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      基于柔性顫振效應(yīng)的低速氣流能量采集裝置及方法與流程

      文檔序號(hào):11253512閱讀:1173來(lái)源:國(guó)知局
      基于柔性顫振效應(yīng)的低速氣流能量采集裝置及方法與流程

      本發(fā)明涉及基于柔性顫振效應(yīng)的低速氣流能量采集裝置及方法,具體涉及一種基于空氣動(dòng)力學(xué)顫振效應(yīng)的能量采集裝置及方法,將低速的氣流高效率地轉(zhuǎn)換為電能,用于城市建筑物之間或室內(nèi)通風(fēng)管道的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)供電。



      背景技術(shù):

      顫振是在一定風(fēng)速下發(fā)生的一種動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象,其主要原因是由于氣流與結(jié)構(gòu)體之間的相互作用而產(chǎn)生的自激力所引起,自激力的存在使得系統(tǒng)的阻尼和剛度性質(zhì)發(fā)生變化,從而在一定風(fēng)速下產(chǎn)生總的負(fù)阻尼,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)能量不斷增加,當(dāng)達(dá)到臨界風(fēng)速且在結(jié)構(gòu)體能夠承受的風(fēng)速內(nèi),結(jié)構(gòu)體會(huì)產(chǎn)生具有固定頻率及振幅的振動(dòng)。

      目前關(guān)于顫振的研究主要集中在橋梁風(fēng)工程以及航天工程的機(jī)翼設(shè)計(jì)中,研究方向主要為探尋顫振的發(fā)生條件以降低顫振事故的發(fā)生,尚沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)性研究來(lái)討論如何增強(qiáng)和利用顫振效應(yīng)從氣流中獲取能量,尤其是顫振效應(yīng)中來(lái)源于運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)體和氣流耦合作用的正反饋?zhàn)约ち?,形成原因較復(fù)雜和受影響因素較多,現(xiàn)有的顫振能量采集方法大部分都是通過(guò)利用氣流驅(qū)動(dòng)翼狀結(jié)構(gòu),進(jìn)而壓迫壓電梁,通過(guò)正壓電方法獲取能量,該類(lèi)方法機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,由于自重較大,對(duì)氣流流速有一定要求,另外考慮到壓電材料在低頻振動(dòng)下能量轉(zhuǎn)換效率很低,因此并不適合于低速氣流能量采集。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      為了解決上述存在的問(wèn)題,本發(fā)明公開(kāi)了一種基于柔性顫振效應(yīng)的低速氣流能量采集裝置及方法,其具體技術(shù)方案如下:

      基于柔性顫振效應(yīng)的低速氣流能量采集裝置,包括柔性彈性壓電薄膜帶,所述柔性彈性壓電薄膜帶繃緊固定在兩個(gè)底座之間,兩個(gè)所述底座通過(guò)若干個(gè)支桿支撐固定連接。

      所述柔性彈性壓電薄膜帶的兩側(cè)均設(shè)置有導(dǎo)流板,所述導(dǎo)流板與柔性彈性壓電薄膜帶傾斜。

      所述柔性彈性壓電薄膜帶的一端設(shè)置有定圈動(dòng)鐵電磁共振單元,所述定圈動(dòng)鐵電磁共振單元能夠與柔性彈性壓電薄膜帶共振。

      所述定圈動(dòng)鐵電磁共振單元包括電磁共振單元基座,所述電磁共振單元基座頂端設(shè)置有帶通孔活動(dòng)部件,所述帶通孔活動(dòng)部件套接在電磁共振單元基座內(nèi),且?guī)谆顒?dòng)部件與電磁共振單元基座底部之間設(shè)置有彈簧,所述帶通孔活動(dòng)部件內(nèi)設(shè)置有磁鐵,所述磁鐵抵觸著彈簧,所述電磁共振單元基座的外周圓周纏繞有兩組線(xiàn)圈。

      所述柔性彈性壓電薄膜帶的外面設(shè)置有保護(hù)罩,所述帶通孔活動(dòng)部件與柔性彈性壓電薄膜帶固定,所述電磁共振單元基座與保護(hù)罩內(nèi)壁抵觸固定。

      所述柔性彈性壓電薄膜帶的兩端均通過(guò)鎖定機(jī)構(gòu)與底座連接,所述鎖定機(jī)構(gòu)包括兩片“l(fā)”形的連接板,兩片“l(fā)”形的連接板分別位于柔性彈性壓電薄膜帶的兩側(cè),并將柔性彈性壓電薄膜帶夾緊固定,兩片“l(fā)”形的連接板與底座連接。

