一种风电叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统

本发明属于风电叶片减振及能量收集技术领域，具体涉及一种风电叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统。

背景技术：

风机叶片振动是运行中常见的现象，但长期在剧烈大变形振动过程中，叶片会产生裂纹从而导致疲劳断裂，因此控制风机叶片振动可为整机提供安全稳定运行。另一方面，风机叶片振动不可避免，若能利用叶片振动特性，将振动能量收集甚至放大转化成电能储存下来，不仅能实现能量循环利用，还能实现能源节约。

近年来声物理前沿领域发展的周期性声子晶体结构具有对特定频率带隙（阻断）调控特性，为解决工程振动噪声控制问题提供新思路和新方法。声子晶体是由两种或两种以上弹性介质按不同晶格周期排列的复合材料。在声子晶体中，密度和弹性常数不同的材料按结构周期性复合在一起，相互不连通的材料称为散射体，连通为一体的材料称为基体。声子晶体最重要的一个特性是具有独特的带隙属性，弹性波在声子晶体中传播时，受其内部周期结构的作用，形成特殊的色散关系即能带结构，色散关系曲线之间的频率范围称为带隙，可以使得落在带隙频率范围内的弹性波被禁止传播；当声子晶体结构存在缺陷时（从完整结构中移除一个或一排的散射体，分别可以实现点缺陷或线缺陷），弹性波会被局域在缺陷处周围，形成能量聚集特性。

压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应，可在声子晶体结构缺陷态位置设置压电陶瓷将强化机械振动转换为电压。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种风电叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统，不仅实现了压电声子晶体结构强化风电叶片振动能量的收集增强，而且对风机叶片振动能量收集和颤振抑制作用。

本发明采用的技术方案是：一种风电叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统包括，周期排列声子晶体、压电陶瓷、尼龙材料、转换电路、电能收集器和风机叶片；所述的周期性声子晶体结构ⅰ区包括压电陶瓷和尼龙结构；所述的压电陶瓷内嵌于周期性声子晶体结构ⅱ区，尼龙材料内嵌于周期性声子晶体结构ⅲ区；所述的周期性声子晶体结构内嵌于风机叶片上下表面且对称布置，从叶根到叶尖位置总长度的30%-70%区域；所述的周期性声子晶体结构中移除一个或连续几个声子晶体结构构成缺陷态位置用于放置压电陶瓷；所述的电能收集器由整流器、滤波器、稳压器和储能元件组成，通过导线连接压电陶瓷上下表面，将振动能转化为电能。

上述的风电叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统中，所述的声子晶体结构沿风机叶片延伸方向周期性布置，周期排列声子晶体结构圆孔深度为4mm，直径为80mm。

上述的风电叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统中，所述的风机叶片长10m，于风机叶片长30%处，第一列孔的孔心位于风机叶片长第3m处，第一列第一行孔的孔心距离风机叶片边缘0.5m，同一列孔的孔心之间的距离为0.3m，不同列同一行孔心距为0.3m，第1~16列每一列8个孔，共有120个孔；第17-30列，每一列6个孔，共有90个孔；第31-56列，每一列5个孔，共有125个孔，第57-63列，每一列4个孔，共有24个孔；第64-70列，每一列4个孔，共有28个孔；第71-77列，每一列3个孔，共有21个孔。

上述的一种风电叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统中，所述压电陶瓷材料为pzt，压电陶瓷与圆孔同等大小即以高为4mm，半径为80mm的圆柱体状，压电陶瓷具体位置为第1~4列中第5行，第5-8列中第6行，，第9-12列中第8行，第13-16列中第7行，第17-20列中第4行，第21-24列中第1行，第25-28列中第2行，第29-31列中第1行，第32-56列中第3行，第57-63列中第2行，第64-70列中第4行，第71-77列中第2行。

1.上述的风电叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统中，所述的尼龙材料高度为4mm，直径为80mm的圆柱形状，具体位置为ⅲ区。

上述的风电叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统中，所述的能量转换装置包括转换电路、电能收集器。

上述的风电叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统中，所述的转换电路是将压电陶瓷用导线串联起来再接入电能收集器，电能收集电路包括整流器、滤波器、模数转换器、控制器、数模转换器、功率放大器、电容器、锂电池充电管理芯片、锂电池。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明将声子晶体结构引入到风机叶片振动抑制和能量收集，利用声子晶体结构带隙和缺陷态特性，实现振动弹性波频段带隙抑制和能量聚集。

