一种基于风致振动的多向风能采集装置的制作方法

1.本发明涉及电源技术领域，特别涉及到一种基于风致振动的多向风能采集装置。


背景技术：

2.随着物联网的快速发展，无线传感等的供能问题成为了新的研究热点，自然环境中普遍存在的风能作为一种可再生的清洁能源，为无线网络节点的能量供给提供了新的思路。基于风致振动原理的微型压电风能采集器利用压电效应实现机电转换，具有结构简单、免维护、成本低等优点，目前关于微型压电风能采集器的研究大多是仅对单一风向或几个特定风向有较高的采集效率，难以适应风向随时间变化的应用场景，因此，研制多方向的风能采集装置具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明提出一种基于风致振动的多向风能采集装置，包括支撑立柱、机电转换单元和钝体外壳。所述支撑立柱包括支撑部；所述机电转换单元包括沿周向分布的多个压电复合梁，压电复合梁的一端固定连接于所述支撑部的上方；所述钝体外壳在底部被支撑于所述多个压电复合梁的另一端；且所述钝体外壳的气动中心与所述机电转换单元的刚度中心不重合，以使所述钝体外壳相对于所述机电转换单元偏心设置。
4.进一步地，所述钝体外壳为空心圆柱状结构。
5.进一步地，所述钝体外壳包括沿轴向依次堆叠的第一圆柱体和第二圆柱体，所述第一圆柱体固定连接于所述多个压电复合梁的上方，所述第一圆柱体和所述第二圆柱体同轴设置，且所述第一圆柱体的半径尺寸大于所述第二圆柱体的半径尺寸。
6.进一步地，所述机电转换单元还包括固定夹板，所述固定夹板固定连接于所述支撑部的上方，所述多个压电悬臂梁与所述固定夹板固定连接，且分布于所述固定夹板的周向。
7.进一步地，所述固定夹板包括上夹板和下夹板，所述多个压电复合梁设置于所述上夹板和所述下夹板之间，且所述上夹板和所述下夹板通过紧固件将所述多个压电复合梁固定连接。
8.进一步地，所述压电复合梁包括相互连接的压电梁段和波纹弹簧梁段，所述压电梁段与所述固定夹板固定连接，所述波纹弹簧梁段位于所述压电梁段远离所述固定夹板的一端，所述波纹弹簧段抵接于所述钝体外壳的底部。
9.进一步地，所述多个压电悬臂梁沿所述固定夹板的周向均匀分布。
10.进一步地，所述压电悬臂梁包括依次设置的第一压电层、结构层和第二压电层，所述第一压电层、所述结构层和所述第二压电层之间采用粘合剂粘接。
11.进一步地，所述第一压电层和所述第二压电层并联，所述第一压电层与所述结构层粘接侧和所述第二压电层与所述结构层粘接侧分别引出两根导线作为一个电极，从所述第一压电层和所述第二压电层远离所述结构层的外侧分别引出一根导线作为另一电极。
12.进一步地，所述支撑立柱还包括底座和连接柱，连接柱固定连接于所述底座与所述支撑部之间，所述底座用于和工作台固定连接。
13.本发明公开一种基于风致振动的多向风能采集装置，其可以对不同方向的风能进行收集并转换为电能。为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
14.所述钝体外壳的气动中心与所述机电转换单元的刚度中心不重合。在不同方向风的作用下，由于气动中心与刚度中心不重合，作用于气动中心的气动力将导致机电转换单元的多个压电复合梁发生弯曲和扭转运动，进而导致压电复合梁的压电薄膜表面产生电荷，实现从风能到电能的转换。
15.一种优化的技术方案是：钝体外壳包含上、下两个尺寸不同的圆柱，上、下两个未封底的圆柱同轴心刚性连接，此结构下部圆柱壳的半径大于上部圆柱壳。压电复合梁包含双层压电梁和波纹弹簧梁，双层压电梁由两片压电层粘贴于结构层两侧，波纹弹簧梁一端与结构层末端相连接，另一端与钝体外壳底部相连接。
16.基于全向风能采集的对称性设计方法，内置机电转换单元可以设置为三根及以上的压电复合悬臂梁，以支撑立柱为轴心
17.呈周期性圆周式排布，在保证良好的刚度对称性和方向性的同时，能在较低风速下产生形变，在压电复合梁和采集装置钝体外壳之间加入波纹弹簧梁来降低刚性接触带来的应力集中，并增大压电层的有效工作长度，波纹弹簧梁一端与双层压电梁相连接，另一端与钝体外壳底部相连接，均为刚性连接。
