一种环境气流能量收集装置及方法

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体的说是一种环境气流能量收集装置及方法。

背景技术

随着微电子系统、无线通信技术和低功耗传感器的发展，分布式无线传感器节点网络(Wireless Sensor Networks,WSN)已广泛应用于航空航天、军事、建筑、交通、农业等领域，如农业灌溉、环境监测、工业生产、安全监控等，但分布式无线传感器节点的供能成了新的问题，传统的电池供能方式具有寿命短、功率密度低以及需要定期更换等缺点，不仅增加工作量和成本，而且在许多情况下系统结构不允许更换，使其应用受到一定的限制；

目前，环境气流是一种分布广泛，绿色环保，且可持续发展的能源，如自然风、管道内气体流动、运动物体的迎面气流等，靠风或气流直接推动涡轮叶片驱动的转动式电磁能量收集器存在结构复杂、加工和安装较为困难等问题，难以实现微小型化，至今得不到广泛实施和应用；因此需要一种环境气流能量收集装置及方法。

发明内容

针对相关技术中存在的上述不足之处，目的是提供一种环境气流能量收集装置及方法，以解决相关技术中的结构复杂，加工制造困难，难以实现微小型化的技术问题。

实现目的的技术方案是：一种环境气流能量收集装置，包括：

气流激振部，用于产生边棱音，触发空气进入谐振状态，形成驻波共振；

以及换能部，与所述气流激振部连接，用于产生振动，经储能控制电路，能量被收集存储。

进一步的：所述气流激振部包括：第一喷嘴，用于空气产生射流；以及第一矩形柱，与所述第一喷嘴间隔设置，并且所述第一矩形柱上的朝向所述第一喷嘴的一侧具有第一锥形尖劈，所述第一锥形尖劈的尖端与所述第一喷嘴的中心线在同一直线上。

进一步的：所述换能部为第一压电换能器，所述第一压电换能器连接在所述第一矩形柱的侧壁上，与所述第一锥形尖劈对面设置，或者所述第一压电换能器连接在所述第一喷嘴的外壁上，设置在所述第一喷嘴和所述第一矩形柱之间，与所述第一矩形柱间隔设置。

进一步的：所述换能部包括：两个第一谐振腔体，对称设置在所述第一矩形柱的两侧，与所述第一矩形柱间隔设置；以及两个第二压电换能器，一对一连接在所述第一谐振腔体上，与所述第一谐振腔体之间形成第一谐振腔，所述第一谐振腔的开口处对齐所述第一矩形柱。

进一步的：所述气流激振部包括：第二喷嘴；第二谐振腔体，与所述第二喷嘴间隔设置，所述第二谐振腔体的左侧为敞开，顶部上具有第一开口，所述第二谐振腔体上具有第二谐振腔；以及第一连接支撑件，连接在所述第二谐振腔体的左侧侧壁上，连接所述第二喷嘴；

所述第二谐振腔体的左侧上端具有第二锥形尖劈，所述第二锥形尖劈的尖端与所述第二喷嘴的中心线在同一直线上；

所述第一开口远离所述第二喷嘴，并且与所述第二谐振腔连通。

进一步的：所述换能部包括：第一柔性梁，连接在所述第一开口处，封闭所述第一开口；第三压电换能器，一端连接在所述第二谐振腔体的顶部上；以及第一杆，一端与所述第一柔性梁的中间部位连接，另一端与所述第三压电换能器连接。

进一步的：所述气流激振部包括：第三喷嘴；第三谐振腔体，与所述第三喷嘴间隔设置，所述第三谐振腔体的左侧为敞开，中间部位具有第三谐振腔；以及第二连接支撑件，连接在所述第三谐振腔体的左侧侧壁上，连接所述第三喷嘴；

所述第三谐振腔体的左侧上端具有第三锥形尖劈，所述第三锥形尖劈的尖端与所述第三喷嘴的中心线在同一直线上。

进一步的：所述换能部包括：第三连接支撑件，连接在所述第三喷嘴的顶部上；第四连接支撑件，连接在所述第三谐振腔体的顶部上；第二柔性梁，连接在所述第三喷嘴和所述第四连接支撑件之间；第四压电换能器，连接在所述第三连接支撑件的顶部上；以及第二杆，一端连接在所述第二柔性梁的中间部位上，另一端连接所述第四压电换能器。

一种环境气流能量收集方法，包括：环境气流经过所述气流激振部，产生边棱音，触发空气气流进入谐振状态，形成驻波共振，空气气流作周期性的膨胀与压缩运动，引起空气气流作周期性振荡，驱动所述换能部产生振动，形成电压，经储能控制电路，实现能量收集存储与供电。

