專(zhuān)利名稱(chēng)：利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電裝置，尤其涉及一種利用風(fēng)能經(jīng)過(guò)繞流鈍體產(chǎn)生渦街驅(qū)動(dòng)壓電材料進(jìn)行渦激振動(dòng)發(fā)電的裝置。
背景技術(shù)：
無(wú)人傳感器是一種世界范圍內(nèi)較為常見(jiàn)的研究項(xiàng)目。在地區(qū)偏遠(yuǎn)，環(huán)境惡劣的地方，使用電池對(duì)其供電存在巨大的不便性和技術(shù)難度。因此，設(shè)計(jì)出一種解決較小功率范圍內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定供電的裝置，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。壓電效應(yīng)是居里兄弟在100年前發(fā)現(xiàn)的，如果對(duì)壓電材料施加應(yīng)力，由于壓電效應(yīng)，壓電片上下會(huì)產(chǎn)生電壓差，稱(chēng)之為正壓電效應(yīng)；相反的，如果對(duì)其施加電壓，則會(huì)使壓電片產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力從而產(chǎn)生機(jī)械位移，稱(chēng)之為逆壓電效應(yīng)。同時(shí)的，壓電材料(鋯鈦酸鉛PZT)具有較高的能量密度，峰值能量可以達(dá)到100-10000kw/kg。當(dāng)空氣流經(jīng)鈍體時(shí)，會(huì)在鈍體后方產(chǎn)生卡門(mén)渦街，這是由馮卡門(mén)在1911年發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。漩渦具有高能量，周期性等特點(diǎn)，且在漩渦行進(jìn)過(guò)程中，存在一個(gè)區(qū)域，其漩渦強(qiáng)度最大，渦量最強(qiáng)。目前，使用壓電材料進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電還處于非常初級(jí)的階段，常見(jiàn)的方法大致包括使用風(fēng)力葉片帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承引起報(bào)警器等發(fā)聲設(shè)備產(chǎn)生聲音帶動(dòng)壓電材料進(jìn)行振動(dòng)發(fā)電及直接用風(fēng)吹動(dòng)壓電材料使其振動(dòng)發(fā)電。這些方法存在風(fēng)能能量利用率低，對(duì)風(fēng)速要求較高等缺陷。單一的使用風(fēng)吹過(guò)壓電片在某些條件下可能會(huì)由于受力不均壓電片停止振動(dòng)的情況，從而影響發(fā)電效率。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供了一種提高能源利用率和無(wú)人控制的利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，包括殼體、集風(fēng)道、鈍體、支撐架、壓電片、箱體、以及設(shè)置在箱體內(nèi)的電橋、直流穩(wěn)壓器和蓄電池；
所述殼體為筒狀結(jié)構(gòu)，筒狀結(jié)構(gòu)的殼體的一端為進(jìn)風(fēng)口，另一端為出風(fēng)口 ；
所述集風(fēng)道為喇叭結(jié)構(gòu)，喇叭結(jié)構(gòu)的集風(fēng)道的小端口與殼體的進(jìn)風(fēng)口連接；
所述鈍體為三角柱，三角柱的一面為平面，該平面為迎風(fēng)面；三角柱的另外兩面為內(nèi)凹弧面；
所述殼體內(nèi)、且靠近進(jìn)風(fēng)口設(shè)置多個(gè)鈍體，鈍體的迎風(fēng)面與進(jìn)風(fēng)方向?qū)?yīng)；支撐架安裝在殼體內(nèi)，支撐架上設(shè)置至少一個(gè)壓電片，所述壓電片的一端固定在支撐架上，另一端為自由端并與鈍體的內(nèi)凹弧面對(duì)應(yīng)；
所述壓電片的上、下表面的金屬電極通過(guò)導(dǎo)線與電橋連接；
所述電橋用于將所述壓電片上產(chǎn)生的交流電整流為直流電傳輸至所述直流穩(wěn)壓器；所述直流穩(wěn)壓器用于將直流電進(jìn)行穩(wěn)壓處理，輸出穩(wěn)定的電流；
