CN112751506A - 一种全向风能采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全向风能采集器，其包括固定底座，固定底座上设置有柱形弹性悬臂梁，柱形弹性悬臂梁的底端通过固定底座固定，顶端上连接有一个振荡装置，振荡装置可以为空心圆柱、空心方柱或者横截面呈“X”形的柱体；柱形弹性悬臂梁上固定套设有一个压电陶瓷圆管。本方案中的全向风能采集器，结构简单、装配方便、体积小、便于集成化，有利于促进风能采集器在自供能领域的应用；“X”形横截面的振荡装置结构与常规截面形状的钝体结构相比，能增大能量采集器的振动幅值，提升能量采集效率，提高了风能的利用率；基于压电陶瓷圆管及柱形弹性悬臂梁的风能采集器对自然环境中不同方向的风均能做出响应，输出较高的电能，具有很强的环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及风能发电以及能量采集技术领域，特别是涉及一种全向风能采集器。
背景技术
随着无线传感器和便携式电子设备在无线传感网络和微机电系统(MEMS)中的广泛应用，能源供给日益成为阻碍其发展的一大瓶颈。风能作为自然界中广泛存在的清洁能源，是国内外自供能研究的热点。相比于转动式小型风能采集器，风致振动能量采集器结构简单、便于微型化，是风能采集器发展的主要方向。基于风致振动的风能采集器利用结构的涡激振动、颤振、驰振、尾流驰振收集风能。振动能到电能的转换方式包括压电转换、电磁转换、静电转换。相比于电磁式和静电式，压电式具有输出功率大、无电磁干扰、可微型化等诸多优点。因此，压电式风能采集器在自供能领域具有更大的发展潜力，是目前研究的重点之一。
由于环境风能存在随机性和不稳定性，多向风能采集的研究成为推动风能采集器发展的关键。在多向风能采集方面，中国发明专利CN104779766B提出一种基于弧形弹性梁的风能采集器，由U型振动部和固定部组成，U型结构的扰流作用有效扩展了风能采集器的风向和风速范围。中国发明专利CN107688101A公开了一种旗摆式多向风能采集器，通过旗帆感知风向，带动动磁环旋转，压电振子自由端的磁片与磁环相互排斥，从而输出电能。中国发明专利CNIO7634676A公开了一种微型能量采集压电树，通过树干、树枝、树叶和果实的振动实现多方向风能的收集利用。虽然上述结构在一定程度上实现了多向风能的采集，但均存在一些缺点，如只在某些方向具有较高的输出功率、结构复杂、不利于集成化等。目前的压电式风能采集器大都包含矩形薄片式悬臂梁结构，采用的换能元件主要采用片状结构，在多向风响应方面不具备优势。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种全向风能采集器，可以对各方向的流体能量进行收集，解决了现有技术中的风能采集装置采集方向范围窄、结构复杂、不利于集成化的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种全向风能采集器，其包括固定底座，固定底座上设置有柱形弹性悬臂梁，柱形弹性悬臂梁的底端与固定底座顶部固定连接，顶端上连接有一个振荡装置；柱形弹性悬臂梁上固定套设有一个压电陶瓷圆管。
本发明的原理为：将风能采集器放置在所需环境中，当气流作用于采集器时，振荡装置将产生自激振动-驰振，将振动传动给柱形弹性悬臂梁，从而使柱形弹性悬臂梁发生周期性弯曲变形，压电陶瓷圆管受到的应力交替增加和减小，由于压电效应，压电圆管内外表面之间将产生电势差，从而将振动能转换为电能输出；本方案中的风能采集器，采用柱形弹性悬臂梁和压电陶瓷圆管，对自然环境中不同方向的风均能做出响应，输出较高的电能，具有很强的环境适应性且结构简单、装配方便、便于集成化。