采用了上述技术方案，具有以下的有益效果：一种环境气流能量收集装置及方法，与相关技术相比，设置有气流激振部和换能部；环境气流经过所述气流激振部，产生边棱音，触发空气气流进入谐振状态，形成驻波共振，空气气流作周期性的膨胀与压缩运动，引起空气气流作周期性振荡，驱动所述换能部产生振动，形成电压，经储能控制电路，实现能量收集存储与供电，结构相对简单，加工制造相对方便，能够实现微小型化；从而克服了结构复杂，加工制造困难，难以实现微小型化的技术问题，达到了结构相对简单，加工制造相对方便，能够实现微小型化的技术效果，有利于推广使用。

附图说明

图1为结构示意图之一；

图2为结构示意图之二；

图3为结构示意图之三；

图4为结构示意图之四；

图5为结构示意图之五；

图中：10.气流激振部，11.第一喷嘴，12.第一矩形柱，121.第一锥形尖劈，13.第二喷嘴，14.第二谐振腔体，141.第一开口，142.第二谐振腔，143.第二锥形尖劈，15.第一连接支撑件，16.第三喷嘴，17.第三谐振腔体，171.第三谐振腔，172.第三锥形尖劈，18.第二连接支撑件，20.换能部，21.第一压电换能器，22.第一谐振腔体，221.第一谐振腔，23.第二压电换能器，24.第一柔性梁，25.第三压电换能器，26.第一杆，27.第三连接支撑件，28.第四连接支撑件，29.第二柔性梁，210.第四压电换能器，211.第二杆。

具体实施方式

为了使内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，作进一步详细的说明；

一种环境气流能量收集装置及方法，解决了相关技术中的结构复杂，加工制造困难，难以实现微小型化的技术问题，达到了结构相对简单，加工制造相对方便，能够实现微小型化的积极效果，总体思路如下：

一实施方式：

如图1、图2、图3、图4、图5所示；一种环境气流能量收集装置及方法，所述环境气流能量收集装置，包括：

气流激振部10，用于产生边棱音，触发空气进入谐振状态，形成驻波共振；

以及换能部20，与所述气流激振部10连接，用于产生振动，经储能控制电路，能量被收集存储；

所述环境气流能量收集方法，包括：环境气流经过所述气流激振部10，产生边棱音，触发空气气流进入谐振状态，形成驻波共振，空气气流作周期性的膨胀与压缩运动，引起空气气流作周期性振荡，驱动所述换能部20产生振动，形成电压，经储能控制电路，实现能量收集、存储与供电，实现了结构相对简单，加工制造相对方便，能够实现微小型化的目的；

另一实施方式：

如图1所示；实施时，所述气流激振部10包括：第一喷嘴11，用于空气产生射流；以及第一矩形柱12，与所述第一喷嘴11间隔设置，并且所述第一矩形柱12上的朝向所述第一喷嘴11的一侧具有第一锥形尖劈121，所述第一锥形尖劈121的尖端与所述第一喷嘴11的中心线在同一直线上；

所述换能部20为第一压电换能器21，所述第一压电换能器21的一端连接在所述第一矩形柱12的侧壁上，与所述第一锥形尖劈121对面设置；

第一喷嘴11的外部形状为长方体形结构，内部具有前端呈喇叭型的贯穿孔，有利于空气气流进入流通；

第一矩形柱12的前端呈锥形，具有第一锥形尖劈121的尖端，尾端呈矩形，使得空气气流被分离；

第一压电换能器21由上下两层压电材料PZT和中间层基板贴合而成，在水平方向形成类似悬臂梁状结构，有利于产生振动；

空气气流由第一喷嘴11进入流通，形成射流，冲击第一矩形柱12上的第一锥形尖劈121处，射流被分离，在第一矩形柱12的上下两侧形成旋涡脱落，并在尾部形成涡街，旋涡会引起空气气流振荡，驱动第一压电换能器21上下振动，从而产生应变，引起电荷在压电片上下表面聚集，并在压电材料的厚度方向形成电压，经与第一压电换能器21电信连接的储能控制电路，实现能量收集、存储与供电；

另一实施方式：

如图2所示；实施时，所述气流激振部10包括：第一喷嘴11，用于空气产生射流；以及第一矩形柱12，与所述第一喷嘴11间隔设置，并且所述第一矩形柱12上的朝向所述第一喷嘴11的一侧具有第一锥形尖劈121，所述第一锥形尖劈121的尖端与所述第一喷嘴11的中心线在同一直线上；

所述换能部20为两个第一压电换能器21，所述第一压电换能器21对称连接在所述第一喷嘴11的外壁上，设置在所述第一喷嘴11和所述第一矩形柱12之间，与所述第一矩形柱12间隔设置；

