[发明专利]一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器

权利要求书

1.一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器，其特征在于：本装置由移动部分，扭转部分，翼面凹坑压电振子发电部分三部分构成：移动部分包含基座（1）、L型卡板（2）、U型挡板（3）、伸缩弹簧（4）、直线滑动导轨（7）、轴承座（12）、轴承盖（13）以及滑块（14）；扭转部分包含条形挡板（5）、90°扭簧（6）、转动轴（8）、滚动轴承（11）；翼面凹坑压电振子发电部分包括：机翼（10）、柔性凹坑支撑层（901）、柔性凹坑压电层（902）以及质量块（903）；本申请旨在提出一种收集环境风能的压电俘能器，该压电俘能器在一定速度的自然风激励下，依据伯努利原理在机翼上下表面产生压强差，使得翼型壁面获得升力，由于翼型壁面与滑块（14）通过机械结构连接，会带动滑块（14）沿直线滑动导轨（7）上下移动，翼型壁面通过机械结构与伸缩弹簧（4）和U型挡板（3）连接，在弹力作用下翼型壁面产生一定幅度的上下振动；同时，翼型壁面在自然风的激励下会产生一定的旋转运动，由于90°扭簧（6）的作用，与上下往复振动复合模拟翼型壁面在气动力作用下发生俯仰运动；翼型壁面上表面加工有一定规则排列的凹坑，凹坑局部由柔性凹坑支撑层（901）、柔性凹坑压电层（902）和质量块（903）组成凹坑压电振子发电部分，利用翼型壁面的气动力和惯性力复合作用产生局域气动弹性振动，激励柔性凹坑压电层（902）产生变形；

本装置发电方法，包括如下步骤：具有一定速度的风流，吹向具有一定迎风角的机翼（10）时，由于风绕流翼型结构时气动弹性力的作用会使得机翼（10）产生上下的直线移动；由于整个机翼（10）受到风产生的升力作用，使得机翼（10）可以向上移动，轴承座（12）也会随着机翼（10）向上移动；伸缩弹簧（4）的两端固定连接着U型挡板（3）和轴承座（12），在机翼（10）上升的过程中会压缩，机翼（10）所受弹力越来越大，达到一定程度后机翼（10）开始向下移动，此时翼型上下壁面所受的力也会随着机翼（10）的俯仰运动发生改变，从而实现机翼（10）持续振动；所述机翼（10）相对于水平方向拥有一个仰角，来风绕流机翼（10）上下壁面时会产生压差力，使得机翼（10）在滚动轴承（11）和转动轴（8）的作用下产生俯仰运动，并在90°扭簧（6）弹性回复力的影响下，实现循环的俯仰运动；机翼（10）的振动特征是直线振动和俯仰运动的复合振动，同时，风流吹向具有一定迎风角的机翼（10）翼面时，机翼（10）会发生颤振；同时翼面凹坑振子（9）由于局域气动弹性力的作用发生局部振动，翼面凹坑凸面上粘连的质量块（903）会在惯性力的作用下，加大整个凹坑壁面的振动；柔性凹坑压电层（902）由于本身的特殊性，通过压电效应，会将振动能转化成电能，然后通过储能电路存储起来；凹坑凸面粘连的柔性压电层（902），在三重振动下实现将机翼（10）的振动能转化为电能；三重振动包括机翼（10）的颤振，翼面凹坑振子（9）的气动弹性振动以及凹坑凸面质量块（903）的惯性振动，使得柔性压电层（902）的振动响应较大，获得更高的电能和能量转化效率。

2.依据权利要求1所述的一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器，其特征在于直线滑动导轨（7）固定在基座（1）上，U型挡板（3）通过两对L型卡板（2）固定在基座（1）上，伸缩弹簧（4）的两端分别固定在U型挡板（3）下部和轴承座（12）上部。

3.依据权利要求1所述的一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器，其特征在于滑块（14）与轴承座（12）通过螺栓固定连接，将转动轴（8）一端置于轴承座（12）中的滚动轴承（11）内，装配采用过盈配合，90°扭簧（6）一端固定在滑块（14）上，另一端固定在转动轴（8）上。

4.依据权利要求1所述的一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器，其特征在于将转动轴（8）的另一端固定在翼型壁面上，翼型壁面上加工有可供选择的等距菱形/等距矩形/等差矩形排列的凹坑。

5.依据权利要求1所述的一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器，其特征在于翼型壁面阵列的凹坑压电振子采用并联连接。

6.依据权利要求1所述的一种翼面凹坑局域气动弹性振动压电俘能器，其特征在于由于自然界风激励翼型壁面产生的压力差有限，使得翼型壁面获得的升力受限，所述滑块（14）、轴承座（12）、机翼（10）、转动轴（8）、滚动轴承（11）、90°扭簧（6）均在直线滑动导轨（7）上运动，因此以上部件均采用轻质合金材料。