      所述連接板包括“l(fā)”形垂直的兩片滑片,兩片滑片均開(kāi)設(shè)有腰形孔,其中一片滑片與固定座貼合,另一片滑片與柔性彈性壓電薄膜帶貼合,腰形孔中均貫穿有連接件,該連接件連接滑片與對(duì)應(yīng)固定座或柔性彈性壓電薄膜帶。

      基于柔性顫振效應(yīng)的低速氣流能量采集方法,包括以下操作步驟:

      (1)組裝基于柔性顫振效應(yīng)的低速氣流能量采集裝置;

      (2)柔性彈性壓電薄膜帶在經(jīng)受切向風(fēng)時(shí)產(chǎn)生頻率固定的類(lèi)正弦振動(dòng),通過(guò)理論計(jì)算得到橫向風(fēng)受力與柔性彈性壓電薄膜帶的尺寸以及橫截面形狀之間的關(guān)系,考慮到橫向風(fēng)受力與柔性彈性壓電薄膜帶的橫截面形狀密切相關(guān),當(dāng)結(jié)構(gòu)體發(fā)生顫振時(shí),同時(shí)受到垂直方向的提升力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用,由于一般扭轉(zhuǎn)角度都較小,在最簡(jiǎn)單的情況下,在橫截面上顫振運(yùn)動(dòng)考慮成兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),即垂直方向的上下振動(dòng)和一定角度的周期扭轉(zhuǎn),利用其中幅度較大的垂直上下振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)定圈動(dòng)鐵電磁共振單元的微型電磁感應(yīng)共振發(fā)電機(jī)或者柔性彈性壓電薄膜帶;

      (3)振動(dòng)中的柔性彈性壓電薄膜帶的穩(wěn)定性將取決于各項(xiàng)氣動(dòng)系數(shù)的正負(fù)和數(shù)值,在橫截面上顫振運(yùn)動(dòng)可以考慮成兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),當(dāng)引入垂直方向的臨界阻尼率ξh和偏轉(zhuǎn)方向的臨界阻尼率ξα,以及兩個(gè)方向的固有頻率ωh和ωα,大跨度柔性結(jié)構(gòu)的顫振方程寫(xiě)成:

      (4)在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于結(jié)構(gòu)體橫截面形狀的復(fù)雜性,無(wú)法通過(guò)統(tǒng)一的方法來(lái)定性描述自激力l和m,引入氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)hi和ai來(lái)描述彈性體的結(jié)構(gòu)特征和風(fēng)速之間的關(guān)系,在引入氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)之后,顫振運(yùn)動(dòng)表述為如下形式:

      為了定量計(jì)算顫振運(yùn)動(dòng)的參數(shù),聯(lián)合公式(1)和公式(2)可得公式(3):

      公式(3)中,振動(dòng)中的彈性結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性將取決于各項(xiàng)氣動(dòng)系數(shù)的正負(fù)和數(shù)值,將公式(3)改寫(xiě)成如下形式:

      其中為負(fù)阻尼項(xiàng),當(dāng)h1大于彈性的阻尼系數(shù)項(xiàng)2ξhωh時(shí),系統(tǒng)將從外界氣流中吸取能量,結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)幅度和偏轉(zhuǎn)角度也將增大,直至到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)產(chǎn)生的穩(wěn)定振動(dòng)就可作用與電磁共振單元或者柔性壓電材料,產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的電能,該電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容器或者電池中,用于給傳感器節(jié)點(diǎn)供電。

      本發(fā)明的工作原理是:

      本發(fā)明首先利用柔性彈性壓電薄膜帶(可選用pvdf壓電薄膜帶)構(gòu)造兩端固定的大跨度結(jié)構(gòu),當(dāng)有水平氣流流經(jīng)該結(jié)構(gòu)時(shí),柔性彈性壓電薄膜帶將發(fā)生顫振現(xiàn)象,由于壓電材料的正壓電效應(yīng),該柔性彈性壓電薄膜帶產(chǎn)生一部分電能;并提出了鎖定機(jī)構(gòu),用于固定柔性彈性壓電薄膜帶的兩端,該鎖定機(jī)構(gòu)鎖住柔性彈性壓電薄膜帶的兩端后,通過(guò)自身滑動(dòng)旋轉(zhuǎn),用于調(diào)節(jié)柔性彈性壓電薄膜帶中的張力,進(jìn)而改變?nèi)嵝詮椥詨弘姳∧У膭偠认禂?shù),匹配不同的環(huán)境風(fēng)速;進(jìn)而提出了定圈動(dòng)鐵電磁共振單元,結(jié)合柔性彈性壓電薄膜帶進(jìn)行共振,進(jìn)而通過(guò)線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生另外一部分電能,考慮到實(shí)際環(huán)境中特別室外的氣流條件比較復(fù)雜,為了防止側(cè)向氣流干擾,在裝置的側(cè)翼分別安裝了可變更角度的導(dǎo)流板,由于使用柔性薄膜壓電材料,需要的啟動(dòng)風(fēng)速可以低至1m/s,可以在城市市區(qū)高層建筑物以及室內(nèi)通風(fēng)管道使用。

