本發(fā)明屬于壓電能量采集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于卡門(mén)渦街的水流振動(dòng)能量采集裝置。

背景技術(shù)：

隨著近幾十年直接和間接的環(huán)境污染已經(jīng)引起了氣候變化、霧霾、水污染以及全球變暖等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了我們的生活環(huán)境和身體健康，因此對(duì)于環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)則成為至關(guān)重要的工作。近年來(lái)由于無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展使得無(wú)線傳感器被廣泛用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)工序控制、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、生命健康、交通管控、軍事偵察等遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

無(wú)線傳感器是通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)施監(jiān)測(cè)，而這些被監(jiān)測(cè)的區(qū)域多分布于野外或人員不易到達(dá)的遙遠(yuǎn)地區(qū)。那么，選用什么樣的供能方式才能保證服務(wù)期的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供能有可靠的性能和壽命是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的化學(xué)電池是目前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的主要方式，但是化學(xué)電池本身有著質(zhì)量大、體積大、壽命有限、需要定期更換、不能循環(huán)利用以及污染環(huán)境等不容忽視的缺點(diǎn)。為了解決上述問(wèn)題，人們尋找一種新型的清潔能源供能方式來(lái)代替化學(xué)電池為無(wú)線傳感器和微機(jī)電產(chǎn)品等供能。

眾所周知，地表水域的面積占地球總面積的75％，而這些水域中還蘊(yùn)藏著多種形式的未開(kāi)發(fā)能源，比如：潮汐、水的流動(dòng)、波浪等等。水中的能量密度約是太陽(yáng)能和風(fēng)能4倍，所以水下流動(dòng)致振動(dòng)能量收集技術(shù)也是研究者們探索的方向之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種基于卡門(mén)渦街的水流振動(dòng)能量采集裝置，通過(guò)水箱、水槽結(jié)合水泵，在水槽中設(shè)置阻流體和柔性壓電振子，利用了阻流體繞流產(chǎn)生卡門(mén)渦街原理，柔性壓電振子在脫落的渦旋作用下產(chǎn)生大幅度的擺動(dòng)，收集能量，在壓電振子的固有頻率和渦旋脫落的頻率相同或相近時(shí)，收集的能量最大且能量轉(zhuǎn)換效率最高。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于卡門(mén)渦街的水流振動(dòng)能量采集裝置，所述基于卡門(mén)渦街的水流振動(dòng)能量采集裝置包括水槽、水箱和水泵，水箱通過(guò)入水管道連通到水泵，水泵通過(guò)出水管道連通至水槽中的緩沖槽中，水槽中通過(guò)回流管道B連通至水箱，水槽設(shè)有夾具，夾具固定在水槽的水道上，夾具的下方固定有阻流體和柔性壓電振子，柔性壓電振子安裝在阻流體的水流方向上，水流經(jīng)過(guò)阻流體后流經(jīng)柔性壓電振子。

上述裝置中，所述出水管道上安裝有球閥B。所述水箱上設(shè)有回流管道A，回流管道A連通水箱和出水管道之間。所述入水管道在水箱內(nèi)的入口處安裝有止回閥。

該發(fā)明主要由水箱、水槽、水泵、阻流體、壓電材料(PVDF)、夾具與流速儀組成。阻流體與壓電材料由夾具固定在水槽中的流道中。能量采集過(guò)程中水箱中的水經(jīng)由入水管道輸入到水泵中，再通過(guò)水泵經(jīng)由出水管道輸送至水槽的緩沖槽中，然后流入水槽中的流道并由流速儀測(cè)得流速，最后通過(guò)回流管道B流回水箱中。在流速要求較小時(shí)水泵抽取的多余水可以通過(guò)回流管道A排回水箱中?；亓鞴艿繟和出水管道上安裝了球閥，以調(diào)節(jié)出水流量；同時(shí)入水管道入口處還安裝了止回閥，以保證入水管道中充滿了水。

本發(fā)明有益效果是:本發(fā)明提出一種基于卡門(mén)渦街的水流振動(dòng)壓電能量采集裝置。該裝置利用了阻流體繞流產(chǎn)生卡門(mén)渦街原理，柔性壓電振子在脫落的渦旋作用下產(chǎn)生大幅度的擺動(dòng)。在壓電振子的固有頻率和渦旋脫落的頻率相同或相近時(shí)，收集的能量最大且能量轉(zhuǎn)換效率最高。

