基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置及方法与流程

本发明涉及基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置及方法，具体涉及一种基于空气动力学颤振效应的能量采集装置及方法，将低速的气流高效率地转换为电能，用于城市建筑物之间或室内通风管道的无线传感器节点供电。

背景技术：

颤振是在一定风速下发生的一种动力失稳现象，其主要原因是由于气流与结构体之间的相互作用而产生的自激力所引起，自激力的存在使得系统的阻尼和刚度性质发生变化，从而在一定风速下产生总的负阻尼，导致结构体的振动能量不断增加，当达到临界风速且在结构体能够承受的风速内，结构体会产生具有固定频率及振幅的振动。

目前关于颤振的研究主要集中在桥梁风工程以及航天工程的机翼设计中，研究方向主要为探寻颤振的发生条件以降低颤振事故的发生，尚没有专门的系统性研究来讨论如何增强和利用颤振效应从气流中获取能量，尤其是颤振效应中来源于运动结构体和气流耦合作用的正反馈自激力，形成原因较复杂和受影响因素较多，现有的颤振能量采集方法大部分都是通过利用气流驱动翼状结构，进而压迫压电梁，通过正压电方法获取能量，该类方法机械结构较复杂，由于自重较大，对气流流速有一定要求，另外考虑到压电材料在低频振动下能量转换效率很低，因此并不适合于低速气流能量采集。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置及方法，其具体技术方案如下：

基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置，包括柔性弹性压电薄膜带，所述柔性弹性压电薄膜带绷紧固定在两个底座之间，两个所述底座通过若干个支杆支撑固定连接。

所述柔性弹性压电薄膜带的两侧均设置有导流板，所述导流板与柔性弹性压电薄膜带倾斜。

所述柔性弹性压电薄膜带的一端设置有定圈动铁电磁共振单元，所述定圈动铁电磁共振单元能够与柔性弹性压电薄膜带共振。

所述定圈动铁电磁共振单元包括电磁共振单元基座，所述电磁共振单元基座顶端设置有带通孔活动部件，所述带通孔活动部件套接在电磁共振单元基座内，且带通孔活动部件与电磁共振单元基座底部之间设置有弹簧，所述带通孔活动部件内设置有磁铁，所述磁铁抵触着弹簧，所述电磁共振单元基座的外周圆周缠绕有两组线圈。

所述柔性弹性压电薄膜带的外面设置有保护罩，所述带通孔活动部件与柔性弹性压电薄膜带固定，所述电磁共振单元基座与保护罩内壁抵触固定。

所述柔性弹性压电薄膜带的两端均通过锁定机构与底座连接，所述锁定机构包括两片“l”形的连接板，两片“l”形的连接板分别位于柔性弹性压电薄膜带的两侧，并将柔性弹性压电薄膜带夹紧固定，两片“l”形的连接板与底座连接。

所述连接板包括“l”形垂直的两片滑片，两片滑片均开设有腰形孔，其中一片滑片与固定座贴合，另一片滑片与柔性弹性压电薄膜带贴合，腰形孔中均贯穿有连接件，该连接件连接滑片与对应固定座或柔性弹性压电薄膜带。

基于柔性颤振效应的低速气流能量采集方法，包括以下操作步骤：

(1)组装基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置；

(2)柔性弹性压电薄膜带在经受切向风时产生频率固定的类正弦振动，通过理论计算得到横向风受力与柔性弹性压电薄膜带的尺寸以及横截面形状之间的关系，考虑到横向风受力与柔性弹性压电薄膜带的横截面形状密切相关，当结构体发生颤振时，同时受到垂直方向的提升力和转动力矩的作用，由于一般扭转角度都较小，在最简单的情况下，在横截面上颤振运动考虑成两个自由度的运动，即垂直方向的上下振动和一定角度的周期扭转，利用其中幅度较大的垂直上下振动来驱动定圈动铁电磁共振单元的微型电磁感应共振发电机或者柔性弹性压电薄膜带；

