一种风致振动宽风速全向取能装置

1.本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种风致振动宽风速全向取能装置。


背景技术：

2.风能是一种易于获取的清洁能源，将风能转换为电能的风取能装置具有长寿命、免维护和无污染等诸多优点，将其作为电池的替代品，可以显著降低维护的成本和污染。架空线路杆塔侧部署有杆塔倾斜、微气象等状态监测传感器，目前其工作电能来源主要为光伏板、风机等形式，其中光伏板易积灰、且难以适应雨雪天气，而现有风致转动式风机又普遍存在体积偏大，与微型传感器在体积上难以适配的问题。近年来，国内外研究机构提出基于风致振动能量收集的新型风能收集技术，其具有易于小型化的优势，可与微型传感器进行一体化集成，然而在使用过程中，现有风致振动取能装置成果普遍存在取风方向单一等问题，难以适应自然环境中风能方向变化。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的风致振动取能装置存在取风方向单一的缺陷，从而提供一种风致振动宽风速全向取能装置。
4.为了解决上述问题，本发明提供了一种风致振动宽风速全向取能装置，包括：
5.转盘；
6.至少三组导流挡板组件，沿周向设置于所述转盘上，每一导流挡板组件包括对应设置的两块导流挡板，所述导流挡板以阻挡风的流动；
7.至少三组驰振压电风能取能组件，沿周向设于转盘上，所述导流挡板组件与驰振压电风能取能组件同侧设置，每一驰振压电风能取能组件分别包括压电转换单元；在吹风状态下，所述导流挡板改变风的流动方向，由风带动所述压电转换单元产生振动以将风能转化为电能。
8.可选地，所述导流挡板组件沿周向等角度设于所述转盘上、所述驰振压电风能取能组件沿周向等角度设于转盘上，所述驰振压电风能取能组件设于相邻的导流挡板组件之间，所述驰振压电风能取能组件包括两块对应设置的限位挡板，所述压电转换单元设于限位挡板之间。
9.可选地，对应设置的两块所述限位挡板的间距大于相邻的导流挡板的间距。
10.可选地，所述导流挡板到转盘中心点的距离大于所述限位挡板到转盘中心点的距离。
11.可选地，所述导流挡板为弧形，所述导流挡板用于改变风的流动方向，引导风进入到所述限位挡板与所述压电转换单元之间。
12.可选地，所述转盘为圆形，所述转盘上设有凹槽，所述凹槽与导流挡板一一对应设置，所述导流挡板滑动设置在所述凹槽的延伸方向上。
13.可选地，所述导流挡板的两侧分别设有与其配合抵接相连的弹性件，所述弹性件
的另一端与凹槽的侧壁固定连接。
14.可选地，所述凹槽的槽底与导流挡板之面间设有滚珠。
15.可选地，所述转盘还设有中心柱，所述压电转换单元还包括压电梁，所述压电梁与所述中心柱可拆卸连接。
16.所述压电梁的两侧面均贴有压电片，所述压电梁背离中心柱的一端朝向限位挡板设置的方向分别设有钝体。
17.本发明技术方案，具有如下优点：
18.1.本发明提供的风致振动宽风速全向取能装置，包括：转盘；至少三组导流挡板组件，沿周向设置于转盘上，每一导流挡板组件包括对应设置的两块导流挡板，导流挡板以阻挡风的流动；至少三组驰振压电风能取能组件，沿周向设于转盘上，导流挡板组件与驰振压电风能取能组件同侧设置，每一驰振压电风能取能组件分别包括压电转换单元；在吹风状态下，导流挡板改变风的流动方向，由风带动压电转换单元产生振动以将风能转化为电能。通过在转盘的周向上设置导流挡板组件，通过导流挡板组件的导流挡板阻挡风的流动，再由风带动压电转换单元产生振动，实现了在转盘的周向上取风的功能，解决了取风方向单一的问题，以适应自然环境产生的不同方向的风。
19.2.本发明提供的风致振动宽风速全向取能装置，导流挡板组件沿周向等角度设于所述转盘上、所述驰振压电风能取能组件沿周向等角度设于转盘上，以使转盘承受的重量均衡。驰振压电风能取能组件设于相邻的导流挡板组件之间，驰振压电风能取能组件包括两块对应设置的限位挡板，压电转换单元设于限位挡板之间，限位挡板以限制压电转换单元的振动范围，从而保证压电转换单元的正常工作。
