CN212958943U - 一种基于活塞风的能量转换装置和采集装置 - Google Patents

一种基于活塞风的能量转换装置和采集装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于活塞风的能量转换装置和采集装置，本实用新型通过设置绕流体和具有第一端和第二端的悬臂结构，第一端连接绕流体，第二端用于与隧道固定，第二端设置有压电材料，使得在具有活塞风时，活塞风会在绕流体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡，在绕流体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力，引起绕流体的周期性振动，进而会导致悬臂结构产生周期性的振动，使压电材料将振动产生的机械能转化为电能，即完成了风能至电能的转换过程，充分利用活塞风的风能，提高新能源的利用率，可广泛应用于风能发电技术领域。

Description

一种基于活塞风的能量转换装置和采集装置
技术领域
本实用新型涉及风能发电技术领域，尤其是一种基于活塞风的能量转换装置和采集装置。
背景技术
随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对新能源的利用越来越重视，例如太阳能和风能等能源的利用。而在轨道交通系统中，在地铁经过隧道时会产生高速的活塞风，然而现今未能对该产生的风能进行利用，浪费了大量的资源，因此需要设计一种充分利用活塞风的风能的装置。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种基于活塞风的能量转换装置和采集装置。
本实用新型所采取的技术方案是：
一种基于活塞风的能量转换装置，包括：
绕流体；
悬臂结构，具有第一端和第二端，所述第一端连接所述绕流体，所述第二端用于与隧道固定；
压电材料，设置于所述第二端。
进一步，所述绕流体具有呈矩形的截面。
进一步，所述压电材料设置于所述第二端的表面或者嵌入所述第二端。
进一步，所述压电材料包括聚偏氟乙烯、共聚物和聚丙烯的至少一种。
进一步，所述悬臂结构为具有弹性的金属结构。
进一步，所述悬臂结构的固有频率与所述绕流体产生涡激振动的频率相等。
进一步，所述第二端用于固定在隧道的槽孔内。
本实用新型还提供一种基于活塞风的能量采集装置，包括所述的基于活塞风的能量转换装置、控制单元以及传感器，所述控制单元连接所述压电材料和所述传感器。
本实用新型还提供一种基于活塞风的能量采集装置，包括所述的基于活塞风的能量转换装置、控制单元以及存储单元，所述控制单元连接所述压电材料和所述存储单元。
进一步，还包括传感器，所述传感器连接所述控制单元以及所述存储单元。
本实用新型的有益效果是：设置绕流体和具有第一端和第二端的悬臂结构，第一端连接绕流体，第二端用于与隧道固定，第二端设置有压电材料，使得在具有活塞风时，活塞风会在绕流体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡，在绕流体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力，引起绕流体的周期性振动，进而会导致悬臂结构产生周期性的振动，使压电材料将振动产生的机械能转化为电能，即完成了风能至电能的转换过程，充分利用活塞风的风能，提高新能源的利用率。
附图说明
图1为本实用新型的基于活塞风的能量转换装置的结构示意图；
图2为本实用新型的基于活塞风的能量转换装置的安装示意图；
图3为本实用新型的基于活塞风的能量采集装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步解释和说明。
参照图1，本实用新型实施例提供了一种基于活塞风的能量转换装置，设置于隧道内，包括绕流体1、悬臂结构2和压电材料3。
在本实施例中，绕流体1为钝体物块，具有呈矩形的截面，可选地为具有棱角的方形截面，可以理解的是气动外型的大小可以根据地铁具体的风场情况进行设计。而气动外型与隧道内来流的风速形成一个角度，可选地为最优风攻角，即使得在一定的风速下，该角度可以使绕流体1产生最大位移的涡激振动。
参照图1和图2，在本实施例中，悬臂结构2为具有弹性的金属结构，可选地利用的金属材料为钢铁和铍青铜。悬臂结构2具有第一端21和第二端22，第一端21连接绕流体1，第二端22用于与隧道固定，可选地为固定于隧道壁面的槽孔A内，槽孔包括但不限于离地高度为4m～5m。
