用于構(gòu)建風(fēng)能采集器的振動結(jié)構(gòu)及風(fēng)能采集器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能量采集裝置，尤其涉及一種用于構(gòu)建風(fēng)能采集器的振動結(jié)構(gòu)及風(fēng)能采集器。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感技術(shù)和微型集成電子電路的不斷發(fā)展，使得構(gòu)建具有成千上萬個節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)成為可能；傳統(tǒng)電池由于存在尺寸大、壽命有限、污染環(huán)境等缺點(diǎn)，其在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用受到了限制；將環(huán)境能(如振動能、太陽能、風(fēng)能等)轉(zhuǎn)換為電能的能量采集器由于具備無化學(xué)原料、使用壽命長、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，是解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)供能問題的有效途徑。
[0003]風(fēng)能是一種自然界中廣泛存在的清潔能源，現(xiàn)有技術(shù)中，一般通過風(fēng)能采集器來對風(fēng)能進(jìn)行采集并將其轉(zhuǎn)換為電能；常見的風(fēng)能采集器利用的風(fēng)致振動機(jī)理主要有渦致振動、顫振和馳振，如中國發(fā)明專利CN103075313A、CN103762894A和CN103762896A公開的渦致振動風(fēng)能采集器，它們主要適用于低風(fēng)速條件下的風(fēng)能采集，中國發(fā)明專利CN103715857A公開了一種顫振和電磁感應(yīng)效應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電裝置，需要根據(jù)風(fēng)場風(fēng)速條件設(shè)計顫振翼參數(shù)并調(diào)整配重；中國發(fā)明專利CN103762896A公開了一種利用風(fēng)致阻流體馳振的原理和壓電效應(yīng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，適用風(fēng)速范圍為l-6m/s ;以上發(fā)明專利中的采集裝置響應(yīng)的風(fēng)速范圍都較窄；另外，現(xiàn)有報道的風(fēng)能采集裝置大多只能收集單一方向的風(fēng)能，這就大大限制了它們在風(fēng)速或風(fēng)向隨時間變化的環(huán)境中的采能效率。為實(shí)現(xiàn)多方向，寬風(fēng)速范圍的風(fēng)能采集，中國發(fā)明專利CN102900621A公開了一種壓電電磁并列風(fēng)力發(fā)電裝置，該裝置使用風(fēng)向儀監(jiān)測風(fēng)向，并自動調(diào)整裝置方向，使風(fēng)能采集器對準(zhǔn)風(fēng)向；使用脈動開關(guān)監(jiān)測風(fēng)速，并根據(jù)風(fēng)速大小控制通風(fēng)量。此發(fā)明可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)多方向、寬風(fēng)速范圍的風(fēng)能采集，但是需要采用旋轉(zhuǎn)架、連桿等一些傳動機(jī)械裝置，并且需要消耗電能來控制這些機(jī)械裝置，大大降低了其采集風(fēng)能的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對【背景技術(shù)】中的問題，本發(fā)明提出了一種用于構(gòu)建風(fēng)能采集器的振動結(jié)構(gòu)，其創(chuàng)新在于:所述振動結(jié)構(gòu)由振動部和固定部組成；所述振動部由帶狀彈性材料塑形而成，所述帶狀彈性材料彎曲成U形，U形的開口部朝下，U形開口處兩側(cè)的帶狀彈性材料端部與固定部固定連接。
