括依次自下而上层叠设置的结构层221c和压电层221a。
具体地，本实施例是单压电层221a和单结构层221c的组合结构，如图5所示。
如图6所示，在本申请的一实施例中，所述压电复合梁221包括依次自下而上层叠设置的压电层221a、结构层221c和另一个压电层221a。
具体地，本实施例是双压电层221a和单结构层221c的组合结构，如图6所示。
在本申请的一实施例中，每一个压电式振动能采集器220的固有频率满足公式1。
其中，
为第Ni个微小型压电式风力发电装置对应的预设固有频率。
为第Ni个压电式振动能采集器220的固有频率。Ni为压电式振动能采集器220的序号。
为第Ni个压电式振动能采集器220中压电复合梁221的刚度。
为第Ni个压电式振动能采集器220中质量块222的质量。
具体地，当风速变化时，微小型压电式发电装置有不同的运动模式，换言之，微小型压电式发电装置整体存在多个不同的预设固有频率，可以基于实验和现有参考文献，利用有限元分析方法计算得到。而微小型压电式风力发电装置中的压电式振动能采集器220是有多个的。
每一个单独的压电式振动能采集器220也具有各自的固有频率，其计算公式如公式1所示。通过设置每一个压电式振动能采集器220的固有频率满足公式1，可以使得每一个压电式振动能采集器220的
和
的比值在一个固定值，那么使得每一个压电式振动能采集器220的固定频率不同，且每一个压电式振动能采集器220的固有频率可以近似等于一个预设固有频率。这样无论风速如何变化，微小型压电式发电装置处于何种运动模式，微小型压电式发电装置内部均有一个压电式振动能采集器220的固有频率的和微小型压电式发电装置整体的固有频率近似相等，可以高效的将这个运动模型下的振动能转化为电能。
本实施例中，通过设置一个压电式振动能采集器220的
和
的数值关系，使得每一个压电式振动能采集器220的固有频率可以近似等于一个预设固有频率，使得无论风速如何变化，微小型压电式发电装置内部均有一个压电式振动能采集器220的固有频率的和微小型压电式发电装置整体的一个预设固有频率近似相等，实现高效的将这个运动模型下的振动能转化为电能。
例如，当风速为第一风速时，微小型压电式发电装置的预设固有频率为第一预设固有频率，此时微小型压电式发电装置内部的第一压电式振动能采集器220的固有频率与第一预设固有频率相等。
当风速为第二风速时，微小型压电式发电装置的预设固有频率为第二预设固有频率，此时微小型压电式发电装置内部的第二压电式振动能采集器220的固有频率与第二预设固有频率相等。
在本申请的一实施例中，所述底座10、钝体20和弹簧30的表面涂覆有耐腐蚀的涂层。
具体地，所述底座10、钝体20和弹簧30的表面可以涂覆有耐腐蚀的涂层，以避免长时间在野外工作时被环境中的酸碱液体腐蚀。
可选地，微小型压电式风力发电装置裸露在野外环境下的所有部件也可以直接由耐腐蚀的材料制成。
可选地，所述底座10选用耐腐蚀、耐高低温、机械特性好、化学性质稳定的材料，例如不锈钢。钝体20选用质量轻、耐腐蚀、化学性质稳定的材料，例如玻璃钢或塑料。
本实施例中，通过在所述底座10、钝体20和弹簧30的表面涂覆有耐腐蚀的涂层，使得压电式振动能采集器220进一步加强抵抗外界空气和液体的侵蚀的能力，从而使得整个微小型压电式风力发电装置可以在野外长期稳定工作。
此外，本申请中的钝体20的形状可以根据风场的特点进行调整。钝体20的横截面可以是等边五边形，等边六边形等的等边多边形，也可以是不等边多边形，或者两个或两个以上的立方体组合形成的形状。可选地，钝体20上也可以增加类似机翼形状的结构以进一步优化其气动特性。如图7至图10所示，有各种各样结构的钝体20。
此外，本申请中的弹簧30也可以是不同形状的，例如采用“沙漏”形状的弹簧30，由于其两头粗，中间细，因此可以更稳固的连接于钝体20和底座10上。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，各方法步骤也并不做执行顺序的限制，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种微小型压电式风力发电装置，其特征在于，所述微小型压电式风力发电装置包括：
底座；
钝体，所述钝体包括一个封闭的容纳空间，所述容纳空间内设置有至少一个压电式振动能采集器，所述压电式振动能采集器用于将振动能转化为电能；
弹簧，设置于所述底座和所述钝体之间，用于与所述钝体配合作用，将风能转化为振动能；所述弹簧的一端与底座固定连接，另一端与所述钝体固定连接；
所述压电式振动能采集器包括压电复合梁和质量块；所述压电复合梁的一端与钝体的内壁固定连接，另一端与所述质量块固定连接，所述压电复合梁由柔性材料制成。
2.根据权利要求1所述的微小型压电式风力发电装置，其特征在于，所述钝体包括上壁板、多个侧壁板和底板；所述上壁板、所述多个侧壁板和所述底板共同包围形成所述容纳空间；所述弹簧与所述底板固定连接，以使所述弹簧与所述钝体整体固定连接。
3.根据权利要求1所述的微小型压电式风力发电装置，其特征在于，所述钝体为顶部封闭且底部开口的壳体；所述钝体包括上壁板、多个侧壁板和底板；所述上壁板和多个侧壁板包围形成一个顶部封闭且底部开口的壳体；所述上壁板、底板和多个侧壁板包围形成所述封闭的容纳空间；所述弹簧与所述底板固定连接，以使所述弹簧与所述钝体整体固定连接。
4.根据权利要求2或3所述的微小型压电式风力发电装置，其特征在于，所述压电式振动能采集器为多个，所述压电复合梁设置为长方体状，每一个压电复合梁的长度方向均不相同，所述长度方向为压电复合梁最长边的延伸方向。
5.根据权利要求4所述的微小型压电式风力发电装置，其特征在于，所述压电复合梁包括至少包含一个压电层，每一个压电层的上、下表面均贴附设置有一个金属电极层。
6.根据权利要求5所述的微小型压电式风力发电装置，其特征在于，每一个压电式振动能采集器的固有频率满足公式1；
其中，
为第Ni个微小型压电式风力发电装置对应的预设固有频率，
为第Ni个压电式振动能采集器的固有频率，Ni为压电式振动能采集器的序号,
为第Ni个压电式振动能采集器中压电复合梁的刚度，
为第Ni个压电式振动能采集器中质量块的质量。
7.根据权利要求6所述的微小型压电式风力发电装置，其特征在于，所述底座、钝体和弹簧的表面涂覆有耐腐蚀的涂层。
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|---|---|---|---|
| CN202011637306.XA CN112653353A (zh) | 2020-12-31 | 2020-12-31 | 一种微小型压电式风力发电装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112653353A true CN112653353A (zh) | 2021-04-13 |
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|---|---|---|---|
| CN202011637306.XA Pending CN112653353A (zh) | 2020-12-31 | 2020-12-31 | 一种微小型压电式风力发电装置 |
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| CN (1) | CN112653353A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113153625A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-07-23 | 重庆大学 | 盒式风力发电装置及发电装置组 |
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| CN206650601U (zh) * | 2016-12-26 | 2017-11-17 | 重庆交通大学 | 一种柱形悬空压电悬臂梁时均流振动发电装置 |
| US9832573B2 (en) * | 2013-03-01 | 2017-11-28 | Silicon Audio Directional, Llc | Entrained microphones |
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-
2020
- 2020-12-31 CN CN202011637306.XA patent/CN112653353A/zh active Pending
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