[发明专利]一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置

说明书

本发明公开了一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置，涉及清洁能源发电领域。本装置由基座、主轴、水平连接件、竖直连接件、振子和换能器构成。所述水平连接件连接的主轴和振子形成串联双圆柱拾取水平方向风能产生振动，所述竖直连接件连接的两个振子同样形成串联双圆柱拾取竖直方向风能产生振动。贴装于水平和竖直连接件交叉处的换能器采用正压电效应将振动能转换为电能。风向改变时，水平连接件可在风力驱动下绕主轴旋转进行自适应调整，从而时刻保持串联双圆柱俘能状态。本发明采用的双圆柱较传统单圆柱具有更高的俘能效率，可响应任意风向激励，能量利用率更高，在难以架设线缆的微型传感节点自供能领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属清洁能源发电领域，具体是一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置。

背景技术

无线传感节点、便携式电子器件以及微机电系统(MEMS)等低能耗电子产品的应用越来越广泛。但是，这些低能耗电子产品依旧采用电池作为其主要能源，这就会产生环境污染、回收困难并且需定期更换等一些问题。由于风动能具有清洁、容易获得和永不枯竭等特点，同时压电能量收集技术是一种可以将机械能转换为电能的环境能量收集技术，因此利用压电材料拾取风能代替传统电池为小型传感节点供能成为目前利用风能实现自供能的主要研究方向。

现有的风能采集器大多基于涡振原理并采用单一圆柱振子进行俘能，因此此类风能采集器的输出功率较低且风能利用率不高。大量研究发现，串行排列的双圆柱振子可以通过调整其相关的形状和位置参数来提升整体的俘能效率。经过对串行双圆柱俘能系统的二维层流模型进行仿真计算，并与单圆柱俘能系统进行对比发现：在间距比为6时，双圆柱俘能系统在同样风速的激励下所获取的升力幅值是单圆柱俘能系统的2.6倍，而俘能效率正比于升力幅值，因此，合理利用双圆柱涡激振动的特点可以弥补单圆柱俘能系统的缺陷，能够使得压电俘能系统具有更好的输出特性。

同时，大自然的风向会随时间而不断改变，但是目前的风能采集器均只能在单一或少数几个风向激励下输出电能，这就会造成能源的浪费以及风能采集器自身性能的不稳定。因此，设计一种具有较高风能采集效率以及能够响应任意风向激励的风能采集器变得尤为重要。

发明内容

本发明是为解决现有的单圆柱涡激振动风能俘获系统输出功率较小、风能采集效率较低；以及现有的风能俘获装置仅能响应单一或少数几个风向激励，造成风能资源的浪费和自身输出性能不稳定的问题，进而提供了一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置。

本发明为解决上述问题提供的技术方案是：

一种增强激励的田字形全风向风致振动压电俘能装置，包括：基座、固定件、导电套筒、绝缘套筒、摩擦套筒、主轴、导线接头、接线螺钉、竖直连接件、3个振子、水平连接件、换能器、导线、4个基座螺钉、2片陶瓷压电片以及铜膜，所述水平连接件一端套接在主轴上另一端安装有振子，形成串行双圆柱俘能系统拾取水平方向的风能产生垂直于水平风向的周期性振动；所述竖直连接件两端均安装振子，形成串行双圆柱俘能系统拾取竖直方向上的风能产生垂直于竖直风向的周期性振动。

进一步地，所述水平连接件与主轴之间隔有摩擦套筒，摩擦套筒可以提供一定的摩擦力，用以防止振子在振动过程中出现“打滑”现象。

进一步地，所述水平连接件和竖直连接件两端圆柱孔中心轴线之间的距离为振子直径的6倍。

进一步地，所述换能器由2片陶瓷压电片和铜膜组成，铜膜安置在2片陶瓷压电片中间，2片陶瓷压电片极性相反并以铜膜作为公共端，为了将振动能转换为电能，换能器固定安装于水平连接件和竖直连接件的十字交叉处，以便将3个振子产生的振动经由水平和竖直连接件传递至换能器，使得换能器中的陶瓷压电片发生沿厚度方向上的周期性振动，根据正压电效应，陶瓷压电片就能够将水平和竖直方向上的振动能均转换为电能。