本发明涉及一种压电能量收集装置，属于新能源转化收集领域。
背景技术：
随着传统化石燃料的过度开采和利用，能量紧缺和环境问题日益严重。因此新能源的开发及利用成为了目前研究的热点。其中压电材料具有良好的压电转换特性，可以实现从机械能到电能的转化，并且转换效率较高，可以适用于日常生活应用中。专利cn102751910b公开了一种适用于低频振动能量收集的上变频振动能量收集装置，采用质量-弹簧二阶系统，可收集振动能。专利cn103414379b公开了一种基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器，通过对谐振器参数的调整获得较宽的工作频带或者提高共振峰间峰谷处的性能。这些装置都依托于传统的悬臂梁压电能量收集结构，但是存在结构复杂、能量收集效率较低、使用条件苛刻、维修难度高等缺点，制约了其应用范围。所以，需要一种结构简单，能量转换效率更高的压电能量收集装置成为了当前需要迫切解决的一个难题。
技术实现要素：
本发明的目的是为了提供一种压电能量收集装置，解决现有问题。
本发明的目的是这样实现的：包括风道、设置在风道两端的入射口和出射口、垂直设置在风道内的绕流圆柱体、通过连接件与绕流圆柱体连接的压电元件，压电元件通过导向与闭合电路连接，且连接件设置在绕流圆柱体的背风面。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述风道的截面形状是正方形，所述绕流圆柱体的材料是聚氯乙烯塑料，连接件为铝制矩形薄板，压电元件的材料是聚偏氟乙烯，压电元件的形状为几何对称形状。
2.所述闭合电路包括整流电路和运算放大器，经运算放大器后的电能作用与工作元件上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明不同于通常的基于颤振原理的能量收集装置，需要压电元件直接同风流接触，而是通过圆柱绕流产生的涡街，采用涡致振动原理进行机械能同电能的转化，避免了风速突然变大时对能量收集装置产生破坏。同时，该装置结构简单、制作安装简便、易于维修，能量收集效率较高。当风流通过风道入射口并与绕流圆柱体接触后，由于流体的性质会产生涡街现象，继而压电元件产生受迫振动，其形变的机械能通过压电效应转化为电能。其产生的交流电通过整流电路及运算放大器使得其输出电压能够满足工作元件的需要。
附图说明
图1为本发明所使用电路的电路模块图；
图2为本发明能量收集装置示意图；
图3为本发明整体结构示意图；
图4为整流电路及信号放大器电路示意图；
图中：1能量转换装置，2整流电路，3运算放大器，4工作元件，5绕流圆柱体，6连接件，7压电元件，8导线，9风道，10入射口，11出射口，12全桥整流器，13滤波电容，14运放器，15反馈电阻，16增益电阻。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图4，本发明包括能量转换装置、整流电路及运算放大器。所述能量转换装置包括风道、绕流圆柱体、连接件、压电元件及导线。所述风道作用为约束风流按照预定的轨迹进行流动。所述绕流圆柱体的作用为约束风流流动轨迹，引发压电元件振动。所述连接件作用为连接绕流圆柱体及压电元件，引发涡街效应。所述压电元件作用为能量转换，所述导线作用为传到电能。所述整流电路作用为实现压电元件产生的交流电向直流电的转换及稳流。所述运算放大器的作用是根据工作元件的电压需求将整流电路传出的电信号进行放大处理。所述的风道为中空的正六面体结构，设有气流入射口及出射口，余下四面材质为铁质薄板，风道截面为正方形。所述的绕流圆柱体材质为聚氯乙烯(pvc)塑料，两底面同风道的两面完全粘结固定。所述连接件在绕流圆柱体的背风面同其连接，连接件截面同未与绕流圆柱体粘结的风道面平行，连接采用蝶铰链铰接，连接件材质为铝制。所述压电元件与连接件采用铆接的方式连接，压电元件的中轴线尽可能同连接件的中轴线一致，材质可为聚偏氟乙烯(pvdf)材料，几何形状可为矩形、等腰梯形等对称形状，导线分别连接压电元件的两侧，形成闭合回路。所述整流电路固定在风道外部，通过导线同压电元件连接，整流电路采用传统全桥电路外加滤波电容的结构。所述运算放大器结构固定在风道外部，通过导线同整流电路连接。