2.本发明通过在风机叶片表面内嵌压电陶瓷1和尼龙2声子晶体结构，使得制动过程中振动激扰在一定频带范围内弹性波被阻断，利用压电陶瓷压电效应实现振动能量转化为电能。

3.本发明可节约能量，实现能量利用最大化。

附图说明

图1风力发电机叶片内嵌声子晶体结构平面示意图。

图2为含压电陶瓷声子晶体晶胞示意图。

图3为含尼龙材料声子晶体晶胞示意图。

图4为含缺陷压电声子晶体能量强化示意图。

图5为能量收集结构转换框图。

图中：1-压电陶瓷声子晶体结构；2-尼龙声子晶体结构；3-基体；4-声子晶体结构；5-基体材料；6-缺陷压电声子晶体；7-导线；8-压电陶瓷结构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括风力发电机叶片内嵌声子晶体结构抑制振动和能量收集系统；如图1所示，所述的风机叶片上设置有408个圆柱孔，每个孔深度为4mm，直径为80mm，以风机叶片长10m为例，从风机叶片长30%处，即距离叶根第3m处开始设置圆孔，第一列孔的孔心位于风机叶片长第3m处，第一列第一行孔的孔心距离风机叶片边缘0.5m，同一列孔的孔心之间的距离为0.3m，同一行孔心距为0.3m；所述的风机叶片表面孔的具体位置为第1~16列共有120个孔（每一列8个孔），第17-30列共有90个孔（每一列6个孔），第31-56列共有125个孔（每一列5个孔），第57-63列共有24个孔（每一列4个孔），第64-70列共有28个孔（每一列4个孔），第71-77列共有21个孔（每一列3个孔）；

如图2、3所示，所述的压电陶瓷声子晶体结构1和尼龙材料声子晶体2内嵌于风机叶片圆孔内，每个声子晶体结构的高度为4mm，直径为80mm；所述的压电陶瓷1材料为pzt，压电陶瓷内嵌于风机叶片圆孔具体位置为第1~4列中第5行，第5-8列中第6行，第9-12列中第8行，第13-16列中第7行，第17-20列中第4行，第21-24列中第1行，第25-28列中第2行，第29-31列中第1行，第32-56列中第3行，第57-63列中第2行，第64-70列中第4行，第71-77列中第2行；所述的内嵌尼龙材料声子晶体结构可抑制某频段振动弹性波的传递，可达到抑制风机叶片振动。

如图4所示，所述的声子晶体结构缺陷态强化能量收集，周期性声子晶体结构4内嵌于基体5内，在周期性声子晶体结构4中间断性移除一个散射体置换为压力材料5，振动弹性波在该位置具有能量聚集现象，增强能量转化效率。

如图5所示，所述的能量收集结构转换装置，通过压力陶瓷2将振动弹性波转化为电能，经过导线将所有压电陶瓷结构串联起来接入电能收集器；所述的电能收集电路包括整流器、滤波器、模数转换器、控制器、数模转换器、功率放大器、电容器、锂电池充电管理芯片、锂电池。然后通过电容器、锂电池充电管理芯片和锂电池进行电能的储存，最后对风机叶片舱室电灯泡进行充电，实现能量收集。

本发明的工作原理如下：风力发电机运行过程中，风机叶片振动大变形是正常现象，但长期在剧烈振动过程中，叶片会产生裂纹从而导致疲劳断裂，因此控制风机叶片振动阈值可为整机提供安全运行。风机叶片在运行过程中不可避免产生变形，若能将叶片变形的振动能量收集，甚至放大转化成电能储存下来，不仅能实现能量循环利用，还能实现能源节约。近年来声物理前沿领域发展的周期性声子晶体结构具有对特定频率带隙（阻断）调控特性，为解决工程振动噪声控制问题提供新思路和新方法。声子晶体2是由散射体在空间上周期性分布的人工周期性结构，可通过声子晶体结构2抑制某频段弹性波传播；另一方面，当声子晶体结构存在缺陷时（从完整结构中移除一个或一排的散射体，分别可以实现点缺陷或线缺陷），弹性波会被局域在缺陷处周围，形成能量聚集特性。将压力陶瓷声子晶体结构1内嵌风机叶片周期性声子晶体结构中，可强化能量收集，并通过导线连接将所有压电陶瓷结构串联起来接入电能收集器，实现振动能量收集和风机叶片振动抑制。

在实际使用过程中，应考虑到以下几个因素：

（1）根据风机容量大小，风机叶片内嵌声子晶体结构布置个数和距离可做调整，以便满足风机叶片承载要求。

（2）根据周期性声子晶体结构，可增加或改变压电声子晶体结构数量和放置位置。