CN110011567A - 一种基于气-声-固多物理场耦合的能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气流压电换能技术领域，涉及一种基于气‑声‑固多物理场耦合的能量收集装置，所述的能量收集装置包括气流激振***和换能***。所述的气流激振***包括喷嘴和共振腔；所述喷嘴为长方体，其内部为变截面的楔形孔结构，喷嘴入口面积大于出口面积。所述共振腔为为半封闭式方形筒，方形筒的顶部上端为尖劈状，方形筒的底部为密闭结构。至少两个压电换能器以悬臂梁形式垂直固定在共振腔内部下表面的中心线上，形成阵列分布。储能控制电路固定在共振腔底部外侧；所述压电换能器经导线与储能控制电路进行连接。本发明结构简单，可微小型化，易于与压电风能采集器集成。此外，该装置具有流速适应性强和能量收集功率密度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于气流压电换能技术领域，涉及一种基于气-声-固多物理场耦合的能量收集装置。
背景技术
环境能量收集技术能够源源不断地将环境中各种形式的能量转化为电能，具有体积小、寿命长、能量密度高等显著优点，在无线传感节点自供电方面具有潜在的应用前景。风力、气流在工作环境中广泛存在，如自然风、管道内气体流动、运动物体的迎面气流等。靠风或气流直接推动涡轮叶片驱动的转动式电磁能量收集器存在结构复杂、加工和安装较为困难等问题，难以实现微小型化，至今得不到广泛实施和应用。将气流动能转化为振动能，并结合振动压电能量收集技术实现发电，将是一种新方法。
现有的气流激振压电发电装置都是基于气流与结构的动力作用而引起的自激振动，存在能量收集器功率密度低和流速适应性差的问题。
发明内容
本发明创造提供一种基于气-声-固多物理场耦合的能量收集装置，实现对无线传感节点的自供电需求。
本发明的技术方案如下：
一种基于气-声-固多物理场耦合的能量收集装置，包括气流激振***和换能***。
所述的气流激振***是基于流体动力声源结构，包括喷嘴和共振腔；所述喷嘴为长方体，其内部为变截面的楔形孔结构，喷嘴入口面积大于出口面积，有利于提高射流速度。所述共振腔为为半封闭式方形筒，方形筒的顶部上端为尖劈状，方形筒的底部为密闭结构。所述连接板为L形板，喷嘴的出口下端与连接板的一端连接，连接板的另一端与共振腔顶部下端连接，喷嘴出口正对共振腔的尖劈处。
所述换能***包括压电换能器和储能控制电路；至少两个压电换能器以悬臂梁形式垂直固定在共振腔内部下表面的中心线上，形成阵列分布。储能控制电路固定在共振腔底部外侧；所述压电换能器经导线与储能控制电路进行连接。
所述压电换能器由PZT-5H压电片和金属基板组成。所述储能控制电路由整流电路、电容以及恒压芯片MAX1615组成；输入接口与压电换能器中的导线相连接，将PZT-5H压电片产生的交流电压转化成恒定直流电压5V/3.3V。
其工作原理如下：
环境气流经喷嘴喷出后形成射流，在空腔内(共振腔前端)静止的空气中通过时，边界上因高速流与静止介质的接触，不断产生旋涡，向前推动且不断发展变宽。射流冲击尖劈后被分离，形成旋涡脱落产生边棱音(偶极子声源)。声波在共振腔内进行传播，并在底部(刚性底部)反射回来，同时存在正、负向声波，触发腔体内部的空气进入谐振状态，形成驻波共振。产生稳定声源并得到放大，其频率被俘获，由共振腔结构尺寸所决定。此时，射流在尖劈附近周期性地振荡，以维持边棱音以及共振腔内的驻波共振。
在驻波共振影响下，共振腔内空气将作周期性的膨胀与压缩运动，带动悬臂梁式压电换能器左右摆动，形成振动，从而产生应变，引起电荷在压电片上下表面聚集，并在压电材料的厚度方向形成电压，经储能控制电路，实现能量存储与供电。根据谐振原理，当压电换能器的固有频率与激振力频率相同时，***处于共振状态，压电换能器振动的幅度达到最大值，压电材料激发的电量就会越多，从而使得压电换能器的输出电能最大。