本发明第一方面提供一种适用于较低风速条件的，采用涡致振动原理产生的压电元件振动从而进行能量收集的装置。其特征为：包括提供绕流的圆柱体、连接件、压电元件、风道及导线。风道为中通结构，横截面为方形，设有进气口和出气口，圆柱体垂直固定在风道两对面上。连接件用来将圆柱体同压电元件进行连接，连接件同圆柱体连接的位置应在圆柱体的背风面，且应保证入射风流不能直射连接件，连接件的结构一般为矩形薄板悬臂梁结构，材料可为铝制。压电元件同连接件另一端连接，同样需保证不能被入射风流直射。导线同压电元件两端相连，将压电元件转化出的电能进行传导，压电元件可为矩形、三角形、等腰梯形等形状的薄板，压电材料可为聚偏氟乙烯(pvdf)材质或其他具有压电效应的材料。
所述的较低风速一般小于10m/s。
当风流从入射口进入风道后，在经过圆柱体时由于流体的性质会产生绕流现象，进而会在连接件及压电元件上产生涡街现象，从而引发受迫振动。当涡街的脱落频率同压电元件的固有频率相近时，其剧烈振动通过压电元件的压电效应将机械能转化为电能，通过电路进行进一步的应用。
本发明还可以包括：用于将压电元件经压电效应产生的交流电转换为直流电的整流电路及将电压进行放大的信号放大器。信号放大器的放大幅度根据工作环境进行改变，其改变通过对放大器中的增益电阻和反馈电阻进行改变来实现。
本发明第二方面提供所述的提供一种适用于较低风速条件的，采用涡致振动原理产生的压电元件振动从而进行能量收集的装置在风致振动能量收集领域的用途。
下面结合具体尺寸对本发明进行详细说明：
如图1所示，本发明所使用的电路的电路模块图包括压电能量转换装置1、整流电路2、运算放大器3及工作元件4。
能量转换装置1其核心为能量收集装置，其示意图如图2所示。能量收集装置其部件包括绕流圆柱体5、连接件6、压电元件7及导线8。绕流圆柱体5材质可为聚氯乙烯(pvc)塑料，底面直径为30mm，高为90mm，垂直放置在风道9中，两底面同风道两对边固定，固定采用强力胶粘连固定。连接件6材质可为铝制，几何形状为矩形薄板，尺寸为35×20×0.2mm，连接件6短边一端同绕流圆柱体5相连，连接件6表面同未与绕流圆柱体5连接的风道9余下两面平行，连接件6同绕流圆柱体5之间采用蝶铰链固定，固定点在绕流圆柱体背风面。压电元件7同连接件6短边另一边相连，材质可为聚偏氟乙烯(pvdf)材料或其他具有压电效应的韧性良好的材料，几何形状可为矩形薄板，尺寸为45×30×0.1mm，压电元件7一长边的中线部位同连接件6另一短边相连，连接方式为铆接，其表面同样与未与绕流圆柱体5连接的风道9余下两平面平行。需要注意的是，应避免连接件6同压电元件7被入射风流直射。
本发明的整体结构示意图如图3所示，风道9为六面体中空结构，设有入射口10及出射口11，风道尺寸为90×90×600mm，风道截面为正方形，尺寸为90×90mm。当风流从入射口10进入并同绕流圆柱体5接触时，产生的圆柱绕流的效应会在圆柱体后产生涡街效应，产生的涡脱落会引起连接件6及压电元件7的涡致振动，即压电元件7通过受迫振动产生形变，当涡脱落频率同压电元件7的固有频率相近时，压电元件7产生共振，形变量剧烈增长，通过压电效应，将机械能转换为电能，从而完成机械能-电能的能量转换，得到的电能通过导线8传递到闭合电路中进行进一步加工应用。
通过导线8传递的电能为交流电，需要通过图4所示的整流电路2及运算放大器3进行处理。整流电路2主要包括全桥整流器12及滤波电容13，全桥整流器12由四个二极管组成，利用二极管的单向导通性将交流电转换为直流电。滤波电容13利用电容自身的充电放电性质来使得输出电压基本稳定。
运算放大器3为同向运放器，其主要结构有运放器14、反馈电阻15及增益电阻16。运算放大器3的电压放大幅度随反馈电阻15及增益电阻16的值改变而改变，从而当工作元件4的额定电压改变时运算放大器3能够满足其使用的需求。