第一喷嘴11的外部形状为长方体形结构，内部具有前端呈喇叭型的贯穿孔，有利于空气气流进入流通；

第一矩形柱12的前端呈锥形，具有第一锥形尖劈121的尖端，尾端呈矩形，使得空气气流被分离；

第一压电换能器21由上下两层压电材料PZT和中间层基板贴合而成，在水平方向形成类似悬臂梁状结构，有利于产生振动；

空气气流由第一喷嘴11进入流通，形成射流，冲击第一矩形柱12上的第一锥形尖劈121处，射流被分离，在第一矩形柱12的上下两侧形成旋涡脱落，并在尾部形成涡街，旋涡会引起第一喷嘴11和第一矩形柱12之间的空气气流振荡，驱动第一压电换能器21上下振动，从而产生应变，引起电荷在压电片上下表面聚集，并在压电材料的厚度方向形成电压，经与第一压电换能器21电信连接的储能控制电路，实现能量收集、存储与供电；

另一实施方式：

如图3所示；实施时，所述气流激振部10包括：第一喷嘴11，用于空气产生射流；以及第一矩形柱12，与所述第一喷嘴11间隔设置，并且所述第一矩形柱12上的朝向所述第一喷嘴11的一侧具有第一锥形尖劈121，所述第一锥形尖劈121的尖端与所述第一喷嘴11的中心线在同一直线上；

所述换能部20包括：两个第一谐振腔体22，对称设置在所述第一矩形柱12的两侧，与所述第一矩形柱12间隔设置；以及两个第二压电换能器23，一对一连接在所述第一谐振腔体22上，与所述第一谐振腔体22之间形成第一谐振腔221，所述第一谐振腔221的开口处对齐所述第一矩形柱12；

第一喷嘴11的外部形状为长方体形结构，内部具有前端呈喇叭型的贯穿孔，有利于空气气流进入流通；

第一矩形柱12的前端呈锥形，具有第一锥形尖劈121的尖端，尾端呈矩形，使得空气气流被分离；

第一谐振腔体22的外部形状为长方体形结构，内部中空，与第二压电换能器23形成第一谐振腔221，有利于第二压电换能器23产生振动；

第二压电换能器23由上下两层压电材料PZT和中间层基板贴合而成，在水平方向形成类似悬臂梁状结构，有利于产生振动；

空气气流由第一喷嘴11进入流通，形成射流，冲击第一矩形柱12上的第一锥形尖劈121处，射流被分离，在第一矩形柱12的上下两侧形成旋涡脱落，并在尾部形成涡街，旋涡会引起第一矩形柱12和第一谐振腔221处的空气气流振荡，触发第一谐振腔221内部的空气气流进入谐振状态，形成驻波共振，产生稳定声源并得到放大(其频率被俘获，由第一谐振腔221的结构尺寸决定)，第一谐振腔221内部的空气气流将作周期性的膨胀与压缩运动，驱动第二压电换能器23上下振动，从而产生应变，引起电荷在压电片上下表面聚集，并在压电材料的厚度方向形成电压，经与第二压电换能器23电性连接的储能控制电路，实现能量收集、存储与供电；

另一实施方式：

如图4所示；实施时，所述气流激振部10包括：第二喷嘴13；第二谐振腔体14，与所述第二喷嘴13间隔设置，所述第二谐振腔体14的左侧为敞开，顶部上具有第一开口141，所述第二谐振腔体14上具有第二谐振腔142；以及第一连接支撑件15，连接在所述第二谐振腔体14的左侧侧壁上，连接所述第二喷嘴13；

所述第二谐振腔体14的左侧上端具有第二锥形尖劈143，所述第二锥形尖劈143的尖端与所述第二喷嘴13的中心线在同一直线上；

所述第一开口141远离所述第二喷嘴13，并且与所述第二谐振腔142连通；

所述换能部20包括：第一柔性梁24，连接在所述第一开口141处，封闭所述第一开口141；第三压电换能器25，一端连接在所述第二谐振腔体14的顶部上；以及第一杆26，一端与所述第一柔性梁24的中间部位连接，另一端与所述第三压电换能器25连接；

