[發明專利]一種增強激勵的田字形全風向風致振動壓電俘能裝置

有效

• 申請號: 202010650977.3
• 申請日: 2020-07-08
• 公開（公告）號: CN111756274B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 宋汝君;付幸文;張慧榮;張磊安;郭前建
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種增強激勵的田字形全風向風致振動壓電俘能裝置，涉及清潔能源發電領域。本裝置由基座、主軸、水平連接件、豎直連接件、振子和換能器構成。所述水平連接件連接的主軸和振子形成串聯雙圓柱拾取水平方向風能產生振動，所述豎直連接件連接的兩個振子同樣形成串聯雙圓柱拾取豎直方向風能產生振動。貼裝于水平和豎直連接件交叉處的換能器采用正壓電效應將振動能轉換為電能。風向改變時，水平連接件可在風力驅動下繞主軸旋轉進行自適應調整，從而時刻保持串聯雙圓柱俘能狀態。本發明采用的雙圓柱較傳統單圓柱具有更高的俘能效率，可響應任意風向激勵，能量利用率更高，在難以架設線纜的微型傳感節點自供能領域有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬清潔能源發電領域，具體是一種增強激勵的田字形全風向風致振動壓電俘能裝置。

背景技術

無線傳感節點、便攜式電子器件以及微機電系統(MEMS)等低能耗電子產品的應用越來越廣泛。但是，這些低能耗電子產品依舊采用電池作為其主要能源，這就會產生環境污染、回收困難并且需定期更換等一些問題。由于風動能具有清潔、容易獲得和永不枯竭等特點，同時壓電能量收集技術是一種可以將機械能轉換為電能的環境能量收集技術，因此利用壓電材料拾取風能代替傳統電池為小型傳感節點供能成為目前利用風能實現自供能的主要研究方向。

現有的風能采集器大多基于渦振原理并采用單一圓柱振子進行俘能，因此此類風能采集器的輸出功率較低且風能利用率不高。大量研究發現，串行排列的雙圓柱振子可以通過調整其相關的形狀和位置參數來提升整體的俘能效率。經過對串行雙圓柱俘能系統的二維層流模型進行仿真計算，并與單圓柱俘能系統進行對比發現：在間距比為6時，雙圓柱俘能系統在同樣風速的激勵下所獲取的升力幅值是單圓柱俘能系統的2.6倍，而俘能效率正比于升力幅值，因此，合理利用雙圓柱渦激振動的特點可以彌補單圓柱俘能系統的缺陷，能夠使得壓電俘能系統具有更好的輸出特性。

同時，大自然的風向會隨時間而不斷改變，但是目前的風能采集器均只能在單一或少數幾個風向激勵下輸出電能，這就會造成能源的浪費以及風能采集器自身性能的不穩定。因此，設計一種具有較高風能采集效率以及能夠響應任意風向激勵的風能采集器變得尤為重要。

發明內容

本發明是為解決現有的單圓柱渦激振動風能俘獲系統輸出功率較小、風能采集效率較低；以及現有的風能俘獲裝置僅能響應單一或少數幾個風向激勵，造成風能資源的浪費和自身輸出性能不穩定的問題，進而提供了一種增強激勵的田字形全風向風致振動壓電俘能裝置。

本發明為解決上述問題提供的技術方案是：

一種增強激勵的田字形全風向風致振動壓電俘能裝置，包括：基座、固定件、導電套筒、絕緣套筒、摩擦套筒、主軸、導線接頭、接線螺釘、豎直連接件、3個振子、水平連接件、換能器、導線、4個基座螺釘、2片陶瓷壓電片以及銅膜，所述水平連接件一端套接在主軸上另一端安裝有振子，形成串行雙圓柱俘能系統拾取水平方向的風能產生垂直于水平風向的周期性振動；所述豎直連接件兩端均安裝振子，形成串行雙圓柱俘能系統拾取豎直方向上的風能產生垂直于豎直風向的周期性振動。

進一步地，所述水平連接件與主軸之間隔有摩擦套筒，摩擦套筒可以提供一定的摩擦力，用以防止振子在振動過程中出現“打滑”現象。

進一步地，所述水平連接件和豎直連接件兩端圓柱孔中心軸線之間的距離為振子直徑的6倍。

進一步地，所述換能器由2片陶瓷壓電片和銅膜組成，銅膜安置在2片陶瓷壓電片中間，2片陶瓷壓電片極性相反并以銅膜作為公共端，為了將振動能轉換為電能，換能器固定安裝于水平連接件和豎直連接件的十字交叉處，以便將3個振子產生的振動經由水平和豎直連接件傳遞至換能器，使得換能器中的陶瓷壓電片發生沿厚度方向上的周期性振動，根據正壓電效應，陶瓷壓電片就能夠將水平和豎直方向上的振動能均轉換為電能。