CN114400926A - 一种两自由度翼段的颤振能量收集装置及风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两自由度翼段的颤振能量收集装置及风力发电设备，该装置包括：支撑底座；两个沉浮梁，两个沉浮梁的一端与支撑底座的上下两端连接，两个沉浮梁的另一端连接在固定板上，形成矩形框结构；翼轴，转动穿设在固定板内，翼轴处于矩形框结构外部的一端连接有翼段，翼轴处于矩形框结构内部的一端连接在杆的中部；两个俯仰梁，两个俯仰梁的一端分别连接在杆的两端，两个俯仰梁的另一端连接固定板；沉浮压电片，设置在沉浮梁靠近支撑座的一端的上下表面上；俯仰压电片，设置在俯仰梁靠近固定板的一端的上下表面上；能够形成颤振并将颤振中的机械能转化为电能，实现了翼段的颤振能量的收集。

Description

一种两自由度翼段的颤振能量收集装置及风力发电设备
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，更具体地，涉及一种两自由度翼段的颤振能量收集装置及风力发电设备。
背景技术
颤振是弹性结构动力学与非定常气动力耦合而引发的气动弹性不稳定，它是气动力、弹性力和惯性力耦合作用下的一种自激振动。对于特定的结构，当所处气流的风速到达一定速度时，结构变得不稳定，该速度被称作是颤振速度。在颤振速度下，结构从气流中不断获取能量而引起不衰减且振幅相当大的振动，即发生颤振，颤振会对结构造成严重的损害，但其中也含有可观的能量可以被收集利用。目前对于颤振所产生的能量的收集尚不成熟，难以实现颤振能量的有效收集。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种两自由度翼段的颤振能量收集装置及风力发电设备，该装置通过设置相互独立的沉浮梁和俯仰梁，能够充分利用沉浮和俯仰运动中产生的颤振能量，通过在沉浮梁和俯仰梁上设置的沉浮压电片和俯仰压电片，将颤振中的机械能转化为电能，实现了翼段的颤振能量的收集。
为了实现上述目的，本发明提供一种两自由度翼段的颤振能量收集装置，该装置包括：
支撑底座；
两个沉浮梁，两个所述沉浮梁的一端与所述支撑底座的上下两端连接，两个沉浮梁的另一端连接在固定板上，形成矩形框结构；
翼轴，转动穿设在所述固定板内，所述翼轴处于所述矩形框结构外部的一端连接有翼段，所述翼轴处于所述矩形框结构内部的一端连接在杆的中部；
两个俯仰梁，两个所述俯仰梁的一端分别连接在所述杆的两端，两个所述俯仰梁的另一端连接所述固定板；
沉浮压电片，设置在所述沉浮梁靠近所述支撑座的一端的上下表面上；
俯仰压电片，设置在所述俯仰梁靠近所述固定板的一端的上下表面上。
可选地，所述沉浮梁为平板状。
可选地，所述固定板上设置有通孔，所述通孔内设置有轴承，所述翼轴穿设在所述轴承的内圈内。
可选地，两个所述俯仰梁与所述翼轴相互平行，两个所述俯仰梁对称设置在所述翼轴的两侧。
可选地，所述杆的两端分别设置有配重挂孔。
可选地，还包括多个配重块，所述配重块能够挂在所述配重挂孔上。
可选地，所述翼段可拆卸地连接在所述翼轴上。
可选地，所述沉浮压电片的两极分别连接第一负载电阻的两极，所述俯仰压电片的两级分别连接第二负载电阻的两极。
可选地，所述沉浮压电片与所述俯仰压电片并联。
本发明还提供一种风力发电设备，该设备包括上述的两自由度翼段的颤振能量收集装置。
本发明提供一种两自由度翼段的颤振能量收集装置及风力发电设备，其有益效果在于：
1、该装置通过设置相互独立的沉浮梁和俯仰梁，能够充分利用沉浮和俯仰运动中产生的颤振能量，通过在沉浮梁和俯仰梁上设置的沉浮压电片和俯仰压电片，将颤振中的机械能转化为电能，实现了翼段的颤振能量的收集；
2、该装置的两个沉浮梁为平板状，都可以看作是一端固支另一端只有垂直方向位移的S形变的超静定梁，使翼段发生沉浮运动时滚转角度始终为零，有利于沉浮梁根部颤振的稳定；
