一种压电-磁电复合式气弹性振动俘能装置

技术领域

本发明涉及压电俘能技术领域，具体涉及一种压电-磁电复合式气弹性振动俘能装置。

背景技术

近年来，随着全球气候变暖的加剧和石油、煤炭、天然气等不可再生资源的紧缺，寻求可再生、可持续的绿色能源成为人类文明可持续发展的重要挑战；利用压电材料的压电效应，从环境中俘获能量的装置称之为压电俘能器，与静电式、电磁式将振动机械能转化为电能相比，压电俘能器具有俘能效率高、能量密度大、工作可靠、适应性强、无污染、成本低等突出优点，从环境振动或噪声中提取能量的性能最好，成为从环境机械能获取电能的一种行之有效的好方法，受到了广泛的重视。

压电俘能的研究已逐步出现在研究生、本科生以及一些企业的教学与生产研究中，现有的俘能装置和俘能结构存在一些不足，在低幅振动环境中，例如在桥梁、山林和隧道等多风的自然环境中，现有的振动俘能装置在此类环境中对于振动的采集效果不佳，从而导致输出的功率和电压效果不理想，同时大多数俘能器和俘能结构都是适用于较为单一的振动环境，或者适应环境范围较小，并不适用于这类别的振动环境；而且现有的风力发电机对于风力要求较大，对于低幅风力利用率差，存在能源能浪费等现象，现需要一种能够在多风且能够俘获低幅风力的振动俘能装置来解决以上问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种压电-磁电复合式气弹性振动俘能装置，可以适用于多种振动幅度的风场环境中，具备较高的能量收集效率，随着自然风力的大小能够自动调节能量收集频带，具备较好的稳态效果，解决了现有振动俘能装置在风场中利用效果不佳，风力发电架对于风力要求较大而导致风力俘能存在资源浪费的问题。

本发明的一种压电-磁电复合式气弹性振动俘能装置，包括喷管、安装板、压电梁、压电片、线圈、第一磁块和第二磁块，所述喷管的底部固定连接有安装座，所述喷管的右侧固定连接有尾板，所述尾板的右侧开设有通孔，所述尾板的右侧固定连接有垫块，所述垫块的右侧与压电梁的一端固定连接，所述压电片通过导电胶粘贴于压电梁的右侧，所述安装板的左侧固定连接有支架，所述支架的一端与尾板的右侧固定连接，所述安装板的左侧固定连接有若干组支撑杆，所述尾板左侧的中心位置固定连接有第二磁块，所述线圈缠绕于支撑杆的表面，所述压电梁的一端与第一磁块固定连接，所述喷管的中心、尾板和通孔的中心、第一磁块的中心、线圈的中心、第二磁块的中心和安装板的中心位于同一水平轴线。

进一步的，所述喷管外形为左粗右细的梯形台状，所述喷管中心为中空状，所述安装座上开设有若干组安装用螺纹孔。

进一步的，所述通孔贯穿尾板且与喷管的中空连通，所述支架设置有四组，且四组支架呈圆周排列。

进一步的，所述垫块设置有八组，所述压电梁设置有八组，所述压电片设置有八组，且一组垫块、压电梁和压电片组成一组压电俘能结构，且八组压电俘能结构呈圆周对称阵列固定于尾板的右侧，所述压电梁为变截面梯形，所述压电梁采用H60的铜质梁，所述压电梁厚度为0.3毫米，所述压电片为PZT-5H压电陶瓷片，所述压电片厚度为0.2毫米。

进一步的，所述支撑杆设置有若干组且采用非磁性金属杆，所述线圈采用漆包铜线缠绕制成，所述线圈匝数由实际需求决定。

进一步的，所述第一磁块和第二磁块采用同级相对的安装方式固定安装，所述第一磁块和第二磁块均采用相同材料的永磁体，所述第一磁块和第二磁块结构、外形、大小和质量相一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明通过喷管、尾板、通孔、垫块、安装板、压电梁、压电片、线圈、第一磁块和第二磁块的配合，实现了对自然界风力振动能量的俘能，喷管利用气弹性振动，能够实现对低幅风力的能量收集，气弹性振动的颤振效果拓宽了采集频带，能够适应多范围的振动幅度，通过压电与磁电的组合，使得俘能装置在不稳定的气流冲击中，借助磁铁的斥力、磁场的感应电势和压电的感应电流，形成了俘能装置的多稳态，进一步扩宽了能量收集频带，提高了能量收集效率，增加了自然环境中风力等具备振动效果的能量利用效率。

2、本发明通过设置喷管，实现了对自然环境中风力的收集和气流加速，增加了气流对压电梁、压电片和第一磁块的冲击效果，通过设置安装座，方便了俘能装置在各种环境下的安装，通过设置垫块，方便了压电梁的安装，同时方便了压电梁在工作时发生形变，通过设置第一磁块、线圈和第二磁块，利用磁铁的相互斥力，使得压电梁在工作时实现多稳态，通过设置支架，方便了安装板的支撑与固定。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的局部结构示意图一；

