一种流速自适应的压电-摩擦复合发电机

本发明属于新能源与定位跟踪，具体涉及一种流速自适应的压电-摩擦复合发电机，用于环境中风能及水流能的收集，进而构造自供电的健康监测与定位跟踪系统。。

背景技术：

1、风能与河流广泛存在于自然界中，风力及河水发电已成为当今世界主流的能源之一。以往，人们只注重大规模风力与水利发电系统的研究。近年来，无线传感网络技术的日趋成熟，并在环境监测、大型建筑物及桥梁的健康监测、工业、军事及公共安全等领域逐步获得应用。由于化学电池的能量有限、使用时间远远低于无线传感监测系统的寿命，故需经常更换，严重制约了无线传感网络监测系统在远程及危险环境中的推广应用。为实现相关无线传感监测系统的自供电，人们已经提出了多种形式的微小型压电式、电磁式及摩擦式流体力发电机。然而，现有的各类发电方法依然面临较多的技术瓶颈，较普遍的共性问题有：①发电能力及单位体积能量密度较低，在较小的体积内难以同步实现多种发电方式；②可靠性低，发电元件的振幅难以控制，压电陶瓷易因环境振动强度与振幅过大而损毁，不适于载运工具携带；③在较小的空间内难以实现多个发电元件的同时工作，等等。

技术实现思路

1、本发明的一种流速自适应的压电-摩擦复合发电机由机壳、机盖、转轴、摆臂、调频块、激励器、工型座、气囊、上弹簧、下弹簧、悬臂振子、导电层、介电层、磁块、圆形振子以及电路板构成；转轴、摆臂、调频块、激励器、气囊、上弹簧以及下弹簧共同构成拾振器，机壳的换能腔和一组圆形振子构成压电换能器；上弹簧和下弹簧为由拉簧和绳索串接而成的非线性弹簧, 上弹簧由上拉簧和上绳索串接而成，下弹簧由下拉簧和下绳索串接而成；上下两个悬臂振子分别和所覆盖的阻尼孔构成两个单向的导流阀；电路板上设有能量收集与能量管理单元、定位跟踪与信息发射单元，电路板经螺钉安装在机壳的壳底壁上；管路连通上气囊、上复合腔以及换能腔，同时连通下气囊、下复合腔以及换能腔。

2、机壳为长方形结构且前方设有端口，即机壳由壳后壁、壳上壁、壳底壁、壳左壁、壳右壁、中隔板、上侧隔板、下侧隔板、上复合腔、下复合腔、换能腔、激励腔、管路孔、阻尼孔、振子卡槽、转轴槽、转轴孔构成；壳上壁的左半部分和上侧隔板之间的空间为上复合腔；上侧隔板和下侧隔板之间的空间为下复合腔；壳底壁的左半部分和下侧隔板之间的空间为换能腔；中隔板和壳右壁之间的空间为激励腔；

3、壳左壁上设有八个管路孔，壳右壁上设有一个管路孔，中隔板上设有五个管路孔，管路孔的水平位置靠近机壳的端口，所有孔的轴线处于平行于壳后壁的一个平面上；壳左壁上设有九个振子卡槽，在壳右壁水平对应的位置上设有九个相同的振子卡槽，振子卡槽用于安装圆形振子和悬臂振子；如图所示，当圆形振子安装在上下复合腔的振子卡槽内时，上复合腔被分为上缓冲腔和上稳压腔，下复合腔被分为下缓冲腔和下稳压腔；管路孔为圆形通孔，用于与管路连接；上侧隔板上设有两个阻尼孔；在靠近壳后壁的中隔板上设有转轴槽，在靠近壳后壁的壳右壁上设有转轴孔，转轴槽和转轴孔为圆形且同心，同时分别位于中隔板长度方向的中心和壳右壁长度方向的中心；转轴槽和转轴孔用于安装转轴。

4、机盖设有摆臂窗，同时一侧的三个凸台上设有环槽；摆臂的末端可以在摆臂窗内活动，环槽内安装有密封圈或毡圈。

5、本发明中，密封圈或毡圈安装在环槽内，机盖经螺钉安装在机壳的端口上，密封圈或毡圈的安装目的是使上复合腔、下复合腔以及换能腔在工作中与外界环境无气体交换；电路板经螺钉安装在机壳的壳底壁上，设有能量收集与能量管理单元。

