[发明专利]基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置及方法，具体涉及一种基于空气动力学颤振效应的能量采集装置及方法，将低速的气流高效率地转换为电能，用于城市建筑物之间或室内通风管道的无线传感器节点供电。

背景技术

颤振是在一定风速下发生的一种动力失稳现象，其主要原因是由于气流与结构体之间的相互作用而产生的自激力所引起，自激力的存在使得系统的阻尼和刚度性质发生变化，从而在一定风速下产生总的负阻尼，导致结构体的振动能量不断增加，当达到临界风速且在结构体能够承受的风速内，结构体会产生具有固定频率及振幅的振动。

目前关于颤振的研究主要集中在桥梁风工程以及航天工程的机翼设计中，研究方向主要为探寻颤振的发生条件以降低颤振事故的发生，尚没有专门的系统性研究来讨论如何增强和利用颤振效应从气流中获取能量，尤其是颤振效应中来源于运动结构体和气流耦合作用的正反馈自激力，形成原因较复杂和受影响因素较多，现有的颤振能量采集方法大部分都是通过利用气流驱动翼状结构，进而压迫压电梁，通过正压电方法获取能量，该类方法机械结构较复杂，由于自重较大，对气流流速有一定要求，另外考虑到压电材料在低频振动下能量转换效率很低，因此并不适合于低速气流能量采集。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置及方法，其具体技术方案如下：

基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置，包括柔性弹性压电薄膜带，所述柔性弹性压电薄膜带绷紧固定在两个底座之间，两个所述底座通过若干个支杆支撑固定连接。

所述柔性弹性压电薄膜带的两侧均设置有导流板，所述导流板与柔性弹性压电薄膜带倾斜。

所述柔性弹性压电薄膜带的一端设置有定圈动铁电磁共振单元，所述定圈动铁电磁共振单元能够与柔性弹性压电薄膜带共振。

所述定圈动铁电磁共振单元包括电磁共振单元基座，所述电磁共振单元基座顶端设置有带通孔活动部件，所述带通孔活动部件套接在电磁共振单元基座内，且带通孔活动部件与电磁共振单元基座底部之间设置有弹簧，所述带通孔活动部件内设置有磁铁，所述磁铁抵触着弹簧，所述电磁共振单元基座的外周圆周缠绕有两组线圈。

所述柔性弹性压电薄膜带的外面设置有保护罩，所述带通孔活动部件与柔性弹性压电薄膜带固定，所述电磁共振单元基座与保护罩内壁抵触固定。

所述柔性弹性压电薄膜带的两端均通过锁定机构与底座连接，所述锁定机构包括两片“L”形的连接板，两片“L”形的连接板分别位于柔性弹性压电薄膜带的两侧，并将柔性弹性压电薄膜带夹紧固定，两片“L”形的连接板与底座连接。

所述连接板包括“L”形垂直的两片滑片，两片滑片均开设有腰形孔，其中一片滑片与固定座贴合，另一片滑片与柔性弹性压电薄膜带贴合，腰形孔中均贯穿有连接件，该连接件连接滑片与对应固定座或柔性弹性压电薄膜带。

基于柔性颤振效应的低速气流能量采集方法，包括以下操作步骤：

(1)组装基于柔性颤振效应的低速气流能量采集装置；

(2)柔性弹性压电薄膜带在经受切向风时产生频率固定的类正弦振动，通过理论计算得到横向风受力与柔性弹性压电薄膜带的尺寸以及横截面形状之间的关系，考虑到横向风受力与柔性弹性压电薄膜带的横截面形状密切相关，当结构体发生颤振时，同时受到垂直方向的提升力和转动力矩的作用，由于一般扭转角度都较小，在最简单的情况下，在横截面上颤振运动考虑成两个自由度的运动，即垂直方向的上下振动和一定角度的周期扭转，利用其中幅度较大的垂直上下振动来驱动定圈动铁电磁共振单元的微型电磁感应共振发电机或者柔性弹性压电薄膜带；

(3)振动中的柔性弹性压电薄膜带的稳定性将取决于各项气动系数的正负和数值，在横截面上颤振运动可以考虑成两个自由度的运动，当引入垂直方向的临界阻尼率ξ_h和偏转方向的临界阻尼率ξ_α，以及两个方向的固有频率ω_h和ω_α，大跨度柔性结构的颤振方程写成：

(4)在实际工程应用中，由于结构体横截面形状的复杂性，无法通过统一的方法来定性描述自激力L和M，引入气动导数H_i和A_i来描述弹性体的结构特征和风速之间的关系，在引入气动导数之后，颤振运动表述为如下形式：

为了定量计算颤振运动的参数，联合公式(1)和公式(2)可得公式(3)：