图3为本发明的右视图；

图4为本发明的局部结构示意图二；

图5为本发明的安装示意图。

图中：1喷管、2安装座、3尾板、4通孔、5垫块、6安装板、7支架、8压电梁、9压电片、10线圈、11支撑杆、12第一磁块、13第二磁块。

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1-5，一种压电-磁电复合式气弹性振动俘能装置，包括喷管1、安装板6、压电梁8、压电片9、线圈10、第一磁块12和第二磁块13，喷管1的底部固定连接有安装座2，通过设置喷管1，实现了对自然环境中风力的收集和气流加速，增加了气流对压电梁8、压电片9和第一磁块12的冲击效果，通过设置安装座2，方便了俘能装置在各种环境下的安装，喷管1的右侧固定连接有尾板3，尾板3的右侧开设有通孔4，尾板3的右侧固定连接有垫块5，通过设置垫块5，方便了压电梁8的安装，同时方便了压电梁8在工作时发生形变，垫块5的右侧与压电梁8的一端固定连接，压电片9通过导电胶粘贴于压电梁8的右侧，安装板6的左侧固定连接有支架7，支架7的一端与尾板3的右侧固定连接，安装板6的左侧固定连接有若干组支撑杆11，尾板3左侧的中心位置固定连接有第二磁块13，线圈10缠绕于支撑杆11的表面，压电梁8的一端与第一磁块12固定连接，过设置第一磁块12、线圈10和第二磁块13，利用磁铁的相互斥力，使得压电梁8在工作时实现多稳态，通过设置支架7，方便了安装板6的支撑与固定，喷管1的中心、尾板3和通孔4的中心、第一磁块12的中心、线圈10的中心、第二磁块13的中心和安装板6的中心位于同一水平轴线。

喷管1外形为左粗右细的梯形台状，喷管1中心为中空状，安装座2上开设有若干组安装用螺纹孔，通孔4贯穿尾板3且与喷管1的中空连通，支架7设置有四组，且四组支架7呈圆周排列，垫块5设置有八组，压电梁8设置有八组，压电片9设置有八组，且一组垫块5、压电梁8和压电片9组成一组压电俘能结构，且八组压电俘能结构呈圆周对称阵列固定于尾板3的右侧，压电梁8为变截面梯形，压电梁8采用H60的铜质梁，压电梁8厚度为0.3毫米，压电片9为PZT-5H压电陶瓷片，压电片9厚度为0.2毫米，支撑杆11设置有若干组且采用非磁性金属杆，线圈10采用漆包铜线缠绕制成，线圈10匝数由实际需求决定，第一磁块12和第二磁块13采用同级相对的安装方式固定安装，第一磁块12和第二磁块13均采用相同材料的永磁体，第一磁块12和第二磁块13结构、外形、大小和质量相一致，通过喷管1、尾板3、通孔4、垫块5、安装板6、压电梁8、压电片9、线圈10、第一磁块12和第二磁块13的配合，实现了对自然界风力振动能量的俘能，喷管1利用气弹性振动，能够实现对低幅风力的能量收集，气弹性振动的颤振效果拓宽了采集频带，能够适应多范围的振动幅度，通过压电与磁电的组合，使得俘能装置在不稳定的气流冲击中，借助磁铁的斥力、磁场的感应电势和压电的感应电流，形成了俘能装置的多稳态，进一步扩宽了能量收集频带，提高了能量收集效率，增加了自然环境中风力等具备振动效果的能量利用效率。

使用时，首先取两组俘能装置，将两组俘能装置的安装板6相互接触并且固定，然后通过螺栓和安装座2将俘能装置安装在俘能的振动环境中，如山林、隧道、大桥等具备足够风能的场合，再将导线焊接在压电片9的表面，并且连接外界储能装置，当俘能环境中有风吹动时，喇叭状的喷管1对流动的气流进行收集和加速，加速后的气流冲击压电梁8，压电梁8发生形变，带动压电片9发生形变，基于压电材料的正压电效应，产生极化电流，同时在气流的推动下，第一磁块12向第二磁块13靠近，带动线圈10附近的磁场变换，线圈10在变化的磁场中做切割磁感线运动，进而产生感应电流，在第二磁块13的斥力和感应电动势的作用下，第一磁块12被推回起始位置，不稳定的气流时刻变化着冲击效果，在磁力相斥和感应电动势的作用下，俘能装置实现了多稳态，扩宽能量采集频带，增加了能量收集利用率，实现了在高中低等多种振动幅度的风力环境中的能量收集，提高了自然环境的利用率。

综上所述：该一种压电-磁电复合式气弹性振动俘能装置通过喷管1、安装座2、尾板3、通孔4、垫块5、安装板6、支架7、压电梁8、压电片9、线圈10、支撑杆11、第一磁块12和第二磁块13的配合，解决了现有振动俘能装置在风场中利用效果不佳，风力发电架对于风力要求较大而导致风力俘能存在资源浪费的问题。

以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。