一种风致涡激振动的能量收集装置及收集方法

技术领域

本发明涉及仪器科学与工程领域，具体涉及一种风致涡激振动的能量收集装置及收集方法。

背景技术

近年来，随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)电子网络技术和无线传感技术的快速发展，对人类科技技术进步和生产力的提高起到了巨大的推动作用。尤其是自上世纪六十年代开始，电子网络技术和无线传感技术的结合，加速了无线传感网络技术(Wireless Sensor Network,WSN)的发展。WSN技术是一种分布式传感网络，系统的末端是由无数个可感知和监测外部世界的传感器组成。传感器之间通过无线方式组成多跳的自组织网络通信系统，构成可以协作感知、采集和处理网络覆盖区域的环境参数。目前，WSN技术己经广泛的应用在机械结构(如发动机、涡轮机、风力叶片等)、基础设施(如桥梁、高速公路、高速铁路、建筑等)和环境监测(水质监测、森林火灾预警、气候、海洋)等方面。而监测这些设备或环境的各类参数(如温度、压力、应力、湿度等)需要大量的传感器节点，且这些传感器节点需要分散布置在不同位置，通过短距离多条通信方式进行数据传输。一般采取无线通讯的方式将采集到的数据发送到基站进行处理，用户通过监控终端并对无线传感网络进行参数设置、网络管理和监测任务发布等。因此，每个传感器节点均需要提供一定的电能。

目前，传感器节点大多采用化学电池供电，但节点的使用寿命与容量有限的电池之间的矛盾越来越激烈。一方面这一类网络中的传感器节点往往尺寸较小，无法配置大容量的电池，这就导致节点的使用寿命受到了制约；另一方面，频繁的更换电池也为网络的维护带来了巨大的工作量，间接提升了网络部署的成本。尤其是对于一些部署在艰苦恶劣环境中的监测网络来说，每次维护都需要耗费巨大的人力和财力，甚至由于所处环境位置偏远或难以进行二次维护等原因导致根本无法进行电池的更换或充电操作。因此，如何寻找新的能量供给方式以突破传统电池带来的网络寿命瓶颈是决定未来WSN技术发展的关键因素之一。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种风致涡激振动的能量收集装置。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种在上述装置基础上的风致涡激振动的能量收集方法。

采用本发明的装置及方法，能够吸收外部环境中的风致振动能转化为电能从而代替传统化学电池驱动无线网络传感器节点工作。

解决上述第一个技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种风致涡激振动的能量收集装置，其特征在于：包括底座、弹性梁和促使弹性梁发生变形的摆动装置，所述弹性梁预变形为曲线的形式，所述弹性梁的上下表面均粘贴有压电片；在所述底座上表面左右两侧固定设置有支撑柱，所述弹性梁的两端分别固定连接在两侧所述支撑柱相对的一侧面上；所述摆动装置包括阻流体和摆动片，所述摆动片的一端固定连接在所述弹性梁的下表面中部，所述摆动片的另一端与所述阻流体固定连接。

进一步地，所述弹性梁预变形为正弦曲线的形状。

进一步地，所述阻流体的气动外形设置为圆柱形。

进一步地，所述底座上在弹性梁中部下方的位置开设有一切口，所述摆动片从所述切口穿出所述底座，所述阻流体的一端与所述摆动片穿出底座的一端固定连接。

进一步地，所述摆动片与所述弹性梁之间设置有一用于固定摆动片空间位置的轴承，所述轴承的一侧设置有支承块，所述支承块固定安装在所述底座上表面，所述支承块相对于轴承的一侧面上与轴承对应的位置处垂直设置有固定轴，所述轴承活动套接在所述固定轴上。

进一步地，在两侧所述支撑柱相对一侧的侧面上部切割有与弹性梁两端适配的缝隙，所述弹性梁的两端分别嵌入两侧所述支撑柱的缝隙中并通过在缝隙中填入粘接剂使弹性梁与两侧支撑柱之间刚性连接。

优选的，所述压电片为聚偏氟乙烯压电片。

优选的，所述底座、支承块和支撑柱均采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。

解决上述第二个技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种基于上述装置的风致涡激振动的能量收集方法，其特征是包括以下步骤：

S1.把风致涡激振动的能量收集装置架空安装到空旷的外部环境中，让阻流体悬空，确保阻流体能够充分收集到环境中的风能；

S2.根据外部环境风速条件，调整阻流体的气动外形大小，使得阻流体在风致振动的作用下的摆动频率达到环境风速条件下的最优状态；

S3.用导线连接弹性梁上下表面的聚偏氟乙烯压电片；

S4.将导线接入外部用电电路，收集利用装置输出的电能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的风致涡激振动的能量收集装置，通过摆动片将风吹过阻流体时所产生的涡激力传递到弹性梁的中部并对弹性梁施加一个扭转力，迫使预变形为曲线形式的弹性梁发生变形，弹性梁产生的变形以及局部弹性梁的震动，可让附着在弹性梁上下表面的聚偏氟乙烯压电片吸收变性能转变成为电能输出，从而将环境中的风能转化为电能代替传统化学电池为无线网络传感器节点的工作提供电能，解决了传统化学电池对传感器节点使用寿命的制约；并且本装置结构简单，制作费用较低，能够在野外无人区或恶劣环境中工作，应用范围广，实用性强，同时无需频繁地对装置进行维护，节约了无线传感监测网络的运营维护成本。