3、该装置可以通过选择不同长度的沉浮梁和俯仰梁来调节翼段的沉浮和俯仰刚度，还可用通过在杆的两端安装不同重量的配重块来调节翼段的质量属性，保证翼段可以在特性风速下发生颤振，使用灵活、应用范围广。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种两自由度翼段的颤振能量收集装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的一种两自由度翼段的颤振能量收集装置的第一负载电阻的连接示意图。
附图标记说明：
1、支撑底座；2、沉浮梁；3、固定板；4、翼轴；5、翼段；6、杆；7、俯仰梁；8、沉浮压电片；9、俯仰压电片；10、轴承；11、配重挂孔；12、第一负载电阻。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明提供一种两自由度翼段的颤振能量收集装置，该装置包括：
支撑底座；
两个沉浮梁，两个沉浮梁的一端与支撑底座的上下两端连接，两个沉浮梁的另一端连接在固定板上，形成矩形框结构；
翼轴，转动穿设在固定板内，翼轴处于矩形框结构外部的一端连接有翼段，翼轴处于矩形框结构内部的一端连接在杆的中部；
两个俯仰梁，两个俯仰梁的一端分别连接在杆的两端，两个俯仰梁的另一端连接固定板；
沉浮压电片，设置在沉浮梁靠近支撑座的一端的上下表面上；
俯仰压电片，设置在俯仰梁靠近固定板的一端的上下表面上。
具体的，支撑底座作为固定端，使得两个沉浮梁形成悬臂结构，两根平行的俯仰梁构成了翼段的俯仰弹性支撑，翼段通过翼轴与固定板的连接实现与矩形框结构的悬臂式连接，通过两个沉浮梁的长度调节能够调节沉浮刚度；同时利用翼轴与固定板的转动配合，能够实现翼段的俯仰运动，通过相对于沉浮梁独立的两个俯仰梁的长度调节能够调节俯仰刚度；将一端置于风场中，在风场作用下，沉浮梁靠近支撑座的一端和俯仰梁靠近固定板的一端形成颤振，此时沉浮压电片和俯仰压电片即可将颤振的机械能转化为电能，实现颤振能量收集。
可选地，沉浮梁为平板状。
具体的，两个平板状的沉浮梁都可以看作是一端固支另一端只有垂直方向位移的S形变的超静定梁，使翼段发生沉浮运动时滚转角度始终为零，有利于沉浮梁根部颤振的稳定，提高发电效率。
可选地，固定板上设置有通孔，通孔内设置有轴承，翼轴穿设在轴承的内圈内。
具体的，翼轴能够通过轴承连接实现相对于固定板的转动，适应翼段的俯仰运动。
可选地，两个俯仰梁与翼轴相互平行，两个俯仰梁对称设置在翼轴的两侧。
可选地，杆的两端分别设置有配重挂孔。
具体的，配重挂孔设置在杆上靠近俯仰梁的位置。
可选地，还包括多个配重块，配重块能够挂在配重挂孔上。
具体的，在杆的前后两端安装不同重量的配重块能够调节翼段的质量属性，该装置可以通过选择不同长度的沉浮梁和俯仰梁来调节翼段的沉浮和俯仰刚度，保证翼段可以在特性风速下发生颤振，使用灵活、应用范围广。
可选地，翼段可拆卸地连接在翼轴上。
具体的，通过拆卸可以更换不同的翼段实现不同风场中的颤振的产生。
可选地，沉浮压电片的两极分别连接第一负载电阻的两极，俯仰压电片的两级分别连接第二负载电阻的两极。
具体的，沉浮压电片和俯仰压电片利用压电材料的压电效应，压电片两极与负载电阻两极连接形成压电闭合电路，如图2所示。单压电晶片悬臂梁弯曲造成压电片轴向应变，压电片内部由于压电效应会产生极化现象，这种现象会使压电材料的上下表面分别产生正负电荷，使得负载电阻上产生电压，最终实现将机械能转化为电能。
可选地，沉浮压电片与俯仰压电片并联。
具体的，由于沉浮梁靠近支撑座的一端和俯仰梁靠近固定板的一端应变最大，可以产生更多的电能，因此将压电片布满这两个部位的上下表面；所有压电片并联连接可以达到最大的机电耦合系数。
本发明还提供一种风力发电设备，该设备包括上述的两自由度翼段的颤振能量收集装置。
具体的，该风力发电设备还可以包括电能存储装置，用于存储颤振的节能转化后所得的电能。
实施例
如图1和图2所示，本发明提供一种两自由度翼段的颤振能量收集装置，该装置包括：
支撑底座1；
