[发明专利]一种驰振式压电风能气流能量收集装置

说明书

本发明公开了一种驰振式压电风能气流能量收集装置。包括压电悬臂梁单元、风压检测单元、底板、外壳、悬臂梁旋转单元和悬臂梁伸缩单元；压电悬臂梁单元的后端安装风压检测单元，在底板的上方安装了外壳，底板和外壳之间形成安装内腔，压电悬臂梁单元后端均和悬臂梁旋转单元和悬臂梁伸缩单元连接，悬臂梁旋转单元和悬臂梁伸缩单元安装连接在底板上。本发明具有能够带动发电元件的位置和姿态调整到最大发电效率的功能，测量流体风向的同时控制压电悬臂梁的朝向，也能够测量得到风速并利用风速数据来改变压电悬臂梁的固有频率，实现输出功率最大化。

技术领域

本发明涉及压电发电领域的一种风力发电装置，准确的说是一种利用风能气流为微电子设备进行供能的驰振式压电能量收集装置。

背景技术

自然界某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。在实际应用当中可以利用具有压电效应的晶片物质将环境当中的机械能转化为微电能。

美国克莱蒙森大学的研究人员(Masana Ravindra and Daqaq MohammedF..Electromechanical Modeling and Nonlinear Analysis of Axially Loaded EnergyHarvesters[J].Journal of Vibration and Acoustics,2011,133(1))研究了轴向预压对悬臂梁软化和加强的影响。其设计的能量接收器由一端夹紧的薄钢梁及其上表面的压电片组成。悬臂梁系统的一端产生一个初始轴向位移。研究表明，轴向预压可以用于调整、增加电阻尼和放大外部激励的效果。英国剑桥大学的研究人员(JIA,YU,SESHIA,ASHWINA..Power Optimization by Mass Tuning for MEMS Piezoelectric CantileverVibration Energy Harvesting[J].Journal of Microelectromechanical Systems:AJoint IEEE and ASME Publication on Microstructures,Microactuators,Microsensors,and Microsystems,2016,25(1):108-117.DOI:10.1109/JMEMS.2015.2496346.)发现在微悬臂梁自由端附近加入质量块可以显着提高振动能量收集器每单位加速度的功率响应能力。然而，质量块的容纳是以牺牲有源压电区域为代价的。通过数值和实验研究了该折衷方案，并探索了功率最大化的最佳质量与悬臂长度比，发现占悬臂总长度约60％-70％的端部质量在线性响应中是最佳的，并且它们明显优于具有40％和50％端部质量的类似悬臂。

驰振是由于流动分离和漩涡脱落而产生的空气动力负阻尼分量，导致细长结构失稳式的振动。驰振式压电风能气流能量收集装置主要由支架、压电悬臂梁和阻流体构成。两根尺寸相同的压电悬臂梁平行放置，一端通过螺栓、夹片与支架固定连接，另一端是自由端通过螺栓与方形柱体的阻流体固定连接。该收集器的工作原理是：当风气流载荷作用于阻流体，风速超过一个临界值时，阻流体在绕流作用下，受到空气动力而发生横向驰振，带动压电悬臂梁一起振动，使压电元件产生应变，从而由压电效应将振动能转换为电能。

由于驰振式压电风能气流能量收集装置的输出功率会受到压电悬臂梁的固有频率，阻流体尺寸和输入风速等一系列的因素的影响。且能量收集装置在输入的机械振动的频率与压电悬臂梁的固有频率越近，输出功率越高。因此控制压电悬臂梁的固有频率是一项十分重要的工作。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明主要是提供一种利用驰振原理的压电风能气流能量收集装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：