本發(fā)明涉及一種發(fā)電和測速裝置，具體涉及一種渦街驅(qū)動壓電柔性帶產(chǎn)生壓電效應(yīng)的發(fā)電和測速裝置。

背景技術(shù)：

壓電效應(yīng)是某些特殊的材料上可實現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。某些電介質(zhì)在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化的現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。馮卡門在1911年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)大于一特征值后，流體繞流柱體會在后方產(chǎn)生卡門渦周期交替脫落現(xiàn)象，其脫落渦的頻率與來流速度、圓柱半徑相關(guān)?，F(xiàn)如今利用壓電裝置來制作傳感器的研究十分普遍，而在壓電轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置上的研究卻不是很多。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置。

本發(fā)明提供了一種柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置，利用流體產(chǎn)生的卡門渦街進(jìn)行壓電效應(yīng)發(fā)電以及對流體的流速進(jìn)行測量，其特征在于，包括固定支架；以及與流體的流動方向平行且與固定支架可轉(zhuǎn)動連接的能量捕獲部。其中，能量捕獲部包括與固定支架轉(zhuǎn)動連接的圓柱桿、壓電單元以及測速模塊，壓電單元，包括壓電柔性帶和輸出導(dǎo)線，壓電柔性帶包括至少一層PVDF壓電薄膜，壓電柔性帶的一端與圓柱桿固定連接，另一端為活動端，壓電柔性帶與輸出導(dǎo)線連接；測速模塊通過輸出導(dǎo)線與壓電單元相連，檢測輸出電流的頻率后計算得到環(huán)境流體的流速。

在本發(fā)明提供的柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，壓電柔性帶為多層PVDF壓電薄膜與多層PE膜相互間隔疊合而成。

另外，在本發(fā)明提供的柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，壓電柔性帶呈矩形，在壓電柔性帶第一層和最后一層的兩側(cè)分別設(shè)置有加強(qiáng)條帶，該加強(qiáng)條帶用于夾緊壓電柔性帶，從而使得壓電柔性帶中的PVDF壓電薄膜與PE膜貼合。

另外，在本發(fā)明提供的柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，加強(qiáng)條帶上設(shè)置有復(fù)數(shù)個通孔，在通孔中設(shè)置螺栓組或繩索，通過擰緊螺栓或收緊繩索從而夾緊加強(qiáng)條帶。

另外，在本發(fā)明提供的柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，壓電單元還包括設(shè)置在圓柱桿與壓電柔性帶之間的支架，支架呈長條形，支架的一側(cè)與壓電柔性帶固定連接，另一側(cè)與圓柱桿卡合固定連接。

另外，在本發(fā)明提供的柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，支架平行于圓柱桿設(shè)置且支架平面與圓柱桿的軸線共面。

另外，在本發(fā)明提供的柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，輸出導(dǎo)線設(shè)置在壓電柔性帶靠近圓柱桿的一側(cè)。

另外，在本發(fā)明提供的柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，能量捕獲部還包括：整流穩(wěn)壓模塊，通過輸出導(dǎo)線與壓電單元相連，用于將壓電單元產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，蓄電池與整流穩(wěn)壓模塊相連，用于存儲直流電。

另外，本發(fā)明還提供一種使用上述柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置的測量方法，包括以下步驟：

S1，將測速模塊與壓電單元的輸出導(dǎo)線相連接，獲得壓電單元輸出的交流電；

S2，檢測并獲得交流電的頻率；

S3，獲取渦街頻率f；

S4，根據(jù)公式U＝fd/St計算得出環(huán)境流體的流速；其中，f為渦街頻率，d為圓柱桿的直徑，St為斯托拉哈常數(shù)；

S5，根據(jù)S4中公式計算得出的流速結(jié)果顯示在測速模塊的屏幕上。

發(fā)明的作用與效果

根據(jù)本發(fā)明所涉及的一種柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置，其特征在于，包括：固定支架；以及與流體的流動方向平行且與固定支架可轉(zhuǎn)動連接的能量捕獲部，其中，能量捕獲部包括與固定支架轉(zhuǎn)動連接的圓柱桿和壓電單元，壓電單元包括至少一層PVDF壓電薄膜的壓電柔性帶和輸出導(dǎo)線，壓電柔性帶的一端與圓柱桿固定連接，另一端為活動端，輸出導(dǎo)線與壓電柔性帶連接并輸出壓電單元產(chǎn)生的交流電，能量捕獲部還包括測速模塊，測速模塊通過輸出導(dǎo)線與壓電單元相連，用于檢測交流電的頻率，通過計算得出環(huán)境流體的流速。

