阅读说明：本技术 一种风致振压电俘能器 (Wind-induced vibration piezoelectric energy harvester ) 是由 张忠华 林仕杰 罗素清 吴鸣 张昱 任泽峰 程光明 于 2019-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种风致振压电俘能器,属新能源技术领域。支架的横梁上下两端分别设有带滑道的上下梁；耦合器的钝体上下两端都设有耳板,两个耳板内侧经圆柱体连接、外侧都设有半轴,圆柱体上设有两个相互平行的柱平面,圆柱体及两个耳板上设有相互连通的通槽；圆柱销的两端和两个半轴经轴套装在上下梁的滑道内；簧片的一端置于通槽内并经螺钉固定在耳板上、另一端经圆柱销的窄缝穿过；两个挡板的连接耳经螺钉分别装在上下梁上且其弧形板经钝体和圆柱体间的缝隙穿过后相接触；由基板和压电片构成的压电振子一端经螺钉和限形架的压板安装在横梁上、自由端顶靠在柱平面上；限形架的压板两端都设有带限形面的限形块,压电振子固定端的基板与限形面接触。(The invention relates to a wind-induced vibration piezoelectric energy harvester, and belongs to the technical field of new energy. The upper end and the lower end of a cross beam of the bracket are respectively provided with an upper beam and a lower beam with a slideway; the upper end and the lower end of the blunt body of the coupler are provided with lug plates, the inner sides of the two lug plates are connected through a cylinder, the outer sides of the two lug plates are provided with half shafts, the cylinder is provided with two parallel column planes, and the cylinder and the two lug plates are provided with through grooves which are communicated with each other; two ends of the cylindrical pin and two half shafts are sleeved in the slide ways of the upper beam and the lower beam through shafts; one end of the reed is arranged in the through groove and fixed on the lug plate through a screw, and the other end of the reed penetrates through a narrow slit of the cylindrical pin; the connecting lugs of the two baffles are respectively arranged on the upper beam and the lower beam through screws, and the arc-shaped plates of the two baffles are contacted after passing through a gap between the blunt body and the cylinder; one end of a piezoelectric vibrator consisting of a substrate and a piezoelectric sheet is arranged on the beam through a screw and a pressing plate of the shape limiting frame, and the free end of the piezoelectric vibrator abuts against the column plane; and both ends of a pressure plate of the shape limiting frame are provided with shape limiting blocks with shape limiting surfaces, and a substrate at the fixed end of the piezoelectric vibrator is contacted with the shape limiting surfaces.)

一种风致振压电俘能器

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种风致振压电俘能器。

背景技术

近年来，随着无线传感网络技术的日趋成熟及其在环境监测、大型建筑物及桥梁的健康监测、工业、军事及公共安全等领域应用的普及，为其提供持续能源供应的微小型风力俘能器的研究受到国内外学者的广泛关注。目前已提出的微小型风力俘能器基本都是基于电磁原理和压电原理的，因压电式俘能器的发电过程中不会产生电磁干扰，更适用于无线网络节点等无线系统。现有利用薄片型压电振子构造的风力俘能器主要有两大类：一是吹拂激励式，即直接利用风力吹动压电振子使其产生弯曲变形并发电；二是旋转激励式，即首先利用风使叶片旋转、再由叶片带动转动机构拨动压电振子弯曲变形并发电。上述压电俘能器的共同特点是直接利用压电振子端部质量的惯性力使其弯曲变形并发电，其主要弊端是：风速适应性差，有效风速范围小，压电振子双向变形、压电片承受交变的拉压应力作用且缺少必要的限形措施，压电振子尺度及系统固有频率可调节范围小。

