[發明專利]基于柔性顫振效應的低速氣流能量采集裝置及方法

在審

• 申請號: 201710475983.8
• 申請日: 2017-06-21
• 公開（公告）號: CN107171594A
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 費飛;樓軍龍;楊德華;吳常鋮;劉申宇
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02K35/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 張艷

技術領域

本發明涉及基于柔性顫振效應的低速氣流能量采集裝置及方法，具體涉及一種基于空氣動力學顫振效應的能量采集裝置及方法，將低速的氣流高效率地轉換為電能，用于城市建筑物之間或室內通風管道的無線傳感器節點供電。

背景技術

顫振是在一定風速下發生的一種動力失穩現象，其主要原因是由于氣流與結構體之間的相互作用而產生的自激力所引起，自激力的存在使得系統的阻尼和剛度性質發生變化，從而在一定風速下產生總的負阻尼，導致結構體的振動能量不斷增加，當達到臨界風速且在結構體能夠承受的風速內，結構體會產生具有固定頻率及振幅的振動。

目前關于顫振的研究主要集中在橋梁風工程以及航天工程的機翼設計中，研究方向主要為探尋顫振的發生條件以降低顫振事故的發生，尚沒有專門的系統性研究來討論如何增強和利用顫振效應從氣流中獲取能量，尤其是顫振效應中來源于運動結構體和氣流耦合作用的正反饋自激力，形成原因較復雜和受影響因素較多，現有的顫振能量采集方法大部分都是通過利用氣流驅動翼狀結構，進而壓迫壓電梁，通過正壓電方法獲取能量，該類方法機械結構較復雜，由于自重較大，對氣流流速有一定要求，另外考慮到壓電材料在低頻振動下能量轉換效率很低，因此并不適合于低速氣流能量采集。

發明內容

為了解決上述存在的問題，本發明公開了一種基于柔性顫振效應的低速氣流能量采集裝置及方法，其具體技術方案如下：

基于柔性顫振效應的低速氣流能量采集裝置，包括柔性彈性壓電薄膜帶，所述柔性彈性壓電薄膜帶繃緊固定在兩個底座之間，兩個所述底座通過若干個支桿支撐固定連接。

所述柔性彈性壓電薄膜帶的兩側均設置有導流板，所述導流板與柔性彈性壓電薄膜帶傾斜。

所述柔性彈性壓電薄膜帶的一端設置有定圈動鐵電磁共振單元，所述定圈動鐵電磁共振單元能夠與柔性彈性壓電薄膜帶共振。

所述定圈動鐵電磁共振單元包括電磁共振單元基座，所述電磁共振單元基座頂端設置有帶通孔活動部件，所述帶通孔活動部件套接在電磁共振單元基座內，且帶通孔活動部件與電磁共振單元基座底部之間設置有彈簧，所述帶通孔活動部件內設置有磁鐵，所述磁鐵抵觸著彈簧，所述電磁共振單元基座的外周圓周纏繞有兩組線圈。

所述柔性彈性壓電薄膜帶的外面設置有保護罩，所述帶通孔活動部件與柔性彈性壓電薄膜帶固定，所述電磁共振單元基座與保護罩內壁抵觸固定。

所述柔性彈性壓電薄膜帶的兩端均通過鎖定機構與底座連接，所述鎖定機構包括兩片“L”形的連接板，兩片“L”形的連接板分別位于柔性彈性壓電薄膜帶的兩側，并將柔性彈性壓電薄膜帶夾緊固定，兩片“L”形的連接板與底座連接。

所述連接板包括“L”形垂直的兩片滑片，兩片滑片均開設有腰形孔，其中一片滑片與固定座貼合，另一片滑片與柔性彈性壓電薄膜帶貼合，腰形孔中均貫穿有連接件，該連接件連接滑片與對應固定座或柔性彈性壓電薄膜帶。

基于柔性顫振效應的低速氣流能量采集方法，包括以下操作步驟：

(1)組裝基于柔性顫振效應的低速氣流能量采集裝置；

(2)柔性彈性壓電薄膜帶在經受切向風時產生頻率固定的類正弦振動，通過理論計算得到橫向風受力與柔性彈性壓電薄膜帶的尺寸以及橫截面形狀之間的關系，考慮到橫向風受力與柔性彈性壓電薄膜帶的橫截面形狀密切相關，當結構體發生顫振時，同時受到垂直方向的提升力和轉動力矩的作用，由于一般扭轉角度都較小，在最簡單的情況下，在橫截面上顫振運動考慮成兩個自由度的運動，即垂直方向的上下振動和一定角度的周期扭轉，利用其中幅度較大的垂直上下振動來驅動定圈動鐵電磁共振單元的微型電磁感應共振發電機或者柔性彈性壓電薄膜帶；

(3)振動中的柔性彈性壓電薄膜帶的穩定性將取決于各項氣動系數的正負和數值，在橫截面上顫振運動可以考慮成兩個自由度的運動，當引入垂直方向的臨界阻尼率ξ_h和偏轉方向的臨界阻尼率ξ_α，以及兩個方向的固有頻率ω_h和ω_α，大跨度柔性結構的顫振方程寫成：

(4)在實際工程應用中，由于結構體橫截面形狀的復雜性，無法通過統一的方法來定性描述自激力L和M，引入氣動導數H_i和A_i來描述彈性體的結構特征和風速之間的關系，在引入氣動導數之后，顫振運動表述為如下形式：

為了定量計算顫振運動的參數，聯合公式(1)和公式(2)可得公式(3)：