所述蓄電池用于存儲(chǔ)所述直流穩(wěn)壓器輸出的直流電。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，該發(fā)電裝置還包括控制器和逆變器；
所述控制器用于檢測(cè)流經(jīng)電橋的電流以及所述蓄電池的電量，并根據(jù)流經(jīng)所述電橋的電流的大小來(lái)判斷所述壓電片的工作狀態(tài)，當(dāng)所述蓄電池的電量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值且有電流流經(jīng)所述電橋時(shí)，啟動(dòng)所述逆變器；
所述逆變器用于在所述控制器的控制下將所述蓄電池存儲(chǔ)的直流電轉(zhuǎn)換成交流電輸出。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，該發(fā)電裝置還包括增幅薄片，所述增幅薄片的一端連接在壓電片的自由端上。作為本發(fā)明的又一種優(yōu)選方案，所述增幅薄片的材料為塑料薄膜。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)方案，所述壓電片由壓電陶瓷材料制成。作為本發(fā)明的另一種改進(jìn)方案，所述支撐架上設(shè)有與壓電片數(shù)量相等的插槽，在插槽內(nèi)的兩側(cè)分別設(shè)置導(dǎo)電銅片，所述壓電片插入插槽內(nèi)，壓電片的上、下表面的金屬電極分別與插槽內(nèi)兩側(cè)的導(dǎo)電銅片接觸，導(dǎo)電銅片通過(guò)導(dǎo)線與電橋連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置具有如下優(yōu)
占·
^ \\\ ·1、當(dāng)風(fēng)經(jīng)過(guò)鈍體后會(huì)產(chǎn)生漩渦，漩渦的周期性脫落及旋轉(zhuǎn)的方向性均與壓電片在受力時(shí)即產(chǎn)生電荷的特性相一致，且漩渦在擊打壓電片尾部的增幅薄片時(shí)，增幅薄片會(huì)帶動(dòng)壓電片產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)，從而提高壓電效率。2、微風(fēng)通過(guò)集風(fēng)道進(jìn)入殼體內(nèi)加速，繞流過(guò)鈍體，在一定條件下，鈍體后流場(chǎng)會(huì)形成周期性的、具有穩(wěn)定發(fā)放頻率的脫體渦街，這些渦街作用于流場(chǎng)中的壓電片，產(chǎn)生周期性的流體激振力使壓電片振動(dòng)，壓電片振動(dòng)能直接轉(zhuǎn)換為電能。因此，該發(fā)電裝置可有效利用環(huán)境中的微風(fēng)，使其通過(guò)該裝置時(shí)產(chǎn)生電能。3、該發(fā)電裝置利用微風(fēng)發(fā)電，原動(dòng)力充足，裝置尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍廣。4、風(fēng)能直接通過(guò)振動(dòng)能形式轉(zhuǎn)換為電能，沒(méi)有傳統(tǒng)集風(fēng)裝置的摩擦耗能，效率高；同時(shí)也克服了越來(lái)越嚴(yán)重的能源和環(huán)境危機(jī)，風(fēng)力資源取之不盡，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，克服風(fēng)力發(fā)電中受地理?xiàng)l件影響的缺陷。


圖1為利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2為集風(fēng)道的結(jié)構(gòu)示意 圖3為集風(fēng)角度和最大風(fēng)速的曲線圖 圖4為鈍體的結(jié)構(gòu)示意 圖5為壓電片插入插槽的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中1一殼體；2—集風(fēng)道；3—鈍體；4一支撐架；5—壓電片；6—箱體；7 —電橋；8—直流穩(wěn)壓器；9一畜電池；10—導(dǎo)線；11 一控制器；12—逆變器；13—增幅薄片；14一插槽；15—導(dǎo)電銅片；16—平面；17—內(nèi)凹弧面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖1所示，利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，包括殼體1、集風(fēng)道2、鈍體3、支撐架4、壓電片5、箱體6、增幅薄片13、以及設(shè)置在箱體6內(nèi)的電橋7、直流穩(wěn)壓器8、蓄電池9、控制器11和逆變器12。