      顫振的穩(wěn)定頻率不光取決于外界風(fēng)速,還取決于柔性結(jié)構(gòu)體自身的剛度系數(shù),通過(guò)靈活的鎖定機(jī)構(gòu),可以實(shí)時(shí)微調(diào)柔性薄膜帶的張力和剛度系數(shù),實(shí)現(xiàn)最大效率的風(fēng)能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換。當(dāng)風(fēng)速和柔性薄膜帶的剛度系數(shù)均確定,產(chǎn)生頻率一定的穩(wěn)定顫振時(shí),也可以通過(guò)更換電磁共振單元的磁鐵和彈簧,使得電磁共振單元的固有頻率接近該顫振頻率,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效率的機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換。

      本發(fā)明的有益效果是:

      1)構(gòu)造簡(jiǎn)單、組裝方便、柔性薄膜帶易于拆卸和更換、成本低,可以提供數(shù)十毫伏的電功率為無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)供電;

      2)由于采用了電磁共振和柔性壓電材料轉(zhuǎn)換進(jìn)行復(fù)合能量采集,電磁共振單元的固有共振頻率要比采用壓電材料要低,適合低風(fēng)速下的能量采集,壓電材料的固有共振頻率較高,更適合較高風(fēng)速能量采集;

      3)考慮到自然界中的實(shí)際風(fēng)速在一定范圍內(nèi)波動(dòng),薄膜彈性帶的張力可以通過(guò)鎖定機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié),便于和實(shí)際風(fēng)速進(jìn)行同步;

      4)該裝置不僅可以安裝在城市建筑物外側(cè),還可以安裝在市內(nèi)通風(fēng)管道中間,來(lái)為室內(nèi)的分布式傳感器進(jìn)行供電;

      5)采用創(chuàng)新性的導(dǎo)流板構(gòu)造,在復(fù)雜風(fēng)況下仍然可以正常工作;

      5)電磁共振單元安裝在防護(hù)罩中,保護(hù)電路部分不受天氣影響而損壞。

      附圖說(shuō)明

      圖1是本發(fā)明的能量采集原理圖,

      圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖,

      圖3是本發(fā)明的一側(cè)底座放大圖,

      圖4是本發(fā)明的電磁共振單元示意圖,

      圖5是圖4的縱向剖面圖,

      圖6是本發(fā)明柔性彈性壓電薄膜帶橫截面受力分析圖,

      附圖標(biāo)記列表:1.支桿,2.底座,3.導(dǎo)流板,4.柔性彈性壓電薄膜帶,5.定圈動(dòng)鐵電磁共振單元,6.保護(hù)罩,7.鎖定機(jī)構(gòu),8.帶通孔活動(dòng)部件,9.磁鐵,10.線(xiàn)圈,11.彈簧,12.電磁共振單元基座。

      具體實(shí)施方式

      下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式,進(jìn)一步闡明本發(fā)明。應(yīng)理解下述具體實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。

      圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)合附圖可見(jiàn),本基于柔性顫振效應(yīng)的低速氣流能量采集裝置,包括柔性彈性壓電薄膜帶4,所述柔性彈性壓電薄膜帶4繃緊固定在兩個(gè)底座2之間,兩個(gè)所述底座2通過(guò)若干個(gè)支桿1支撐固定連接。

      所述柔性彈性壓電薄膜帶4的兩側(cè)均設(shè)置有導(dǎo)流板3,所述導(dǎo)流板3與柔性彈性壓電薄膜帶4傾斜。

      所述柔性彈性壓電薄膜帶4設(shè)置有定圈動(dòng)鐵電磁共振單元5,所述定圈動(dòng)鐵電磁共振單元5能夠與柔性彈性壓電薄膜帶4共振。

      所述定圈動(dòng)鐵電磁共振單元5包括電磁共振單元基座12,所述電磁共振單元基座12頂端設(shè)置有帶通孔活動(dòng)部件8,所述帶通孔活動(dòng)部件8套接在電磁共振單元基座12內(nèi),且?guī)谆顒?dòng)部件8與電磁共振單元基座12底部之間設(shè)置有彈簧11,所述帶通孔活動(dòng)部件8內(nèi)設(shè)置有磁鐵9,所述磁鐵9抵觸著彈簧11,所述電磁共振單元基座12的外周圓周纏繞有兩組線(xiàn)圈10。