20.3.本发明提供的风致振动宽风速全向取能装置，对应设置的两块限位挡板的间距大于相邻的导流挡板的间距，以便于导流挡板引导的风进入到限位挡板与压电转换单元之间，使风带动压电转换单元进行摆动。
21.4.本发明提供的风致振动宽风速全向取能装置，导流挡板到转盘中心点的距离大于限位挡板到转盘中心点的距离，使导流挡板在更大范围内接触到风，还可避免压电转换单元在摆动中与导流挡板发生碰撞。
22.5.本发明提供的风致振动宽风速全向取能装置，导流挡板为弧形，导流挡板用于改变风的流动方向，引导风进入到限位挡板与压电转换单元之间。
23.6.本发明提供的风致振动宽风速全向取能装置，转盘为圆形，转盘上设有凹槽，凹槽与导流挡板一一对应设置，导流挡板滑动设置在凹槽的延伸方向上，通过滑动设置，使导流挡板可以适应更大范围变化的风速，即，处于某一速度的风速时导流挡板与转盘的凹槽相对静止，当风速改变时，导流挡板由于重力与风速原因而沿凹槽进行滑动以到达下一相对静止状态，从而使本技术适应自然环境中的大范围的风速，取能风速具有更大范围，解决了取能风速范围窄的问题。
24.7.本发明提供的风致振动宽风速全向取能装置，导流挡板的两侧分别设有与其配合抵接相连的弹性件，弹性件的另一端与凹槽的侧壁固定连接，弹性件以为导流挡板的静止提供弹性力，使导流挡板受到风力、重力和弹性力保持平衡。
25.8.本发明提供的风致振动宽风速全向取能装置，凹槽的槽底与导流挡板之面间设有滚珠，滚珠减小凹槽与导流挡板间的摩擦力，从而保证导流挡板在凹槽内稳定可靠地滑
动。
26.9.本发明提供的风致振动宽风速全向取能装置，转盘还设有中心柱，驰振压电风能取能组件还包括压电梁，压电梁与中心柱可拆卸连接，中心柱为压电风能取能组件的安装提供支撑。
27.10.本发明提供的风致振动宽风速全向取能装置，压电梁的两侧面均贴有压电片，压电梁背离中心柱的一端朝向限位挡板设置的方向分别设有钝体，当风速超过一定特定阈值，即，临界风速时，线性气动负阻尼导致系统总阻尼为负值，钝体产生横风向弯曲的单自由度发散性振动，导致钝体产生大幅稳定的振动，当压电梁左右摆动撞击两侧的限位挡板，相比较于其他取能装置，具有输出电压更高，储存的能量更多的优点。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明的实施方式中提供的风致振动宽风速全向取能装置的结构示意图；
30.图2为本发明的实施方式中提供的导流挡板与凹槽连接的结构示意图；
31.图3为本发明的实施方式中提供的驰振压电风能取能组件的结构示意图；
32.图4为本发明的实施方式中提供的凹槽内布置滚珠的结构示意图。
33.附图标记说明：1、转盘；2、导流挡板；3、压电梁；4、限位挡板；5、凹槽；6、中心柱；7、弹性件；8、滚珠；9、钝体。
具体实施方式
34.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
38.如图1－图4所示的风致振动宽风速全向取能装置的一种具体实施方式，包括：圆
形的转盘1，在转盘1同侧设置的中心柱6、六组导流挡板组件以及六组驰振压电风能取能组件。具体的，转盘的直径为120mm。
39.如图1所示，转盘1的中心点位置设有一根中心柱6，六组导流挡板组件沿转盘1的周向等角度设置于转盘1上、六组驰振压电风能取能组件沿转盘1的周向等角度设置于转盘1上，且一个驰振压电风能取能组件设于相邻的两个导流挡板组件之间，导流挡板组件和驰振压电风能取能组件一一对应设置。
40.如图1、图3所示，每一驰振压电风能取能组件分别包括一对对应设置的限位挡板4、以及设于限位挡板4之间的一个压电转换单元，其中，压电转换单元与中心柱6可拆卸连接。具体的，压电转换单元与中心柱6插接连接。如图3所示，压电转换单元包括一根压电梁3，压电梁3的一端与中心柱6可拆卸连接、另一端朝向限位挡板4设置的方向分别设有钝体9，压电梁3与钝体9间通过环氧结构ab胶接在一起。具体的，压电梁3为厚度100mm的65mn弹簧钢、长度为26mm、宽度为6mm，钝体为低密度泡沫、截面的长度为6mm、宽度为6mm、厚度为2.5mm。压电梁3的两个侧面均通过ab胶粘接贴有压电片，在压电片的上表面和下表面覆盖有薄金属层作为电极，双层压电片的压电梁3采用串联式，串联电极部分使用铜箔将其连接在一起，再在两面的另一端分别引出正负极，正负极与储能电容器连接。具体的，压电片的材质为锆钛酸铅(pzt)。