发明内容

本发明提出一种风致振压电俘能器，本发明采用的实施方案是：支架的横梁上下两端分别设有上下梁，上下梁平行且对称配置在横梁上下两侧，上下梁与横梁垂直，上下梁的内壁上都设有滑道，下梁两端设有支脚；耦合器的钝体上下两端都设有耳板，钝体为空心壳体，两个耳板内侧经圆柱体连接，两个耳板的外侧都设有半轴，半轴与圆柱体同轴且其轴心线与钝体的轴线平行，圆柱体上设有两个相互平行的柱平面，圆柱体及两个耳板上设有相互连通的通槽，两个柱平面及通槽以半轴及钝体轴心线所在的平面为对称中心面；圆柱销的两端和两个半轴上都套有轴套，轴套经螺钉安装在上梁或下梁的滑道内；圆柱销靠近横梁安装，圆柱销中间段的轴心处设窄缝，圆柱销的轴心位于窄缝的对称中心面内；簧片的一端置于通槽内并经螺钉固定在耳板上、另一端经窄缝穿过后再经螺钉与圆柱销固定在一起；挡板由弧形板和连接耳构成，两个挡板的连接耳经螺钉分别安装在上下梁上，两个挡板的弧形板经钝体和圆柱体之间的缝隙穿过后相互顶靠在一起，弧形板的凸面靠近钝体安装；压电振子一端经螺钉和限形架的压板安装在横梁上，压电振子由基板和压电片粘接而成，压电振子自由端的基板一侧顶靠在圆柱体的柱平面上，基板与柱平面相互接触但无作用力；限形架的压板两端都设有限形块，限形块上设有限形面，限形面为圆弧面，限形面和压板上与压电振子相接触的表面相切；同一限形架上两个限形块的间距比压电片宽、比基板窄，压电振子固定端的基板与限形面接触；非工作时，簧片厚度方向的对称中心层、钝体的轴线及两个弧形板的接触面位于同一垂直平面内；两个挡板安装后其弧形板总宽度与钝体直径之比即宽径比为1～3，钝体外表面与弧形板表面的最小间距与钝体直径之比即间径比为0～3。

本发明中，风由钝体吹向挡板和横梁，风流经钝体后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体前后两侧的气流压力交替变化从而产生使耦合器往复摆动的激振力，耦合器摆动时迫使压电振子向使压电片承受压应力的方向弯曲变形，压电振子往复弯曲变形过程中即将风能转换成了电能；风经过钝体后受到挡板的阻碍时流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值发生变化，振动幅值增大或减小；钝体摆动幅值达到额定值时，压电振子自由端的基板将与柱平面脱离、与圆柱体的圆弧面接触，此后压电振子的变形量不随钝体振幅的增加而增加：同时，钝体的振幅达到额定值时还通过圆柱体的圆弧面将压电振子的基板压靠在限形面上，此时压电片长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。

本发明中，可通过调节圆柱销两端的轴套位置调节圆柱销和圆柱体之间距离、通过调节挡板的安装位置调节弧形板到钝体外表面间的最小间距，改变圆柱销和圆柱体之间距离即可改变簧片的弯曲刚度，从而改变钝体与簧片所构成振动系统即俘能器的基频，以便使俘能器的基频与涡激振动频率相适应、实现共振；改变弧形板到钝体外表面的最小间距即可调节间径比，实现钝体的振幅的有效控制，即使振幅增加或减小。

本发明中，基板和压电片厚度相等，限形面的半径为

不使用限形面时压电振子自由端的许用变形量为

其中：l为压电振子的悬臂长度，h为压电振子的总厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板和压电片材料的弹性模量，T_p和k₃₁分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。

优势与特色：①易于通过簧片的刚度调节改变俘能器固有频率，使之与涡激振动频率相互适应，提高响应特性和发电能力；②钝体后方设置的挡板可有效调节钝体的耦合振动响应特性，易于通过调节二者间距、尺度等参数获得所需的钝体振动放大比，流速适应性及发电能力；③压电振子单向弯曲变形且变形量可控、应力分布均匀，故发电能力强、可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例中限形架的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是本发明一个较佳实施例中圆柱销的结构示意图；

