CN205533013U - 一种基于压电材料的非特定方向风能收集装置 - Google Patents

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陈玉达
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Abstract

本实用新型属于基于微弱能量收集与储存领域，涉及一种基于压电材料的非特定方向风能收集装置。包括：壳体、压电悬臂梁阵列、能量转换电路及能量储能单元。所述壳体由亚克力板(或木板)切割、组装而成，除用于连接、支撑、固定与保护外，还起到约束流体的作用；压电悬臂梁阵列将风致振动产生的机械能转化为无规则交流电能；能量转换电路把压电悬臂梁阵列输出的交流电能经整流、稳压等，使其输出稳定的直流电能；能量储存单元用于储存整个装置产生的电能，同时，为微功耗负载供电。本实用新型具有结构简单、无污染、易于实现等优点，可为微功耗设备特别是野外数据监测设备供电。

Description

一种基于压电材料的非特定方向风能收集装置
技术领域
本实用新型属于基于微弱能量收集与储存领域，涉及一种基于压电材料的非特定方向风能收集装置。
背景技术
随着物联网技术的不断发展，微功耗设备的应用愈加广泛，但各种微功耗设备的长期供电问题也愈发凸显，尤其对于工作在野外的数据采集与监测设备，由于所配电池不宜频繁更换，需要合理设置其电源供给系统。
另外，随着人们环境保护意识越来越强，开发并利用各种无污染的可再生新能源成为人们关注的焦点，风能作为环境中普遍存在的一种能源，它几乎存在于自然界的每一个角落，是一种利用率较高的新能源。此外，太阳能发电技术如今已经得到很大程度的应用，但是，在日照量不足的地区以及夜间，此项技术很难得到良好的收益效果，因此，可以推广风能与太阳能联合发电技术，使光伏发电技术与风力发电技术形成良性互补。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种基于压电材料的非特定方向风能收集装置,可以对任意方向的风能实现有效收集，具有结构简单、易于实现，无污染等优点。
本实用新型是这样实现的，一种基于压电材料的非特定方向风能收集装置，包括:壳体、压电悬臂梁阵列、能量转换电路及能量储存单元；
所述壳体为圆柱形，分为横向隔板与纵向隔板，纵向隔板与横向隔板各开有小槽，槽与槽之间相互嵌入，包括三张横向隔板与四张纵向隔板垂直交错排列，三张横向隔板为圆环形平行设置，四张纵向隔板相交成90度后与横向隔板连接，空间割成八个张角为90度的喇叭口单元；
所述压电悬臂梁阵列，环绕分布在整个圆柱形空间的八个喇叭口单元中,每个喇叭口单元里的压电悬臂梁阵列具有相同的排列方式；
能量转换电路，与所述压电悬臂梁阵列的输出连接后，安装在中间横向隔板的圆环中心；
能量储存单元，安装在纵向隔板上，与能量转换电路连接后用于储存能量。
进一步地，所述压电悬臂梁阵列包括：在所述喇叭口单元内，竖直方向上设置三层电极分别连接在两侧的纵向隔板内，上下两层的电极上设置两个压电悬臂梁，中间层电极上设置一个压电悬臂梁。
进一步地，中间层电极距离壳体中心线的距离比上下两层的电极距离壳体中心线的距离大1-2cm。
进一步地，所述压电悬臂梁包括压电双晶片及扇形柔性梁，所述压电双晶片底端夹紧固定在电极中，顶端通过薄铝片和小螺丝与扇形柔性梁连接。
进一步地，在每个所述喇叭口单元内，三层电极之间相距2.5～4cm。
进一步地，电极由两片长条形单面覆铜片经螺丝夹紧而成。
进一步地，所述扇形柔性梁选用0.1mm厚度的PET薄膜，为张角60度的扇形。
进一步地，所述压电悬臂梁的正负极由细铜导线引出，接入能量转换电路。
本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本实用新型通过设置的壳体以及压电悬臂梁阵列可以对任意方向风能收集，具有结构简单、易于实现、无污染等优点。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的设备整体主视结构示意图(由于圆柱的对称性，左视图也为此图)；
图2为本实用新型实例的设备俯视结构示意图；
其中，1-横向隔板；2-纵向隔板；3-纵向隔板电极固定孔；4-横向隔板固定槽；5-电极；6-压电双晶片；7-扇形柔性梁；8-能量转换电路；9-能量储存单元。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
参见图1结合图2，基于压电材料的非特定方向风能收集装置，包括:壳体、压电悬臂梁阵列、能量转换电路及能量储存单元；