41.如图1所示，每一导流挡板组件包括对应设置的两块导流挡板2，导流挡板2为弧形，导流挡板2用于改变风的流动方向，其中，对应设置的两块限位挡板4的间距大于相邻的导流挡板2的间距，导流挡板2到转盘1中心点的距离大于限位挡板4到转盘1中心点的距离，导流挡板2的高度低于限位挡板4的高度。具体的，导流挡板2的高度为13mm、限位挡板4的高度为14mm。为适应不同的风速，转盘1上设有凹槽5，凹槽5与导流挡板2一一对应设置，导流挡板2滑动设置在凹槽5的延伸方向上。如图2、图4所示，导流挡板2的两侧分别设有与其配合抵接相连的弹性件7，所述弹性件7的另一端与凹槽5的侧壁固定连接，凹槽5的槽底与导流挡板2底面间设有滚珠8。具体的，弹性件7为弹簧，外径为10mm、线径为1mm、剪切弹性模量为7200mpa。
42.具体实施过程中，当自然界的风吹过导流挡板2上时会转变附近流场，流场受到干扰，压电梁3上的动风载荷增大，当风速增加到指定的临界值(临界风速)时，动风荷载的频率接近压电梁3的第一固有频率，使压电梁3振动剧烈。当不同方向的风载荷通过进风通道作用在压电梁3上时，压电梁3带动钝体9质量块左右摆动，撞击两侧的挡板，此时，钝体9质量块会将撞击的力传递给压电片，由于压电效应，压电片的晶体表面产生电荷、施加的力越大表面产生的电荷越多，在压电片受到垂直于压电梁3方向的力时，压电片表面产生电势差，将该电势差整流后就可以为电容器充电，电容器内储存的电能可以为无线传感节点等用电对象供电。
43.需要注意的是，本技术的导流挡板2在凹槽5中随着风速的变化调整自身位置，从而自适应地调节进风通道的大小。当风速较大时，导流挡板2向内滑动，形成的进风通道变小，从而降低了作用于压电转换单元的风载荷，防止因风速过大导致压电梁3超过其弹性极限变形折断，起到保护支撑的作用，以适应更高的风速；当风速较小时，导流挡板2向外滑动，形成进风通道变大，气流汇聚效应更大，从而增大了作用于压电能量转换单元上的风载荷，使压电梁3振动的更为剧烈，因此相对于没有导流挡板2或者导流挡板2固定的风取能装
置而言，以适应较低的风速，同时具有更大的电学输出。
44.本技术的工作原理是利用驰振现象，驰振是一种典型的气动弹性不稳定现象，并且具有自激性质。在风的作用下，弹性系统的总阻尼由线性阻尼和非线性阻尼两部分组成，前者又由结构阻尼和线性气动负阻尼组成，后者为非线性气动负阻尼。当风速超过一定特定阈值(临界风速)时，线性气动负阻尼导致系统总阻尼为负值，钝体9产生横风向弯曲的单自由度发散性振动，而非线性气动负阻尼又使其产生限幅运动。驰振压电风能取能组件主要由钝体9和压电梁3构成，钝体9为压电梁3末端的质量块。根据驰振的特点，它能够导致钝体9产生大幅稳定的振动，当压电梁3左右摆动撞击两侧的限位挡板4，具有输出电压高，储存的能量多的优点。
45.本技术提供的风致振动宽风速全向取能装置，具有以下优点：
46.(1)采用压电效应的原理完成风能到机械能再到电能的转换，在共振状态下时压电梁3振动，撞击两侧限位挡板4，使压电片变形产生电压，具有结构简单，能量转换密度高的优点；
47.(2)通过沿底座圆周方向均匀布设3个及以上相同的压电转换单元，可以高效地采集不同方向的风能，具有对风向适应性好的优点；
48.(3)本技术的导流挡板2能够根据风速自适应地调整进风通道的大小，扩大了装置的工作风速范围，提高了压电梁3的使用寿命，同时，压电梁3振动幅度可通过限位挡板4之间的距离调节，达到了抑制压电梁3因振动剧烈而变形损坏的目的。
49.作为一种替代的实施方式，压电梁3还可为pet材料(聚对苯二甲酸类塑料)。
50.作为一种替代的实施方式，压电片的材质还可为聚偏氟乙烯(pvdf)或氮化铝(aln)等压电材料。