6、摆臂由摆板和转轴套构成；转轴的两端分别置于机壳的转轴槽和转轴孔内，转轴经螺钉安装于转轴套内，转轴套位于转轴的中间，转轴槽、转轴孔、转轴套以及转轴的轴线重合；调频块置于摆板上，目的是：通过改变调频块质量大小和在摆板上的位置，调节拾振器的固有频率；摆臂属于刚性零件。

7、激励器由一个三叶夹和两张迎风片构成；两张迎风片经螺栓对称地安装在三叶夹的两侧；迎风片为柔性片，可以在风力的作用下发生变形，风速较高时呈类圆柱形；在两张迎风片的一侧分别设有等间距的若干个限形条，目的是控制迎风片在风力作用下的成型形状，当激励器处于较大风速的风场中且风场方向为图所示的方向，将会出现图所示的形态。

8、气囊的囊壁外侧设有囊座板，囊壁上设有两个与囊腔连通的囊孔；气囊的材料为橡胶类弹性材料，囊壁及囊座板内部设有用于增加强度的网状编织层。

9、本发明中，上弹簧和下弹簧为由拉簧和绳索串接而成的非线性弹簧, 上弹簧由上拉簧和上绳索串接而成，下弹簧由下拉簧和下绳索串接而成；上弹簧的一端固定于机壳的壳上壁上，另一端固定于摆臂上，牵引角为；下弹簧的一端固定于机壳的壳底壁上，另一端固定于摆臂上，牵引角为；上弹簧和下弹簧的轴线处于同一平面，且该平面与壳左壁或壳右壁平行。

10、本发明中，转轴、摆臂、调频块、激励器、两个气囊、上弹簧以及下弹簧共同构成拾振器，转轴的两端分别置于转轴槽和转轴孔内，同时，转轴经螺钉安装在摆臂的转轴套内，激励器经螺栓连接靠近安装在摆板的一端；调频块经螺栓连接安装在摆板上，目的是：通过调节调频块质量大小和在摆板上的位置改变拾振器的固有频率；上工型座的一端经螺钉安装在机壳的壳上壁上，下工型座的一端经螺钉安装在机壳的壳底壁上；上下两个气囊的囊座板经螺钉分别安装在上下两个工型座的另一端上，即两个气囊经两个工型座对称地安装在摆臂的两侧；上弹簧的一端固定于壳上壁上，另一端固定于摆臂上，牵引角为；下弹簧的一端固定于壳底壁上，另一端固定于摆臂上，牵引角为；上弹簧和下弹簧的轴线处于同一平面，且该平面与壳左壁或壳右壁平行。

11、悬臂振子由镍基板和粘贴在其一侧的压电陶瓷构成；镍基板的长度稍长于压电陶瓷的长度。

12、本发明中，两个悬臂振子的一端经振子卡槽安装在上侧隔板的上下两侧且与隔板表面贴合，同时另一端分别将一个阻尼孔的一侧开口覆盖；两个悬臂振子分别和所覆盖的阻尼孔构成两个单向的导流阀；上侧隔板的两侧都贴有导电层和介电层；一个镍基板和其所覆盖的导电层与介电层共同构成一个摩擦换能器；两个磁块经螺钉分别安装在上侧隔板的两侧且与镍基板之间存在吸引力，用于调节阻尼孔开闭的压强阈值；八片圆形振子分别安装在剩余的振子卡槽内；安装在上下复合腔的圆形振子将上复合腔分为上缓冲腔和上稳压腔，同时将下复合腔分为下缓冲腔和下稳压腔；当上稳压腔的压强大于下稳压腔的压强且压强差超过设定阈值时，下导流阀开启，即气体将推动下悬臂振子变形，同时气体将从上稳压腔经阻尼孔流入下稳压腔；当下稳压腔的压强大于上稳压腔的压强且压强差超过设定阈值时，上导流阀开启，气体将推动上悬臂振子变形，同时气体将从下稳压腔经阻尼孔流入上稳压腔。

13、本发明中，换能腔与一组圆形振子、本实施方案中为六个圆形振子共同构成压电换能器；一组圆形振子等间距地安装在换能腔的振子卡槽内，各圆形振子之间或圆形振子与换能腔壁之间形成子换能腔。

