CN104868785B - 一种内置压电梁的圆筒涡致振动发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种内置压电梁的圆筒涡致振动发电装置，涉及一种发电装置，用于将流体绕流钝体产生的流致振动转换成电能的机电转换装置，该发电装置包括圆筒、压电晶片、金属片、支撑结构，压电晶片粘接在金属片的两面，构成双晶片压电梁并放置于圆筒内部，压电梁平面平行于圆筒轴向和来流方向，利用流体绕流圆筒时形成漩涡脱落导致的圆筒周期性振动带动压电悬臂梁振动，底座可固定于海洋、江河底部或水流、气流管道的管壁上，从而将流体动能转换为电能。该装置结构简单，可以在低流速条件下启动。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电装置，特别是涉及一种内置压电梁的圆筒涡致振动发电装置。
背景技术
水下无线传感器网络作为陆上无线传感器网络的水下延伸，可用于数据采集、污染监测、灾难预防、海洋资源勘测、水下辅助导航定位、远程水下控制、反潜中心战等方面，对国民经济和国防具有重要作用。由于水下传感器网络多布置于海底，其维护和更换代价较大，因此水下无线传感器网络需要一种稳定、可靠、轻便且长效的能源供给。而目前利用波浪和潮汐发电的海洋发电技术或者无法在海底实现或者设备庞大不适用于水下无线传感器网络，因此供电问题成为了水下无线传感器网络技术瓶颈之一。
涡致振动是自然界中最普遍的一种物理现象，广泛存在于流体运动中，尤其是在流速相对较小的海底环境中也会发生，而且这种振动无需人为增加激励而持久存在，是流体可收集能源之一。压电式振动能量收集技术是利用压电材料或器件将环境振动能量转换为电能的技术，由于其结构简单，能量密度和机电转换效率高，无电磁干扰，易于制作成型，无污染，易于实现微型化，寿命长等特点，被广泛研究和应用。如果利用压电材料将涡致振动能量转换为电能，则可以为水下无线传感器网络的供电问题提供一种解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内置压电梁的圆筒涡致振动发电装置，将压电悬臂梁沿轴向置于柔性薄壁圆筒内部的能量收集结构。该结构利用流体绕流圆筒时形成漩涡脱落导致的柔性圆筒周期性弯曲振动，从而带动压电悬臂梁振动产生电能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种内置压电梁的圆筒涡致振动发电装置，该装置利用流体绕流圆筒时产生的漩涡脱落驱动圆筒在垂直于来流方向进行振动，带动压电片产生弯张振动，从而将动能转换为电能；所述装置包括薄壁圆筒、矩形金属薄片、压电晶片、电极引线槽、支撑杆和底座；两片压电晶片分别粘接在金属基片两侧，压电片电极串联，构成双晶片压电梁，压电梁与支撑杆连接穿过薄壁圆筒底面置于圆筒内部，压电梁平面与圆筒轴向和流体来流方向平行，电极引线通过支撑杆凹槽从底座引出，从而接入能量收集电路；底座固定于海洋、江河底部或水流、气流管道的管壁上。
所述的一种内置压电梁的圆筒涡致振动发电装置，所述圆筒为薄壁圆筒，圆筒长度是其直径的三倍以上，金属基片长度等于圆筒长度，金属基片宽度与圆筒内部直径近似相等。
所述的一种内置压电梁的圆筒涡致振动发电装置，所述圆筒直径和长度根据来流速度进行调节。
本发明的优点与效果是：
内置压电梁圆筒涡致振动能量转换装置，包括轻质圆筒、压电陶瓷片、金属基板、支撑杆及底座。其中压电陶瓷片利用导电胶粘贴在金属基板两侧，放置于轻质圆筒内部，金属基板顶端固定于圆筒上端盖，金属基板底端与支撑杆连接并与轻质圆筒下端盖位置固定，支撑杆下端固定于底座上，压电片电极引线由支撑杆内凹槽引出至底座内的信号处理电路。该装置放置于海底或江河底部，圆筒轴向与流体流动方向垂直，压电片和金属基板平面与流体流动方向平行。当流体流速与装置中圆筒结构参数满足一定条件时，圆筒柱面两侧会产生交替的漩涡脱落，从而使圆筒在垂直于来流方向产生涡致振动，进而驱动压电片振动产生电能。该能量转换装置中压电梁被封装到圆筒内部，不直接与外部流体接触。这种设计结构增加了圆筒顺流方向抗弯能力，使其横向涡致振动能量加强，不仅解决了其他结构制作困难、密封防腐等问题，还能增强压电梁与圆管的共振耦合，从而提高能量转换效率。
附图说明
图1为内置压电梁圆筒涡致振动能量转换装置结构示意图；
图2为内置压电梁圆筒涡致振动能量转换装置主视图；
图3为内置压电梁圆筒涡致振动能量转换装置俯视图；
图4为内置压电梁圆筒涡致振动能量转换装置总装图；
图5为内置压电梁圆筒涡致振动能量转换装置剖面图；
图6为圆筒涡致振动原理图。
附图中：1. 圆筒 2. 金属基板 3. 压电晶片 4. 引线槽 5.支撑杆 6. 底座。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
内置压电梁圆筒涡致振动能量转换装置包括薄壁圆筒1、矩形金属薄片2、压电晶片3、电极引线槽4、支撑杆5和底座6；利用导电胶将两片压电晶片3分别粘接在金属基片2两侧，焊接电源引线使压电片电极串联构成双晶片压电梁，沿轴向将压电梁放置于圆筒内，与圆筒两端粘接固定，从支撑圆筒的支架的引线槽中引出电极线并密封圆筒两端，压电梁平面与圆筒轴向和流体来流方向平行，电极引线通过支撑杆凹槽4从底座6引出，从而接入能量收集电路，底座可固定于海洋、江河底部或水流、气流管道的管壁上。
当水流或气流绕流圆筒，在圆筒两侧形成有规律的漩涡脱落时，圆筒受漩涡压力在垂直于来流方向产生涡致振动，从而驱动压电梁振动，进而利用压电晶片将动能转换为电能。当脱涡频率与圆筒固有频率接近时可达到较高的能量转换效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种内置压电梁的圆筒涡致振动发电装置，其特征在于，该装置利用流体绕流圆筒时产生的漩涡脱落驱动圆筒在垂直于来流方向进行振动，带动压电片产生弯张振动，从而将动能转换为电能；所述装置包括薄壁圆筒（1）、矩形金属薄片（2）、压电晶片（3）、电极引线槽（4）、支撑杆（5）和底座（6）；两片压电晶片（3）分别粘接在金属基片（2）两侧，压电片电极串联，构成双晶片压电梁，压电梁与支撑杆连接穿过薄壁圆筒（1）底面置于圆筒内部，压电梁平面与圆筒轴向和流体来流方向平行，电极引线通过支撑杆凹槽（4）从底座（6）引出，从而接入能量收集电路；底座固定于海洋、江河底部或水流、气流管道的管壁上；所述圆筒（1）为薄壁圆筒，圆筒长度是其直径的三倍以上，金属基片（2）长度等于圆筒长度，金属基片宽度与圆筒内部直径近似相等；所述圆筒直径和长度根据来流速度进行调节。
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