基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置制造方法及图纸

一种基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，包括压电梁、密封盖和振动体；压电梁为双面压电片，其上设置有密封盖，密封盖将压电梁分为压电梁气体交界侧和压电梁液体交界侧，压电梁气体交界侧的外端设置有电极，压电梁液体交界侧的外端连接振动体。通过涡流冲击振动体产生的涡激效应，引导压电片进行振动；压电片在振动过程中，为抵抗变化会在材料相对的表面上产生等量的正负电荷，从而产生交变电压，该电压可通过能量收集耦合电路进行收集利用。该装置结构简单，适应性强，操作方便，安全可靠，且便于维修，发电过程具有高效性，过程绿色、无污染，可应用于微型元器件的续航保障，具有自启动和免维护的优点，可实现流程化自动化进程。

【技术实现步骤摘要】
基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置
本专利技术涉及一种利用涡激效应进行流体振动能收集发电的装置，属于流体振动能发电以及能量采集

技术介绍
从21世纪初开始，与技术进步密切相关的世界能源消耗(WEC)的增长突出了利用可再生能源的必要性，现阶段应用最为广泛且成熟的环境能量收集技术为太阳能与风能收集技术，但设备对环境的要求比较严格，需要足量的光能与风能才能发挥效果。相比之下，机械振动能量广泛存在于生活各处，此部分能量没有得到有效地利用。涡激现象指一定条件下的稳定来流绕过规则物体时，物体两侧会周期性地产生脱离其表面的涡旋，也就是所谓的边界层脱离，这种流体与物体相互作用的现象被称作“涡激振动”。本质上为钝体绕流问题。流体冲击钝体，受到压缩速度变快，与之前的流场形成剪切层；剪切层不稳定，当惯性力远大于粘性力时,剪切层破坏，形成更加湍急的漩涡。如流速够快，当漩涡脱离固体时，由于漩涡是非对称的，会产生侧向力，而这个侧向力与漩涡频率有关；即当固体频率和漩涡频率接近时，发生共振。正压电效应是指由于形变而产生电极化的现象。当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。中国专利文献CN110311590A公开的《一种基于涡激振动原理的可控压电发电装置》，其涡激振动俘获系统包括固定桁架、圆柱钝体和可移动桁架，固定桁架的安装槽内设有竖向弹簧，利用弹簧进行频率的整合，利用附带的支撑薄片对压电陶瓷进行振动。该专利技术结构较复杂，效率较低。CN108869161A公开的《定水流方向的管道水力发电模块和系统及发电方法》中，随摆管由于水流流经障碍物，在障碍物后形成涡流通过涡的扰动导致其随着下部的半柔性支撑件发生左右摆动，从而进行发电。该专利技术结构简单，但单次涡流效应产生的冲击流频率因素并不稳定，对水流工况要求较高。上述发电装置均不是用于微型元器件巡航。目前亟需一种能够充分利用流体致振能，解决当前微型元器件巡航问题的装置。
技术实现思路
针对现有新能源市场中流体振动能发电技术存在的问题，本专利技术目的在于提供一种高效的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，为机械振动能的收集提供帮助，其优点在于装置结构简单，实用性强，可应用于多种微型元器件续航保障。本专利技术基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置的技术方案如下所述。该装置，包括压电梁、密封盖和振动体；压电梁上设置有密封盖，密封盖将压电梁分为压电梁气体交界侧和压电梁液体交界侧，压电梁气体交界侧的外端设置有电极，压电梁液体交界侧的外端连接振动体。所述压电梁为双面压电片，采用M2814-P2压电陶瓷片，其尺寸根据压电梁尺寸进行配置。所述密封盖起边界作用，进行气液界面分离；所述振动体用于激发涡流激振效应，引导压电片进行振动，通过压电正效应，产生交变电压。所述压电梁，长度为80～100mm，宽度为15～20mm，厚度为0.2～0.4mm。所述压电梁液体交界侧上包裹碳纤维层，对陶瓷压电片起强化作用，增加其强度，并防止流体腐蚀效应。所述碳纤维层厚度为0.1～0.2mm，该厚度要求保证了抗腐蚀性能的同时可最大程度的减弱自身层厚对压电片振动产生的影响。所述密封盖上设置有桁架，其上布置有固定孔。所述密封盖上设置宽0.01～0.03mm的柔性槽，防止压电片与边界过度接触，产生断裂。所述电极为4～6个，在压电梁气体交界侧的外端面呈对称分布，以有利于交变电流的导出。所述电极直径为0.1～0.15mm，长度为0.5～0.8mm。所述振动体呈圆柱型，直径为18～25mm，其上开有用于装夹在压电梁上的槽口。