CN113676080A - 一种多方向的微小型压电风能采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多方向的微小型压电风能采集器,其是由底座、立柱、限位板、压电复合梁和钝体构成,所述钝体是一个底部带有圆孔的、中空的薄壁刚性外壳,立柱的一端固定于底座上,立柱的另一端通过所述圆孔插入所述钝体内部的空腔中,限位板固定于立柱上,压电复合梁的一端固定于钝体的内壁,另一端固定在位于钝体内部的立柱上,耐腐蚀、防水的钝体对其内部的压电复合梁具有保护作用。在风的作用下,钝体将在立柱上发生风致振动,导致压电复合梁发生变形,在压电复合梁压电层的上、下表面之间将产生交变的电势差。本发明提出的微小型压电式风能采集器具有风向适应性好和野外工作稳定性好的优点,在无线传感领域具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源和无线传感器网络领域,特别涉及到一种利用风致振动现象将风能转换为电能的微小型装置。
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。微小型风力发电装置也被称为微小型风能采集器,基于风致振动的微小型风能采集器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。在以上几类风能采集器中,利用压电效应实现机电转换的压电风能采集器具有结构简单、功率密度高和易于微型化等优点,是基于风致振动现象的微小型风能采集器研究的热点方向。
无线传感节点通常需要长期工作于野外环境,如果采用微小型压电风能采集器为其供电,采集器也需要长期工作于野外环境。目前报道的基于风致振动的微小型压电风能采集器的典型结构是在悬臂式柔性压电复合梁的自由端固定一个钝体,柔性压电复合梁在气流的作用下发生风致振动,复合梁中的压电层在振动时将产生电学输出。这类采集器在工作时,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衰减,同时对金属电极的可靠性产生影响,因此研究提高在野外环境工作的稳定性和可靠性,对推动微小型压电风能采集器的实际应用具有十分重要的意义。
自然环境中风的方向往往随着时间而改变。但是,现有的微小型压电风能采集器对不同方向风能的采集效率差异很大,导致其在风向变化的环境中的输出不稳定。因此,研制对不同方向风能均具有高采集效率的微小型压电风能采集器具有十分重要的意义。
本发明提出一种多方向的微小型压电风能采集器,其压电复合梁受到钝体的保护,降低了日晒雨淋的影响,因此该采集器具有在野外长期稳定、可靠工作的潜力,具有可采集多方向风能的优点,在无线传感等领域具有广阔应用前景。
发明内容
本发明提出一种多方向的微小型压电风能采集器,可以将环境中多个方向的风能转换为电能。为了实现上述目的,采取了以下技术方案:
一种多方向的微小型压电风能采集器,其是由底座、立柱、限位板、压电复合梁和钝体构成,所述钝体是一个底部带有圆孔的、中空的薄壁刚性外壳,立柱的一端固定于底座上,立柱的另一端通过所述圆孔插入所述钝体内部的空腔中,限位板固定于立柱上,压电复合梁的一端固定于钝体的内壁,另一端固定在位于钝体内部的立柱上。
压电复合梁是指在部分表面粘贴有压电层的梁,压电复合梁为直梁、曲梁、折梁或者扭曲梁,压电复合梁的压电层为锆钛酸铅(PZT)、聚偏氟乙烯(PVDF)或氮化铝(AlN)等压电材料,并在压电层的上表面和下表面均覆盖有薄金属层作为电极。
所述微小型压电风能采集器的压电复合梁至少有两根,压电复合梁的形状可选用直梁、曲梁、折梁或者扭曲梁,钝体的外形为球壳、圆柱、椭圆柱、棱柱等形状,以及由这些形状得到的组合形状,并可以增加翼板等辅助结构。压电复合梁的数量、形状和尺寸,以及钝体的形状与尺寸需要跟进应用环境的风场条件(风速和风向)进行选择。
钝体选用玻璃钢或塑料等耐腐蚀、防水的轻质材料制成,钝体的顶部和侧面均无孔洞,钝体底部有一个略大于立柱的洞,钝体底部的洞有两个作用:一个作用是将立柱分隔成钝体内部和钝体外部两个部分,另一个作用是避免在钝体发生风致振动时与立柱发生碰撞。
