一种基于压电旗帜结构的风能采集装置的制作方法

1.本发明涉及新能源发展技术，具体是一种基于压电旗帜结构的风能采集装置。


背景技术：

2.近年来，微电机系统、无线传感器得到广泛地使用，其电源多由化学电池供给，需要定期更换，维护成本高且会造成环境的永久性污染。如果我们能够获取环境能源是便携式和无线电子设备可持续绿色能源的有效方法，特别是那些预计在没有人工干预下长期运行的设备，那么上述问题将会得到解决。同时，快速增长的固态电子设备市场正指导着开发具有超低功耗的设备，以及可穿戴电子设备、生物传感器、物联网和远程传感器，对能源的需求也越来越高。
3.可再生能源包括压电、热电、太阳能、光伏、压电、热释电，在这些可再生能源中，风能是世界上发展最快的能源之一。在全球有意减少二氧化碳排放和开发更多可再生能源技术的当下，利用压电材料结合空气动力学不稳定性，包括空气弹性颤振、涡旋振动、湍流振动和尾流疾驰的作用，可最大限度地实现能源生产所需的连续振荡运动。在的高应力区域上采用柔性压电聚合物制造(例如pvdf)，聚合基压电材料具有灵活性、轻质、低成本、制造简单、可伸缩性和简单的特点。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明目提供一种基于压电旗帜结构的风能采集装置，通过将压电薄膜粘贴在基膜上，在风吹过基膜时引发压电薄膜的正压电效应，将风能转化为电能。
5.技术方案：一种基于压电旗帜结构的风能采集装置，包括基座、支撑杆、来流自对准装置、基膜和压电薄膜；所述压电薄膜粘贴在所述基膜的表面上形成压电旗帜，所述基膜的后缘与所述支撑杆的上端连接，所述支撑杆的下端可旋转的安装在所述基座上；所述来流自对准装置安装在所述支撑杆上，所述来流自对准装置带动支撑杆旋转使所述压电旗帜的前缘始终保持在迎风方向；所述基膜在风的作用下发生自持续振荡将风能转化为机械能，带动所述压电薄膜振荡将机械能转化为电能。
6.进一步的，所述压电薄膜包括若干条状压电薄膜，若干所述条状压电薄膜均匀在所述基膜的表面上且相互平行设置，所述条状压电薄膜与水平面平行；所述条状压电薄膜的前端粘贴在所述基膜的前端，所述条状压电薄膜的后端粘贴在所述基膜的后端。
7.进一步的，所述条状压电薄膜的电极位于所述条状压电薄膜的后端，所述条状压电薄膜的电极上覆盖有聚酰亚胺胶带。
8.进一步的，所述基膜与水平面垂直，所述基膜为长方形。
9.进一步的，根据所述风能采集装置安装地点的年平均风速，调整所述基膜的弯曲刚度，使所述基膜产生大幅度的自振荡，进而使所述压电薄膜产生正压电效应。
10.进一步的，所述基膜的弯曲刚度的选择范围为0.1
‑
0.3。
11.进一步的，在所述基膜的弯曲刚度不变的情况下，通过调整所述基膜的质量比，在
期望的风速范围内诱导自持续振荡。
12.进一步的，调整所述基膜的纵横比提高所述风能采集装置的发电量。
13.有益效果：
14.1)本发明的压电旗帜与传统的旗帜方向相反，是一面“倒旗”，基膜的后缘固定而前缘可以自由移动，基膜在风的作用下会发生自持续振荡，将风能转化为机械能，并带动贴在基膜表面的压电薄膜振荡，将机械能转化为电能。
15.2)本发明以压电旗帜以振荡的方式发电，压电旗帜的前缘要求流入的风向几乎与压电旗帜对齐，以诱导振荡，压电旗帜的对准方向在来流自对准装置的作用下始终处于迎风方向，不需要额外的电力或控制器。
16.3)条状压电薄膜的电极处于基膜的后缘处，通过聚酰亚胺胶带进行覆盖，可以防止条状压电薄膜发生短路。
