[发明专利]风致振动的压电式风力发电装置及压电式风力发电装置组

说明书

本发明提供一种压电式风力发电装置及压电式风力发电装置组，压电式风力发电装置包括拖拽式钝体、一个或多个能量采集单元及柔性连接件，能量采集单元包括压电悬臂梁；柔性连接件的自由端和拖拽式钝体连接，柔性连接件的固定端和压电悬臂梁直接连接或间接连接。其中，所述拖拽式钝体和所述压电悬臂梁的相对位置随着风速或风向的变化而变化。而常规压电式风力发电装置将钝体固定于压电悬臂梁的一端，钝体与压电悬臂梁之间的相对位置是不变的，相对而言，本发明提出的风力发电装置对风速和风向具有更好的适应性，当环境中风的速度和风向变化更大时仍能保持高的电学输出。

技术领域

本发明涉及风力发电装置技术领域，尤其是一种风致振动的压电式风力发电装置及压电式风力发电装置组。

背景技术

无线传感器节点是构建无线传感器网络的基本单元。现有的无线传感器节点大多采用传统的化学电池来供电，但是这些化学电池工作寿命短、对应用环境的温湿度要求高，并且会污染环境，难以大规模应用。也有的部分无线传感器节点采用太阳能来供电，但是太阳能电池板生产污染严重并且利用太阳能来供电受天气影响较大。因此，现有的能源技术阻碍了无线传感器网络技术的广泛应用。其中，风能是自然界广泛存在的一种绿色可再生能源，将风能转换为电能的风力发电装置具有工作寿命长、无污染等优点，可用于替代化学电池来为无线传感器节点供电。

已有人尝试利用风致振动现象将风能转换为振动能，再进一步利用压电效应、静电感应、电磁感应或摩擦发电等机电转换原理进一步将振动能转换为电能。但是现有的风致振动风力发电装置只能采集一个或者有限个固定方向流动的风，比如像公开号为CN107493036A的中国发明专利申请公开了一种基于含金属芯压电纤维的风致振动能量回收装置，其含金属芯压电纤维的一端连接至底座固定台中心，金属芯压电纤维的另一端与圆柱钝体的一端的中心连接，气流作用在圆柱钝体上产生风载荷，导致钝体在含金属芯压电纤维上发生风致振动。由于钝体是固定在含金属芯压电纤维的，其钝体相对于含金属芯压电纤维的位置是固定的，而且该能量回收装置的固有频率单一，因此该发电装置对风速和风向的适应性不够好。也有部分人尝试利用风轮类等旋转式将风能转化为振动，从而产生电压，但是这种结构的启动风速较高。

再者，相对于压电效应来说，静电效应、电磁感应效应及摩擦发电等能量回收技术装置体积较大，功率密度不高。尤其是电磁感应的输出电压偏低，之后需要多个步骤来提高输出电压来供给在负载或者储能元件上，而静电式的转换方式大部分需要外部电压输入，并且制造过程较为复杂。

发明内容

本发明的目的是提供对风速和风向的适应性良好的风致振动的压电式风力发电装置及压电式风力发电装置组。

为了解决上述技术问题，本发明提供的压电式风力发电装置包括拖拽式钝体、一个或多个能量采集单元及柔性连接件，其中任意一个或多个能量采集单元包括压电悬臂梁；柔性连接件的自由端和拖拽式钝体连接，柔性连接件的固定端和压电悬臂梁直接连接或间接连接。其中，所述拖拽式钝体和所述压电悬臂梁的相对位置随着风速或风向的变化而变化。压电悬臂梁可以是复合梁，即在梁表面的需要位置粘贴有压电层，或者压电层也可以设置在梁的内部，且压电层的上、下表面均涂覆有金属(如铝等)电极，压电层为锆钛酸铅(PZT)、聚偏氟乙烯(PVDF)、氮化铝(AlN)或压电纤维复合材料(MFC)等压电材料。

本发明提供的发电装置的拖拽式钝体在风载荷的作用下发生风致振动从而引起内部的压电悬臂梁振动，本发明中的拖拽式钝体与压电悬臂梁的相对位置随风速和风向而变化，而常规压电式风力发电装置将钝体固定于压电悬臂梁的一端，钝体与压电悬臂梁之间的相对位置是不变的，相对而言，本发明提出的风力发电装置对风速和风向具有更好的适应性，当环境中风的速度和风向变化更大时仍能保持高的电学输出。