阅读说明：本技术 尾流激振的覆冰形能量采集器 (Ice-coated energy collector adopting wake excitation ) 是由 颜志淼 谭婷 于 2020-07-29 设计创作，主要内容包括：一种尾流激振的覆冰形能量采集器,包括：绕流质量块和覆冰形质量块,二者通过移动式夹具活动设置于固定支架的滑槽上；所述的覆冰形质量块与移动式夹具之间设有悬臂梁,该悬臂梁上设有压电纤维片。本发明结构简单、设计合理、使用方便。利用固体绕流理论,向覆冰形质量块提供包含旋涡的复杂流场,增大了覆冰形质量块的振动幅值,提高了风能利用率；利用不同于常规形状等质量的覆冰形质量块,进一步提高了对风能的采集效率,增大了可利用的风速范围；本压电能量采集器可以与其他压电能量采集器同时使用,或大规模阵列布置,以最大化采集风能。(A wake-excited icing shaped energy harvester comprising: the streaming mass block and the icing mass block are movably arranged on a sliding chute of the fixed bracket through a movable clamp; a cantilever beam is arranged between the ice-coated mass block and the movable fixture, and a piezoelectric fiber sheet is arranged on the cantilever beam. The invention has simple structure, reasonable design and convenient use. By utilizing the solid streaming theory, a complex flow field containing vortexes is provided for the ice-coated mass block, the vibration amplitude of the ice-coated mass block is increased, and the wind energy utilization rate is improved; the icing-shaped mass block with the mass different from the mass of the conventional shape and the like is utilized, the wind energy collection efficiency is further improved, and the available wind speed range is enlarged; the piezoelectric energy collector can be used with other piezoelectric energy collectors at the same time or arranged in a large-scale array mode so as to collect wind energy to the maximum extent.)

尾流激振的覆冰形能量采集器

技术领域

本发明涉及的是一种压电能量采集领域的技术，具体是一种尾流激振的覆冰形能量采集器。

背景技术

随着科技发展，新型材料、纳米技术和集成电子等技术快速发展，电子器件体积越来越小，能耗也随之降低，为此类设备的供能问题已经成为了国内外的研究热点。压电能量采集技术是利用压电材料将自然界中的能量转换为电能的技术，能够有效的采集风能从而为微电子设备供电。全球的风能约为1300亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，目前人类对风能的开发利用还处于一个较低的水平。利用能量采集技术可以将风能持续有效的转换成电能，可以实现山区、海岸线、海上油井等区域传感器器件的自供能驱动与控制，具有非常大的灵活性，符合绿色可持续发展的时代背景，在公共设施、环境监测、军事侦察等领域具有广阔的应用前景。在寒冬天气，高空电缆上常见覆冰现象，受风力作用后会发生比普通电缆更剧烈的振动，对塔线结构具有较大威胁。而现有的风能采集器存在转换效率低下、有效利用的风速范围小等缺点，对风能的利用不够充分，发电阶段过于集中，不利于在实际场合的应用。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN110118935A，公开了一种尾流干扰下的压电能收集器测试装置，包括可提供不同流速水流的水槽，以及利用架设将端部质量块与扰流质量块侵入水中，在端部质量块的一侧设置压电纤维片，然后再连接外界电阻箱与电压测试装置，但该技术采用的能量采集器截面形式简单故采集的能量低、采集能量的流速范围低，另外也不能实现错列下的尾流激振能量采集。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种尾流激振的覆冰形能量采集器，利用障碍物尾流作用下的覆冰形柱体，能够增大输出功率，提高能量采集器的工作效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种尾流激振的覆冰形能量采集器，包括：绕流质量块和覆冰形质量块，二者通过移动式夹具活动设置于固定支架的滑槽上。

所述的覆冰形质量块的截面为椭圆形且其短轴方向垂直于来流风方向，通过该气动外形增大了质量块所受的气动升力，增大了能量采集效率。

所述的覆冰形质量块与移动式夹具之间设有悬臂梁，该悬臂梁上设有压电纤维片。

所述的绕流质量块和覆冰形质量块的间距根据风速进行调节，其间距的调节方式可分为沿顺风向和横风向两个方向调节。

所述的悬臂梁和覆冰形质量块的有效长度之和与绕流质量块的有效长度，即质量块的下边缘到固定支架滑槽的下边缘之间的距离相等。

技术效果

本发明显著提高了在相同来流风速下，尾流激振能量采集器的输出效率。与现有技术相比，本发明既可以实现覆冰质量块和扰流质量块的错串布置也可以实现覆冰质量块和扰流质量块的错列布置。另外，本发明中的覆冰质量块的外形是采用的是自然条件下覆冰导线的气动外形，与常规截面形式的气动外形质量块相比，该外形质量块能增大能量采集器的振动幅值，提升能量采集效率。