其中，殼體I為筒狀結(jié)構(gòu)，筒狀結(jié)構(gòu)的殼體I的一端為進(jìn)風(fēng)口，另一端為出風(fēng)口。圖1中，殼體I的上端為進(jìn)風(fēng)口，殼體I的下端為出風(fēng)口，出風(fēng)口設(shè)計(jì)為漸擴(kuò)狀噴管，便于出風(fēng)。集風(fēng)道2為喇叭結(jié)構(gòu)，如圖2所示，喇叭結(jié)構(gòu)的集風(fēng)道2的小端口與殼體I的進(jìn)風(fēng)口連接。集風(fēng)道2的集風(fēng)角度為54° 60°，選用漸縮式方式及在各角度集風(fēng)效率如圖3所示。鈍體3為三角柱，如圖4所示，三角柱的一面為平面16，該平面16為迎風(fēng)面；三角柱的另外兩面為內(nèi)凹弧面17。殼體I內(nèi)、且靠近進(jìn)風(fēng)口設(shè)置多個(gè)鈍體3，鈍體3的迎風(fēng)面與進(jìn)風(fēng)方向?qū)?yīng)。支撐架4安裝在殼體I內(nèi)，支撐架4上設(shè)置至少一個(gè)壓電片5，壓電片5的一端固定在支撐架4上，另一端為自由端并與鈍體3的內(nèi)凹弧面對(duì)應(yīng)。本實(shí)施例中，壓電片5由壓電陶瓷PZT (鋯鈦酸鉛PZT)材料制成，易被吹動(dòng)，壓電片5采用“三明治”結(jié)構(gòu)，采用長(zhǎng)寬高為IlcmXScmXO. 02cm的透明薄片作為中間層，兩邊為壓電薄膜層。增幅薄片13的材料為塑料薄膜，增幅薄片13連接在壓電片5的自由端上。如圖5所不，支撐架4上設(shè)有與壓電片5數(shù)量相等的插槽14,在插槽14內(nèi)的兩側(cè)分別設(shè)置導(dǎo)電銅片15,壓電片5插入插槽14內(nèi)，壓電片5的上、下表面的金屬電極分別與插槽14內(nèi)兩側(cè)的導(dǎo)電銅片15接觸，導(dǎo)電銅片15通過(guò)導(dǎo)線10與電橋7連接。插槽14由絕緣材料制成，在壓電片5插入插槽時(shí)，壓電片5固定端兩側(cè)也同時(shí)連接導(dǎo)電銅片15，導(dǎo)電銅片15和壓電片5上、下表面的金屬電極接觸進(jìn)行導(dǎo)電，從而可以實(shí)現(xiàn)壓電片安裝與拆卸方便、簡(jiǎn)便。自然風(fēng)通過(guò)集風(fēng)道2繞流鈍體3后會(huì)形成周期性的、具有穩(wěn)定發(fā)放頻率的脫體渦街，這些渦街作用于流場(chǎng)中的壓電片5，產(chǎn)生周期性的流體激振力，流體激振力使設(shè)置在流場(chǎng)中的壓電片5振動(dòng)，利用壓電效應(yīng)，振動(dòng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)導(dǎo)線10輸入電橋7。電橋7用于將壓電片5上產(chǎn)生的交流電整流為直流電傳輸至直流穩(wěn)壓器8。直流穩(wěn)壓器8用于將直流電進(jìn)行穩(wěn)壓處理，輸出穩(wěn)定的電流；蓄電池9用于存儲(chǔ)直流穩(wěn)壓器8輸出的直流電。控制器11用于檢測(cè)流經(jīng)電橋7的電流以及蓄電池9的電量，并根據(jù)流經(jīng)電橋7的電流的大小來(lái)判斷壓電片5的工作狀態(tài)，當(dāng)蓄電池9的電量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值且有電流流經(jīng)電橋7時(shí)，啟動(dòng)逆變器12。逆變器12用于在控制器11的控制下將蓄電池9存儲(chǔ)的直流電轉(zhuǎn)換成交流電輸出。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于，包括殼體(I)、集風(fēng)道(2)、鈍體(3)、支撐架(4)、壓電片(5)、箱體(6)、以及設(shè)置在箱體(6)內(nèi)的電橋(7)、直流穩(wěn)壓器(8)和蓄電池(9)； 所述殼體(I)為筒狀結(jié)構(gòu)，筒狀結(jié)構(gòu)的殼體(I)的一端為進(jìn)風(fēng)口，另一端為出風(fēng)口 ； 所述集風(fēng)道(2)為喇叭結(jié)構(gòu)，喇叭結(jié)構(gòu)的集風(fēng)道(2)的小端口與殼體(I)的進(jìn)風(fēng)口連接； 所述鈍體(3)為三角柱，三角柱的一面為平面(16)，該平面(16)為迎風(fēng)面；三角柱的另外兩面為內(nèi)凹弧面(17)； 