进一步地，柱形弹性悬臂梁的材料为Fe-Ga合金材料，使得柱形弹性悬臂梁的弹性应变能力较强，使用寿命延长；柱形弹性悬臂梁的轴线与固定底座上表面垂直，使采集器稳定工作。柱形弹性悬臂梁设置为圆柱形，不仅可以方便压电陶瓷圆管的固定，而且圆柱形的弹性悬臂梁在各方向都可以弯曲，可以实现多方向风能采集。现有技术中的风能采集器的弹性梁普遍采用平板形的梁，只能在单一方向弯曲振动，采集风向范围窄，采集效率低下。
进一步地，作为压电陶瓷圆管的一种具体设置方式，压电陶瓷圆管的内壁为正电极，外壁为负电极，压电陶瓷圆管沿径向极化；而传统的风能采集器的压电元件为矩形片状结构，不适用于柱形弹性梁结构，且不利于多向风能的采集。
进一步地，为了方便风能采集器的安装以及延长固定底座的使用寿命，固定底座的材料为铝，固定底座呈
字形，固定底座两侧翼上均设置有固定孔。
进一步地，固定底座上设置有多个间隔均匀的安装孔；柱形弹性悬臂梁的数量与安装孔数量相匹配，每个安装孔内均设置有一根柱形弹性悬臂梁，每根柱形弹性悬臂梁的顶端均设置有一个振荡装置，每根柱形弹性悬臂梁的中下部均设置有一个压电陶瓷圆管；将多个振荡装置呈间隔均匀的方式排列在固定底座上，多个振荡装置呈阵列式结构排列，当来自于不同方向的气流作用于多个振荡装置时，单个振荡装置的振动将影响呈阵列式结构排列的多个振荡装置内部气流的变化，产生耦合效应，激发整个采集器产生更大幅度的振动。呈阵列式结构排列的多个振荡装置，可以极大化采集风能，提升采集效率，输出更多的电能。
进一步地，每个振荡装置均为空心方柱，通过减少振荡装置质量来增加采集器的振动频率，以提高风能采集效率；当气流来自二维平面不同方向时，呈空心方柱状的振荡装置将产生不同的振动响应，且在各方向上的振动幅值差距很小，压电陶瓷圆管处的应力变化很小，输出功率十分接近，实现多向风能的高效采集。
进一步地，每个振荡装置均为空心圆柱，当一定速度的气流经过呈圆柱状的振荡装置时，振荡装置背面两侧交替地产生漩涡脱落，同时，在振荡装置上会周期性地施加交替压力，在流固耦合的作用下发生涡激振动。振荡装置的振动将带动柱形弹性悬臂梁弯曲振动，压电圆管受到周期性应力，进而输出电能；由于圆柱的几何对称特性，平面各个方向的风作用于振荡装置时，会产生相同的振动响应，具有多向风能采集特性。
进一步地，每个振荡装置均为横截面呈“X”字形的柱体。不同于呈方柱和圆柱的振荡装置，在横截面呈“X”字形的振荡装置中，每两个突出的矩形叶片形成的呈“>”形区域，有助于增强涡旋，在横向风的作用下获得较高的空气升力，由于横向两侧漩涡脱落时间的差异，在横向两侧之间将引起较大的压力差，使得振荡装置的振动幅度更大，从而使压电陶瓷圆管的形变越大，压电陶瓷圆管4输出更高的电压，有效提升了采集性能。
进一步地，振荡装置的材料为尼龙材料，振荡装置的加工方式为3D打印。
本发明的有益效果为：本方案中的全向风能采集器，结构简单、装配方便、体积小、便于集成化，有利于促进风能采集器在自供能领域的应用；横截面呈“X”字形的振荡装置与常规截面形状的钝体结构相比，能增大能量采集器的振动幅值，提升能量采集效率，提高了风能的利用率；基于压电陶瓷圆管及柱形弹性悬臂梁的风能采集器对自然环境中不同方向的风均能做出响应，输出较高的电能，具有很强的环境适应性。
附图说明
图1为一种全向风能采集器的结构示意图。
图2为图1中A处的放大结构示意图。
图3为振荡装置为空心圆柱时的结构示意图。
图4为振荡装置的横截面呈“X”字形时的结构示意图。
图5为振荡装置为空心方柱时的水平受风示意图。