18.一般来说，当来自不同方向的风作用在采集装置的钝体外壳上时，钝体外壳在沿x方向、y方向、z方向上产生气动力，在绕x轴和y轴方向上产生气动力矩，在气动力和气动力矩的作用下，钝体外壳在x方向、y方向、z方向发生平动，同时沿x轴、y轴发生转动，将钝体外壳的受力情况与压电复合梁受力情况进行转换，压电复合梁的自由端受到绕x轴和y轴方向的弯矩以及沿z方向的力，设置多根压电复合梁，使得在不同方向风载荷的作用下，每根压电复合梁均能受到弯矩和力的作用，由于压电效应，压电材料的表面会产生电荷，作用力越大，振动越剧烈，其表面产生的电荷越多。
19.与已经公开的风能采集装置相比，本发明有以下优点：
20.1、本发明提出的基于风致振动的多向风能采集装置，能够针对空间中不同方向来源的风能进行采集，具有较好的全方向风速采集的普适性。钝体外壳包括沿轴向依次堆叠的第一圆柱体和第二圆柱体，第一圆柱体固定连接于多个压电复合梁的上方，第一圆柱体和所述第二圆柱体同轴设置，为了使压电复合梁的长度较大以降低刚度和提高电学输出，第一圆柱体的半径尺寸大于所述第二圆柱体的半径尺寸，钝体外壳的气动中心与机电转换单元的刚度中心在同一轴线上但不在同一位置，由于气动中心和刚度中心之间的偏差，作用在气动中心上的力转换在刚度中心上为对应的弯矩，使得压电复合梁发生变形产生电荷。因此，当不同方向的风载荷作用在钝体外壳上时，压电复合梁均能产生变形，从而实现机电转换。
21.2、本发明提出的基于风致振动的多向风能采集装置，机电转换单元包含多根压电复合梁(三根及以上)，其在不同方向下的刚度分布都较为均匀，刚度全向性均较为良好，且具有良好的刚度对称性，从而实现风能采集装置的多方向收集。
22.3、本发明提出的基于风致振动的多向风能采集装置，压电复合梁包括相互连接的
压电梁段和波纹弹簧梁段，压电梁段与固定夹板固定连接，波纹弹簧梁段位于压电梁段远离固定夹板的一端，波纹弹簧段抵接于钝体外壳的底部。由于压电梁的自由端和钝体外壳刚性连接式，会使压电梁的自由端应力集中，在压电梁振动的过程中会加大压电梁断裂的可能性，因此在压电梁和钝体外壳之间引入波纹弹簧梁来降低刚性接触带来的应力集中。波纹弹簧梁的加入在一定程度上也能增加压电梁的振动幅度，从而增大电学输出。
23.4、本发明提出的基于风致振动的多向风能采集装置，其装置内部的机电转换单元是影响采集系统电学输出的重要因素，压电复合梁采用双层压电层结构，与单层压电层结构相比，其结构刚度更大，且在几何参数相同的情况下，具有更高的电学输出。双层压电层的连接方式有并联和串联，并联的双层压电层在提高电学输出的同时，降低了内部阻抗，与串联的双层压电层相比，采集装置提高的输出功率更为显著，有效的提高了采集装置的机电转换效率。
24.5、本发明提出的基于风致振动的多向风能采集装置，由于其钝体结构与压电复合梁结构通过弹簧钢进行完全贴合，因此在设计时可以根据实际风场的工况对于钝体、弹簧钢、压电复合梁结构进行同步优化。例如：在实际风场风速较大的情况下，可以将钝体上半部分开口和实际长度进行调整缩小，并且将压电片的长度进行等比例程度的减小；在实际风场风速较小的情况下，将钝体上半部分开口和实际长度进行调整放大，同时将压电片的长度进行适当程度的增大。
25.6、本发明提出的基于风致振动的多向风能采集装置，其采用压电效应作为能源采集的基本原理，通过风能带动，从而实现机械能到电能的能源转换，能源转换装置通过共振驱动使得弹簧钢进行一定程度的振动，从而在压电片表面上形成电势差，压电式能量采集与电磁式、静电式、摩擦电式相比，其转换效率较高、结构简单且输出电压较为稳定；
附图说明
26.图1是基于风致振动的多向风能采集装置的结构示意图；
27.图2是风能采集装置的机电转换单元的结构示意图；
28.图3是四根压电复合梁的机电转换单元的结构示意图；