本发明的有益效果：
本发明结构简单，可微小型化，易于与压电风能采集器集成。此外，该装置具有流速适应性强和能量收集功率密度高的特点。
附图说明
图1基于气-声-固多物理场耦合的压电能量收集方案示意图。
图2机械结构部分的装配剖视图。
图3为喷嘴剖视图。
图4为喷嘴-连接板-共振腔位置关系图。
图5为共振腔剖视图。
图6共振腔-压电换能器位置关系图。
图7为连接板示意图。
图8为压电换能器示意图。
图9为储能控制电路。
图中：1喷嘴；2共振腔；3导线；4压电换能器；5储能控制电路；6盖板；7金属基板；8连接板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。
图2所示为机械结构部分的装配剖视图，该装置的机械部分由喷嘴1、共振腔2、连接板8以及压电换能器4所组成。喷嘴1正对着共振腔2，并通过连接板8进行连接与固定它们的相对位置；此外，压电换能器4垂直置于共振腔2底部的中心线上，且排成一列。
图3所示为喷嘴1结构的剖视图，其结构为变截面的楔形孔。喷嘴1入口面积较大，出口面积较小，这样有利于提高射流速度。喷嘴1出口正对着共振腔2的尖劈处，并通过连接板8确定其位置，如图4所示。
图5所示为共振腔2结构的剖视图，为半封闭式结构。开口端上表面呈尖劈状，且与喷嘴1正对着。开口端的下端通过连接板与喷嘴1连接，确定它们的位置关系，如图4所示。共振腔2底面垂直安装压电换能器4，并形成一列，如图6所示。
图7所示为连接板8结构，连接板8的上端面与喷嘴1相连接，右端面与共振腔2相连接，从而确定喷嘴1与共振腔2的相对位置，如图4所示。
图8所示为压电换能器4结构，由PZT-5H压电片和金属基板7所组成。压电换能器4垂直安装在共振腔2的内腔底面，并形成一列，如图6所示。另外，压电换能器4经导线3与储能控制电路5进行连接。
图9所示为储能控制电路。由整流电路、电容以及恒压芯片MAX1615所组成。输入接口与压电换能器4中的导线3相连接，可将压电片产生的交流电压转化成恒定直流电压5V/3.3V。
Claims (3)
1.一种基于气-声-固多物理场耦合的能量收集装置，其特征在于，包括气流激振***和换能***；
所述的气流激振***是基于流体动力声源结构，包括喷嘴(1)和共振腔(2)；所述喷嘴(1)为长方体，其内部为变截面的楔形孔结构，喷嘴入口面积大于出口面积，有利于提高射流速度；所述共振腔(2)为为半封闭式方形筒，方形筒的顶部上端为尖劈状，方形筒的底部为密闭结构；连接板(8)为L形板，喷嘴(1)的出口下端与连接板(8)的一端连接，连接板(8)的另一端与共振腔(2)顶部下端连接，喷嘴(1)出口正对共振腔(2)的尖劈处；
所述换能***包括压电换能器(4)和储能控制电路(5)；至少两个压电换能器(4)以悬臂梁形式垂直固定在共振腔(2)内部下表面的中心线上，形成阵列分布；储能控制电路(5)固定在共振腔(2)底部外侧；所述压电换能器(4)经导线(3)与储能控制电路(5)进行连接。
2.如权利要求1所述的基于气-声-固多物理场耦合的能量收集装置，其特征在于，所述压电换能器(4)由PZT-5H压电片和金属基板(7)组成。
3.如权利要求1或2所述的基于气-声-固多物理场耦合的能量收集装置，其特征在于，所述储能控制电路由整流电路、电容以及恒压芯片MAX1615组成；输入接口与压电换能器(4)中的导线(3)相连接，将PZT-5H压电片产生的交流电压转化成恒定直流电压5V/3.3V。
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