一种基于含金属芯压电纤维的风致振动能量回收装置的制作方法

本发明属于风能能量回收领域，具体涉及一种基于含金属芯压电纤维的风致振动能量回收装置。

背景技术：

振动能作为自然界中广泛存在的一种能量，可谓取之不尽用之不竭，近些年来，人们越来越关注如何能够采集振动能为人们使用。其中风能作为一种可再生能源，开发潜力巨大，自然界中随处可见，便于收集。对于风致振动，是指风吹在任何非流线型物体上时，对物体表面产生施加压力，从而产生振动，当振动频率在物体的共振频率附近时，将产生较强的振动效果，这在桥梁等建筑工程中会对建筑本身结构产生安全威胁，但是在自然界中，我们恰好可以利用这种现象设计一种装置来回收风致振动产生的能量，来供给负载使用。

近些年来，随着微机电系统的发展，许多低功耗多功能的微小电子器件被研发出来，投入到交通、医疗、信息、航空航天等军民领域当中。目前，微型电子器件通常采用传统的化学电池作为能源，但化学电池本身存在体积较大、寿命短、易被环境影响、废弃后有污染等缺点，影响了微型电子器件的发展。而通过回收自然环境中的能量来给微型电子器件供能，可以使微型电子器件长时间工作的同时又不会对环境产生污染，因此，能量回收供电已经成为新的热点研究方向。

目前，已经出现了利用涡激振动回收风能的装置，通常装置本身的结构和材料特性就决定了装置的共振频率，而共振频率越高就意味着装置只有在较高的风速下才能产生涡激振动。现有的涡激振动风能回收装置的共振频率普遍偏高，在自然环境中风速往往达不到涡激振动的要求，无法高效的回收风能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于含金属芯压电纤维的风致振动能量回收装置。

为了实现上述发明目的，本发明采取以下方案：一种基于含金属芯压电纤维的风致振动能量回收装置，包括圆柱钝体、含金属芯压电纤维、底座固定台、接口电路转化模块，所述底座固定台上设置含金属芯压电纤维，金属芯压电纤维的顶端设置圆柱钝体，其中含金属芯压电纤维为圆柱体，底座固定台内部设置接口电路转化模块，所述接口电路转化模块的输入端与含金属芯压电纤维电连接，所述接口电路转化模块的输出端与负载或储能装置连接。

进一步地，所述含金属芯压电纤维包括金属芯、压电陶瓷以及喷镀金属层，所述金属芯位于含金属芯压电纤维中心，所述压电陶瓷位于含金属芯压电纤维中间层，所述喷镀金属层位于含金属芯压电纤维表层。

进一步地，所述喷镀金属层为2n+1段，n为正整数，所述喷镀金属层每段沿压电陶瓷轴向等间距均匀分布。

进一步地，所述接口电路转化模块的个数为2n+1个，n为正整数，每个接口电路转化模块均与金属芯与每段喷镀金属层组成的两极对应连接，所述每个接口电路转化模块结构相同，均包括依次连接的整流部分、稳压部分。

进一步地，所述每个接口电路转化模块的输出端并联连接至负载。

进一步地，n值为1。

进一步地，所述圆柱钝体直径大于含金属芯压电纤维直径。

进一步地，所述圆柱钝体采用软质pvc塑料。

相比于现有的技术，本发明具有以下有益效果：1)本发明结构简单紧凑，易于实现；2)采用了含金属芯压电纤维，相比普通压电片装置的共振频率较低，即在较低的风速下就可以达到装置共振的要求，在自然环境中能更好的回收风能；3)与普通压电片来说，含金属芯压电纤维为圆柱形，与片状压电片相比，能承受更大的外力，防止压电装置本身损坏；4)由于含金属芯压电纤维为圆柱状，上面的奇数段喷镀金属层在任意方向的风吹到上面时都可以有一部分压电陶瓷产生较大的弯曲，即可以将机械能转化为电能，再由喷镀金属层和金属芯将电能传递出去，因此装置可以回收平面内任何方向的风能，提高了装置的回收效率。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的结构纵截面图。

图3为本发明实施例的含金属芯压电纤维的纵截面图。

图4为本发明实施例的装置电路图。

具体实施方式

结合图1～4，本发明的一种基于含金属芯压电纤维的风致振动能量回收装置，包括圆柱钝体1、含金属芯压电纤维2、底座固定台3、接口电路转化模块4，所述底座固定台3上设置含金属芯压电纤维2，金属芯压电纤维2的顶端设置圆柱钝体1，其中含金属芯压电纤维2为圆柱体，底座固定台3内部设置接口电路转化模块4，所述接口电路转化模块4的输入端与含金属芯压电纤维2电连接，所述接口电路转化模块4的输出端与负载或储能装置连接。