(3)振动中的柔性弹性压电薄膜带的稳定性将取决于各项气动系数的正负和数值，在横截面上颤振运动可以考虑成两个自由度的运动，当引入垂直方向的临界阻尼率ξh和偏转方向的临界阻尼率ξα，以及两个方向的固有频率ωh和ωα，大跨度柔性结构的颤振方程写成：

(4)在实际工程应用中，由于结构体横截面形状的复杂性，无法通过统一的方法来定性描述自激力l和m，引入气动导数hi和ai来描述弹性体的结构特征和风速之间的关系，在引入气动导数之后，颤振运动表述为如下形式：

为了定量计算颤振运动的参数，联合公式(1)和公式(2)可得公式(3)：

公式(3)中，振动中的弹性结构体的稳定性将取决于各项气动系数的正负和数值，将公式(3)改写成如下形式：

其中和为负阻尼项，当h1大于弹性的阻尼系数项2ξhωh时，系统将从外界气流中吸取能量，结构体的振动幅度和偏转角度也将增大，直至到达稳定状态，此时产生的稳定振动就可作用与电磁共振单元或者柔性压电材料，产生稳定输出的电能，该电能储存在超级电容器或者电池中，用于给传感器节点供电。

本发明的工作原理是：

本发明首先利用柔性弹性压电薄膜带(可选用pvdf压电薄膜带)构造两端固定的大跨度结构，当有水平气流流经该结构时，柔性弹性压电薄膜带将发生颤振现象，由于压电材料的正压电效应，该柔性弹性压电薄膜带产生一部分电能；并提出了锁定机构，用于固定柔性弹性压电薄膜带的两端，该锁定机构锁住柔性弹性压电薄膜带的两端后，通过自身滑动旋转，用于调节柔性弹性压电薄膜带中的张力，进而改变柔性弹性压电薄膜带的刚度系数，匹配不同的环境风速；进而提出了定圈动铁电磁共振单元，结合柔性弹性压电薄膜带进行共振，进而通过线圈切割磁力线产生另外一部分电能，考虑到实际环境中特别室外的气流条件比较复杂，为了防止侧向气流干扰，在装置的侧翼分别安装了可变更角度的导流板，由于使用柔性薄膜压电材料，需要的启动风速可以低至1m/s，可以在城市市区高层建筑物以及室内通风管道使用。

颤振的稳定频率不光取决于外界风速，还取决于柔性结构体自身的刚度系数，通过灵活的锁定机构，可以实时微调柔性薄膜带的张力和刚度系数，实现最大效率的风能-机械能转换。当风速和柔性薄膜带的刚度系数均确定，产生频率一定的稳定颤振时，也可以通过更换电磁共振单元的磁铁和弹簧，使得电磁共振单元的固有频率接近该颤振频率，进一步实现高效率的机械能-电能转换。

本发明的有益效果是：

1)构造简单、组装方便、柔性薄膜带易于拆卸和更换、成本低，可以提供数十毫伏的电功率为无线传感器节点供电；

2)由于采用了电磁共振和柔性压电材料转换进行复合能量采集，电磁共振单元的固有共振频率要比采用压电材料要低，适合低风速下的能量采集，压电材料的固有共振频率较高，更适合较高风速能量采集；

3)考虑到自然界中的实际风速在一定范围内波动，薄膜弹性带的张力可以通过锁定机构进行调节，便于和实际风速进行同步；

4)该装置不仅可以安装在城市建筑物外侧，还可以安装在市内通风管道中间，来为室内的分布式传感器进行供电；

5)采用创新性的导流板构造，在复杂风况下仍然可以正常工作；

5)电磁共振单元安装在防护罩中，保护电路部分不受天气影响而损坏。

附图说明

图1是本发明的能量采集原理图，

图2是本发明的结构示意图，

图3是本发明的一侧底座放大图，

图4是本发明的电磁共振单元示意图，

图5是图4的纵向剖面图，

图6是本发明柔性弹性压电薄膜带横截面受力分析图，

附图标记列表：1.支杆，2.底座，3.导流板，4.柔性弹性压电薄膜带，5.定圈动铁电磁共振单元，6.保护罩，7.锁定机构，8.带通孔活动部件，9.磁铁，10.线圈，11.弹簧，12.电磁共振单元基座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是本发明的结构示意图，结合附图可见，本基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置，包括柔性弹性压电薄膜带4，所述柔性弹性压电薄膜带4绷紧固定在两个底座2之间，两个所述底座2通过若干个支杆1支撑固定连接。