上述装置适用于多种场合的微型装置续航，各参数可根据实际需要进行比例调整。本专利技术采用压电发电技术，以密封盖作为边界，将包含振动体一段安装于流体流动区域中，另一段安装于无流体区域中，防止导电区域遭受流体腐蚀；通过流体冲击振动体产生的涡激效应，引导压电片进行振动；压电片在振动过程中，为抵抗变化会在材料相对的表面上产生等量的正负电荷，从而产生交变电压。所产生的交变电压由电极进行导出，输入到能量收集耦合电路中，对交变电流进行整流储存，最后导入到负载中去。通过该过程，对流体产生的振动能进行收集，可为微型元器件进行供能。具有绿色环保，简便实用的特点。根据专利技术所述装置，设计出的能量收集耦合电路，与所述电极连接，该电路包括依次连接的整流桥、滤波器和稳压器，该电路具有高效，简单的特点，与所述装置高度契合。所述整流桥、滤波器和稳压器采用现有通用技术。本专利技术所述装置以线性模式工作，流体涡激效应可诱发频率为f＝Stv/d的正弦力(St是斯特鲁哈尔数，v是水的速度，d是圆柱体直径)，经由实验测试，在0.5m/s的水速下，得到20mm的振幅与6.4Hz的频率，经过能量收集电路整流储存，可得到输出电压6V，可见该装置对流体振动能的收集具有高度的敏感性和可行性。本专利技术提出基于涡激效应进行流体振动能收集的一体化耦合压电发电装置，并设计能量收集电路，对流体振动能进行收集。整个过程绿色、无污染，可应用于微型元器件的续航保障，具有较大应用前景，为新能源市场弥补空缺。本专利技术具有以下特点：1.本专利技术所述装置结构简单，可放大性强，可根据实际需求改变尺寸，只需要进行调整即可满足不同工况下，不同实用条件下的需求。2.本专利技术所述装置耦合发电装置与能量收集电路，具有自启动和免维护的优点，可实现流程化自动化进程，具有高效性。3.本专利技术所述装置设置有圆柱型振动体，使得振动产生不受限于流向与流量的限制。4.本专利技术所述装置设置有碳纤维保护层，可适用于废水或雨水等不同流体介质中，适用范围较广，不受流体性质限制。5.本专利技术所述装置交界面设置有柔性槽，将压电片与边界设置间隙，防止压电片层与边界过度接触导致削弱振动效果或产生断裂。6.本专利技术所述设备不局限于在水流体应用，对于其他类型的流体也预计拥有良好的效果。7.本专利技术所述设备结构简单，适应性强，操作方便，安全可靠，且便于维修。附图说明图1是本专利技术装置的结构示意图图2是本专利技术中压电片层分布示意图图3是本专利技术能量收集电路示意图图中：1.铜电极，2.压电梁气体交界侧，3.密封盖，4.桁架，5.压电梁液体交界侧，6.振动体，7.双面压电片，8.碳纤维层。具体实施方式本专利技术所述基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，如图1所示，该装置包括铜电极1、压电梁、密封盖3、桁架4和振动体6。压电梁即双面压电片7(参见图2)。压电梁为一扁平长方体，其长度为80～100mm，宽度为15～20mm，厚度为0.2～0.4mm；该双面压电片7采用M2814-P2压电陶瓷片，具有较好的正压电性能。压电梁上设置密封盖3，压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，包括压电梁、密封盖和振动体；压电梁上设置有密封盖，密封盖将压电梁分为压电梁气体交界侧和压电梁液体交界侧，压电梁气体交界侧的外端设置有电极，压电梁液体交界侧的外端连接振动体；所述压电梁为双面压电片。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，包括压电梁、密封盖和振动体；压电梁上设置有密封盖，密封盖将压电梁分为压电梁气体交界侧和压电梁液体交界侧，压电梁气体交界侧的外端设置有电极，压电梁液体交界侧的外端连接振动体；所述压电梁为双面压电片。


2.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述压电梁的长度为80～100mm，宽度为15～20mm，厚度为0.2～0.4mm。


3.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述压电梁液体交界面侧上包裹碳纤维层。


4.根据权利要求4所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述碳纤维层厚度为0.1～0.2mm。


5.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙逊，杨泽，陈颂英，玄晓旭，李俊睿，林劲松，张露月，韩璐，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37