所述殼體(I)內(nèi)、且靠近進(jìn)風(fēng)口設(shè)置多個(gè)鈍體(3 )，鈍體(3 )的迎風(fēng)面與進(jìn)風(fēng)方向?qū)?yīng)；支撐架(4)安裝在殼體(I)內(nèi)，支撐架(4)上設(shè)置至少一個(gè)壓電片(5)，所述壓電片(5)的一端固定在支撐架(4)上，另一端為自由端并與鈍體(3)的內(nèi)凹弧面對(duì)應(yīng)； 所述壓電片(5)的上、下表面的金屬電極通過(guò)導(dǎo)線(10)與電橋(7)連接； 所述電橋(7)用于將所述壓電片(5)上產(chǎn)生的交流電整流為直流電傳輸至所述直流穩(wěn)壓器(8); 所述直流穩(wěn)壓器(8)用于將直流電進(jìn)行穩(wěn)壓處理，輸出穩(wěn)定的電流； 所述蓄電池(9)用于存儲(chǔ)所述直流穩(wěn)壓器(8)輸出的直流電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于還包括控制器(11)和逆變器(12); 所述控制器(11)用于檢測(cè)流經(jīng)電橋(7)的電流以及所述蓄電池(9)的電量，并根據(jù)流經(jīng)所述電橋(7)的電流的大小來(lái)判斷所述壓電片(5)的工作狀態(tài)，當(dāng)所述蓄電池(9)的電量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值且有電流流經(jīng)所述電橋(7)時(shí)，啟動(dòng)所述逆變器(12)； 所述逆變器(12 )用于在所述控制器(11)的控制下將所述蓄電池(9 )存儲(chǔ)的直流電轉(zhuǎn)換成交流電輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于還包括增幅薄片(13)，所述增幅薄片(13)連接在壓電片(5)的自由端上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于所述增幅薄片(13)的材料為塑料薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于所述壓電片(5)由壓電陶瓷材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，其特征在于所述支撐架(4)上設(shè)有與壓電片(5)數(shù)量相等的插槽(14)，在插槽(14)內(nèi)的兩側(cè)分別設(shè)置導(dǎo)電銅片(15)，所述壓電片(5)插入插槽(14)內(nèi)，壓電片(5)的上、下表面的金屬電極分別與插槽(14)內(nèi)兩側(cè)的導(dǎo)電銅片(15)接觸，導(dǎo)電銅片(15)通過(guò)導(dǎo)線(10)與電橋(7)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用渦激振動(dòng)的風(fēng)能壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置，包括殼體、集風(fēng)道、鈍體、支撐架、壓電片、箱體、以及設(shè)置在箱體內(nèi)的電橋、直流穩(wěn)壓器和蓄電池；集風(fēng)道與殼體的進(jìn)風(fēng)口連接，殼體內(nèi)、且靠近進(jìn)風(fēng)口設(shè)多個(gè)鈍體；支撐架安裝在殼體內(nèi)，其上設(shè)置至少一個(gè)壓電片，壓電片的自由端與鈍體的內(nèi)凹弧面對(duì)應(yīng)；壓電片的金屬電極通過(guò)導(dǎo)線與電橋連接；電橋?qū)⒔涣麟娬鳛橹绷麟妭鬏斨林绷鞣€(wěn)壓器；蓄電池用于存儲(chǔ)直流穩(wěn)壓器輸出的直流電。該發(fā)電裝置利用可再生、潔凈的清潔風(fēng)繞流鈍體產(chǎn)生卡門(mén)渦街，再通過(guò)帶動(dòng)能量密度大，發(fā)電效率高的壓電片進(jìn)行振動(dòng)發(fā)電，提高了能源利用率，節(jié)約了能源，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人自動(dòng)控制持續(xù)自供電，并可以保護(hù)大氣環(huán)境。
文檔編號(hào)H02J7/00GK103066885SQ20131003161
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者冉景煜, 王軍雷, 黎柴佐, 丁林, 張力, 楊仲卿 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)