17.4)支撑杆上端与基膜相连，起到了支撑压电薄膜维持压电薄膜高度的作用，下端与基座相连，使整体保持竖直站立姿态。
附图说明
18.图1为本发明的结构示意图；
19.图2为本发明压电旗帜的示意图；
20.图中标号：支撑杆
‑
1；基座
‑
2；压电旗帜
‑
3；来流自对准装置
‑
4；条状压电薄膜
‑
5。
具体实施方式
21.下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。
22.如图1所示，一种基于压电旗帜结构的风能采集装置，包括基座2、支撑杆1，来流自对准装置4、基膜和压电薄膜；所述基膜与水平面垂直，所述基膜为长方形。
23.所述压电薄膜粘贴在所述基膜的表面上形成压电旗帜3，所述基膜的后缘与所述支撑杆1的上端连接，所述支撑杆1的下端可旋转的安装在所述基座2上；所述来流自对准装置4安装在所述支撑杆1上，所述来流自对准装置4带动支撑杆1旋转使所述压电旗帜3的前缘始终保持在迎风方向，所述基膜在风的作用下发生自持续振荡，将风能转化为机械能，带动所述压电薄膜振荡，将机械能转化为电能。所述压电薄膜包括若干条状压电薄膜5，若干所述条状压电薄膜5均匀在所述基膜的表面上且相互平行设置，所述条状压电薄膜5与水平面平行；所述条状压电薄膜5的前端粘贴在所述基膜的前端，所述条状压电薄膜5的后端粘贴在所述基膜的后端，所述条状压电薄膜5的电极为所述条状压电薄膜5的后端，所述条状压电薄膜的电极位于所述条状压电薄膜的后端，所述条状压电薄膜的电极上覆盖有聚酰亚胺胶带。所述聚酰亚胺胶带将所述条状压电薄膜的电极与外界环境隔离，本发明中压电薄膜采用柔性压电材料制成。
24.本发明公开的风能采集装置，在使用前需要根据安装地点的年平均风速，调整所述基膜的弯曲刚度，即调整所述基膜的杨氏模量、厚度、长度、宽度和泊松比，使所述基膜产生大幅度的自振荡，进而使所述压电薄膜产生正压电效应。当所述基膜的弯曲刚度的选择范围为0.1
‑
0.3时，所述基膜维持着大幅度的自持续振荡。在所述基膜的弯曲刚度不变的情
况下，通过调整所述基膜的质量比，在期望的风速范围内诱导自持续振荡；调整所述基膜的纵横比能提高所述风能采集装置的发电量。
25.本发明中之所以使压电旗帜3的前缘处于迎风方向，即倒置的旗帜状态，因为在受控风和环境风条件下的，压电旗帜3在倒置的旗帜状态下具有以下几个优点。
26.首先，自持续振荡发生在相对较大的风速范围内，从而在较大的风速范围内提供持续的发电。
27.第二，自振不依赖共振，可以通过调整基膜的弯曲刚度以针对特定的风况。
28.第三，倒置的压电旗帜3可以通过调整其纵横比同时保持相同的机膜厚度和机械性能，以期望的风速自振荡。
29.图2中，基膜的纵向长度为m，横向长度为l，箭头代表风向，a是振幅，k是弯曲曲率；
30.所述压电旗帜3的最终发电量大小取决于基膜的振幅和拍打频率；所述基膜的振幅和拍打频率影响所述压电旗帜3的发电量；所述基膜的振幅取决于基膜的弯曲刚度，弯曲刚度代表了弯曲力与流体惯性力的相对大小，所述基膜的拍打频率取决于基膜的质量比m
*
；
31.在安装本发明的风能采集装置之前，事先调查安装地点的年平均风速，调整所述基膜的弯曲刚度，即调整所述基膜的杨氏模量、厚度、长度、宽度、泊松比，来保证大幅度的自振荡的产生，保证正压电效应的产生。
32.所述基膜的弯曲刚度计算公式如下：
[0033][0034]
其中，为弯曲刚度，e为杨氏模量，h为基膜的厚度，v为泊松比，ρ
f