14、本发明中，上侧气囊的囊腔经管路与上稳压腔连通，下侧气囊的囊腔经管路与下稳压腔连通；上侧气囊的囊腔经管路分别与从上至下第一个、第三个、第五个以及第七个子换能腔连通，管路分别与从上至下第二个、第四个以及第六个子换能腔连通；管路开关阀包含一个外支路总开关阀、四个外支路开关阀以及一个内开关阀；管路所连通的腔室可以实现流体的相互流动；上缓冲腔、上稳压腔、下缓冲腔以及下稳压腔分别经管路与外源流体连通，四条管路并联且管路的通闭受一个外支路总开关阀和四个外支路开关阀的控制；在发电机工作前，向各腔室内输入一定的外源流体；上下两侧气囊的囊腔经内开关阀连接，目的是实现非工作状态下两个气囊内流体压力的平衡。

15、工作前，开启各管路阀并向各个腔室充气，调节①调频块的位置和质量大小、②上弹簧的牵引角和上拉簧的拉伸量以及③下弹簧的牵引角和下拉簧的拉伸量获得所需的摆臂的初始状态及系统固有频率，摆臂的初始状态为水平或非水平状态；各腔室充气后关闭各管路阀；各腔室，即上缓冲腔、下缓冲腔、上稳压腔、下稳压腔、七个子换能腔以及两个囊腔的流体压力相等；各圆形振子两侧所受流体压力相等并处于平直的自然状态、不发生弯曲变形；两个悬臂振子分别与上侧隔板的表面贴合，不发生弯曲变形；调节磁块的位置与大小、即调节镍基板与磁块之间相互吸引力的大小设定导流阀的工作阈值，当上稳压腔与下稳压腔在工作中能够连通时两腔室之间的最小流体压强差的值。

16、工作中，激励器与风力耦和作用所产生的升力使得摆臂上下摆动，发电机的工作过程分为两种类型：（1）摆臂的摆幅较小时，上稳压腔与下稳压腔的压强差未超过设定的工作阈值，导流阀未开启，两腔室之间无气体交换；（2）摆臂的摆幅较大时，上稳压腔与下稳压腔的压强差大于设定的工作阈值，导流阀开启，两腔室之间有气体交换。

17、当发电机处于工作类型（1）时，摆臂来回摆动的具体工作过程如下：激励器与风力耦和作用→摆臂由水平位置向上摆动→上气囊被压缩，下气囊被放松→上气囊的囊腔内的气体经两条管路分别流向①上稳压腔和②从上至下第一个、第三个、第五个以及第七个子换能腔；①下稳压腔的气体和②从上至下第二个、第四个以及第六个子换能腔内的气体分别经两条管路流向下气囊的囊腔内→上稳压腔的流体压力大于上缓冲腔，上复合腔的圆形振子发生方向向上的弯曲变形；下稳压腔的流体压力小于下缓冲腔，下复合腔的圆形振子发生方向向上的弯曲变形；从上至下第一个、第三个、第五个以及第七个子换能腔内的流体压强大于从上至下第二个、第四个以及第六个子换能腔内的流体压强，换能腔内从上至下第一个、第三个以及第五个圆形振子发生方向向下的弯曲变形，换能腔内从上至下第二个、第四个以及第六个圆形振子发生方向向上的弯曲变形→各圆形振子的弯曲变形所产生的电流输送至电路板以电能的形式储存或为监测系统供电或经处理后转化为健康监测系统的监测信息→摆臂摆回水平位置→上气囊被放松，下气囊被压缩至初始状态→①上稳压腔和②从上至下第一个、第三个、第五个以及第七个子换能腔内的气体经两条管路分别流向上气囊的囊腔；下气囊的囊腔内的气体分别经两条管路流向①下稳压腔的气体和②从上至下第二个、第四个以及第六个子换能腔内→上稳压腔的流体压力等于上缓冲腔，上复合腔的圆形振子回到未变形状态；下稳压腔的流体压力等于下缓冲腔，下复合腔的圆形振子回到未变形状态；七个子换能腔的流体压力相同，换能腔内的六个圆形振子回到未变形的状态→各圆形振子的弯曲变形所产生的电流输送至电路板以电能的形式储存或为监测系统供电或经处理后转化为健康监测系统的监测信息；当摆臂由水平位置向下摆动和回摆至水平位置的过程中，发电机的工作原理类似，各圆形振子以相反的方向弯曲变形从而产生电流。