本發(fā)明采用的是重量輕，柔性大，壓電效率高的PVDF壓電薄膜，PVDF壓電薄膜具有較好的柔性變形和低流速靈敏感知性，并且對使用的環(huán)境條件要求不高，具有降低制造成本的特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施例中柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例中柔性渦流擺動能量捕獲的示意圖；以及

圖3是本發(fā)明的實施例中一種壓電柔性帶的示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置作具體闡述。

圖1是本發(fā)明的實施例中一種柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置示意圖。

如圖1所示，柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置100包括固定支架10以及能量捕獲部20。

本實施例中固定支架10呈桿狀，桿的下端固定設(shè)置在地面上。

能量捕獲部20與固定支架可轉(zhuǎn)動連接并且與流體的流動方向平行設(shè)置，能量捕獲部包括圓柱桿21、壓電單元22、測速模塊23、整流穩(wěn)壓模塊24以及蓄電池25。

圓柱桿21的下端與固定支架10的上端可轉(zhuǎn)動連接，圓柱桿21可以繞自身的軸線轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)根據(jù)流體的流向進(jìn)行位置自調(diào)節(jié)，圓柱桿21直徑為d，本實施例中d為200mm。

壓電單元22包括壓電柔性帶221、支架222、輸出導(dǎo)線223以及連接導(dǎo)線224。

圖2是本發(fā)明的實施例中柔性渦流擺動能量捕獲的示意圖。

如圖2所示，壓電柔性帶221的一端與圓柱桿21固定連接，另一端為活動端，A表示流體通過圓柱桿21后在壓電柔性帶221的兩個面上產(chǎn)生的周期渦街，卡門渦街驅(qū)動壓電單元22產(chǎn)生的壓電效應(yīng)而發(fā)電。

壓電柔性帶221包括至少一層PVDF(聚偏氟乙烯)壓電薄膜2211。

圖3是本發(fā)明的實施例中一種壓電柔性帶的示意圖。

如圖3所示，壓電柔性帶221包括2層PVDF壓電薄膜2211、3層PE(聚乙烯)膜2212、4個加強(qiáng)條帶2213。

PVDF壓電薄膜2211用于發(fā)電，PE膜2212用于絕緣并對整個壓電柔性帶221增加一定的強(qiáng)度，壓電柔性帶221呈矩形，使用一層PE膜2212覆蓋一層PVDF壓電薄膜2211再覆蓋一層PE膜2212以此類推進(jìn)行設(shè)置，在壓電柔性帶221頂面和底面均為PE膜2212，圖3為2層PVDF壓電薄膜2211與3層PE膜2212相互間隔疊合而成。

在壓電柔性帶221頂面和底面的兩側(cè)分別設(shè)置有加強(qiáng)條帶2213，該加強(qiáng)條帶2213用于夾緊壓電柔性帶221，從而使得壓電柔性帶221中的PVDF壓電薄膜2211與PE膜2212貼合。

加強(qiáng)條帶2213上設(shè)置有至少1個通孔2213a；上下設(shè)置的加強(qiáng)條帶2213為一組，加強(qiáng)條帶2213上的通孔2213a對應(yīng)設(shè)置且同軸線，本實施例中在2組加強(qiáng)條帶2213上設(shè)置有4組通孔2213a。

壓電柔性帶221還包括至少4根扎繩，依次分別將扎繩穿過上下兩個加強(qiáng)條帶2213的對應(yīng)設(shè)置的兩個通孔2213a，收緊扎繩后夾緊加強(qiáng)條帶2213，從而使得壓電柔性帶221中的PVDF壓電薄膜2211與PE膜2212貼合成一體。

如圖1所示，支架222設(shè)置在圓柱桿21與壓電柔性帶221之間，呈長條形狀，支架222的一側(cè)與壓電柔性帶221與固定連接，另一側(cè)與圓柱桿21卡合固定連接，支架222平行于圓柱桿21設(shè)置且支架222的平面與圓柱桿的軸線共面。

輸出導(dǎo)線223設(shè)置在壓電柔性帶221靠近圓柱桿21的一側(cè)，壓電柔性帶221與輸出導(dǎo)線223連接，通過輸出導(dǎo)線223輸出交流電。

當(dāng)PVDF壓電薄膜2211為單層時，輸出導(dǎo)線223為2根，一根輸出導(dǎo)線223的一端與PVDF壓電薄膜2211的上表面連接，另一端為第一輸出端；另一根輸出導(dǎo)線223的一端與PVDF壓電薄膜2211的下表面連接，另一端為第二輸出端。

