一种C型扰流可调串联的流体能量压电俘能器

技术领域

本发明属于流致振动俘能技术领域，特别是一种C型扰流可调串联的流体能量压电俘能器。

背景技术

随着无线传感网络技术的飞速发展，MEMS器件被广泛运用于各行各业如农业应用、军事侦察等领域。MEMS器件通常需要一个独立的微型电池为其供电，而传统电池存在寿命短，需要频繁更换等缺点，限制了MEMS器件的发展，因此采用压电效应对环境中的微能量进行采集利用，为MEMS提供一种新型的供能方式引起了广泛的关注。

风能是普遍存在的可再生能源之一，流体的运动可以有效的引发压电材料的振动，从而将流体动能转换为电能，实现能量的转换。目前部分MEMS器件的能耗已经低至毫瓦甚至微瓦级，这使得利用压电效应为MEMS器件供能成为可能，而且压电式能量回收装置具有结构简单、能量转换效率高等优点，具有光明的应用前景。

目前流致振动式压电俘能器得到了众多学者的关注，研究的俘能器主要适用于空间较大的流场如自然风场、海洋流场等，而在环境中还存在流场空间有限的射流如汽车尾气、气动系统排气等，传统的压电俘能器对射流激励的响应较小，且流场有限无法产生完整的绕流现象，因此能量转换效率低。目前用于射流能量回收的压电俘能器有单悬臂梁式压电俘能器和Y型压电俘能器，单悬臂梁式振动幅度较小且需保持俘能器在射流中心区域，Y型压电俘能器在射流冲击不规则扰流柱时会产生较大能量损失，故研究适用于射流能量回收、耦合振动响应大且能量转换效率高的压电俘能器成为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种C型扰流可调串联的流体能量压电俘能器，以在射流激励下提高耦合振动响应，解决传统压电俘能器无法适用于射流能量回收的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种C型扰流可调串联的流体能量压电俘能器，包括导电弹性材料的压电悬臂梁，设置在压电悬臂梁一侧或两侧的多个压电片，所述压电片用于在压电俘能器振动状态下产生电能；所述压电悬臂梁沿长度方向上串联有多个扰流柱，串联的扰流柱开口方向相同；压电片间隔设置在相邻的两个扰流柱之间；所述扰流柱为C形结构，截面为开式圆弧结构，位于压电悬臂梁端部的扰流柱开口方向正对射流方向，用于在射流激励下产生绕流，其余扰流柱用于增大流固耦合作用。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明的一种C型扰流可调串联的流体能量压电俘能器结构简单，能量转换效率高，与传统的流致振动式压电俘能器相比，能够在射流环境中产生较大幅度振动，输出较高的电能，与单悬臂梁式和Y型压电俘能器相比，可以产生的振动响应更大，减少冲击造成的能量损失。串连式布置可以增大俘能器的耦合振动，第二扰流柱可以调节，进行横向移动，使其适用于不同的工作环境，本发明在射流能量回收领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的压电俘能器的结构示意图；

图2为本发明的压电俘能器的主视图；

图3为本发明的压电俘能器的俯视图；

图4为本发明的压电俘能器的第一扰流柱示意图

图5为本发明的压电俘能器的第二扰流柱示意图；

图6为本发明的压电俘能器的压电悬臂梁示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

本实施方式提供了一种C型扰流可调串联的流体能量压电俘能器的具体实施方案。如图1～3所示，所述的压电俘能器包括第一扰流柱1、压电片2、第二扰流柱3、压电片4和压电悬臂梁6。在压电悬臂梁6长度方向上的不同位置布置有多个通孔，第一扰流柱1和第二扰流柱3通过调节装置如螺栓和螺母固定在压电悬臂梁6上，在压电悬臂梁的上表面或/和下表面布置有压电片，可以采用导电胶粘接固定。

更为具体的本发明设计的压电俘能器以两个扰流柱串联为例进行介绍，扰流柱的个数包括但不限于两个，可以根据不同的工作环境，采用不同个数的扰流柱串联。

更为具体的本发明设计的压电俘能器其第一扰流柱1的开口方向正对射流方向，串联的扰流柱开口方向相同，压电悬臂梁6的另一端加以固定。第一扰流柱1和第二扰流柱3均为C形结构，其截面为开式圆弧结构，扰流柱尾端凸台用于固定和连接。如图4所示，第一扰流柱1的尾端有凹槽，可以将压电悬臂梁6嵌入。如图5所示，第二扰流柱3中间设有通槽，可套接在压电悬臂梁6上，可相对压电悬臂梁6滑动。扰流柱尺寸的关键因素为圆弧直径，根据不同的工作环境，可以加工制作不同的扰流柱。

更为具体的本发明设计的压电俘能器，第一扰流柱1通过螺栓和螺母固定在压电悬臂梁6上，第二扰流柱3可以在压电悬臂梁6上横向移动，在压电悬臂梁6上的不同位置布置有通孔，通过螺栓和螺母可以将第二扰流柱3固定在不同的位置，从而在不同的工作环境中可以调节，获得更大的输出性能。为了便于理解本发明的实施方案，本发明所揭示的实施方式中第二扰流柱3可以固定在3个不同位置。

更为具体的本发明设计的压电俘能器，在压电悬臂梁6的上表面或/和下表面布置有压电片，通过导电胶进行粘接固定，在射流的冲击下，压电俘能器产生振动，由于正压电效应，电荷在压电片的表面聚集产生电能。

更为具体的本发明设计的压电俘能器，在射流激励下，第一扰流柱1由于气动弹性不稳定性产生振动，同时在射流绕过第一扰流柱1时产生绕流现象，增大振动幅度，此外，经过第一扰流柱1的射流会继续作用于第二扰流柱2，增大流固耦合作用，提高俘能能量，改善能量转换效率。

所述压电悬臂梁6可以选择导电的弹性材料，增大振幅，压电片2和压电片4可以选择内阻较低的压电材料。更为具体的本发明设计的压电俘能器，第一扰流柱1和第二扰流柱3可以采用聚乳酸(PLA)材料，通过3D打印制作而成，压电悬臂梁6的材料可以选择磷青铜，压电片的材料可以选择PZT压电陶瓷或者PVDF压电薄膜等。

综上所述，本发明设计的一种C形串连排布且可调式压电俘能器能够解决传统流致振动式压电俘能器无法在射流环境下正常工作的问题，提升能量转换效率。此外，本发明的压电俘能器将扰流柱进行串联，增大耦合振动响应，大幅提升压电俘能器的振动幅度，从而提高输出电压，第二扰流柱可以进行调节，从而使其适用于不同的工作环境，可用于对环境和工业中的射流式气流如汽车尾气、气动排气等进行能量回收利用，因此该压电俘能器在射流能量回收领域有着广泛的应用前景。