CN219436884U - 一种收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，包括微通道环形阵列风能俘获装置、内通道风速放大装置、压电发电装置以及连接块；微通道环形阵列风能俘获装置由内壳、外盖以及环形阵列板块组成；内通道风速放大装置的内部贯穿形成有变截面直通道以及位于变截面直通道一侧的内腔，变截面直通道采用漏斗结构，变截面直通道靠近连接块的尺寸大于远离连接块的尺寸；压电发电装置包括悬臂梁和压电陶瓷片，悬臂梁的一端固定在内腔的一端中，悬臂梁的另一端自由，压电陶瓷片粘在悬臂梁固定端的上表面上。本实用新型可用于自然环境下风力发电，改进了现有旋转式压电风能俘能器的结构复杂，风能收集方向单一的缺陷。
Description
技术领域：
本实用新型涉及一种收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，其属于环境能量收集技术领域及智能材料与结构领域。
背景技术：
风能是空气流动所产生的动能。目前中国风能资源的总储量非常巨大，一年中技术可开发的能量约5.3x10^13千瓦时。风能不同于化石能源，风能是可再生的清洁能源，储量大、分布广，但其能量密度低(只有水能的1/800)，且不稳定；加之目前广泛应用的电磁风力发电机存在整体所占空间大、运输困难、对技术要求较高等局限性。
利用压电效应研制的风能俘能装置具有结构简单、体积小、易装配等特点。其通过将风能转化为稳定的振动能量，再通过压电材料或其他换能材料转化为电能(中国专利申请号：201911420965.5；中国专利申请号：202010042533.1；中国专利申请号：201910485173.X)。然而，自然环境中风的方向往往随着时间而改变，上述设计的劣势在于只能实现单一方向风能收集，其原因在于压电悬臂梁在宽度方向上的振动效果太差。现有的对不同方向风能收集的压电风能俘能器多为活动装置(中国专利公开号：CN218376726U；中国专利公开号：CN113676080A；中国专利公开号：CN208106652U)，导致其在风向变化的环境中的输出不稳定、能量转换效率低、使用寿命短；同时存在对低流速风无法有效俘获的局限性。因此，有必要提出一种结构简单、成本低、绿色环保且发电效率高，适用低风速且多维度风能采集的新型压电风能俘能器。
实用新型内容：
针对目前环境风能俘能器的设计难以满足低流速、多维度的风能采集，及装置结构简易的目标，本实用新型提出一种收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器。
本实用新型所采用的技术方案有：一种收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，包括微通道环形阵列风能俘获装置、内通道风速放大装置、压电发电装置以及连接块；
所述微通道环形阵列风能俘获装置由内壳、外盖以及若干个间隔设置在内壳和外盖之间的以形成通道的环形阵列板块组成；
所述内通道风速放大装置的内部贯穿形成有变截面直通道以及位于变截面直通道一侧的内腔，所述内腔位于内通道风速放大装置内部远离连接块的一末端，所述变截面直通道采用漏斗结构，所述变截面直通道靠近连接块的尺寸大于远离连接块的尺寸；
所述压电发电装置包括悬臂梁和压电陶瓷片，所述悬臂梁的一端固定在内腔的一端中，所述悬臂梁的另一端自由，所述压电陶瓷片粘在悬臂梁固定端的上表面上。
进一步地，所述内壳与外盖尺寸和形状完全相同，均为圆环结构。
进一步地，所述内壳和外盖的中心位置均设置有尺寸和形状完全相同的圆孔，所述环形阵列板块位于圆孔的外周缘与带孔外盖的外周缘之间。
进一步地，所述环形阵列板块为长方形薄板结构，多个所述环形阵列板块沿着圆环结构半径方向延伸且间隔设置在内壳和外盖之间。
进一步地，所述内腔位于变截面直通道远离连接块的末端的一侧。
进一步地，所述连接块内部一末端为长方形，形状和尺寸与变截面直通道上靠近连接块的部分结构大小相同，另一末端为圆形，形状和尺寸与内壳、外盖上圆孔一致。
进一步地，所述内壳、变截面直通道、带孔外盖、环形阵列板块的材料为聚四氟乙烯。
进一步地，所述悬臂梁采用磷青铜材料。
本实用新型具有如下有益效果：
(1)本实用新型提出的收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，该装置结构简单、易装配、对风向适应强、对低风速能量转化率高的特点，属于环境友好型能量收集装置；
(2)本实用新型中微通道环形阵列的设计，可以高效采集自然环境中三维方向的风能，同常规的微小型压电风能俘能器相比，具有风向适应性更好的有点；
(3)本实用新型中内通道风速放大装置由漏斗结构连接的变截面直通道和内腔组成，基于伯努利原理，该结构可增大入口处风速，提高内腔和直通道的压力差，进而放大压电悬臂梁振幅，从而提升其输出电压和功率；
(4)本实用新型可用于自然环境下风力发电，改进了现有旋转式压电风能俘能器的结构复杂，风能收集方向单一的缺陷。
附图说明：
图1为本实用新型收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器整体示意图。
图2为本实用新型收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器局部示意图。
图3为微通道环形阵列风能俘获装置示意图
图4为内通道风速放大装置结构正面剖视图
图5为本实用新型收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器俯视图。
具体实施方式：
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
如图1至图5所示，本实用新型收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，包括微通道环形阵列风能俘获装置1、内通道风速放大装置2、压电发电装置3以及连接块11。