當(dāng)PVDF壓電薄膜2211設(shè)置為多層時，依次設(shè)置的PVDF壓電薄膜2211之間設(shè)置有連接導(dǎo)線224，第一根連接導(dǎo)線224的一端與第一張PVDF壓電薄膜2211的下表面連接，另一端與第二張PVDF壓電薄膜2211的上表面連接，第二根連接導(dǎo)線224的一端與第二張PVDF壓電薄膜2211的下表面連接，另一端與第三張PVDF壓電薄膜2211的上表面連接，以此類推，使用連接導(dǎo)線224對依次設(shè)置的PVDF壓電薄膜2211進(jìn)行連接；輸出導(dǎo)線223仍為2根，設(shè)置在任一張PVDF壓電薄膜2211上，一根輸出導(dǎo)線223的一端與PVDF壓電薄膜2211的上表面連接，另一端為第一輸出端；另一根輸出導(dǎo)線223的一端與PVDF壓電薄膜2211的下表面連接，另一端為第二輸出端。

測速模塊23通過連接輸出導(dǎo)線223的第一輸出端和第二輸出端而與壓電單元22相連接，用于檢測輸出電流的頻率，通過計算得出環(huán)境流體的流速。

整流穩(wěn)壓模塊24，通過連接輸出導(dǎo)線223的第一輸出端和第二輸出端而與壓電單元22相連接，用于將壓電單元22產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電。

蓄電池25，與整流穩(wěn)壓模塊24相連，用于存儲直流電。

實施例的另外一種連接方式是：

整流穩(wěn)壓模塊24與測速模塊23連接，用于將壓電單元22產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，蓄電池25與整流穩(wěn)壓模塊24相連，用于存儲直流電。

一種使用上述柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置的測量方法，用來測量空氣的流速，首先將壓電單元22和測速模塊23布置好,然后按照以下步驟操作：

S1，將測速模塊23與壓電單元22的輸出導(dǎo)線223相連接，獲得壓電單元22輸出的交流電；

S2，檢測并獲得交流電的頻率；

S3，獲取渦街頻率f，該渦街頻率f等于獲得的交流電的頻率；

S4，根據(jù)公式U＝fd/St計算得出環(huán)境流體的流速；

其中，f為渦街頻率，d為圓柱桿的直徑，St為斯托拉哈常數(shù)，取值0.21；

S5，根據(jù)S4中公式計算得出的空氣流速結(jié)果顯示在測速模塊23的屏幕上。

實施的作用與效果

根據(jù)本實施所涉及的一種柔性渦流擺動能量的捕獲與測量流體流速的裝置，其特征在于，包括：固定支架；以及與流體的流動方向平行且與固定支架可轉(zhuǎn)動連接的能量捕獲部，其中，能量捕獲部包括與固定支架轉(zhuǎn)動連接的圓柱桿和壓電單元，壓電單元包括具有至少一層PVDF壓電薄膜的壓電柔性帶和輸出導(dǎo)線，壓電柔性帶的一端與圓柱桿固定連接，另一端為活動端，壓電柔性帶與輸出導(dǎo)線連接輸出壓電單元產(chǎn)生的交流電；能量捕獲部還包括測速模塊，測速模塊通過輸出導(dǎo)線與壓電單元相連，用于檢測輸出電流的頻率，通過計算得出環(huán)境流體的流速。

另外，能量捕獲部還包括測速模塊，測速模塊通過輸出導(dǎo)線與壓電單元相連，用于檢測輸出電流的頻率，通過計算得出環(huán)境流體的流速。

進(jìn)一步地，壓電柔性帶為多層PVDF壓電薄膜與多層PE膜相互間隔疊合而成，增加的PVDF壓電薄膜用于增加發(fā)電量，而增加的PE膜用于PVDF壓電薄膜之間的絕緣并對整個壓電柔性帶增加一定的強(qiáng)度。

更進(jìn)一步地，壓電柔性帶呈矩形，在壓電柔性帶頂面和底面的兩側(cè)分別設(shè)置有加強(qiáng)條帶，該加強(qiáng)條帶用于夾緊壓電柔性帶，從而使得壓電柔性帶中的PVDF壓電薄膜與PE膜貼合，增加了壓電柔性帶的整體性，使得卡門渦街對柔性壓電膜的作用更集中，從而提高了柔性壓電膜發(fā)電的效率。

更進(jìn)一步地，能量捕獲部還包括：整流穩(wěn)壓模塊，通過輸出導(dǎo)線與壓電單元相連，用于將壓電單元產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，蓄電池，與整流穩(wěn)壓模塊相連，用于存儲直流電，具有將空閑時發(fā)的電進(jìn)行利用的有益效果。