所述微小型压电风能采集器的钝体是通过压电复合梁固定于立柱上,并进一步通过立柱固定于底座上的。在不同方向风的作用下,钝体在立柱上发生风致振动,导致其内部的压电复合梁变形,由于压电效应,压电复合梁压电层的上、下表面之间将产生交变的电势差,将该电势差整流后就可以为电容器充电,电容器内储存的电能可以为无线传感节点等用电对象供电。
将多个所述的多方向的微小型压电风能采集器组合在一起形成阵列结构,阵列中各微小型压电风能采集器的钝体形状与尺寸、压电复合尺寸和安装方向略有差别,以进一步提高对多方向的和大风速范围的风能的采集性能,甚至实现全风向风能的采集。
相比现有技术,本发明具有如下有益效果:
1、本发明提出的多方向的微小型压电风能采集器,其压电复合梁固定在钝体内部并受到钝体的保护,降低了日晒雨淋对压电复合梁的稳定性和可靠性的影响,同常规的微小型压电风能采集器相比,具有可以在野外长期工作的优点;
2、本发明提出的多方向的微小型压电风能采集器,可以高效采集不同方向的风能,同常规的微小型压电风能采集器相比,具有对风向适应性更好的优点;
3、本发明提出的微小型压电风能采集器阵列,可以实现全风向风能的高效采集。
附图说明
图1是多风向微小型压电风能采集器示意图;
图2是压电复合梁示意图;
图3是典型钝体形状示意图;
图4是多风向微小型压电风能采集阵列示意图;
图5风向对输出功率影响的实验结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
一种多风向微小型压电风能采集器,如图1所示,由底座1、立柱2、限位板3、钝体4和压电复合梁5构成。钝体4为底部带有圆孔的、中空的薄壁刚性外壳,立柱2的一端固定于底座1上,立柱2的另一端通过所述圆孔插入所述钝体4内部的空腔中,限位板3固定于立柱2上,压电复合梁5的一端固定于钝体4的内壁,另一端固定在位于钝体4内部的立柱2上。
如图2所示,压电复合梁5为机电转换部件,其形状可以采用直梁、曲梁、折梁或者扭曲梁。在压电复合梁5的部分表面粘贴有压电层501,压电层501的上、下均有金属电极,压电层501的两个金属电极之间的压电材料可选用PZT、PVDF或AlN等材料。
限位板3固定于立柱2上,可以限制风能采集器的水平或竖直面内的运动,其作用为防止风载荷过大时,钝体4运动范围过大,导致压电复合梁5产生过大变形导致损坏,限位板3的大小应根据风能采集器实际运动范围进行选择。
钝体4选用玻璃钢或塑料等耐腐蚀、防水的轻质材料制成,钝体4的顶部、侧面和部分底部连成一个没有孔洞的整体,以防止雨水等到达压电复合梁5表面。钝体4底部有一个略大于立柱的洞,该洞有两个作用:一个作用是将立柱2分隔成钝体4内部和钝体4外部两个部分,另一个作用是避免在钝体4发生风致振动时与立柱2发生碰撞。
钝体4的外形对采集器的方向性有显著影响,如图4所示,钝体4的外形可采用球壳、圆柱、椭圆柱、棱柱等形状,以及由这些形状得到的组合形状,并可以在其表面增加翼板等结构,钝体4的外形需要根据实际风场特征进行选择。
对于图1所示的采集器结构而言,如果多根(这里是三根)压电复合梁5采用弯梁或者折梁且宽度方向与水平面垂直,它们在水平面内弯曲刚度小,而在竖直面内弯曲刚度很大,因此钝体的风致振动主要是水平面内(这里指与立柱垂直的平面内)的平动和绕立柱的转动,而研制立柱轴向方向的平动很小,因此可以高效采集水平面内的风能。如图3(a)-(d)所示,钝体可以采用圆柱、四棱柱、五棱柱以及带有翼板的棱柱以适应不同的风场环境,对于平面内振动模式下的采集器,钝体4的高度应大于其最大截面宽度,具体高度与宽度的比值也应视风场特性而定。如果压电复合梁5采用扭曲梁,即梁存在初始扭曲变形,如图2(d)所示,并使其与立柱连接的一端宽度方向与水平面平行,此时压电复合梁5在水平面内弯曲刚度和在竖直面内弯曲刚度均不大,易于产生不同方向的变形,因此采用这种有初始扭转变形的压电复合梁5可以有效提高发电装置对三维风向的适应能力。