在本实施例中，悬臂结构2的固有频率与绕流体1产生涡激振动的频率相等，使悬臂结构2最大限度地将涡激振动所产生的机械能转化为电能，提高转换效率。
参照图1和图2，在本实施例中，压电材料3设置于第二端22，可选地可以为贴附在第二端22的表面或者嵌入第二端22内。可选地，压电材料3使用柔韧性好、低密度、可制成大面积的薄膜和力学阻抗低的材料，包括但不限于偏氟乙烯、共聚物和聚丙烯的其中一种或多种。
其中，经测试在铁路及地铁隧道内，列车的行驶速度在80～100km/h时，隧道内产生的高速活塞风风速可达7～9m/s，说明利用活塞风进行能量转换的可行性。
下面详细描述本实用新型的具体工作过程：当地铁经过隧道时，会产生高速的活塞风，高速活塞风会在绕流体1两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡，而这种交替发放的泻涡又会在绕流体1上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力，使得绕流体1进行周期性振动，进而会导致悬臂结构2产生周期性的振动，此时压电材料3产生受迫振动而发生弯曲变形，进而引起压电薄膜内应变和应力的变化，其表面将有自由电荷产生，然后便会产生电位差(称之为正压电效应)，进而产生一定的电流，即实现了活塞风风能至电能的转换，充分利用风能。而由于地铁隧道活塞风是有规律、有周期性的通风气流，其能量随列车速度的提高而变大，因此可以能够源源不断的产生清洁的可再生能源。
参照图3，本实用新型还提供一种基于活塞风的能量采集装置，包括上述基于活塞风的能量转换装置、控制单元以及传感器，控制单元连接压电材料3和传感器。
在本实施例中，控制单元可选地为单片机、FPGA、CPLD、DSP、ARM等在内的任一种，用于接收压电材料3产生的电流并输出稳定的电流至传感器，使传感器获取数据。可选地，传感器可以为温湿度传感器或风速传感器等。通过该装置，能够利用由风能转换的电能，利用源源不断的产生清洁的可再生能源为传感器供电。
参照图3，本实用新型还提供另一种基于活塞风的能量采集装置，包括上述的基于活塞风的能量转换装置、控制单元以及存储单元，控制单元连接压电材料3和存储单元。
可选地，储存单元为电池，能够将电能进行存储。
可选地，还包括传感器，传感器连接控制单元以及存储单元，其中控制单元设置有遥控开关，控制储存单元、传感器与控制单元之间的回路，其中，本实用新型不涉及在对遥控开关的控制方法的改进，保护的是控制储存单元、传感器与控制单元之间的连接关系。
当压电材料3产生电能时，控制单元输出电流至传感器，并可以将多余的电量通过储存单元进行储存，而当压电材料3未产生电能时，可以依靠储存单元对传感器进行供电。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于活塞风的能量转换装置，其特征在于，包括：
绕流体；
悬臂结构，具有第一端和第二端，所述第一端连接所述绕流体，所述第二端用于与隧道固定；
压电材料，设置于所述第二端。
2.根据权利要求1所述的一种基于活塞风的能量转换装置，其特征在于：所述绕流体具有呈矩形的截面。
3.根据权利要求1所述的一种基于活塞风的能量转换装置，其特征在于：所述压电材料设置于所述第二端的表面或者嵌入所述第二端。
4.根据权利要求1所述的一种基于活塞风的能量转换装置，其特征在于：所述压电材料包括聚偏氟乙烯、共聚物和聚丙烯的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于活塞风的能量转换装置，其特征在于：所述悬臂结构为具有弹性的金属结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于活塞风的能量转换装置，其特征在于：所述悬臂结构的固有频率与所述绕流体产生涡激振动的频率相等。
7.根据权利要求1所述的一种基于活塞风的能量转换装置，其特征在于：所述第二端用于固定在隧道的槽孔内。
8.一种基于活塞风的能量采集装置，其特征在于：包括如权利要求1-7任一项所述的基于活塞风的能量转换装置、控制单元以及传感器，所述控制单元连接所述压电材料和所述传感器。
9.一种基于活塞风的能量采集装置，其特征在于：包括如权利要求1-7任一项所述的基于活塞风的能量转换装置、控制单元以及存储单元，所述控制单元连接所述压电材料和所述存储单元。
10.根据权利要求9所述的一种基于活塞风的能量采集装置，其特征在于：还包括传感器，所述传感器连接所述控制单元以及所述存储单元。
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