图6为振荡装置为空心圆柱时的水平受风示意图。
图7为振荡装置的横截面呈“X”字形时的水平受风示意图。
图8为多个振荡装置在固定底座上排列的结构示意图。
其中，1、固定底座；2、柱形弹性悬臂梁；3、振荡装置；4、压电陶瓷圆管；5、固定孔；6、安装孔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本发明提供了一种全向风能采集器，其包括固定底座1，固定底座1的材料为铝，固定底座1呈
字形，固定底座1两侧翼上均设置有固定孔5，方便风能采集器的安装。固定底座1上设置有柱形弹性悬臂梁2，柱形弹性悬臂梁2的直径为1mm，长度60mm，弹柱形性悬臂梁2的材料为Fe-Ga合金材料，柱形弹性悬臂梁2的弹性应变能力较强，利于结构的振荡效应；柱形弹性悬臂梁2的轴线与固定底座1上表面垂直，使采集器稳定工作；柱形弹性悬臂梁2设置为圆柱形，不仅可以方便压电陶瓷圆管4的固定，而且圆柱形的弹性悬臂梁2在各方向都可以弯曲，可以实现多方向风能采集。现有技术中的风能采集器的弹性梁普遍采用平板形的梁，只能在单一方向弯曲振动，采集风向范围窄，采集效率低下。
如图1和图2所示，柱形弹性悬臂梁2的底端与固定底座1顶部固定连接，顶端上连接有一个振荡装置3；柱形弹性悬臂梁2上固定套设有一个压电陶瓷圆管4，压电陶瓷圆管4的内壁为正电极，外壁为负电极，压电陶瓷圆管4沿径向极化，压电陶瓷圆管4的内径为1mm、外径为2.2mm、长度为20mm，压电陶瓷圆管4与柱形弹性悬臂梁2的中下部连接，压电陶瓷圆管4采用软PZT压电陶瓷PIC151，性能优异，压电效应好；而传统的风能采集器的压电元件为矩形片状结构，不适用于柱形弹性梁结构，且不利于多向风能的采集。
振荡装置3的材料可以为尼龙，振荡装置3的加工方式为3D打印，振荡装置3的质量较轻、刚度小，气流更容易引起振荡装置3的振荡，使压电陶瓷圆管4输出电能。
将风能采集器放置在所需环境中，当气流作用于采集器时，振荡装置3将产生自激振动-驰振，将振动传动给柱形弹性悬臂梁2，从而使柱形弹性悬臂梁2发生周期性弯曲变形，压电陶瓷圆管4受到的应力交替增加和减小，由于压电效应，压电圆管内外表面之间将产生电势差，从而将振动能转换为电能输出；本方案中的风能采集器，对自然环境中不同方向的风均能做出响应，输出较高的电能，结构简单、装配方便、体积小、便于集成化，有利于促进风能采集器在自供能领域的应用。
如图1和图8所示，固定底座1上设置有多个间隔均匀的安装孔6；弹性悬臂梁2的数量与安装孔6数量相匹配，每个安装孔6内均设置有一根弹性悬臂梁2，每根弹性悬臂梁2的顶端均设置有一个振荡装置3，每根弹性悬臂梁2的中下部均设置有一个压电陶瓷圆管4；将多个振荡装置3呈间隔均匀的方式排列在固定底座1上，多个振荡装置3呈阵列式结构排列，当来自于不同方向的气流作用于多个振荡装置3时，单个振荡装置3的振动将影响呈阵列式结构排列的多个振荡装置3内部气流的变化，产生耦合效应，激发整个采集器产生更大幅度的振动。呈阵列式结构排列的多个振荡装置3，可以极大化采集风能，提升采集效率，输出更多的电能。
如图1和图5所示，箭头方向即为风向，作为振荡装置3一种具体的实施方式，每个振荡装置3均为空心方柱，通过减少振荡装置3质量来增加采集器的振动频率，以提高风能采集效率；当气流来自二维平面不同方向时，呈空心方柱状的振荡装置3将产生不同的振动响应，且在各方向上的振动幅值差距很小，压电陶瓷圆管4处的应力变化很小，输出功率十分接近，实现多向风能的高效采集。
