一种压电式隧道气流发电机   0    0

[0001] 本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种压电式隧道气流发电机。

[0002] 隧道已成为目前公路及铁路网络的重要组成部分。为确保汽车及火车能够正常安全同行、实现隧道环境及通行车辆的实时监测，隧道中需要安装各类仪器设备及照明设施，因此隧道中也要有相应的供电设施。如采用传统的电缆供电，电缆的铺设及后续维护的难度较大、成本较高；如采用电池供电，因电池寿命有限、需经常更换，使用极其不便，尤其是在偏远山区。

[0003] 本发明提出一种压电式隧道气流发电机，本发明采用的实施方案是：支架由上下梁及连接上下梁的挡板构成，下梁两端设有支脚，上下梁位于挡板同侧并对称配置；限形架由横梁及横梁两端的限形块构成，限形块上设有限形面，限形面为圆弧面；两个限形架的横梁经螺钉相连且限形面相对安装，两个横梁之间压接有两个压电振子和一个弹性片，压电振子位于弹性片两侧；压电振子由基板与其一侧所粘接的压电片构成；同一限形架上的两限形块的间距比基板和弹性片的宽度窄、比压电片的宽度宽，基板的一侧与弹性片接触、另一侧的根部与限形面接触，压电片不与限形面接触；限形架两端的限形块经螺钉分别与上下梁连接，钝体的耳板经螺钉安装在弹性片的自由端，钝体为空心圆柱壳体，钝体靠近挡板安装；非工作时弹性片厚度方向的对称中心层、钝体的中心线及挡板的宽度方向的对称中心层位于同一垂直平面内；挡板的宽度与钝体的直径之比即宽径比为1～3，钝体外表面到挡板的最小间距与钝体的直径之比即间径比为0～3。

[0004] 本发明中，两个限形架与压电振子及弹性片经螺钉安装固定后再经螺钉将限形块固定在上下梁上。工作中，气流由弹性片的固定端流向钝体和挡板，气流流经钝体后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体前后两侧的气流压力交替变化从而产生使钝体及弹性片往复摆动的激振力，弹性片摆动时迫使压电振子向使压电片承受压应力的方向弯曲变形，压电振子的往复弯曲变形过程中即将气流能转换成了电能；气流经过钝体后受到挡板的阻碍时，气流的流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值大幅度增加或减小；钝体摆动幅值足够大时将通过弹性片将压电振子的基板压靠在限形面上，此时压电片长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。

[0005] 本发明中，基板和压电片厚度相等，限形面的半径为其中： h为压电振子总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基
板和压电片材料的弹性模量，Tp和k31分别为压电片材料的许用应力和机电耦合系数。

[0006] 优势与特色：①钝体后方设置的挡板可有效调节钝体的耦合振动响应特性，易于通过调节二者最小间距、尺度等参数获得所需的钝体振动放大比，流速适应性及发电能力；②压电振子单向弯曲变形且变形量可控、应力分布均匀，故发电能力强、可靠性高。

[0014] 支架a由上梁a1、下梁a2及连接上梁a1和下梁a2的挡板a3构成，下梁a2的两端设有支脚a4，上梁a1和下梁a2位于挡板a3同侧并对称配置；限形架b由横梁b1及横梁b1两端的限形块b2构成，限形块b2上设有限形面 b3，限形面b3为圆弧面；两个限形架b的横梁b1经螺钉相连且限形面b3相对安装，两个横梁b1之间压接有两个压电振子d和一个弹性片c，压电振子d位于弹性片c的两侧；压电振子d由基板d1与其一侧所粘接的压电片d2构成；同一限形架b上的两限形块b2的间距比基板d1和弹性片c的宽度窄、比压电片d2的宽度宽，基板 d1的一侧与弹性片c接触、另一侧的根部与限形面b3接触，压电片d2不与限形面b3接触；限形架b的两端的限形块b2经螺钉分别与上梁a1和下梁a2连接，钝体e的耳板e1经螺钉安装在弹性片c的自由端，钝体e为空心圆柱壳体，钝体e靠近挡板a3安装；非工作时弹性片c厚度方向的对称中心层、钝体e的中心线及挡板a3的宽度方向的对称中心层位于同一垂直平面内，即图2中水平面z内；挡板a3的宽度H与钝体e的直径D之比即宽径比为H/D＝1～3，钝体e的外表面到挡板a3的最小间距L与钝体e的直径D之比即间径比为L/D＝0～3。

[0015] 本发明中，两个限形架b与压电振子d及弹性片c经螺钉安装固定后再经螺钉将限形块b2固定在上梁a1 和下梁a2上。工作中，气流由弹性片c的固定端流向钝体e和挡板a3，气流流经钝体e后产生卡门漩街，漩涡的交替生成与脱落会使钝体e前后两侧的气流压力交替变化从而产生使钝体e及弹性片c往复摆动的激振力，弹性片c摆动时迫使压电振子d向使压电片d2承受压应力的方向弯曲变形，压电振子d的往复弯曲变形过程中即将气流能转换成了电能；气流经过钝体e后受到挡板a3的阻碍时，气流的流向及漩涡形态及动态特性均发生变化，从而使激振力的幅值大幅度增加或减小；钝体e摆动幅值足够大时将通过弹性片c将压电振子d 的基板d1压靠在限形面b3上，此时压电片d2长度方向上各点的压应力相等且小于其许用值，故具有较大的发电能力和较高的可靠性。

[0016] 本发明中 ，基板d1 和压电片d 2厚度 相等，限形面 b3的半径 为其中：h为压电振子d的总厚度，β＝Em/Ep，Em和Ep分别为基板d1和压电片d2材料的弹性模量，Tp和 k31分别为压电片d2材料的许用应力和机电耦合系数。

[0007] 图1是本发明一个较佳实施例中发电机的结构示意图；

[0008] 图2是图1的A‑A剖视图；

[0009] 图3是本发明一个较佳实施例中限形架的结构示意图；

[0010] 图4是图3的俯视图；

[0011] 图5是本发明一个较佳实施例中限形架与压电振子及弹性片安装后的结构示意图；

[0012] 图6是本发明一个较佳实施例中支架与限形架安装后的结构示意图；

[0013] 图7是图6的俯视图。