其中微通道环形阵列风能俘获装置1由多个环形阵列板块4、内壳5和外盖6组成，内壳5与外盖6尺寸和形状完全相同，均为圆环结构。环形阵列板块4为长方形薄板结构，多个环形阵列板块4沿着圆环结构半径方向延伸且间隔设置在内壳5和外盖6之间，以形成4～8个通道。
内壳5和外盖6的中心位置均设置有尺寸和形状完全相同的圆孔，环形阵列板块4位于圆孔的外周缘与带孔外盖6的外周缘之间。
内通道风速放大装置2的内部贯穿形成有变截面直通道7，内通道风速放大装置2的内部位于变截面直通道7一末端一侧的位置形成有内腔8，内腔8位于内通道风速放大装置2内部远离连接块11的一末端。变截面直通道7采用漏斗结构，其中变截面直通道7靠近连接块11的尺寸大于远离连接块11的尺寸。
压电发电装置3包括悬臂梁9和压电陶瓷片10，悬臂梁9的一端固定在内腔8的一端中，悬臂梁9的另一端自由，压电陶瓷片10采用导电胶粘在悬臂梁9固定端的上表面上。
连接块11内部一末端为长方形，形状和尺寸与变截面直通道7上靠近连接块11的部分结构大小相同，另一末端为圆形，形状和尺寸与内壳5、外盖6上圆孔一致。
其中内壳5、变截面直通道7、带孔外盖6、环形阵列板块4均采用3D打印制备，其材料为聚四氟乙烯。悬臂梁9采用磷青铜材料，通过激光切割制备。
下面为本实用新型收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器一个具体的实施例。
内通道风速放大装置2长L1＝50mm，宽W1＝15mm，高H1＝20mm，连接块11长L2＝12mm,宽W2＝6mm，高H2＝12mm。内壳5、外盖6外圆直径D＝30mm，圆孔直径d＝5mm，厚度H3＝1mm，八个环形阵列板块4长L3＝12.5mm，宽W3＝2mm，厚度t1＝0.3mm，悬臂梁9长L4＝13mm，宽W4＝1.5mm，厚度t2＝0.18mm。其中压电陶瓷片10的材料为柔性PZT压电陶瓷片，长度L5＝12mm，宽度W5＝1.25mm，厚度t3＝50μm，其压电系数d33＝180×10-12C/N。
本实用新型收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器的工作原理如下：
当自然环境中的风流经微通道环形阵列压电俘能器后，气流进入内通道风速放大装置2，将低速风加速。基于伯努利原理，该结构可增大入口处风速，提高内腔和变截面直通道的压力差，进而放大压电悬臂梁振幅及其根部应变，基于压电效应将提升其输出电压和功率，最终达到风能转化为电能的目的。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，其特征在于：包括微通道环形阵列风能俘获装置(1)、内通道风速放大装置(2)、压电发电装置(3)以及连接块(11)；
所述微通道环形阵列风能俘获装置(1)由内壳(5)、外盖(6)以及若干个间隔设置在内壳(5)和外盖(6)之间的以形成通道的环形阵列板块(4)组成；
所述内通道风速放大装置(2)的内部贯穿形成有变截面直通道(7)以及位于变截面直通道(7)一侧的内腔(8)，所述内腔(8)位于内通道风速放大装置(2)内部远离连接块(11)的一末端，所述变截面直通道(7)采用漏斗结构，所述变截面直通道(7)靠近连接块(11)的尺寸大于远离连接块(11)的尺寸；
所述压电发电装置(3)包括悬臂梁(9)和压电陶瓷片(10)，所述悬臂梁(9)的一端固定在内腔(8)的一端中，所述悬臂梁(9)的另一端自由，所述压电陶瓷片(10)粘在悬臂梁(9)固定端的上表面上。
2.如权利要求1所述的收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，其特征在于：所述内壳(5)与外盖(6)尺寸和形状完全相同，均为圆环结构。
3.如权利要求2所述的收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，其特征在于：所述内壳(5)和外盖(6)的中心位置均设置有尺寸和形状完全相同的圆孔，所述环形阵列板块(4)位于圆孔的外周缘与带孔外盖(6)的外周缘之间。
4.如权利要求2所述的收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，其特征在于：所述环形阵列板块(4)为长方形薄板结构，多个所述环形阵列板块(4)沿着圆环结构半径方向延伸且间隔设置在内壳(5)和外盖(6)之间。
5.如权利要求1所述的收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，其特征在于：所述内腔(8)位于变截面直通道(7)远离连接块(11)的末端的一侧。
6.如权利要求3所述的收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，其特征在于：所述连接块(11)内部一末端为长方形，形状和尺寸与变截面直通道(7)上靠近连接块(11)的部分结构大小相同，另一末端为圆形，形状和尺寸与内壳(5)、外盖(6)上圆孔一致。
7.如权利要求1所述的收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，其特征在于：所述内壳(5)、变截面直通道(7)、带孔外盖(6)、环形阵列板块(4)的材料为聚四氟乙烯。
8.如权利要求1所述的收集全方向风能的微通道环形阵列压电俘能器，其特征在于：所述悬臂梁(9)采用磷青铜材料。
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| CN219436884U true CN219436884U (zh) | 2023-07-28 |
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2023
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