如图3和图6所示，箭头方向即为风向，每个振荡装置3可以为空心圆柱，当一定速度的气流经过呈圆柱状的振荡装置3时，振荡装置3背面两侧交替地产生漩涡脱落，同时，在振荡装置3上会周期性地施加交替压力，在流固耦合的作用下发生涡激振动。振荡装置3的振动将带动弹性悬臂梁2弯曲振动，压电圆管4受到周期性应力，进而输出电能，由于圆柱的几何对称特性，平面各个方向的风作用于振荡装置3时，会产生相同的振动响应，具有多向风能采集特性。
如图4和图7所示，箭头方向即为风向，每个振荡装置3为横截面呈“X”字形的柱体。不同于呈方柱和圆柱的振荡装置3，在横截面呈“X”字形的振荡装置3中，每两个突出的矩形叶片形成的呈“>”形区域，有助于增强涡旋，在横向风的作用下获得较高的空气升力，由于横向两侧漩涡脱落时间的差异，在横向两侧之间将引起较大的压力差，使得振荡装置3的振动幅度更大，从而使压电陶瓷圆管4的形变越大，压电陶瓷圆管4输出更高的电压，有效提升了采集性能。综上所述，横截面呈“X”字形的振荡装置与常规截面形状的钝体结构相比，能增大能量采集器的振动幅值，提升能量采集效率，提高了风能的利用率；基于压电陶瓷圆管4及柱形弹性悬臂梁2的风能采集器对自然环境中不同方向的风均能做出响应，输出较高的电能，具有很强的环境适应性，可应用于为环境监测传感设备提供充足电能来源。
Claims (9)
1.一种全向风能采集器，其特征在于，包括固定底座(1)，所述固定底座(1)上设置有柱形弹性悬臂梁(2)，所述柱形弹性悬臂梁(2)的底端与固定底座(1)顶部固定连接，顶端上连接有一个振荡装置(3)；柱形弹性悬臂梁(2)上固定套设有一个压电陶瓷圆管(4)。
2.根据权利要求1所述的一种全向风能采集器，其特征在于，所述柱形弹性悬臂梁(2)的材料为Fe-Ga合金材料，柱形弹性悬臂梁(2)的轴线与所述固定底座(1)上表面垂直。
3.根据权利要求1所述的一种全向风能采集器，其特征在于，所述压电陶瓷圆管(4)的内壁为正电极，外壁为负电极，压电陶瓷圆管(4)沿径向极化。
4.根据权利要求1所述的一种全向风能采集器，其特征在于，所述固定底座(1)的材料为铝，固定底座(1)呈
字形，固定底座(1)两侧翼上均设置有固定孔(5)。
5.根据权利要求4所述的一种全向风能采集器，其特征在于，所述固定底座(1)上设置有多个间隔均匀的安装孔(6)；所述柱形弹性悬臂梁(2)的数量与所述安装孔(6)数量相匹配，每个安装孔(6)内均设置有一根柱形弹性悬臂梁(2)，每根柱形弹性悬臂梁(2)的顶端均设置有一个振荡装置(3)。
6.根据权利要求5所述的一种全向风能采集器，其特征在于，每个所述振荡装置(3)均为空心方柱。
7.根据权利要求5所述的一种全向风能采集器，其特征在于，每个所述振荡装置(3)均为空心圆柱。
8.根据权利要求5所述的一种全向风能采集器，其特征在于，每个所述振荡装置(3)均为横截面呈“X”字形的柱体。
9.根据权利要求1～8任一所述的一种全向风能采集器，其特征在于，所述振荡装置(3)的材料为尼龙，振荡装置(3)的加工方式为3D打印。
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| WO2023116135A1 (zh) * | 2021-12-24 | 2023-06-29 | 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 | 一种微功率风-光混合俘能发电装置及俘能方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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