[0005]本發(fā)明的原理是:前述的振動結(jié)構(gòu)采用帶狀彈性材料制作，其具備厚度薄、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，帶狀彈性材料彎曲成U形后，與固定部連接在一起圍成一封閉區(qū)域，利用彈性材料自身的彈性模量使振動結(jié)構(gòu)預(yù)先儲存了一定的應(yīng)力，當(dāng)氣體吹拂在振動結(jié)構(gòu)上時，由于U形結(jié)構(gòu)的擾流作用，振動結(jié)構(gòu)可以在任意方向上的風(fēng)力激勵下產(chǎn)生流致振動，并且振動結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)速條件下，會表現(xiàn)出不同的振型，將這種振動結(jié)構(gòu)制作成風(fēng)能采集器后，可以大大擴(kuò)展風(fēng)能采集器對風(fēng)向和風(fēng)速的適應(yīng)范圍，提高風(fēng)能采集器的能量采集效率，改善風(fēng)能采集器性能。另外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，不需要設(shè)置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的擾流裝置。
[0006]優(yōu)選地，所述振動部上U形開口處的間隙寬度小于U形中部的間隙寬度。采用此優(yōu)選方案后，可以使振動部的重心遠(yuǎn)離固定部，當(dāng)氣體吹拂到振動部上時，振動部可以以更加靈活、自由的方式振動，同時，此改進(jìn)還能有效控制振動部的頂部向內(nèi)凹陷的程度，避免振動部因頂部向內(nèi)凹陷過大而無法回復(fù)形變；另外，振動部上U形開口處的結(jié)構(gòu)體彎曲弧度較小，可以有效避免振動部倒伏。
[0007]優(yōu)選地，所述固定部為U形結(jié)構(gòu)體，固定部的外側(cè)面與振動部的外側(cè)面平滑過渡，固定部內(nèi)部的U形腔與振動部的U形開口向?qū)?，固定部的?nèi)側(cè)面與振動部的內(nèi)側(cè)面平滑過渡；固定部內(nèi)部的U形腔底部設(shè)置有固定孔。所述固定孔用于穿套螺栓，固定部通過螺栓固定在其他支承結(jié)構(gòu)上；采用此改進(jìn)后，固定部內(nèi)部的U形腔與振動部上的U形腔形成整體，可以有效增加進(jìn)入振動部內(nèi)側(cè)面的風(fēng)量；另外，固定部采用螺栓固定的方式，也使得固定部可以在一定程度上發(fā)生振動，增強(qiáng)振動結(jié)構(gòu)的振動效果。
[0008]在前述方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提出了一種風(fēng)能采集器，其特征在于:所述風(fēng)能采集器由振動部、固定部和電輸出部組成；所述振動部由帶狀彈性材料塑形而成，所述帶狀彈性材料彎曲成U形，U形的開口部朝下，U形開口處兩側(cè)的帶狀彈性材料端部與固定部固定連接；所述電輸出部從如下四種并列方案中擇一采用:
方案一:所述電輸出部由連接板、感應(yīng)線圈和永磁鐵組成；所述連接板設(shè)置于振動部的內(nèi)腔中，連接板兩端分別與水平方向上振動部兩側(cè)的內(nèi)壁連接；所述感應(yīng)線圈設(shè)置于連接板的下側(cè)面上；所述永磁鐵設(shè)置于固定部上，應(yīng)線圈位于永磁鐵的磁場作用范圍內(nèi)；方案二:所述電輸出部由兩塊條形電極組成；第一條形電極設(shè)置于振動部的內(nèi)腔中，第一條形電極兩端分別與水平方向上振動部的內(nèi)壁連接；第二條形電極設(shè)置于固定部上，第二條形電極位于振動部上U形開口處的間隙內(nèi)；兩個條形電極的極性面相對；
方案三:所述電輸出部由固定板、永磁體和層狀復(fù)合磁電換能器組成；所述固定板設(shè)置于振動部的內(nèi)腔中，固定板兩端分別與水平方向上振動部的內(nèi)壁連接；層狀復(fù)合磁電換能器設(shè)置于固定部上，層狀復(fù)合磁電換能器位于振動部上U形開口處的間隙內(nèi)；
方案四:所述電輸出部由多片壓電材料片組成；或者多片壓電材料片粘貼在振動部的外周面上，或者多片壓電材料片粘貼在振動部的內(nèi)周面上，或者在振動部的外周面和內(nèi)周面上同時粘貼多片壓電材料片。