第二喷嘴13的外部形状为长方体形结构，内部具有前端呈喇叭型的贯穿孔，有利于空气气流进入流通；

第二谐振腔体14的断面大致为“]”形结构，形成有第二谐振腔142，并且顶部具有第一开口141；

第一连接支撑件15的断面大致为“L”形结构，用于连接第二谐振腔体14和第二喷嘴13；

第一柔性梁24为长方体式的柔性薄膜；

第三压电换能器25由上下两层压电材料PZT和中间层基板贴合而成，在水平方向形成类似悬臂梁状结构，有利于产生振动；

第一杆26为长条状结构，用于将第一柔性梁24中间处的振动位移传递给第三压电换能器25；

空气气流由第二喷嘴13进入流通，形成射流，冲击第二谐振腔体14上的第二锥形尖劈143，射流被分离，在第二锥形尖劈143上下两侧形成旋涡脱落，产生边棱音(偶极子声源)，触发第二谐振腔142内的空气气流进入谐振状态，形成驻波共振，产生稳定声源并得到放大(其频率被俘获，由第二谐振腔142的结构尺寸决定)，在驻波共振影响下，第二谐振腔142内的空气气流作周期性的膨胀与压缩运动，驱动第一柔性梁24上下振动，从而通过第一杆26带动第三压电换能器25振动，压电材料产生应变，引起电荷在压电片上下表面聚集，并在压电材料的厚度方向形成电压，经与第三压电换能器25电性连接的储能控制电路，实现能量收集、存储与供电；

另一实施方式：

如图5所示；实施时，所述气流激振部10包括：第三喷嘴16；第三谐振腔体17，与所述第三喷嘴16间隔设置，所述第三谐振腔体17的左侧为敞开，中间部位具有第三谐振腔171；以及第二连接支撑件18，连接在所述第三谐振腔体17的左侧侧壁上，连接所述第三喷嘴16；

所述第三谐振腔体17的左侧上端具有第三锥形尖劈172，所述第三锥形尖劈172的尖端与所述第三喷嘴16的中心线在同一直线上；

所述换能部20包括：第三连接支撑件27，连接在所述第三喷嘴16的顶部上；第四连接支撑件28，连接在所述第三谐振腔体17的顶部上；第二柔性梁29，连接在所述第三喷嘴16和所述第四连接支撑件28之间；第四压电换能器210，连接在所述第三连接支撑件27的顶部上；以及第二杆211，一端连接在所述第二柔性梁29的中间部位上，另一端连接所述第四压电换能器210；

第三喷嘴16的外部形状为长方体形结构，内部具有前端呈喇叭型的贯穿孔，有利于空气气流进入流通；

第三谐振腔体17的断面大致为“]”形结构，形成有第三谐振腔171；

第二连接支撑件18的断面大致为“L”形结构，用于连接第三喷嘴16和第三谐振腔体17；

第三连接支撑件27为长方体结构；

第四连接支撑件28为长方体结构；

第二柔性梁29为弧形的柔性薄膜；

第四压电换能器210由上下两层压电材料PZT和中间层基板贴合而成，在水平方向形成类似悬臂梁状结构，有利于产生振动；

第二杆211为长条状结构，用于将第二柔性梁29中间处的振动位移传递给第四压电换能器210；

空气气流由第三喷嘴16进入流通，形成射流，冲击第三谐振腔体17上的第三锥形尖劈172，射流被分离，在第三锥形尖劈172上下两侧形成旋涡脱落，产生边棱音(偶极子声源)，触发第三谐振腔171内的空气气流进入谐振状态，形成驻波共振，第三谐振腔171内的空气气流作周期性的膨胀与压缩运动，引起第三喷嘴16和第三谐振腔171之间的空气气流作周期性振荡，驱动第二柔性梁29上下振动，从而通过第二杆211带动第四压电换能器210振动，压电材料产生应变，引起电荷在压电片上下表面聚集，并在压电材料的厚度方向形成电压，经与第三压电换能器25电性连接的储能控制电路，实现能量收集、存储与供电；

另一实施方式：

如图1、图2、图3、图4、图5所示；实施时，储能控制电路为现有技术中的常用结构，与换能部20电性连接，本领域的普通技术人员，在看到公开的内容后，能够直接地、毫无疑义地知晓如何设置，并不需要付出创造性的劳动，也不需要进行过度的试验；

工作原理如下：环境气流经过所述气流激振部10，产生边棱音，触发空气气流进入谐振状态，形成驻波共振，空气气流作周期性的膨胀与压缩运动，引起空气气流作周期性振荡，驱动所述换能部20产生振动，形成电压，经储能控制电路，实现能量收集、存储与供电；

描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示方位或位置关系是基于附图所述的位置关系，仅是为了便于描述或简化描述，而不是指示必须具有的特定的方位；实施例中描述的操作过程不是绝对的使用步骤，实际使用时，可以做相应的调整；

除非个别作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义；说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分，同样，“一个”或者“一”等类似词语也不决定表示数量限制，而是表示存在至少一个，需根据实施例的内容确定；

以上所述，仅为较佳的具体实施方式，但保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员揭露的技术范围内，根据技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在保护范围之内。