一种风速自调节及低风速可开启的压电风能收集装置

技术领域

本发明属于压电风能收集领域，涉及一种风能到机械能然后将机械能转换 为电能的能量转换装置。

背景技术

近年来，无线传感网络作为一种新型网络通信技术发展迅速，并已广泛应 用于生产生活的各个领域，然而无线传感节点的供电技术仍没有解决，目前依 然以需要定期更换化学电池为主。压电发电是除电磁式和化学式以外的另一种 发电方式，具有无电磁干扰，不消耗一次能源，清洁高效等优点。风能作为一 种清洁的可再生能源广泛存在于自然界的各个角落，其潜在能量巨大。目前被 广泛使用的风力发电机一般采用电磁式发电，机电转换效率低，维护困难，成 本较高。压电风能收集技术可以将自然界的风能转换为电能以驱动无线传感节 点，具有较大的研究价值和应用前景。

专利201220330059公开了一种压电式风力发电装置。其特征在于可以利用 调速开关控制通风量，集约装置可以使风力更加均匀、集中。随后风吹向发电 装置，通过压电载体引起压电振子振动，从而达到发电的目的。专利 201010519391.X公开了一种利用风能的压电能量收集方法及装置，它采用风能 驱动旋转载体，旋转载体上的永久磁铁产生对悬臂梁上的固定磁铁的斥力，从 而使悬臂梁振动，产生电能。以上专利中提到的装置，机械结构相对复杂，使 用磁铁、转子等材料消耗较大，成本难以控制，并且在同一维度上增加悬臂梁 个数会造成装置的小型化难以实现。本发明提出一种风速可自调节及低风速可 开启的压电风能收集装置，装置中的集约风道和整流装置可以改变风速和风向， 装置中的风机一方面用来将风能转换为风机的动能，另一方面用来击打悬臂梁， 完成机械能到电能的转换，同时使结构更为紧凑，减小空间占用。通过改变风 机等零件的尺寸，亦可灵活的改变整个发明装置的大小，以适应不同的环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术缺陷，提供一种风速自调 节及低风速可开启的压电风能收集方法及装置。该装置包括集约风道、整流装 置、风机、压电悬臂梁。所述整流装置及集约风道装置具有在低风速下提高风 机边缘风速的作用，从而降低风机开启风速。开启的风机有效击打三角形压电 悬臂梁迫使其形变，从而将风能转换为风机的机械能并通过压电效应将机械能 转换为电能，实现在人员到达困难的远端的低功耗器件或系统的自供电。使其 不用定期更换化学电池，方便使用，节省物力财力。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种风速自调节及低风速可开启的压电风能收集装置，来自不同方向的风 进入集约风道，进入集约风道的风在反馈气囊调节整流装置后被集约风道和整 流装置共同约束为速度增加并且指向风机叶轮边缘部分的风，从而使风机在低 风速下开启。

所述集约风道为前段呈喇叭状，后端为管状。所述整流装置为伞状，包括 整流装置固定座、柔性膜、七条支架以及七条支架上的肋，支架以及肋呈锥形 分布，柔性膜包裹在肋外侧，其在牵引孔的控制下可以改变整流装置开合的大 小。风机四周固定以磷青铜为基板的压电悬臂梁，压电悬臂梁采用双晶模式， 上下各附有PVDF薄膜。悬臂梁末端与悬臂梁固定座通过螺丝固定，自由端与风 机叶轮边缘有3mm重合，从而保证叶轮在旋转时有效击打压电悬臂梁。

风机叶轮的击打迫使压电悬臂梁发生形变，从而利用压电效应产生电能并 收集。

前述的风速自调节及低风速可开启的压电风能收集装置中，所述的压电悬 臂梁为内弧边三角形压电悬臂梁、外弧边三角形压电悬臂梁或直边三角形压电 悬臂梁。所述内弧边三角形压电悬臂梁底边为直边，两腰为向内凹的弧线的三 角形压电悬臂梁；所述外弧边三角形压电悬臂梁为底边为直边，两腰为向外凸 的弧线的三角形压电悬臂梁；所述的直边三角形压电悬臂梁为底边为直边，两 腰为直边的三角形压电悬臂梁。对所述三种悬臂梁分别进行有限元分析。所述 三种压电悬臂梁均为双晶压电悬臂梁。所述压电悬臂梁的个数为4。