18、当发电机处于工作类型（2）时，导流阀开启；导流阀具体工作过程如下：摆臂由水平位置向上摆动→上稳压腔的流体压强大于下稳压腔的流体压强且压强差超过设定的阈值，气体将推动下悬臂振子变形，同时下镍基板与介电层分离→气体从上稳压腔经阻尼孔流入下稳压腔直至两腔室的流体压强差小于设定的阈值→下悬臂振子回复至未变形状态，同时下镍基板与介电层接触→摆臂摆回水平位置→上稳压腔的流体压强小于下稳压腔的流体压强且压强差超过设定的阈值，气体将推动上悬臂振子变形，同时上镍基板与介电层分离→气体从下稳压腔经阻尼孔流入上稳压腔直至两腔室的流体压强差小于设定的阈值→上悬臂振子回复至未变形状态，同时上镍基板与介电层接触；在发电机处于工作类型（2）中，圆形振子与摩擦换能器共同发电，产生的电流输送至电路板以电能的形式储存或为监测系统供电或经处理后转化为健康监测系统的监测信息。

19、由发电机的工作过程可知，两个控制压强差的单向导流阀，该导流阀由两个上悬臂振子分别和所覆盖的阻尼孔构成，导流阀的作用是控制激励圆形振子的激振力，该激振力是由圆形振子两侧的流体压强差引起的、小于设定的值；当导流阀工作时，换能腔内的圆形振子受到幅值不变的周期性激振力作用，该幅值经调节两个磁块的大小和位置而设定，避免了压电陶瓷在高风速下的损毁。

20、本发明中，机壳的换能腔与一组圆形振子共同构成压电换能器，各圆形振子间及圆形振子与换能腔壁间形成子换能腔；上复合腔和下复合腔中均安装有圆形压电振子，所述圆形振子将上复合腔分成了上缓冲腔和上稳压腔、将下复合腔分成了下缓冲腔和下稳压腔；上稳压腔和下稳压腔均包含两个控制压强差的单向导流阀，每个导流阀由一个悬臂振子和其所覆盖的阻尼孔构成，悬臂振子的镍基板与上侧隔板上所粘贴的导电层和介电层构成摩擦换能器；两个经导流阀连接气囊对称地装在摆臂两侧，两个气囊分别与两组子换能腔连通；上弹簧和下弹簧均由拉簧和绳索串接而成，上弹簧一端固定于壳上壁上、另一端固定于摆臂上，下弹簧一端固定于壳底壁上、另一端固定于摆臂上，通过改变上弹簧和下弹簧的刚度及安装位置、调频块质量及其安装位置获得摆臂初始状态及拾振器固有频率；激励器由一个三叶夹和两张迎风片，迎风片为单侧设有限形条的柔性片，迎风片受风力作用发生变形及摆动：风速较低时呈平直状态、产生发撒的驰振，高风速时呈类圆柱形、产生收敛的涡振；工作中，摆臂往复摆动并交替地挤压-释放两个气囊，圆形振子在其两侧流体压力作用下往复弯曲变形并发电；圆形振子两侧压力差达到额定值后迫使与其连通的稳压腔的悬臂振子弯曲变形、流体流出，悬臂振子往复弯曲变形时摩擦换能器发电。

21、本发明中，摆臂的振动包含驰振、涡振与驰振的耦合振动以及涡激振动；在较低的风速域内，摆臂的振动以驰振为主，此时激励器f的迎风片变形量较小；当风速较高时，摆臂的振动以涡激振动为主，此时激励器f的迎风片变为双弧形；当涡脱落频率与拾振器固有频率一致时，出现锁定现象，此时摆臂d的摆幅较大，发电机的发电性能较佳；拾振器固有频率为：，式中：ζ为拾振器振动系统的阻尼比，kp、kq以及kr分别为上弹簧、下弹簧以及气囊的刚度，上弹簧和下弹簧的刚度分别为上拉簧和下拉簧的刚度，m1为激励器的质量，m2为调频块的质量；p和q分别为上弹簧和下弹簧的牵引角；w、x、y1、y2以及z分别为激励器、气囊、上弹簧、下弹簧以及调频块与转轴之间的距离；其他参数确定时，通过改变kp、kq、kr、m1、m2、p、q、w、x、y1、y2以及z调节摆臂的初始状态和拾振器的固有频率。