29.图4是六根压电复合梁的机电转换单元的结构示意图；
30.图5是双层压电梁的结构示意图；
31.图6是本技术中的实施例提供的三维空间内采集装置样机在各方向下的输出性能对比。
具体实施方式
32.下面结合附图配合具体实施方式对风能采集装置进一步详细说明。以下实例用于说明本技术，但不用于限制本技术的范围。
33.本发明提出的基于风致振动的多向风能采集装置如图1所示，该装置包含支撑立柱1、机电转换单元2和钝体外壳3，机电转换单元以三根压电复合梁为例进行示意。
34.图2给出了四根压电复合梁机电转换单元的结构示意图，所述结构主要是由压电复合梁4、波纹弹簧梁5及固定夹板6组成。其中固定夹板6采用三角形结构，并在三个顶点处进行钻孔操作用以螺钉固定。
35.图3给出了四根压电复合梁机电转换单元的结构示意图，所述结构主要是由压电复合梁4、波纹弹簧梁5及固定夹板6组成。其中固定夹板6采用四边形结构，并在四个顶点处进行钻孔操作用以螺钉固定。
36.图4给出了六根压电复合梁机电转换单元的结构示意图，所述结构主要是由压电复合梁4、波纹弹簧梁5及固定夹板6组成。其中固定夹板6采用六边形结构，并在六个顶点处进行钻孔操作用以螺钉固定。
37.图5给出了双层压电梁的结构示意图，所述结构主要由压电层7和结构层8构成。结构层8可以采用pet(polyethyleneterephthalate，苯二甲酸乙二醇酯)薄膜材料。压电层7可以采用pvdf(polyvinylidenefluoride,聚偏氟乙烯薄膜)压电薄膜。利用粘合剂将压电层与两侧压电层进行粘结，两层压电层并联连接，从两侧压电层与结构层相粘结的一侧引出两根导线作为一个电极，再分别从压电层两侧各引出一根导线作为另一电极。
38.实施例
39.请参考图1、图2和图5，本实施例提供一种基于风致振动的多向风能采集装置，主要包括支撑立柱3、机电转换单元2及钝体外壳1。机电转换单元2包括压电复合悬臂梁4、波纹弹簧梁5及固定夹板6，支撑立柱3、压电复合悬臂梁4及固定夹板6上设有等间距圆周排布的三个圆孔，用以安装螺钉将机电转换单元2固定在支撑立柱3上，支撑立柱3的底座与外部固定端相连接。压电复合悬臂梁4采用并联式双层压电梁的结构，由压电层7、结构层8及波纹弹簧梁5构成。压电复合悬臂梁4的自由端与钝体外壳1的底部连接，采用三根压电复合悬臂梁呈周期性圆周排布，于其他的实施例中，压电复合悬臂梁的数量可以为多个。
40.与本实施例中，采用3d打印制作了图1所示基于风致振动的多向风能采集器的钝体外壳、固定夹板及支撑立柱，钝体外壳上部圆柱直径50mm、高60mm，壁厚0.4mm，下部圆柱直径70mm、高10mm，壁厚0.8mm，固定夹板为等边三角柱，边长17mm、高2mm，支撑立柱上部等边三角柱边长17mm、高2mm，中部圆柱直径4mm、高20mm，底部圆柱直径25mm、高3mm，支撑立柱总高25mm。压电复合悬臂梁中压电层选用厚度为100um的pvdf压电薄膜，长20mm、宽6mm，结构层选用厚度为300um的pet薄膜，长22mm、宽6mm，波纹弹簧梁选用厚度为50um的65mn钢，波纹折弯高6mm，长6mm，宽6mm，压电复合悬臂梁的内阻为50mω。
41.在风洞中对实施例提供的多向风能采集器的性能进行了测试，实验中，风向随采集器放置位置的改变而改变，在采集器放置位置与风向夹角为-45
°
、0
°
、45
°
的平面内，分别对采集器绕支撑立柱旋转0
°
至360
°
进行了输出性能的测试，以及-90
°
和90
°
的风向角下采集器的输出性能测试。实验显示，在50mω的优化负载下，采集器在各风向下起振风速约为2m/s左右，在不同风向下，采集器在3.2m/s、5m/s、8m/s均有较高电学响应，采集器在空间内多风向下均有输出响应，测试采集器绕支撑立柱转动各角度下的归一化输出功率，在任意方向均大于0.5。如图6所示给出了在来流风向与采集器夹角为-90
°
至90
°
之间时采集器在各方向下的输出性能对比，在-90
°