51.作为一种替代的实施方式，导流挡板组件、驰振压电风能取能组件的数量还可为3组、4组、5组、7组甚至更多组。
52.作为一种替代的实施方式，弹性件7还可为橡胶棒等其它弹性体。
53.作为一种替代的实施方式，转盘1、压电梁3、导流挡板2、限位挡板4、弹性件7可以依据现场情况设计为其尺寸和规格。
54.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种风致振动宽风速全向取能装置，其特征在于，包括：转盘(1)；至少三组导流挡板组件，沿周向设置于所述转盘(1)上，每一导流挡板组件包括对应设置的两块导流挡板(2)，所述导流挡板(2)以阻挡风的流动；至少三组驰振压电风能取能组件，沿周向设于转盘(1)上，所述导流挡板组件与驰振压电风能取能组件同侧设置，每一驰振压电风能取能组件分别包括压电转换单元；在吹风状态下，所述导流挡板(2)改变风的流动方向，由风带动所述压电转换单元产生振动以将风能转化为电能。2.根据权利要求1所述的风致振动宽风速全向取能装置，其特征在于，所述导流挡板组件沿周向等角度设于所述转盘(1)上、所述驰振压电风能取能组件沿周向等角度设于转盘(1)上，所述驰振压电风能取能组件设于相邻的导流挡板组件之间，所述驰振压电风能取能组件包括两块对应设置的限位挡板(4)，所述压电转换单元设于限位挡板(4)之间。3.根据权利要求2所述的风致振动宽风速全向取能装置，其特征在于，对应设置的两块所述限位挡板(4)的间距大于相邻的导流挡板(2)的间距。4.根据权利要求3所述的风致振动宽风速全向取能装置，其特征在于，所述导流挡板(2)到转盘(1)中心点的距离大于所述限位挡板(4)到转盘(1)中心点的距离。5.根据权利要求3所述的风致振动宽风速全向取能装置，其特征在于，所述导流挡板(2)为弧形，所述导流挡板(2)用于改变风的流动方向，引导风进入到所述限位挡板(4)与所述压电转换单元之间。6.根据权利要求5所述的风致振动宽风速全向取能装置，其特征在于，所述转盘(1)为圆形，所述转盘(1)上设有凹槽(5)，所述凹槽(5)与导流挡板(2)一一对应设置，所述导流挡板(2)滑动设置在所述凹槽(5)的延伸方向上。7.根据权利要求6所述的风致振动宽风速全向取能装置，其特征在于，所述导流挡板(2)的两侧分别设有与其配合抵接相连的弹性件(7)，所述弹性件(7)的另一端与凹槽(5)的侧壁固定连接。8.根据权利要求7所述的风致振动宽风速全向取能装置，其特征在于，所述凹槽(5)的槽底与导流挡板(2)之面间设有滚珠(8)。9.根据权利要求8所述的风致振动宽风速全向取能装置，其特征在于，所述转盘(1)还设有中心柱(6)，所述压电转换单元还包括压电梁(3)，所述压电梁(3)与所述中心柱(6)可拆卸连接。10.根据权利要求9所述的风致振动宽风速全向取能装置，其特征在于，所述压电梁(3)的两侧面均贴有压电片，所述压电梁(3)背离中心柱(6)的一端朝向限位挡板(4)设置的方向分别设有钝体(9)。

技术总结
本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种风致振动宽风速全向取能装置。一种风致振动宽风速全向取能装置，包括：转盘；至少三组导流挡板组件，沿周向设置于所述转盘上，每一导流挡板组件包括对应设置的两块导流挡板，所述导流挡板以阻挡风的流动；至少三组驰振压电风能取能组件，沿周向设于转盘上，所述导流挡板组件与驰振压电风能取能组件同侧设置，每一驰振压电风能取能组件分别包括压电转换单元；在吹风状态下，所述导流挡板改变风的流动方向，由风带动所述压电转换单元产生振动以将风能转化为电能。本发明解决现有的风致振动取能装置存在取风方向单一的问题。取风方向单一的问题。取风方向单一的问题。


技术研发人员：李春龙 黄辉 郭经红 鞠登峰 任志刚 梁云 贺学锋 陈宗昊 曾鹏飞 高志东 刘弘景 刘可文
受保护的技术使用者：国网北京市电力公司 重庆大学 国家电网有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/7/22