壳体为圆柱形，由厚度为3.0mm的亚克力板(或木板)切割、组装而成，分为横向隔板1与纵向隔板2，纵向隔板1与横向隔板2各开有小槽，槽与槽之间相互嵌入，如图2所示的横向隔板固定槽4横向隔板与纵向隔板固定，将包括三张横向隔板与四张纵向隔板垂直交错排列，三张横向隔板1为圆环形平行设置，四张纵向隔板2相交成90度后与横向隔板连接，空间割成八个张角为90度的喇叭口单元21；在一个实施例中，横向隔板为外直径30cm、内直径13cm、厚度3.0mm的圆环片状结构，纵向隔板为长8.5cm、高26cm、厚3.0mm的矩形片状结构，三张横向隔板与四张纵向隔垂直交错排列，将整个圆柱形空间分割成八个高11cm、张角为90度的喇叭口单元。
压电悬臂梁阵列，环绕分布在整个圆柱形空间的八个喇叭口单元21中,每个喇叭口单元21里的压电悬臂梁阵列具有相同的排列方式；以其中的一个单元来看，压电悬臂梁阵列由5个压电悬臂梁22组成，分上、中、下三层，上层和下层每层并行排列两个压电悬臂梁22，中间层仅放置一个压电悬臂梁22，但其距圆柱中心线的距离比上下层压悬臂梁距圆柱中心线的距离稍远1cm，五个压电悬臂梁22的悬臂梁顶端构成一个正四棱锥结构。
压电悬臂梁26由压电双晶片6及扇形柔性梁7组成。电极5由两片厚1.2mm、宽8.0mm的长条形单面覆铜片经螺丝夹紧而成，电极的两端固定在纵向隔板电极固定孔3中，起夹持压电双晶片、安装固定以及引出电流的作用；扇形柔性梁选用0.1mm厚度的PET薄膜，为张角60度的扇形，通过铝片和螺丝夹持使其与压电双晶片前端紧密连接。
压电悬臂梁22正负极由细铜导线引出，接入能量转换电路8。能量转换电路8，与压电悬臂梁22阵列的输出连接后，安装在中间横向隔板的圆环中心。
能量转换电路9将风致振动产生的机械能转化为无规则交流电能，分为整流、并联缓冲、开关控制、稳压四个环节。整流环节为三倍压整流电路；并联缓冲环节是将一个单元的五个压电悬臂梁输出的脉动直流通过并联给超级电容充电；开关控制环节主要由PNP型三极管、肖特基二极管和N沟道MOSFET构成；稳压环节由低功耗稳压芯片MAX666完成，使用其固定输出模式输出5V电压。
能量储存单元安装在纵向隔板上，与能量转换电路连接后用于储存能量。同时，为微功耗负载供电。
基于压电片的非特定方向风能收集装置的工作原理如下：风的振动使压电悬臂梁阵列发生颤振，压电双晶片在扇形柔性梁的带动下发生振动，在其电极两端产生交流电能，通过能量转换电路将能量存储于锂电池中。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于压电材料的非特定方向风能收集装置，其特征在于，包括:壳体、压电悬臂梁阵列、能量转换电路及能量储存单元；
所述壳体为圆柱形，分为横向隔板与纵向隔板，纵向隔板与横向隔板各开有小槽，槽与槽之间相互嵌入，包括三张横向隔板与四张纵向隔板垂直交错排列，三张横向隔板为圆环形平行设置，四张纵向隔板相交成90度后与横向隔板连接，空间割成八个张角为90度的喇叭口单元；
所述压电悬臂梁阵列，环绕分布在整个圆柱形空间的八个喇叭口单元中,每个喇叭口单元里的压电悬臂梁阵列具有相同的排列方式；
能量转换电路，与所述压电悬臂梁阵列的输出连接后，安装在中间横向隔板的圆环中心；
能量储存单元，安装在纵向隔板上，与能量转换电路连接后用于储存能量。
2.如权利要求1所述的基于压电材料的非特定方向风能收集装置，其特征在于，所述压电悬臂梁阵列包括：在所述喇叭口单元内，竖直方向上设置三层电极分别连接在两侧的纵向隔板内，上下两层的电极上设置两个压电悬臂梁，中间层电极上设置一个压电悬臂梁。
3.如权利要求2所述的基于压电材料的非特定方向风能收集装置，其特征在于，中间层电极距离壳体中心线的距离比上下两层的电极距离壳体中心线的距离大1-2cm。
4.如权利要求2所述的基于压电材料的非特定方向风能收集装置，其特征在于，所述压电悬臂梁包括压电双晶片及扇形柔性梁，所述压电双晶片底端夹紧固定在电极中，顶端通过薄铝片和小螺丝与扇形柔性梁连接。
5.如权利要求2所述的基于压电材料的非特定方向风能收集装置，其特征在于，在每个所述喇叭口单元内，三层喇叭口单元之间相距2.5～4cm。
6.如权利要求2所述的基于压电材料的非特定方向风能收集装置，其特征在于，电极由两片长条形单面覆铜片经螺丝夹紧而成。
7.如权利要求4所述的基于压电材料的非特定方向风能收集装置，其特征在于，所述扇形柔性梁选用0.1mm厚度的PET薄膜，为张角60度的扇形。
8.如权利要求2或4所述的基于压电材料的非特定方向风能收集装置，其特征在于，所述压电悬臂梁的正负极由细铜导线引出，接入能量转换电路。
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