[發明專利]一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置

有效

• 申請號: 201511016104.2
• 申請日: 2015-12-30
• 公開（公告）號: CN105471319B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發明（設計）人: 陳荷娟;蔡建余;鄒華杰;孫加存;梁醫;楊堅;李飛;張營;張健;孫劍韜;姜節波
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 陳宏偉

技術領域

本發明提供一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置，涉及利用氣流誘發聲波的流體動力聲源、激勵壓電換能器輸出電能的裝置，屬于氣流壓電發電技術領域。

背景技術

振源來自環境中風、氣流的振動壓電發電機，是一種清潔的再生能源。激勵來自工作環境中的自然風（或迎面空氣產生的氣流）的供電系統，其風速低，范圍1～10m/s，即1～5級的微風、和風，發電機都采用水平軸或垂直軸渦輪式旋轉結構，靠風或氣流直接推動渦輪葉片轉動激勵的磁電換能器發電。對于一般設備或系統的自供電系統來說，渦輪發電機存在安裝場地困難、體積龐大、結構復雜，葉輪、渦輪等活動零件強度低、噪聲大，磁電換能易造成電磁污染等問題。

目前，利用環境氣流的壓電換能器發電機，一般是懸臂梁式機械激勵結構和多層壓電換能器，存在輸出能量低、產品合格率低等問題。

中國發明專利“一種基于壓電效應的微風發電裝置”（專利號：CN201210277507.2，南京航空航天大學周成鋒等），公開了一種基于壓電效應的微風發電裝置,包括底板以及設置在底板上的壓電陣子和升力型風機,在升力型風機的轉軸上連接有帶齒的凸輪,壓電陣子均布在凸輪的外側,凸輪的齒頂為尖頂,凸輪的齒數為N,壓電陣子的個數為M，最低時速4公里的微風環境中工作，輸出功率達到15mW。該發明采用旋轉的風機和凸輪齒激勵壓電振子，系統強度低，抗干擾能力低，結構復雜、體積偏大。

美國專利“Forced vibration piezo generator and piezo actuator Sapir”(專利號：US 8040022, Sapir; Itzhak Irvine, CA).，公布了一種使用一個或多個懸臂梁式壓電陣列的氣流致振壓電發電機，壓電發電系統包括多個壓電發生器模塊，每個壓電發電機模塊包括多個壓電懸臂梁和流體壓力調節器，流體壓力調節器設置在每個懸臂梁上，有節流活塞和排氣孔。該發明依靠直線運動的活塞機構來調節氣流和懸臂梁式壓電陣列，同樣，存在系統強度低、抗干擾差、結構復雜、體積大的問題。

發明內容

本發明提供一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置，具有氣流調節性好、振動頻率穩定、體積小、結構簡單的特點。

本發明所述的一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置，其特征在于：包括進氣口、噴嘴、聲管構成的振動結構、固定在聲管底部的壓電換能器。其中，外殼的一端與堵塞形成進氣口，噴嘴內孔為變截面收縮氣道；另一端順序排列有聲管、壓電片，通過外端蓋板與外殼固連，并將壓電片緊壓在聲管末端；噴嘴與聲管間留有空腔。

所述的一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置，其特征在于：所述的堵塞為扁圓柱體結構，鑲嵌在外殼內形成的狹窄狀側隙構成進氣口。

所述的一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置，其特征在于：所述的噴嘴內孔流道曲線為維多辛斯基曲線。

所述的一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置，其特征在于：噴嘴與聲管同軸，通過堵塞緊壓在外殼上；噴嘴的收縮口置于空腔內，位于聲管前端口前端，構成一個聲波正反饋系統。

所述的一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置，其特征在于：所述的聲管為具有聲波分界面的突變截面管，不同直徑的內孔構成收縮孔，通過蓋板緊壓。

所述的一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置，其特征在于：所述的聲管前端口有內倒角構成尖棱，對準噴嘴的收縮口；聲管末端外側放置壓電片構成固有頻率等于聲波頻率的壓電換能器。

所述的一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置，其特征在于：所述的壓電片由壓電PZT陶瓷制成，置于聲管的底部，由蓋板夾緊，構成聲管的剛性壁面。

所述的一種氣流致聲壓電發電強制振動裝置，其特征在于：所述的外殼 在空腔位置周向開有數個垂直軸或傾斜的排氣孔，前端與堵塞、后端與蓋板螺紋連接，中間段與噴嘴、聲管間隙配合。

本發明通過裝置外部的不穩定入流在一個特殊結構的進氣口內流動，在近管口處迅速轉捩為湍流，使得在一個收縮噴口能夠形成噴注，誘發旋渦和脫落現象，產生周期性“卡門渦街”壓力場，在一個帶尖棱的突變截面聲管口部生成邊棱音，經聲管反射的聲波在收縮噴口與“渦街”耦合，發生旋渦脫落頻率被反射聲波頻率所俘獲的現象，聲波聲強被放大并很快在聲管內合成穩定的駐波，壓電換能器和駐波諧振。在聲波到達壓電換能器之前放大了聲源頻率，在相同的時間內能夠產生更多的振動，使壓電換能器獲得更高的電能收集效率，有利于提高壓電發電機的輸出功率，提供幾十至幾百毫瓦的電能。

本發明的積極效果在于：