22、优势与特色：1）利用气体传动同步激励多组换能器，驱动能力及体积能量密度高；2）通过气体压力控制实现逐级激励，能量利用效率高及机械可靠性高；3）利用自限形激励器，流速适应性强，低速时驰振、放大振幅，高流速时涡振、限制振幅。

技术特征：

1.一种流速自适应的压电-摩擦复合发电机，由机壳、机盖、转轴、装有调频块的摆臂、激励器、气囊、上弹簧、下弹簧、镍基板的悬臂振子、导电层、介电层、磁块、圆形振子以及电路板构成；转轴装在机壳上，激励器经摆臂装在转轴上；机壳的换能腔与一组圆形振子共同构成压电换能器，各圆形振子间及圆形振子与换能腔壁间形成子换能腔；上复合腔和下复合腔中均安装有圆形压电振子，所述圆形振子将上复合腔分成了上缓冲腔和上稳压腔、将下复合腔分成了下缓冲腔和下稳压腔；上稳压腔和下稳压腔均包含两个控制压强差的单向导流阀，每个导流阀由一个悬臂振子和其所覆盖的阻尼孔构成，悬臂振子的镍基板与上侧隔板上所粘贴的导电层和介电层构成摩擦换能器；其特征在于：两个经导流阀连接气囊对称地装在摆臂两侧，两个气囊分别与两组子换能腔连通；上弹簧和下弹簧均由拉簧和绳索串接而成，上弹簧一端固定于壳上壁上、另一端固定于摆臂上，下弹簧一端固定于壳底壁上、另一端固定于摆臂上，通过改变上弹簧和下弹簧的刚度及安装位置、调频块质量及其安装位置获得摆臂初始状态及拾振器固有频率；激励器由一个三叶夹和两张迎风片，迎风片为单侧设有限形条的柔性片，迎风片受风力作用发生变形及摆动：风速较低时呈平直状态、产生发撒的驰振，高风速时呈类圆柱形、产生收敛的涡振；工作中，摆臂往复摆动并交替地挤压-释放两个气囊，圆形振子在其两侧流体压力作用下往复弯曲变形并发电；圆形振子两侧压力差达到额定值后迫使与其连通的稳压腔的悬臂振子弯曲变形、流体流出，悬臂振子往复弯曲变形时摩擦换能器发电。

2.根据权利要求1所述的一种流速自适应的压电-摩擦复合发电机，其特征在于：转轴、摆臂、调频块、激励器、气囊、上弹簧及下弹簧共同构成拾振器，其固有频率为：，式中：ζ为拾振器振动系统的阻尼比，kp、kq以及kr分别为上弹簧、下弹簧以及气囊的刚度，m1 和m2分别为激励器和调频块e的质量，p和q分别为上弹簧和下弹簧i2的牵引角；w、x、y1、y2及z分别为激励器、气囊、上弹簧、下弹簧及调频块与转轴间的距离。

技术总结
本发明涉及一种流速自适应的压电‑摩擦复合发电机，属新能源领域；转轴安装在机壳上同时置于摆臂的转轴套内；激励器靠近安装在摆臂的一端；调频块安装在摆板上；机壳的换能腔与一组圆形振子共同构成压电换能器；两个气囊对称地安装在摆臂的两侧，两者经两个导流阀连接的同时分别与两组子换能腔连通；上弹簧和下弹簧为由拉簧和绳索串接而成的非线性弹簧，安装在机壳与摆臂之间；通过改变上弹簧及下弹簧的刚度及其安装位置、调频块的质量及其安装位置获得摆臂的初始状态和拾振器的固有频率；工作中，激励器与风的耦合作用使摆臂往复摆动并交替地挤压‑释放两个气囊，圆形振子在其两侧流体压力作用下往复弯曲变形并发电。

技术研发人员：阚君武,于林俊,蔺雅芝,张金波,罗凌琪,孟凡许,张忠华,王淑云,程光明,曾平
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5