附圖說(shuō)明

下面對(duì)本說(shuō)明書(shū)附圖所表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡(jiǎn)要說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明的具體實(shí)施方式的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的具體實(shí)施方式的水槽結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中1、水槽；2、水箱；3、水泵；4、入水管道；5、出水管道；6、回流管道A；7、回流管道B；8、調(diào)節(jié)球閥A；9、球閥B；10、止回閥；11、緩沖槽；12、夾具；13、阻流體；14、柔性壓電振子。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)照附圖，通過(guò)對(duì)實(shí)施例的描述，本發(fā)明的具體實(shí)施方式如所涉及的各構(gòu)件的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及操作使用方法等，作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù)方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。

如圖1和圖2所示，一種基于卡門(mén)渦街的水流振動(dòng)能量采集裝置，包括水槽1、水箱2和水泵3，水箱2通過(guò)入水管道4連通到水泵3，水泵3通過(guò)出水管道5連通至水槽1中的緩沖槽11中，緩沖槽11安裝在水槽1中的一端，水流經(jīng)過(guò)緩沖槽11后變成層流狀態(tài)流入水槽1的流道內(nèi)，水槽1的流道上設(shè)有流速儀用來(lái)測(cè)量流速，水槽1中通過(guò)回流管道B7連通至水箱2，水槽1上設(shè)有夾具12，夾具12固定在水槽1的水道上，夾具12的下方固定有阻流體13和柔性壓電振子14，柔性壓電振子14安裝在阻流體13的水流方向上，水流經(jīng)過(guò)阻流體13后流經(jīng)柔性壓電振子14。

出水管道5上安裝有球閥B9，水箱2上設(shè)有回流管道A6，回流管道A6連通水箱2和出水管道5之間，回流管道A6上設(shè)有調(diào)節(jié)球閥A8，入水管道4在水箱2內(nèi)的入口處安裝有止回閥10。水泵為ISW80-100臥式離心水泵，流速儀為L(zhǎng)S400便攜式流速儀。阻流體13采用鋁合金材料制作而成，高為70mm，一端鉆有深為30mm、直徑為10mm的螺紋孔，方便固定在夾具12上。夾具12是不銹鋼制品，采用機(jī)加工方法制成，夾具12的中間開(kāi)了一個(gè)長(zhǎng)形鍵槽，用于調(diào)節(jié)阻流體13和壓電振子14在流道寬度方向上的相對(duì)位置，而流道長(zhǎng)度方向上的位置則通過(guò)移動(dòng)整個(gè)夾具12來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明不僅提高了能量收集效率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相關(guān)變量的調(diào)整也更為方便。

能量收集過(guò)程中水箱2中的水經(jīng)由入水管道4輸入到水泵3中，再通過(guò)水泵3經(jīng)由出水管道5輸出至水槽1的緩沖槽11中，然后流入水槽1中的流道并由流速儀測(cè)得流速，最后通過(guò)回流管道B7流回水箱2中。阻流體13與柔性壓電振子14由夾具12固定在流道中，當(dāng)水流流經(jīng)圓柱阻流體13時(shí)會(huì)在其后面出現(xiàn)渦旋，隨著脫落的渦旋作用在柔性壓電振子14上，會(huì)使柔性壓電振子14產(chǎn)生振動(dòng)，再通過(guò)柔性壓電振子14本身的正壓電效應(yīng)將振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。在流速較小時(shí)水泵3抽取的多余水可以通過(guò)回流管道A6排回水箱2中?；亓鞴艿繟6和出水管道5上安裝了球閥，以調(diào)節(jié)出水流量；同時(shí)入水管道入口處還安裝了止回閥，以保證入水管道中充滿了水。

本發(fā)明的工作原理為，先將水箱2中注滿水，之后啟動(dòng)水泵3讓緩沖槽11中先積滿水，之后調(diào)節(jié)球閥A8與球閥B9來(lái)控制流道中的流速，并通過(guò)流速儀來(lái)讀取流速。此時(shí)，水流經(jīng)過(guò)阻流體13式形成渦街帶動(dòng)壓電材料14使其產(chǎn)生電壓，并通過(guò)柔性壓電振子14上的導(dǎo)線直接與示波器鏈接來(lái)讀取電壓的數(shù)值。另外在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有幾個(gè)量是可以變化的：1.用兩個(gè)球閥來(lái)調(diào)整水流的流速；2.用夾具來(lái)調(diào)整阻流體與壓電材料的距離；3.通過(guò)更換阻流體來(lái)調(diào)整阻流體直徑；4.通過(guò)更換壓電材料柔性壓電振子來(lái)調(diào)整壓電材料尺寸。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場(chǎng)合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。