进一步地，所述含金属芯压电纤维2包括金属芯6、压电陶瓷5以及喷镀金属层，所述金属芯6位于含金属芯压电纤维2中心，所述压电陶瓷5位于含金属芯压电纤维2中间层，所述喷镀金属层7位于含金属芯压电纤维2表层。

进一步地，所述喷镀金属层7为2n+1段，n为正整数，所述喷镀金属层7每段沿压电陶瓷5轴向等间距均匀分布。

进一步地，所述接口电路转化模块4的个数为2n+1个，n为正整数，每个接口电路转化模块4均与金属芯6与每段喷镀金属层7组成的两极对应连接，所述每个接口电路转化模块4结构相同，均包括依次连接的整流部分、稳压部分。

进一步地，所述每个接口电路转化模块4的输出端并联连接至负载。

进一步地，n值为1。

进一步地，所述圆柱钝体1直径大于含金属芯压电纤维2直径。

进一步地，所述圆柱钝体1采用软质pvc塑料。

本发明公开的基于含金属芯压电纤维的风致振动能量回收装置相比普通压电片装置的共振频率较低，在较低的风速下就可以达到装置共振的要求，在自然环境中能更好的回收风能。结构简单，抗损能力强，能够回收各个方向的风能。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例1

结合图1所示，根据本发明的实施例，一种基于含金属芯压电纤维的风致振动能量回收装置，包括圆柱钝体1、含金属芯压电纤维2、底座固定台3、接口电路转化模块4。

结合图1所示，根据本发明的实施例，含金属芯压电纤维2为圆柱体，含金属芯压电纤维2的一端连接至底座固定台3中心，金属芯压电纤维2的另一端与圆柱钝体1的一端的中心连接；接口电路转化模块4置于底座固定台3内部，接口电路转化模块4的输入端与含金属芯压电纤维2电连接，接口电路转化模块4的输出端与负载或储能装置连接。

根据本发明的实施例，圆柱钝体1直径大于含金属芯压电纤维2直径，材质为密度较小的材料，例如软质pvc塑料等。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的实施例，含金属芯压电纤维2包括金属芯6、压电陶瓷5以及喷镀金属层7，金属芯6位于含金属芯压电纤维2中心，压电陶瓷5包裹在金属芯6外层，喷镀金属层7位于含金属芯压电纤维2表层。

结合图1、图2和图3所示，根据本发明的实施例中，喷镀金属层7为2n+1段，n为正整数，喷镀金属层7每段沿压电陶瓷5轴向等间距均匀分布。本实施例中取n值1，即在压电陶瓷5的表层沿压电陶瓷5轴向等间距均匀分布有3段喷镀金属层。

结合图3和图4所示，根据本发明的实施例，接口电路转化模块4的个数为3个，每个接口电路转化模块4均与金属芯6与每段喷镀金属层7组成的两极对应连接。当风吹向本发明的装置时，压电陶瓷5产生较大的弯曲形变，产生压电效应，再通过喷镀金属层7以及金属芯6形成两极传递至接口电路转化模块4。喷镀金属层7沿压电陶瓷5轴向等间距分布，保证任意方向吹风时，都能形成一个两极。每个接口电路转化模块4的输出端并联连接至负载，任意一个方向吹风时，金属芯6与每段喷镀金属层7组成的两极与接口电路转化模块4以及负载构成一个完整的电路，能量最终输送至负载。

结合图4所示，3个接口电路转化模块4的结构相同，均包括依次连接的整流部分、稳压部分。含金属芯压电纤维2的两极与整流模块输入端连接，将压电效应产生的交流电转化为直流电，再经过稳压模块，输出稳定的电压。

底座固定台3位于整个装置的下方，采用不锈钢等坚硬材质。接口电路转化模块4置于底座固定台3，底座固定台3在为含金属芯压电纤维2提供一个固定平台的同时，保护底部的接口电路转化模块4。

本发明的具体工作过程为：

将本发明公开的基于含金属芯压电纤维的风致振动能量回收装置放置于风场中，水平面的风载荷从任意方向吹向装置，风流体流经圆柱钝体1时，在一定的流速下，圆柱钝体1的表面会交替产生脱离结构表面的漩涡，这种交替的漩涡会在圆柱钝体1上生成顺流向和横流向周期性变化的脉动压力。因为整个装置在弹性支撑状态下，风流体会引发装置的周期性振动，当风速达到一定数值，装置振动频率处在共振频率时，圆柱钝体1会产生强烈的涡激振动。

圆柱钝体1的振动会带动含金属芯压电纤维2产生振动，含金属芯压电纤维2中的压电陶瓷5在发生形变时，由于本身的材料特性产生压电效应，压电陶瓷5将振动产生的机械能转化为交流电能，交流电能通过含金属芯压电纤维2的两极传递到接口电路转化模块4，在接口电路转化模块4中通过全桥整流电路将交流电能转化为直流电能，再通过稳压部分进行稳压滤波输出到负载上，为负载供能。