      所述柔性彈性壓電薄膜帶4的外面設(shè)置有保護(hù)罩6,所述帶通孔活動(dòng)部件8與柔性彈性壓電薄膜帶4固定,所述電磁共振單元基座12與保護(hù)罩6內(nèi)壁抵觸固定。

      所述柔性彈性壓電薄膜帶4的兩端均通過(guò)鎖定機(jī)構(gòu)7與底座2連接,所述鎖定機(jī)構(gòu)7包括兩片“l(fā)”形的連接板,兩片“l(fā)”形的連接板分別位于柔性彈性壓電薄膜帶4的兩側(cè),并將柔性彈性壓電薄膜帶4夾緊固定,兩片“l(fā)”形的連接板與底座2連接。

      所述連接板包括“l(fā)”形垂直的兩片滑片,兩片滑片均開(kāi)設(shè)有腰形孔,其中一片滑片與固定座貼合,另一片滑片與柔性彈性壓電薄膜帶4貼合,腰形孔中均貫穿有連接件,該連接件連接滑片與對(duì)應(yīng)固定座或柔性彈性壓電薄膜帶4。

      基于柔性顫振效應(yīng)的低速氣流能量采集方法,包括以下操作步驟:

      (1)組裝基于柔性顫振效應(yīng)的低速氣流能量采集裝置;

      (2)柔性彈性壓電薄膜帶在經(jīng)受切向風(fēng)時(shí)產(chǎn)生頻率固定的類(lèi)正弦振動(dòng),通過(guò)理論計(jì)算得到橫向風(fēng)受力與柔性彈性壓電薄膜帶的尺寸以及橫截面形狀之間的關(guān)系,考慮到橫向風(fēng)受力與柔性彈性壓電薄膜帶的橫截面形狀密切相關(guān),當(dāng)結(jié)構(gòu)體發(fā)生顫振時(shí),同時(shí)受到垂直方向的提升力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用,由于一般扭轉(zhuǎn)角度都較小,在最簡(jiǎn)單的情況下,在橫截面上顫振運(yùn)動(dòng)考慮成兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),即垂直方向的上下振動(dòng)和一定角度的周期扭轉(zhuǎn),利用其中幅度較大的垂直上下振動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)定圈動(dòng)鐵電磁共振單元的微型電磁感應(yīng)共振發(fā)電機(jī)或者柔性彈性壓電薄膜帶;

      (3)振動(dòng)中的柔性彈性壓電薄膜帶的穩(wěn)定性將取決于各項(xiàng)氣動(dòng)系數(shù)的正負(fù)和數(shù)值,在橫截面上顫振運(yùn)動(dòng)可以考慮成兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),當(dāng)引入垂直方向的臨界阻尼率ξh和偏轉(zhuǎn)方向的臨界阻尼率ξα,以及兩個(gè)方向的固有頻率ωh和ωα,大跨度柔性結(jié)構(gòu)的顫振方程寫(xiě)成:

      (4)在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于結(jié)構(gòu)體橫截面形狀的復(fù)雜性,無(wú)法通過(guò)統(tǒng)一的方法來(lái)定性描述自激力l和m,引入氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)hi和ai來(lái)描述彈性體的結(jié)構(gòu)特征和風(fēng)速之間的關(guān)系,在引入氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)之后,顫振運(yùn)動(dòng)表述為如下形式:

      為了定量計(jì)算顫振運(yùn)動(dòng)的參數(shù),聯(lián)合公式(1)和公式(2)可得公式(3):

      公式(3)中,振動(dòng)中的彈性結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性將取決于各項(xiàng)氣動(dòng)系數(shù)的正負(fù)和數(shù)值,將公式(3)改寫(xiě)成如下形式:

      其中為負(fù)阻尼項(xiàng),當(dāng)h1大于彈性的阻尼系數(shù)項(xiàng)2ξhωh時(shí),系統(tǒng)將從外界氣流中吸取能量,結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)幅度和偏轉(zhuǎn)角度也將增大,直至到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)產(chǎn)生的穩(wěn)定振動(dòng)就可作用與電磁共振單元或者柔性壓電材料,產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的電能,該電能儲(chǔ)存在超級(jí)電容器或者電池中,用于給傳感器節(jié)點(diǎn)供電。

      本發(fā)明方案所公開(kāi)的技術(shù)手段不僅限于上述技術(shù)手段所公開(kāi)的技術(shù)手段,還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。

      以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示,通過(guò)上述的說(shuō)明內(nèi)容,相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi),進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說(shuō)明書(shū)上的內(nèi)容,必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來(lái)確定其技術(shù)性范圍。

      當(dāng)前第1頁(yè)1 2 
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