CN205283430U - 一种刚柔复合梁风能发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种刚柔复合梁风能发电装置，属于发电技术领域。复合梁由刚度较大的压电梁与其端部通过亚克力板和螺栓连接的刚度相对较小的柔性梁构成，由金属基板和压电陶瓷晶片粘接而成的压电梁一端经两个螺栓连接在转动块上，转动块与底座通过转轴相连，使得转动块可以围绕转轴转动；复合梁与来风方向成一定的迎风角α，α可通过转轴旋转调节大小；压电梁接出导线可供外部电路板所用。

Description

一种刚柔复合梁风能发电装置

技术领域

本发明属于能量回收技术领域，具体涉及一种刚柔复合梁风能发电装置。

背景技术

野外微小型远程传感监测系统以其高效易行的特点正逐渐被多个领域采用，但其供电方式主要还是以化学电池为主，化学电池存在体积大，不易集成化，使用寿命短、需要定期更换，一旦电池电量不足或未及时更换时无法完成监测信息的远程传输，且更换下来的废旧电池所含重金属还会对环境造成严重的污染而难以满足使用需求。通常野外微小型远程传感系统安装在人迹罕至或交通不便之处，若采用铺设电缆的供电方式难度大、且成本很高。因此，为使野外微小型远程传感监测系统得以广泛应用，必须先解决其供电问题。

近年来，微型压电发电机以其结构简单、无电磁干扰、不发热且易集成化等优点而被广泛应用，尤其适用于无线传感监测系统的自供电，某些类型的压电发电机已经在很多领域得到运用，如无线遥控器、汽车胎压监测系统等领域。目前成熟的微型压电发电机都是基于环境中的振动能或手动操作进行发电，而对于野外传感监测系统而言，很少存在使压电发电机振动发电的振动源。而风能广泛存在于野外，且蕴藏量大，是取之不尽、用之不竭的可再生资源，基于风能和压电发电技术结构的微型压电发电装置可以将环境中的风能转化为电能，可为野外无线监测系统提供充足、稳定的电能，具有很好的应用前景。

发明内容

针对野外微小型远程传感监测系统的供电难题，本实用新型提出了一种刚柔复合梁风能发电装置。本实用新型采用的实施方案是：复合梁由刚度较大的压电梁与其端部通过亚克力板和螺栓连接的刚度相对较小的柔性梁构成，由金属基板和压电陶瓷晶片粘接而成的压电梁的一端经两个螺栓连接在转动块上，转动块与底座通过转轴相连，使得转动块可以围绕转轴转动；复合梁与来风方向成一定的迎风角α，迎风角α可以通过转轴旋转调节大小；压电梁接出导线可以供外部电路板所用。

本实用新型的工作原理是：当风吹过复合梁时，会在复合梁的后侧产生卡门旋街，当卡门旋街在复合梁的两侧交替脱落时，便会产生周期性的升力和阻力，使流体压力分布、大小及方向发生周期性变化，最后引起复合梁的往复弯曲振动，进而将机械能转化为电能。当漩涡脱落频率与复合梁的固有频率相等时便产生共振，从而提高发电装置发电能力。脱涡频率和复合梁固有频率可分别表示为：

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{2{\mathrm{\πvS}}_t}{l_1+l_2}\·sin\mathrm{\α},{\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{M}{K}}$

式中v为风速，l₁、l₂分别为压电梁和柔性梁长度，S_t为斯特劳哈尔数，K和M分别为复合梁等效刚度和等效质量。当迎风角时，脱涡频率与复合梁固有频率相等，此时发电装置发电量最大。因此，可以根据安装微小型远程传感监测系统周围环境的风速范围来调节迎风角范围，使发电装置更加高效地运行。

本实用新型的特色是：采用刚柔复合梁结构，使有效刚度、受风面积大，柔性梁的功能在于：在低风速时增加受风面积，通过自身大振幅振动来带动压电梁振动发电，可避免单一压电梁在低风速下因高频率低振幅振动而无法发电的问题；高风速时变形量大可减小受风面积和压电梁变形，从而可以避免因压电梁变形过大而损毁。

附图说明

图1是本实用新型发电装置的结构原理简图；

图2是压电梁示意图；

图3是压电梁与柔性梁连接示意图；

具体实施方式

复合梁由刚度较大的压电梁2与其端部通过亚克力板9和螺栓连接的刚度相对较小的柔性梁1构成，由金属基板8和压电陶瓷晶片7粘接而成的压电梁2的一端经两个螺栓连接在转动块3上，转动块3与底座5通过转轴4相连，使得转动块3可以围绕转轴4转动；复合梁与来风方向成一定的迎风角α，迎风角α可以通过转轴4旋转调节大小；压电梁2接出导线6可以供外部电路板所用。

本实用新型的工作原理是：当风吹过复合梁时，会在复合梁的后侧产生卡门旋街，当卡门旋街在复合梁的两侧交替脱落时，便会产生周期性的升力和阻力，使流体压力分布、大小及方向发生周期性变化，最后引起复合梁的往复弯曲振动，进而将机械能转化为电能。当漩涡脱落频率与复合梁的固有频率相等时便产生共振，从而提高发电装置发电能力。脱涡频率和复合梁固有频率可分别表示为：

${\mathrm{\ω}}_s=\frac{2{\mathrm{\πvS}}_t}{l_1+l_2}\·sin\mathrm{\α},{\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{M}{K}}$

式中v为风速，l₁、l₂分别为压电梁和柔性梁长度，S_t为斯特劳哈尔数，K和M分别为复合梁等效刚度和等效质量。当迎风角时，脱涡频率与复合梁固有频率相等，此时发电装置发电量最大。因此，可以根据安装微小型远程传感监测系统周围环境的风速范围来调节迎风角范围，使发电装置更加高效地运行。

本实用新型的特色是：采用刚柔复合梁结构，使有效刚度、受风面积大，柔性梁的功能在于：在低风速时增加受风面积，通过自身大振幅振动来带动压电梁振动发电，可避免单一压电梁在低风速下因高频率低振幅振动而无法发电的问题；高风速时变形量大可减小受风面积和压电梁变形，从而可以避免因压电梁变形过大而损毁。

Claims (1)

1.一种刚柔复合梁风能发电装置，其特征在于：复合梁由刚度较大的压电梁与其端部通过亚克力板和螺栓连接的刚度相对较小的柔性梁构成，由金属基板和压电陶瓷晶片粘接而成的压电梁一端经两个螺栓连接在转动块上，转动块与底座通过转轴相连，使得转动块可以围绕转轴转动；复合梁与来风方向成一定的迎风角α，迎风角α可以通过转轴旋转调节大小；压电梁接出导线可以供外部电路板所用；当迎风角时，脱涡频率与复合梁固有频率相等，此时发电装置发电量最大，式中v为风速，l₁、l₂分别为压电梁和柔性梁长度，S_t为斯特劳哈尔数，K和M为分别为复合梁等效刚度和等效质量。