与现有技术相比，本发明结构简单、设计合理、使用方便。利用固体绕流理论，向覆冰形质量块提供包含旋涡的复杂流场，增大了覆冰形质量块的振动幅值，提高了风能利用率；利用不同于常规形状等质量的覆冰形质量块，进一步提高了对风能的采集效率，增大了可利用的风速范围；本压电能量采集器可以与其他压电能量采集器同时使用，或大规模阵列布置，以最大化采集风能。

附图说明

图1为本实施例绕流质量块的水平方向截面图；

图2为本实施例覆冰形质量块的截面图；

图3为本实施例在尾流激振作用下的压电俘能器测试装置的正视图；

图4为本实施例的尾流激振作用下的压电俘能器测试装置的俯视图及剖视图；

图中：绕流质量块1、覆冰形质量块2、悬臂梁3、压电纤维片4、固定支架5、移动式夹具6、顶板7、滑槽8、插槽9。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：绕流质量块1和覆冰形质量块2，二者通过移动式夹具6活动设置于固定支架5的滑槽8上以前后串列。

所述的覆冰形质量块2上的插槽9与悬臂梁3通过顶丝固定再与移动式夹具6相连。

所述的悬臂梁3上设有压电纤维片4，该压电纤维片4的输出端焊有电线以将采集的电能传输至用电器件或储存备用。

所述的绕流质量块1和覆冰形质量块2的间距根据风速进行调节以获取最大功率。

所述的固定支架5包括：顶板7和设置于其上的四个支脚，能够根据需要设置于任何场所。

所述的移动式夹具6设有限位装置以调控两个质量块的相对位置和绝对位置。

所述的滑槽8优选在顶板7上直接切削形成，为限位装置、移动式夹具及其相连部件提供移动空间。

所述的支脚均布两个孔以便于安装固定。

所述的绕流质量块1和覆冰形质量块2的迎风面宽度为30mm，绕流质量块1的有效长度为500mm，覆冰形质量块2的有效长度为400mm，悬臂梁3和覆冰形质量块2的有效长度之和与绕流质量块1的有效长度相等。

所述的绕流质量块1的上端两侧沿径向向圆心切削10mm且轴向长度为10mm，形成两对称平面以供移动式夹具6定位和固定。

所述的覆冰形质量块2的两侧对称设有螺纹孔以便于顶丝连接悬臂梁3和覆冰形质量块2。

所述的插槽9的宽度为1mm，其长度为21mm，其深度为20mm。

所述的固定支架5的高度大于绕流质量块的有效长度的1.5倍以避免边界的影响。

所述的悬臂梁3与***移动式夹具6的长度为10mm，该悬臂梁3的有效长度为100mm，且压电纤维片4固定于悬臂梁3的有效长度的中间位置。

所述的有效长度为质量块的上边缘到固定支架滑槽的下边缘之间的距离。

本实施例的各部件采用不锈钢制造，各部件之间采用螺纹连接。

所述的绕流质量块1作为障碍物放在上风侧，在固体绕流的作用下为下风侧的覆冰形质量块2提供尾流，由于流体粘性和堵塞效应，尾流会产生高速旋涡，提供更大的升力驱使覆冰形质量块2产生位移幅值更大的振动，压电能量采集器能够在相同的风速条件下产生更大的电压。悬臂梁3下端***覆冰形质量块2的插槽9中，能够滑动移动式夹具6夹紧悬臂梁3上端后放置在滑槽8中。

与现有技术相比，本发明使用的覆冰形质量块2是在流体力学和能量采集的基础上进行优化，能够比单个圆柱质量块或串列的圆柱质量块采集更大的电能。通过圆柱绕流和能量采集柱体截面改良，一方面对能量采集柱体进行了优化，提高了质量块上受到的气动升力，从而增大了输出电压和功率，避免了圆柱质量块的锁频和振动风速范围有限的特点，输出电压随风速显著上升；另一方面是利用圆柱绕流理论，在有限的自然风条件下获取旋涡风场，周期性出现旋涡交替经过质量块，在大风压差的作用下质量块受大的交变力作用，振动进一步增大，采集更多的风能。综上：本发明能够提高输出功率，采集更高风速所蕴含的能量，适应不同环境，克服了现有压电能量采集器采集效率低，发电风速范围有限的缺点，还能以阵列布置提高利用率。

对本发明的装置在风洞中进行风洞实验，本发明能量采集器的输出功率是传统传统的圆形截面外形的能量采集器装置输出功率的63倍。

与现有技术相比，本装置通过上游圆柱的尾流效应和下游能量采集器的特殊气动外形增大了能量采集器所受的气动升力，增大了其振动幅值，因此增大了能量采集器的输出功率。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。