所述柔性弹性压电薄膜带4的两侧均设置有导流板3，所述导流板3与柔性弹性压电薄膜带4倾斜。

所述柔性弹性压电薄膜带4设置有定圈动铁电磁共振单元5，所述定圈动铁电磁共振单元5能够与柔性弹性压电薄膜带4共振。

所述定圈动铁电磁共振单元5包括电磁共振单元基座12，所述电磁共振单元基座12顶端设置有带通孔活动部件8，所述带通孔活动部件8套接在电磁共振单元基座12内，且带通孔活动部件8与电磁共振单元基座12底部之间设置有弹簧11，所述带通孔活动部件8内设置有磁铁9，所述磁铁9抵触着弹簧11，所述电磁共振单元基座12的外周圆周缠绕有两组线圈10。

所述柔性弹性压电薄膜带4的外面设置有保护罩6，所述带通孔活动部件8与柔性弹性压电薄膜带4固定，所述电磁共振单元基座12与保护罩6内壁抵触固定。

所述柔性弹性压电薄膜带4的两端均通过锁定机构7与底座2连接，所述锁定机构7包括两片“l”形的连接板，两片“l”形的连接板分别位于柔性弹性压电薄膜带4的两侧，并将柔性弹性压电薄膜带4夹紧固定，两片“l”形的连接板与底座2连接。

所述连接板包括“l”形垂直的两片滑片，两片滑片均开设有腰形孔，其中一片滑片与固定座贴合，另一片滑片与柔性弹性压电薄膜带4贴合，腰形孔中均贯穿有连接件，该连接件连接滑片与对应固定座或柔性弹性压电薄膜带4。

基于柔性颤振效应的低速气流能量采集方法，包括以下操作步骤：

(1)组装基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置；

(2)柔性弹性压电薄膜带在经受切向风时产生频率固定的类正弦振动，通过理论计算得到横向风受力与柔性弹性压电薄膜带的尺寸以及横截面形状之间的关系，考虑到横向风受力与柔性弹性压电薄膜带的横截面形状密切相关，当结构体发生颤振时，同时受到垂直方向的提升力和转动力矩的作用，由于一般扭转角度都较小，在最简单的情况下，在横截面上颤振运动考虑成两个自由度的运动，即垂直方向的上下振动和一定角度的周期扭转，利用其中幅度较大的垂直上下振动来驱动定圈动铁电磁共振单元的微型电磁感应共振发电机或者柔性弹性压电薄膜带；

(3)振动中的柔性弹性压电薄膜带的稳定性将取决于各项气动系数的正负和数值，在横截面上颤振运动可以考虑成两个自由度的运动，当引入垂直方向的临界阻尼率ξh和偏转方向的临界阻尼率ξα，以及两个方向的固有频率ωh和ωα，大跨度柔性结构的颤振方程写成：

(4)在实际工程应用中，由于结构体横截面形状的复杂性，无法通过统一的方法来定性描述自激力l和m，引入气动导数hi和ai来描述弹性体的结构特征和风速之间的关系，在引入气动导数之后，颤振运动表述为如下形式：

为了定量计算颤振运动的参数，联合公式(1)和公式(2)可得公式(3)：

公式(3)中，振动中的弹性结构体的稳定性将取决于各项气动系数的正负和数值，将公式(3)改写成如下形式：

其中和为负阻尼项，当h1大于弹性的阻尼系数项2ξhωh时，系统将从外界气流中吸取能量，结构体的振动幅度和偏转角度也将增大，直至到达稳定状态，此时产生的稳定振动就可作用与电磁共振单元或者柔性压电材料，产生稳定输出的电能，该电能储存在超级电容器或者电池中，用于给传感器节点供电。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。