[發明專利]一種帶諧振腔的自供能風速計

無效

• 申請號: 201210199303.1
• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN102707084A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 賀學鋒;杜志剛
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01P5/08
• 分類號: G01P5/08;H02N2/18
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 穆祥維

技術領域

本發明屬于測控儀器和可再生能源的交叉領域，特別涉及到風速測量儀器和將環境風能轉換為電能的微能源器件。

背景技術

風速測量在氣象、煤礦、隧道等的監測中均得到廣泛應用，現有的風速計都需要一個獨立的電源（大多為電池）為其供電，但對于偏遠地區或危險地區的風速監測網絡而言，大批量更換電池或充電不僅耗時、耗力，甚至是難以完成的。因此研制自供能的風速計具有重要意義。

微型能量采集器（如微型太陽能電池、熱電池、振動能采集器、風能采集器等）具有低成本、小體積、長壽命、易集成、不需更換或充電等諸多優點，是無線傳感網絡節點、自治式微系統等的一種理想電源，近年來受到國內外廣泛關注。風能是自然界廣泛存在的一種可再生清潔能源，將環境風能轉換為電能的微型風能采集器已成為目前國內外微能源研究的熱點。基于風致振動機理的微型風能采集器具有可微型化、結構簡單、易于加工等特點，是微型風能采集器的一種易于實現的技術方案。

當風速大于下臨界風速時，基于風致振動機理的微型風能采集器才有較高的輸出功率。目前報道的基于風致振動機理的微型風能采集器的下臨界風速較高（大多在10m/s左右）。實際應用環境的風速大多低于10m/s，此時采集器的輸出功率極小，不能滿足應用對象的用電需求，因此開展降低微型風能采集器下臨界風速的研究十分重要。另外，由于環境中的雨水、烈日、碰撞等均可能對采集器的性能均有重要影響，因此研究微型風能采集器的封裝結構對微型風能采集器的實際應用具有重要意義。

發明內容

本發明針對風速計和微型風能采集器在實際應用時遇到的問題，提出了一種帶諧振腔的自供能風速計，該諧振腔不僅可以降低風能采集的下臨界風速，還可以實現對風速計結構的保護。

為了實現上述發明目的，本發明采取以下技術方案：

一種帶諧振腔的自供能風速計，該自供能風速計包括長方體諧振腔、振動梁、儲能器和頻率計；

所述諧振腔前側開口為入風口，諧振腔側壁的長方形開口為出風口；

所述振動梁由壓電復合梁和柔性梁組成，壓電復合梁包含至少一個壓電層，壓電層的上、下表面均有金屬電極；

所述振動梁安裝于諧振腔側壁出風口處，柔性梁的一端形成自由端，自由端朝入風口方向，并向諧振腔內傾斜，與風向形成一個攻角，振動梁的長度小于出風口的長度，振動梁的寬度小于出風口的寬度；

所述壓電層的金屬電極分別連接儲能器和頻率計，儲能器向頻率計供電。

作為本發明的一種優選方案，所述自由端與風向形成一個5°~30°的攻角。

在風載荷作用下，氣流流入諧振腔后減速，使腔內氣壓升高；柔性梁剛度很小，將向出風口處彎曲，機械回復力使其回到原位；當外界風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，柔性梁形成穩定的自激振蕩，使壓電復合梁壓電層內產生周期性形變，在壓電層上、下表面引出金屬電極便可以為儲能器或負載供電，實現風能的獲取與轉換；另一方面，風載荷在振動梁內產生軸向壓力，從而降低了振動梁的抗彎剛度，進一步降低了其固有頻率，頻率隨著風速的增加單調降低，因此當風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，利用頻率計測量壓電層輸出電壓的頻率就可以實現對風速的測量。諧振腔結構改變了振動梁附近的流場分布，擴大了作用于振動梁的動風載荷，從而降低了風能采集的下臨界風速，提高了低風速下的輸出功率；當風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，通過測量壓電層輸出電壓的頻率就可以實現對環境風速的檢測。

與現有技術相比，本發明提出的一種帶諧振腔的自供能風速計具有如下優點：

1、本發明提出的帶諧振腔的自供能風速計，其通過引入諧振腔，改變了振動梁附近的流場分布，擴大了作用于振動梁的動風載荷，從而降低了風能采集的下臨界風速，提高了其在低風速下的輸出功率。

2、本發明提出的帶諧振腔的自供能風速計，當風速在下臨界風速和上臨界風速之間時，輸出電壓大于給定閾值，壓電層輸出電壓隨風速的增加單調降低，因此通過測量輸出電壓的頻率就可以實現風速的測量。

3、本發明提出的帶諧振腔的自供能風速計，諧振腔對振動梁等具有明顯的保護作用，可以有效降低雨水、烈日、碰撞等均對器件的影響，從而提高器件的壽命。

附圖說明

圖1是帶諧振腔的自供能風速計的結構示意圖；

圖2是帶諧振腔的自供能風速計俯視圖；

圖3是帶諧振腔的自供能風速計主視圖；

圖4是帶諧振腔的自供能風速計左視圖；

圖5是實驗測得的輸出電壓有效值與風速的關系圖；