[0009]前述風(fēng)能采集器方案中，振動部和固定部的功能如前所述，四種電輸出部的原理分別如下:1)方案一中采用連接板、感應(yīng)線圈和永磁鐵來構(gòu)成電輸出部，當(dāng)振動部在風(fēng)力作用下振動時，感應(yīng)線圈也隨之發(fā)生振動，感應(yīng)線圈振動過程中，就會往復(fù)切割永磁鐵的磁力線，從而在感應(yīng)線圈上形成交流輸出；2)方案二中的兩塊條形電極在振動部的傳動作用下，就會發(fā)生相對運(yùn)動，形成電輸出；3)方案三中，永磁體會隨著振動部發(fā)生振動，這就等效為層狀復(fù)合磁電換能器在磁場中運(yùn)動，當(dāng)層狀復(fù)合磁電換能器感應(yīng)到磁場變化后就能形成電輸出。
[0010]優(yōu)選地，所述振動部上U形開口處的間隙寬度小于U形中部的間隙寬度。
[0011]優(yōu)選地，所述固定部為U形結(jié)構(gòu)體，固定部的外側(cè)面與振動部的外側(cè)面平滑過渡，固定部內(nèi)部的U形腔與振動部的U形開口向?qū)?；固定部?nèi)部的U形腔底部設(shè)置有固定孔；
采用方案一時，所述固定部上的U形腔開口處設(shè)置有支撐板，支撐板兩端分別與水平方向上固定部兩側(cè)的內(nèi)壁連接，所述永磁鐵設(shè)置于支撐板上；
采用方案二時，所述第二條形電極設(shè)置于固定部上的U形腔開口處，第二條形電極兩端分別與水平方向上固定部兩側(cè)的內(nèi)壁連接；
采用方案三時，所述固定部上的U形腔開口處設(shè)置有支板，支板兩端分別與水平方向上固定部兩側(cè)的內(nèi)壁連接，所述層狀復(fù)合磁電換能器的下端與支板連接。
[0012]優(yōu)選地，采用方案一時，所述連接板采用絕緣材料制作，所述支撐板采用不導(dǎo)磁材料制作。
[0013]優(yōu)選地，采用方案三時，所述層狀復(fù)合磁電換能器和支板之間設(shè)置有永磁體二，永磁體二下端與支板上側(cè)面連接，永磁體二上端與層狀復(fù)合磁電換能器下端連接；永磁體二和永磁體的相對面極性相反；設(shè)置了永磁體二后，可以進(jìn)一步提高磁場變化率。
[0014]優(yōu)選地，所述固定板和支板均采用不導(dǎo)磁材料制作。
[0015]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:提供了一種新的振動結(jié)構(gòu)及風(fēng)能采集器，得益于振動結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)能采集器對風(fēng)向和風(fēng)速的適應(yīng)范圍得到了擴(kuò)展，能量采集效率得到了
【附圖說明】
[0016]圖1、本發(fā)明的振動結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2、電輸出部米用方案一時的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖3、電輸出部采用方案二時的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4、電輸出部采用方案三時的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5、電輸出部采用方案四時的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6、本發(fā)明的原理示意圖一；
圖7、本發(fā)明的原理示意圖二 ；
圖中各個標(biāo)記所對應(yīng)的名稱分別為:振動部1、固定部2、連接板3、感應(yīng)線圈4、永磁鐵5、條形電極6、固定板7、永磁體8、層狀復(fù)合磁電換能器9、支撐板10、支板11、永磁體二 12、壓電材料片13。
【具體實(shí)施方式】
[0017]一種用于構(gòu)建風(fēng)能采集器的振動結(jié)構(gòu)，其創(chuàng)新在于:所述振動結(jié)構(gòu)由振動部I和固定部2組成；所述振動部I由帶狀彈性材料塑形而成，所述帶狀彈性材料彎曲成U形，U形的開口部朝下，U形開口處兩側(cè)的帶狀彈性材料端部與固定部2固定連接。
[0018]進(jìn)一步地，所述振動部I上U形開口處的間隙寬度小于U形中部的間隙寬度。
[0019]進(jìn)一步地，所述固定部2為U形結(jié)構(gòu)體，固定部2的外側(cè)面與振動部I的外側(cè)面平滑過渡，固定部2內(nèi)部的U形腔與振動部I的U形開口向?qū)?，固定?的內(nèi)側(cè)面與振動部I的內(nèi)側(cè)面平滑過渡；固定部2內(nèi)部的U形腔底部設(shè)置有固定孔。
[0020]一種風(fēng)能采集器，其創(chuàng)新在于:所述風(fēng)能采集器由振動部1、固定部2和電輸出部組成；所述振動部I由帶狀彈性材料塑形