[发明专利]风铃式压电发电装置

说明书

技术领域

本发明属于风力发电和水力发电领域，特别是一种风铃式压电发电装置。 

背景技术

利用自然界风能和水能进行发电，为各种户外设施进行自供电的系统符合当今节能、环保、低碳的发展趋势，在工业监控、智能交通、智能电网、矿山安全、环境监测、平安家居、医疗保健等领域具有广阔的应用前景。  

美国的Priya采用压电器件设计制造了一种小型风力发电机US11/252903。可在时速8～16公里的风力驱动下发电。发电机的桨叶连到凸轮上，使围绕轴排成圆形的一系列双压电晶片产生振荡，从而输出电能。该方案具有两个缺点：一是压电双晶片每一次转动都与凸轮碰撞，摩擦，因此产生磨损，造成能量损失，同时降低使用寿命。二是在风速较低时，桨叶与凸轮不会脱离，压电双晶片保持一定的弯曲状态不变，此时不再发电。由NEC TOKIN与日本Heardea联合开发、配备采用压电转换元件的发电装置的新型道路标识在日本试运行。其原理就是通过置于环形槽内钢球的滚动，撞击压电元件来发电。该装置设置在交通量大的公路隧道内，可利用汽车驶过时产生的气流驱动标识旋转。钢球位于由压电转换元件分隔成的环形通道中，标识转动时钢球就会在通道中运动，撞击通道两端的压电元件，使压电元件输出电荷。这种方案的主要缺点除了摩擦造成能量损失、降低使用寿命之外，当车连续驶过而产生强烈的风时标识就会高速转动，从而使钢球紧贴着压电转换元件运动，压电元件得不到交变的压力作用，就不能发电了。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用压电效应收集流体动能的高效、适用范围广的压电发电装置。 

一种风铃式压电发电装置，其特征在于：包括悬挂式杆组件，所述悬挂式杆组件由上而下依次包括至少两个刚性杆和用于连接相邻刚性杆的柔性接头，柔性接头侧壁至少附着一个压电单元。 

所述的风铃式压电发电装置，其特征在于：所述悬挂式杆组件超过1组，多组悬挂式杆组件以阵列方式悬挂于支撑架上。 

针对现有技术的弱点，本发明的结构旨在利用卡门涡街和结构共振，提高来流动能的利用率、提高系统机电转换效率，以简单结构实现高功率、高效率，解决来流方向敏感、流速范围窄等问题。技术特征包括：每个悬挂状态的杆组件具有多个弯曲谐振频率，当激励频率与杆组件某阶谐振频率接近时，杆组件将发生弯曲共振；来流经过迎风面上的杆组件时，杆组件产生弯曲并在其后产生卡门涡街，阵列内相邻涡街具有相位差，共同作用于杆组件，激发杆组件产生共振；阵列式结构使得来流方向的变化对发电能力影响较小，而在高度方向上来流速度的不均匀分布和变化使得阵列内流场趋于紊乱，增加流体作用的频率成分，更有利于杆组件共振的激发；杆组件的数量、排布方式以及杆组件本身所含单元数可以根据应用场所的流体流动情况进行配置，组装简便。 

  

附图说明

图1是本发明压电发电装置的主视图； 

图2是本发明压电发电装置在流体作用下运动状态；

图3是本发明各根悬挂式杆组件悬挂排列起来示意图；

图4是本发明各根悬挂式杆组件悬挂排列起来示意图；

图5是本发明各根悬挂式杆组件悬挂排列起来示意图；

图中标号名称：1、刚性杆，2、柔性接头，3、压电陶瓷片。

具体实施方式

结合图1和图2，本发明风铃式压电发电装置由风铃式杆组件构成，所述的风铃式杆组件包括两个刚性杆1、柔性接头2和压电陶瓷片3，其中柔性接头2用于连接两段刚性杆1，压电陶瓷片3则粘贴于柔性接头2上，并保证柔性接头2处能较易弯折。 

本发明风铃式压电发电装置的每一组悬挂式杆组件可以由至少2段刚性杆1经柔性接头2串联而成，柔性接头2粘贴的压电陶瓷片3的数量至少为1个。可以根据不同环境流动速率和范围选择不同数量的经柔性接头2串联而成的刚性杆，形成1组悬挂式杆组件，将悬挂式杆组件按一定的几何关系以并联方式悬挂于支撑架上。 

结合图3和图4，本发明各根悬挂式杆组件悬挂排列起来，如同风铃一般，当有流体流入时，迎风面的悬挂式杆组件产生弯曲同时产生卡门涡街，以涡街脱落频率作用于其后的悬挂式杆组件使其中的柔性接头2产生弯曲振动，迫使附着其上的压电陶瓷片3产生压电效应输出电荷，完成流体能向电能的转化。 

结合图5，如果涡街的交替脱落频率与悬挂式杆组件某阶弯曲谐振频率相接近，会出现共振，陶瓷片3变形量将大幅提高，提高发电装置的输出功率。由于悬挂式杆组件阵列式排列，在阵列内部的涡街会相互作用，产生更为丰富的频率成分，使阵列中产生共振的机会大为增加，流体能的利用率和机电转换效率也大为增加。