图6是图5的俯视图；

图7是本发明一个较佳实施例中支架的结构示意图；

图8是图7的右视图；

图9是本发明一个较佳实施例中耦合器的结构示意图；

图10是图9的俯视图；

图11是本发明以及较佳实施例中挡板的结构示意图；

图12是图11的右视图。

具体实施方式

支架a的横梁a3的上下两端分别设有上梁a1和下梁a2，上梁a1和下梁a2平行且对称配置在横梁a3的上下两侧，上梁a1和下梁a2与横梁a3垂直，上梁a1和下梁a2的内壁上都设有滑道a4，下梁a2的两端设有支脚a5：耦合器e的钝体e1上下两端都设有耳板e2，钝体e1为空心壳体，两个耳板e2内侧经圆柱体e3连接，两个耳板e2的外侧都设有半轴e4，半轴e4与圆柱体e3同轴且其轴心线与钝体e1的轴线平行，圆柱体e3上设有两个相互平行的柱平面e5，圆柱体e3及两个耳板e2上设有相互连通的通槽e6，两个柱平面e5及通槽e6以半轴e4及钝体的e1轴心线所在的平面为对称中心面；圆柱销g的两端和两个半轴e4上都套有轴套f，轴套f经螺钉安装在上梁a1和下梁a2的滑道a4内；圆柱销g靠近横梁a3安装，圆柱销g中间段的轴心处设窄缝g1，圆柱销g的轴心位于窄缝g1的对称中心面内；簧片c的一端置于通槽e6内并经螺钉固定在耳板e2上、另一端经窄缝g1穿过后再经螺钉与圆柱销g固定在一起；挡板h由弧形板h1和连接耳h2构成，两个挡板h的连接耳h2经螺钉分别安装在上梁a1和下梁a2上，两个挡板h的弧形板h1经钝体e1和圆柱体e3之间的缝隙穿过后相互顶靠在一起，弧形板h1的凸面靠近钝体e1安装；压电振子d的一端经螺钉和限形架k的压板k1安装在横梁a3上，压电振子d由基板d1和压电片d2粘接而成，压电振子d的自由端的基板d1的一侧顶靠在圆柱体e3的柱平面e5上，基板d1与柱平面e5相互接触但无作用力；限形架k的压板k1两端都设有限形块k2，限形块k2上设有限形面k3，限形面k3为圆弧面，限形面k3和压板k1上与压电振子d相接触的表面相切；同一限形架k上两个限形块k2的间距比压电片d2宽、比基板d1窄，压电振子d固定端的基板d1与限形面k3接触；非工作时，簧片c厚度方向的对称中心层、钝体e1的轴线及两个弧形板h1的接触面位于同一垂直平面内，即图2中水平面z内；两个挡板h安装后其弧形板h1总宽度H与钝体e1的直径D之比即宽径比为H/D＝1～3，钝体e1的外表面与弧形板h1表面的最小间距L与钝体e1的直径D之比即间径比为L/D＝0～3。

本发明中，风由钝体e1吹向挡板h和横梁a3，风流经钝体e1后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体e1前后两侧的风压力交替变化从而产生使耦合器e往复摆动的激振力，耦合器e摆动时迫使压电振子d向使压电片d2承受压应力的方向弯曲变形，压电振子d的往复弯曲变形过程中即将风能转换成了电能；风经过钝体e1后受到挡板h的阻碍时流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值发生变化，振动幅值增大或减小：钝体e1摆动幅值达到额定值时，压电振子d自由端的基板d1将与柱平面e5脱离、与圆柱体e3的圆弧面接触，此后压电振子d的变形量不随钝体e1振幅的增加而增加；同时，钝体e1的振幅达到额定值时还通过圆柱体e3的圆弧面将压电振子d的基板d1压靠在限形面k3上，此时压电片d2长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。

本发明中，可通过调节圆柱销g两端的轴套f位置调节圆柱销g和圆柱体e3之间距离、通过调节挡板h的安装位置调节弧形板h1到钝体e1外表面间的最小间距L，改变圆柱销g和圆柱体e3之间距离即可改变簧片c的弯曲刚度，从而改变钝体e1与簧片c所构成振动系统即俘能器的基频，以便使俘能器的基频与涡激振动频率相适应、实现共振；改变弧形板h1到钝体e1外表面间的最小间距L即可调节间径比，实现钝体e1的振幅的有效控制，即使振幅增加或减小。

本发明中，基板d1和压电片d2厚度相等，限形面k3的半径为

不使用限形面时压电振子d自由端的许用变形量为

其中：l为压电振子d的悬臂长度，h为压电振子d的总厚度，β＝E_m/E_p，E_m和E_p分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，T_p和k₃₁分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。