(2)本发明将弹性梁预变形为正弦曲线的形式，通过将摆动片的一端与弹性梁的中部固定连接，摆动片会将阻流体所产生的风致振动的涡激力传递到弹性梁的中部并对弹性梁产生扭转作用，使预变形为正弦曲线形式的弹性梁会在不同稳态之间切换，稳态切换产生的大变形以及局部弹性梁的高频震动可大大提高聚偏氟乙烯压电片的发电效率。

(3)本发明中，将阻流体的气动外形设置为圆柱形，圆柱形的气动外形相比于其他形状的气动外形在受到风吹时产生的风致振动涡激力不会太强烈，阻流体的摆动幅度相对比较稳定，避免了阻流体因剧烈的摆动而对装置造成破坏，同时阻流体也能够达到相对理想的摆动频率。

(4)本发明在底座上轴承下方的位置处开设有一道切口，便于摆动片能够穿出底座连接阻流体，除此之外还可以通过调节切口的长度，可以起到限制摆动装置摆动幅度的作用，避免装置因阻流体摆动幅度过大造成设备损坏。

(5)作为本发明的一种改进，在弹性梁与摆动片之间设置有用于固定摆动片空间位置的轴承，通过在轴承的一侧安装支承座，并将轴承活动套接在支承座上的固定轴，限制着轴承只能绕着固定轴转动，从而限制摆动片只能够沿着轴承的圆周摆动而不能发生向其他方向的位移，避免了因涡激振动的作用使摆动片向其他方向发生位移而对弹性梁造成破坏。

(6)本发明的风致涡激振动的能量收集方法，具有可再生不消耗燃料、机电转化效率高、安全无污染等特点，利用环境中的风能去发电不仅对环境友好，符合当今时代对清洁能源的追求，应用前景广阔，应用范围广，并且能够作为一种新的能量供给方式在一定程度上突破了传统电池带来的网络寿命瓶颈，为未来WSN技术发展提供了一个发展的方向。

附图说明

图1为本发明实施例的风致涡激振动的能量收集装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的风致涡激振动的能量收集装置的工作原理示意图；

图3为本发明实施例的预变形为正弦曲线形式的弹性梁的立体结构示意图；

图4为本发明实施例的压电片与弹性梁上下表面的粘贴关系示意图。

图中：1-底座，2-弹性梁，3-阻流体，4-摆动片，5-支撑柱，6-支承块，7-轴承，8-固定轴，9-聚偏氟乙烯压电片。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，详细说明本发明的技术方案，以便本领域普通技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案。

本发明提供了如图1-3所示的一种风致涡激振动的能量收集装置，包括底座1、弹性梁2和促使弹性梁2发生变形的摆动装置；

弹性梁2由预变形为曲线形式的301不锈钢材料制成，厚度为0.2mm，弹性梁2的上下表面均粘贴有聚偏氟乙烯压电片9；

在底座1上表面左右两侧固定设置有支撑柱5，支撑柱5为由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成的方形柱，长度为20mm，宽度为20mm，高度为50mm，在两侧支撑柱5相对的一侧的侧面上部切割有厚度为0.3mm的缝隙，弹性梁2的两端分别嵌入两侧支撑柱5的缝隙中并通过在缝隙中填入粘接剂使弹性梁2与两侧支撑柱5之间实现刚性连接；

本发明中的摆动装置包括阻流体3和摆动片4，摆动片4的一端与弹性梁2的下表面中部固定连接，在本实施例中，在弹性梁2与摆动片4之间还设置有一个用于固定摆动片4空间位置的轴承7，轴承7的一侧固定粘接在弹性梁2的下表面中部，轴承7上与弹性梁2相对的另一侧与摆动片4的一端固定连接，在轴承的一侧设置有一块三角形的支承块6，该支承块6固定设置在底座1上，在支承块6相对于轴承7的一侧面上与轴承7对应的位置处垂直设置有固定轴8，轴承7转动套接在固定轴8上，限制着轴承7只能绕着固定轴8转动，从而限制与轴承7固定连接的摆动片4只能够沿着轴承7的圆周摆动而不能发生向其他方向的位移，避免了因涡激振动的作用使摆动片4向其他方向发生位移而对弹性梁2造成破坏；同时设置轴承7还能够让摆动片4的摆动更好地转化为对弹性梁2的扭转力；