为流体的密度，u为自由流的速度，l为基膜的横向长度；
[0035]
所述基膜的弯曲刚度有限范围内的振动趋势类似于涡激振动中弹性安装圆柱体的振幅响应，当所述基膜的振荡越过竖直状态后，所述基膜的前缘开始形成涡流，所述基膜前缘涡流随着所述基膜弯曲而继续增长，并随着所述基膜回弹而从前缘分离并向下游移动；
[0036]
所述基膜前缘附近涡流的形成和脱落类似于俯仰机翼的动态失速现象，当所述基膜以相反的方向越过竖直状态时，一个相反符号的漩涡开始形成，结果，交替符号的前缘涡流响应于所述基膜的拍动频率周期性地脱落到尾流中；
[0037]
由于不稳定的阻力，倒置的基膜可以大幅度摆动并储存大的应变能，而不是在平衡状态下保持偏转的形状，这种拍动模式和向应变能的周期性能量转换被限制在无量纲弯曲刚度的狭窄范围内，基膜在弯曲刚度为0.1～0.3的情况下，维持着大幅度的自持续振荡；
[0038]
所述质量比m
*
的计算公式为：
[0039][0040]
ρ
s
为基膜的密度；h为基膜的厚度；l为基膜的横向长度；ρ
f
为流体密度；
[0041]
由于风速的间歇性和导致持续颤振的风速的狭窄范围，当前风能采集装置难以在环境风条件下维持自振荡，在本发明的风能采集装置中通过调整质量比同时保持相同的弯
曲刚度，可以很容易地调谐到在期望的风速范围内诱导自持续振荡，本发明可以克服当前风能采集装置的局限性；
[0042]
在基膜的弯曲刚度和质量比因素都相同的情况下，所述基膜的纵横比w/l的比值越大，发电量越大。
[0043]
通过调整基膜的弯曲刚度，来保证压电旗帜3在安装地点的自持续振荡的发生。基膜的弯曲刚度取决于基膜的杨氏模量、厚度、长度、宽度、泊松比，通过调整这些因素来诱导大幅度的自持续振荡。通过调整基膜的弯曲刚度，不能太大也不能太小，太大的话会让基膜的振幅变小，使得发电量减少，太小的话基膜将会被风压住，被压在一边，而不会发生振荡现象，发电量减少。经过实验的验证，较高的弯曲曲率和较快的拍打频率，具有更大纵横比和质量比的倒置旗帜能获得了更多的电能。
[0044]
本发明可以将风能转化为电能，具有很大的应用潜力和社会意义，可用于户外对电子设备进行充电，在一些偏僻或者需要环境保护的地方，可以使用本发明进行发电。
[0045]
本发明的压电旗帜3与传统的旗帜方向相反，是一面“倒旗”，基膜的后缘固定而前缘可以自由移动，基膜在风的作用下会发生自持续振荡，将风能转化为机械能，并带动贴在基膜表面的压电薄膜振荡，将机械能转化为电能。
[0046]
压电旗帜3的对准方向在来流自对准装置4的作用下始终处于迎风方向。本发明以压电旗帜3以振荡的方式发电，压电旗帜3的前缘要求流入的风向几乎与压电旗帜3对齐，以诱导振荡。压电旗帜3与来流之间的攻角影响扑动，偏离约15
°
就可以抑制甚至消除大规模振荡；来流自对准装置4利用流入的风进行“自我调整”压电旗帜3，来流自对准装置4的作用于风向标类似，当风向发生变化的时候，来流自对准装置4带着支撑杆1旋转，使得压电旗帜3的前缘一直处于迎风方向，完成压电旗帜3的自我调整，不需要额外的电力或控制器。
[0047]
条状压电薄膜5的电极处于基膜的后缘处，通过聚酰亚胺胶带进行覆盖，可以防止条状压电薄膜5发生短路。支撑杆1上端与基膜相连，起到了支撑压电薄膜，维持压电薄膜高度的作用，下端与基座2相连，使整体保持竖直站立姿态。
[0048]
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。