至90
°
五个平面内采集器的风向性均较好，在平面内各方向下的输出性能较为均匀，能更好的应用于风向变化的场景。
42.本领域技术人员应理解的是，在本技术的揭露中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对
申请的限制。

技术特征：
1.一种基于风致振动的多向风能采集装置，其特征在于，包括：支撑立柱，所述支撑立柱包括支撑部；机电转换单元，所述机电转换单元包括沿周向分布的多个压电复合梁，压电复合梁的一端固定连接于所述支撑部的上方；钝体外壳，所述钝体外壳在底部被支撑于所述多个压电复合梁的另一端；且所述钝体外壳的气动中心与所述机电转换单元的刚度中心不重合，以使所述钝体外壳相对于所述机电转换单元偏心设置。2.根据权利要求1所述的基于风致振动的多向风能采集装置，其特征在于，所述钝体外壳为空心圆柱状结构。3.根据权利要求2所述的基于风致振动的多向风能采集装置，其特征在于，所述钝体外壳包括沿轴向依次堆叠的第一圆柱体和第二圆柱体，所述第一圆柱体固定连接于所述多个压电复合梁的上方，所述第一圆柱体和所述第二圆柱体同轴设置，且所述第一圆柱体的半径尺寸大于所述第二圆柱体的半径尺寸。4.根据权利要求1所述的基于风致振动的多向风能采集装置，其特征在于，所述机电转换单元还包括固定夹板，所述固定夹板固定连接于所述支撑部的上方，所述多个压电悬臂梁与所述固定夹板固定连接，且分布于所述固定夹板的周向。5.根据权利要求4所述的基于风致振动的多向风能采集装置，其特征在于，所述固定夹板包括上夹板和下夹板，所述多个压电复合梁设置于所述上夹板和所述下夹板之间，且所述上夹板和所述下夹板通过紧固件将所述多个压电复合梁固定连接。6.根据权利要求4所述的基于风致振动的多向风能采集装置，其特征在于，所述压电复合梁包括相互连接的压电梁段和波纹弹簧梁段，所述压电梁段与所述固定夹板固定连接，所述波纹弹簧梁段位于所述压电梁段远离所述固定夹板的一端，所述波纹弹簧段抵接于所述钝体外壳的底部。7.根据权利要求4-6任一项所述的基于风致振动的多向风能采集装置，其特征在于，所述多个压电悬臂梁沿所述固定夹板的周向均匀分布。8.根据权利要求1所述的基于风致振动的多向风能采集装置，其特征在于，所述压电悬臂梁包括依次设置的第一压电层、结构层和第二压电层，所述第一压电层、所述结构层和所述第二压电层之间采用粘合剂粘接。9.根据权利要求8所述的基于风致振动的多向风能采集装置，其特征在于，所述第一压电层和所述第二压电层并联，所述第一压电层与所述结构层粘接侧和所述第二压电层与所述结构层粘接侧分别引出两根导线作为一个电极，从所述第一压电层和所述第二压电层远离所述结构层的外侧分别引出一根导线作为另一电极。10.根据权利要求1所述的基于风致振动的多向风能采集装置，其特征在于，所述支撑立柱还包括底座和连接柱，连接柱固定连接于所述底座与所述支撑部之间，所述底座用于和工作台固定连接。

技术总结
本发明公开了一种基于风致振动的多向风能采集装置，其是由支撑立柱、机电转换单元和钝体外壳构成，其中机电转换单元包括多个沿圆周方向均匀间距排布的压电复合梁，压电复合梁的一端固定于支撑立柱，另一端固定于钝体外壳底部内壁，支撑立柱底部与外部连接，所述钝体外壳的气动中心与所述机电转换单元的刚度中心不重合。将采集装置置于风场中时，钝体外壳受到气动力的作用下发生风致振动，带动压电复合梁振动并发电。当风向在三维空间中任意变化时，钝体受到的气动力均可导致钝体和压电复合梁振动，因此本采集装置可以采集多方向的风能，从而提高了装置对风向变化环境的适应性。从而提高了装置对风向变化环境的适应性。从而提高了装置对风向变化环境的适应性。


技术研发人员：贺学锋 廖骁涵 陈宗昊 李春龙 黄辉 刘弘景 刘可文
受保护的技术使用者：国网智能电网研究院有限公司 国网北京市电力公司
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/22