在底座1上弹性梁2中部下方的位置处开设有一道切口，切口的宽度与摆动片4的宽度相匹配，摆动片4通过该切口穿出底座1，摆动片4穿出底座1的一端与阻流体3固定连接；通过调节切口的长度，可以起到限制摆动片4摆动幅度的作用，避免装置因阻流体3摆动幅度过大造成设备损坏。

本实施例将弹性梁2预变形为正弦曲线形式，该形式为经过多次试验后得出的能够使聚偏氟乙烯压电片9的发电效率达到最佳的形式之一；由于摆动片4的一端与弹性梁2的中部固定连接，当摆动片4在涡激振动的作用下发生往复摆动时，摆动片4会对弹性梁2的中部施加一个扭转力，预变形为正弦曲线形式的弹性梁2能够在双稳态之间切换，稳态切换产生的大变形以及局部弹性梁2的高频震动可提高聚偏氟乙烯压电片9的发电效率。

本实施例中，将阻流体3的气动外形设置为圆柱形；圆柱形的气动外形同样为经过多次试验后得出的较合适本发明装置的气动外形，圆柱形的气动外形相比于其他形状的气动外形在受到风吹时所产生的风致振动涡激力不会太强烈，阻流体3的摆动幅度相对比较稳定，避免了阻流体3因剧烈的摆动而对装置造成破坏，同时阻流体3也能够达到相对理想的摆动频率；

在实际的安装当中还需根据安装地点环境的风速条件来调整阻流体3气动外形，使流体流经阻流体3之后产生的涡激力的交替作用频率与外部环境激振频率一致或接近，从而最大程度的吸收外部环境中的风能。

本发明构成装置主体结构的部件，如底座1、支撑柱5、摆动片4、弹性梁2和支承块6均采用聚甲基丙烯酸甲酯或者不锈钢材料制作，能够避免电磁干扰对装置造成的影响。

本发明风致涡激振动的能量收集装置把外部环境的风能转化为电能的工作原理是：风吹过圆柱形的阻流体3时所产生的涡激力交替作用，使得与阻流体3连接的摆动片4发生往复的摆动，往复摆动的摆动片4带动着轴承7往复转动，从而将风致振动的涡激力传递到弹性梁2的中部并对弹性梁2产生扭转作用，迫使预变形为正弦曲线形式的弹性梁2在不同稳态之间切换，预变形弹性梁2突破势能壁垒发生突弹跳变显现时伴随大变形以及局部弹性梁2的高频震动，可使附着在弹性梁2上下表面的聚偏氟乙烯压电片9吸收变性能转变成为电能输出。

本发明还公开了一种风致涡激振动的能量收集装置的能量收集方法，包括以下步骤：

S1.把风致涡激振动的能量收集装置架空安装到空旷的外部环境中，让阻流体3悬空，确保阻流体3能够充分收集到环境中的风能；

S2.根据外部环境风速条件，调整阻流体3的气动外形大小，使得阻流体3在风致振动的作用下的摆动频率达到环境风速条件下的最优状态；

S3.用导线连接弹性梁2上下表面的聚偏氟乙烯压电片9；

S4.将导线接入外部用电电路，收集利用装置输出的电能。

本发明的风致涡激振动的能量收集装置，通过阻流体3的风致振动现象吸收环境中的风能转化为电能，代替了传统化学电池为无线网络传感器节点的工作提供所需的电能；

一方面，本发明的装置能够通过持续吸收外部环境的风能转化为电能，持续不断地为节点提供电能，解决了节点的使用寿命与容量有限的电池之间的矛盾，让节点的使用寿命不再受到制约，大大地延长了节点的使用寿命；在能够创造更多利益的同时还具有可再生不消耗燃料、安全无污染、机电转换效率高等特点，顺应了当今社会追求使用绿色清洁能源的潮流；

另一方面，本发明的装置制作费用相对较低，操作简单，能够在野外无人区或恶劣环境中工作，且安装好后只需定期对装置进行例行维护，在一定程度上解决了传统化学电池需要频繁更换而为网络的维护带来巨大工作量的问题，尤其是对于一些部署在艰苦恶劣环境中的监测网络来说，大大减少了因每次维护所需耗费的巨大人力和财力，同时还解决了一些节点所处环境位置偏远或难以进行二次维护等原因导致根本无法进行电池的更换或充电操作的问题。

综上所述两方面来看，本发明的风致涡激振动的能量收集方法的应用范围广泛，实用性强，并且能够作为一种新的能量供给方式在一定程度上突破了传统电池带来的网络寿命瓶颈，为未来WSN技术发展提供了一个发展的方向。

上述实施例仅是本发明较优实施例，但并不能作为对发明的限制，任何基于本发明构思基础上作出的变型和改进，均应落入到本发明保护范围之内，具体保护范围以权利要求书记载为准。