[实用新型]一种基于声子晶体结构的风机叶片振动能量收集装置

说明书

本发明公开了一种基于声子晶体结构的风机叶片振动能量收集装置，包括周期排列声子晶体圆孔结构、压电陶瓷、尼龙材料、转换电路、电能收集器和风机叶片；所述的风力发电机叶片表面内嵌声子晶体结构，声子晶体结构沿叶片延伸方向周期性布置；所述的声子晶体结构包括压电陶瓷声子晶体和尼龙声子晶体；所述的压电陶瓷间断性放置于周期性声子晶体结构，剩余声子晶体结构为尼龙；所述的压电陶瓷声子晶体使振动弹性波能量收集，并通过外界电路、转换电路将振动能转化为电能，通过电能收集器储能。利用声子晶体缺陷态特性强化振动能量聚集，实现风机叶片振动能量收集和转化。

技术领域

本实用新型属于风电叶片减振及能量收集技术领域，具体涉及一种基于声子晶体结构的风机叶片振动能量收集装置。

背景技术

风机叶片振动是运行中常见的现象，但长期在剧烈大变形振动过程中，叶片会产生裂纹从而导致疲劳断裂，因此控制风机叶片振动可为整机提供安全稳定运行。另一方面，风机叶片振动不可避免，若能利用叶片振动特性，将振动能量收集甚至放大转化成电能储存下来，不仅能实现能量循环利用，还能实现能源节约。

近年来声物理前沿领域发展的周期性声子晶体结构具有对特定频率带隙（阻断）调控特性，为解决工程振动噪声控制问题提供新思路和新方法。声子晶体是由两种或两种以上弹性介质按不同晶格周期排列的复合材料。在声子晶体中，密度和弹性常数不同的材料按结构周期性复合在一起，相互不连通的材料称为散射体，连通为一体的材料称为基体。声子晶体最重要的一个特性是具有独特的带隙属性，弹性波在声子晶体中传播时，受其内部周期结构的作用，形成特殊的色散关系即能带结构，色散关系曲线之间的频率范围称为带隙，可以使得落在带隙频率范围内的弹性波被禁止传播；当声子晶体结构存在缺陷时（从完整结构中移除一个或一排的散射体，分别可以实现点缺陷或线缺陷），弹性波会被局域在缺陷处周围，形成能量聚集特性。

压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应，可在声子晶体结构缺陷态位置设置压电陶瓷将强化机械振动转换为电压。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于声子晶体结构的风机叶片振动能量收集装置，不仅实现了压电声子晶体结构强化风电叶片振动能量的收集增强，而且对风机叶片振动能量收集和颤振抑制作用。

本实用新型采用的技术方案是：一种基于声子晶体结构的风机叶片振动能量收集装置包括，周期排列声子晶体、压电陶瓷、尼龙材料、转换电路、电能收集器和风机叶片；所述的周期性声子晶体结构Ⅰ区包括压电陶瓷和尼龙结构；所述的压电陶瓷内嵌于周期性声子晶体结构Ⅱ区，尼龙材料内嵌于周期性声子晶体结构Ⅲ区；所述的周期性声子晶体结构内嵌于风机叶片上下表面且对称布置，从叶根到叶尖位置总长度的30%-70%区域；所述的周期性声子晶体结构中移除一个或连续几个声子晶体结构构成缺陷态位置用于放置压电陶瓷；所述的电能收集器由整流器、滤波器、稳压器和储能元件组成，通过导线连接压电陶瓷上下表面，将振动能转化为电能。

上述的基于声子晶体结构的风机叶片振动能量收集装置中，所述的声子晶体结构沿风机叶片延伸方向周期性布置，周期排列声子晶体结构圆孔深度为4mm，直径为80mm。

上述的基于声子晶体结构的风机叶片振动能量收集装置中，所述的风机叶片长10m，于风机叶片长30%处，第一列孔的孔心位于风机叶片长第3m处，第一列第一行孔的孔心距离风机叶片边缘0.5m，同一列孔的孔心之间的距离为0.3m，不同列同一行孔心距为0.3m，第1~16列每一列8个孔，共有120个孔；第17-30列，每一列6个孔，共有90个孔；第31-56列，每一列5个孔，共有125个孔，第57-63列，每一列4个孔，共有24个孔；第64-70列，每一列4个孔，共有28个孔；第71-77列，每一列3个孔，共有21个孔。