[發明專利]一種風致渦激振動的能量收集裝置及收集方法

在審

• 申請號: 202110332833.8
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113162470A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 劉遠亮;吳楠;吳瑜靈;李誠;孫凌志
• 申請（專利權）人: 廣東建科創新技術研究院有限公司
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 廣州知友專利商標代理有限公司 44104
• 代理人: 李海波

本發明公開了一種風致渦激振動的能量收集裝置及收集方法，包括底座、彈性梁和擺動裝置，彈性梁預變形為曲線的形式，彈性梁的上下表面均粘貼有壓電片；在底座上表面左右兩側固定設置有支撐柱，彈性梁的兩端分別固定連接在兩側支撐柱相對的一側面上；擺動裝置包括阻流體和擺動片，擺動片的一端固定連接在彈性梁的下表面中部，擺動片的另一端與阻流體固定連接。本發明結構簡單，通過風吹過阻流體時所產生的渦激振動，使預變形為正弦曲線形式的彈性梁在不同穩態之間切換，穩態切換產生的大變形以及局部彈性梁的高頻震動可使附著在彈性梁上下表面的聚偏氟乙烯壓電片吸收變性能轉變成為電能輸出，從而代替傳統化學電池為無線網絡傳感器節點提供電能。

技術領域

本發明涉及儀器科學與工程領域，具體涉及一種風致渦激振動的能量收集裝置及收集方法。

背景技術

近年來，隨著微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)電子網絡技術和無線傳感技術的快速發展，對人類科技技術進步和生產力的提高起到了巨大的推動作用。尤其是自上世紀六十年代開始，電子網絡技術和無線傳感技術的結合，加速了無線傳感網絡技術(Wireless Sensor Network,WSN)的發展。WSN技術是一種分布式傳感網絡，系統的末端是由無數個可感知和監測外部世界的傳感器組成。傳感器之間通過無線方式組成多跳的自組織網絡通信系統，構成可以協作感知、采集和處理網絡覆蓋區域的環境參數。目前，WSN技術己經廣泛的應用在機械結構(如發動機、渦輪機、風力葉片等)、基礎設施(如橋梁、高速公路、高速鐵路、建筑等)和環境監測(水質監測、森林火災預警、氣候、海洋)等方面。而監測這些設備或環境的各類參數(如溫度、壓力、應力、濕度等)需要大量的傳感器節點，且這些傳感器節點需要分散布置在不同位置，通過短距離多條通信方式進行數據傳輸。一般采取無線通訊的方式將采集到的數據發送到基站進行處理，用戶通過監控終端并對無線傳感網絡進行參數設置、網絡管理和監測任務發布等。因此，每個傳感器節點均需要提供一定的電能。

目前，傳感器節點大多采用化學電池供電，但節點的使用壽命與容量有限的電池之間的矛盾越來越激烈。一方面這一類網絡中的傳感器節點往往尺寸較小，無法配置大容量的電池，這就導致節點的使用壽命受到了制約；另一方面，頻繁的更換電池也為網絡的維護帶來了巨大的工作量，間接提升了網絡部署的成本。尤其是對于一些部署在艱苦惡劣環境中的監測網絡來說，每次維護都需要耗費巨大的人力和財力，甚至由于所處環境位置偏遠或難以進行二次維護等原因導致根本無法進行電池的更換或充電操作。因此，如何尋找新的能量供給方式以突破傳統電池帶來的網絡壽命瓶頸是決定未來WSN技術發展的關鍵因素之一。

發明內容

本發明所要解決的第一個技術問題，就是提供一種風致渦激振動的能量收集裝置。

本發明所要解決的第二個技術問題，就是提供一種在上述裝置基礎上的風致渦激振動的能量收集方法。

采用本發明的裝置及方法，能夠吸收外部環境中的風致振動能轉化為電能從而代替傳統化學電池驅動無線網絡傳感器節點工作。

解決上述第一個技術問題，本發明采用了以下技術方案：

一種風致渦激振動的能量收集裝置，其特征在于：包括底座、彈性梁和促使彈性梁發生變形的擺動裝置，所述彈性梁預變形為曲線的形式，所述彈性梁的上下表面均粘貼有壓電片；在所述底座上表面左右兩側固定設置有支撐柱，所述彈性梁的兩端分別固定連接在兩側所述支撐柱相對的一側面上；所述擺動裝置包括阻流體和擺動片，所述擺動片的一端固定連接在所述彈性梁的下表面中部，所述擺動片的另一端與所述阻流體固定連接。

進一步地，所述彈性梁預變形為正弦曲線的形狀。

進一步地，所述阻流體的氣動外形設置為圓柱形。

進一步地，所述底座上在彈性梁中部下方的位置開設有一切口，所述擺動片從所述切口穿出所述底座，所述阻流體的一端與所述擺動片穿出底座的一端固定連接。