两个沉浮梁2，两个沉浮梁2的一端与支撑底座的上下两端连接，两个沉浮梁2的另一端连接在固定板3上，形成矩形框结构；
翼轴4，转动穿设在固定板3内，翼轴4处于矩形框结构外部的一端连接有翼段5，翼轴4处于矩形框结构内部的一端连接在杆6的中部；
两个俯仰梁7，两个俯仰梁7的一端分别连接在杆6的两端，两个俯仰梁7的另一端连接固定板3；
沉浮压电片8，设置在沉浮梁2靠近支撑座1的一端的上下表面上；
俯仰压电片9，设置在俯仰梁7靠近固定板3的一端的上下表面上。
在本实施例中，沉浮梁2为平板状。
在本实施例中，固定板3上设置有通孔，通孔内设置有轴承10，翼轴4穿设在轴承10的内圈内。
在本实施例中，两个俯仰梁7与翼轴4相互平行，两个俯仰梁7对称设置在翼轴4的两侧。
在本实施例中，杆6的两端分别设置有配重挂孔11。
在本实施例中，还包括多个配重块，配重块能够挂在配重挂孔11上。
在本实施例中，翼段5可拆卸地连接在翼轴4上。
在本实施例中，沉浮压电片8的两极分别连接第一负载电阻12的两极，俯仰压电片9的两级分别连接第二负载电阻的两极。
在本实施例中，沉浮压电片8与俯仰压电片9并联。
本发明还提供一种风力发电设备，该设备包括上述的两自由度翼段的颤振能量收集装置。
综上，本发明提供的两自由度翼段的颤振能量收集装置使用时，以支撑底座1为固定端，使得矩形框架结构和翼段5形成悬臂结构，翼段5处于风场中，在风场作用下沉浮梁2靠近支撑底座1的一端和俯仰梁7靠近固定板3的一端形成颤振。沉浮压电片8和俯仰压电片9利用压电材料的压电效应，压电片两极与负载电阻两极连接形成压电闭合电路，如图2所示。单压电晶片悬臂梁弯曲造成压电片轴向应变，压电片内部由于压电效应会产生极化现象，这种现象会使压电材料的上下表面分别产生正负电荷，使得负载电阻上产生电压，最终实现将机械能转化为电能。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种两自由度翼段的颤振能量收集装置，其特征在于，该装置包括：
支撑底座；
两个沉浮梁，两个所述沉浮梁的一端与所述支撑底座的上下两端连接，两个沉浮梁的另一端连接在固定板上，形成矩形框结构；
翼轴，转动穿设在所述固定板内，所述翼轴处于所述矩形框结构外部的一端连接有翼段，所述翼轴处于所述矩形框结构内部的一端连接在杆的中部；
两个俯仰梁，两个所述俯仰梁的一端分别连接在所述杆的两端，两个所述俯仰梁的另一端连接所述固定板；
沉浮压电片，设置在所述沉浮梁靠近所述支撑座的一端的上下表面上；
俯仰压电片，设置在所述俯仰梁靠近所述固定板的一端的上下表面上。
2.根据权利要求1所述的两自由度翼段的颤振能量收集装置，其特征在于，所述沉浮梁为平板状。
3.根据权利要求1所述的两自由度翼段的颤振能量收集装置，其特征在于，所述固定板上设置有通孔，所述通孔内设置有轴承，所述翼轴穿设在所述轴承的内圈内。
4.根据权利要求1所述的两自由度翼段的颤振能量收集装置，其特征在于，两个所述俯仰梁与所述翼轴相互平行，两个所述俯仰梁对称设置在所述翼轴的两侧。
5.根据权利要求1所述的两自由度翼段的颤振能量收集装置，其特征在于，所述杆的两端分别设置有配重挂孔。
6.根据权利要求5所述的两自由度翼段的颤振能量收集装置，其特征在于，还包括多个配重块，所述配重块能够挂在所述配重挂孔上。
7.根据权利要求1所述的两自由度翼段的颤振能量收集装置，其特征在于，所述翼段可拆卸地连接在所述翼轴上。
8.根据权利要求1所述的两自由度翼段的颤振能量收集装置，其特征在于，所述沉浮压电片的两极分别连接第一负载电阻的两极，所述俯仰压电片的两级分别连接第二负载电阻的两极。
9.根据权利要求8所述的两自由度翼段的颤振能量收集装置，其特征在于，所述沉浮压电片与所述俯仰压电片并联。
10.一种风力发电设备，其特征在于，该设备包括根据权利要求1-9任一项所述的两自由度翼段的颤振能量收集装置。
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