前述的风速自调节及低风速可开启的压电风能收集装置中，所述的整流装 置在末端有牵引孔，反馈气囊通过传动装置控制牵引孔，从而控制整流装置开 合的大小。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明将风能转化为机械能，最终 转化为电能，以实现远端无线传感节点的自供电。并使其不受振动源的限制， 使用便利，无需再次投入劳动力；整流装置可对风速和风向进行调节，使风机 在较低风速下开启；可对压电悬臂梁的形状进行进一步改进，提高风能收集效 率；可对悬臂梁个数以及风扇叶轮数进行调节，使其能较好的适应不同风力情 况；本发明还具有实施结构紧凑，材料消耗少，成本低，易于实现等特点，可 为低功耗设备及无线传感节点供电。

附图说明

图1是风速自调节及低风速可开启的压电风能收集装置示意图。

图2是反馈气囊局部示意图。

图3是整流装置局部示意图。

图4是内弧边三角形压电悬臂梁、外弧边三角形压电悬臂梁和直边三角形 压电悬臂梁在相同载荷下输出功率的有限元分析结果图。

图中：1固定支架；2集约风道；3反馈气囊；4传动装置；5整流装置安装支架； 6整流装置；7悬臂梁安装座；8悬臂梁；9风机安装支架；10风机；11集约风 道固定支架；12牵引孔；13整流装置固定座；14整流装置支架；15整流装置 肋；16柔性膜。

具体实施方式

实施例，一种风速自调节及低风速可开启的压电风能收集装置。本发明工 作原理如下：首先来自不同方向的风进入集约风道，在反馈气囊调节整流装置 后被集约风道和伞状的整流装置共同约束为速度增加并且指向风机叶轮边缘部 分的风，同样的风速指向风机叶轮边缘相对于风机中心更容易使得风机开启， 从而使风机在更低风速下开启，然后将风能转换为风机的机械能。风机四周固 定以磷青铜为基板的压电悬臂梁，压电悬臂梁采用双晶模式，所述悬臂梁为内 弧边三角形压电悬臂梁、外弧边三角形压电悬臂梁、直边三角形压电悬臂梁， 上下各附有PVDF薄膜。压电悬臂梁末端与悬臂梁安装座通过螺丝固定，自由端 与风机叶轮边缘有3mm重合，从而保证叶轮在旋转时有效击打悬臂梁。风机叶 轮的击打迫使悬臂梁发生形变，从而利用压电效应将风机的机械能转换为电能 并收集利用。通过控制压电悬臂梁的个数及风机叶轮的个数来可以提高风能收 集效率。在图1中，集约风道2通过支架固定在固定支架1上，整流装置6通 过图3中整流装置固定座13固定在整流装置安装支架5上。风机通过风机安装 支架9固定。悬臂梁8安装在悬臂梁安装座7上。

本实施例中压电悬臂梁为前述内弧边三角形压电悬臂梁、外弧边三角形压 电悬臂梁、直边三角形压电悬臂梁。风机直径为115mm，风机叶轮个数为4；压 电悬臂梁的基板为磷青铜；压电材料是PVDF薄膜。通过有限元方法分析得出在 相同载荷下三种压电悬臂梁输出功率如图4所示。从图中可以看出内弧边悬臂 梁有更高的功率输出，并且节省材料，直边悬臂梁次之，外弧边悬臂梁功率输 出最小。

本发明与已有的风能收集结构相比结构紧凑，开启风速低，输出功率高， 易于实现，可以为低功耗器件以及无线传感节点供电。