通过改变钝体的质量、形状和尺寸,改变压电复合梁的形状与尺寸,或者改变安装方向(这里指安装后立柱与水平面的相对位置关系),可以对上述微小型压电风能采集器的风速范围、风向范围等参数进行调整。为了实现大风速范围和多方向风能的采集器,可采用图4所示的微小型压电风能采集器阵列结构,阵列中各微小型压电风能采集器的钝体形状与尺寸、压电复合尺寸和安装方向略有差别。采用这种阵列结构,甚至可以实现全风向风能的采集。
为了验证本发明提出的微小型压电风能采集器可以实现多方向风能的采集,制作了一个微小型压电风能采集器样机并对其性能进行了测试。样机的钝体4为一个圆柱形刚性外壳,钝体的高度为60mm,直径为60mm,钝体4的质量约为12.3克;采集器的钝体4采用3根压电复合梁5与立柱2相连;压电复合梁5为一根半径为15mm的半圆形弧形梁,其厚度为0.1mm,宽度为6mm,采用65Mn弹簧钢制作,在固定于立柱的压电复合梁5的根部粘贴有厚度为0.11mm的PVDF压电薄膜。将样机安装在一个小型风洞内对其性能进行了测试,实验中,使风向在垂直于立柱2的平面内逐步变化。首先,对于某特定的安装位置(设此时风向的角度为0°),逐步改变风洞内的风速测量其输出特性,对每一个特定的风速,均测出三根压电复合梁5对10MΩ电阻负载的输出电压有效值,计算出各压电复合梁5的输出功率,并将三根压电复合梁5的输出功率加起来作为在该风速下采集器的总输出功率;然后改变风速,测得另一个风速下采集器的总输出功率;通过以上实验,测得在该方向的风的作用下,当风速由3m/s增加到11m/s时,采集器的总输出功率随风速的变化曲线。然后,改变样机的安装方向,使风向在垂直于立柱2的平面内改变20°,重复以上测量过程,得到风向的角度为20°时,采集器的总输出功率随风速的变化曲线。继续重复以上过程,就可以得到采集器的总输出功率随风速和风向的变化关系。当风速分别为7m/s和11m/s时,测得的采集器总输出功率与风向的关系见图5。为了便于比较,图5中的总输出功率都对相应风速下的最大总输出功率进行了归一化。由图可见,风速分别为7m/s和11m/s时,当风向在垂直于立柱的平面内改变时,最小总输出功率与最大总输出功率之比分别为79.1%和61.5%,从半功率带宽的角度来说,对垂直于立柱平面的风来说,样机具有全风向风能采集的能力。根据以上实验结果可见,本发明提出的压电风能采集器具有优异的多方向风能采集性能,在风向范围大的应用环境中也同样适用。
最后需要说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换(如采用不同形状的压电复合梁、不同形状的钝体和不同的压电材料等),而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种多方向的微小型压电风能采集器,其是由底座、立柱、限位板、压电复合梁和钝体构成,所述钝体为底部带有圆孔的、中空的薄壁刚性外壳,立柱的一端固定于底座上,立柱的另一端通过所述圆孔插入所述钝体内部的空腔中,限位板固定于立柱上,压电复合梁的一端固定于钝体的内壁,另一端固定在位于钝体内部的立柱上。
2.如权利要求1所述的多方向的微小型压电风能采集器,其特征在于:所述压电复合梁至少有两根。
3.如权利要求1所述的多方向的微小型压电风能采集器,其特征在于:所述压电复合梁为直梁、曲梁、折梁或者扭曲梁。
4.如权利要求1所述的多方向的微小型压电风能采集器,其特征在于:所述钝体的形状为球壳、圆柱、椭圆柱、棱柱以及相应带有翼板的钝体。
5.如权利要求1所述的多方向的微小型压电风能采集器,其特征在于:可以将多个所述的多方向的微小型压电风能采集器组合在一起形成阵列结构,阵列中各微小型压电风能采集器的钝体形状与尺寸、压电复合尺寸和安装方向略有差别,以进一步提高对多方向的和大风速范围的风能的采集性能。
6.如权利要求1和权利要求5所述的多方向的微小型压电风能采集器及其阵列,其特征在于:该采集器及其阵列可以采集不同方向的风能。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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