基于谐振腔声学放大原理的涡激振动风力发电装置

摘要

本发明涉及基于谐振腔声学放大原理的涡激振动风力发电装置，包括设有谐振腔的腔体、振动体、悬挂绳、谐振体、电介质组件、整流稳压装置、蓄电池；所述的腔体具有呈柱状的内空腔，位于内空腔的悬挂绳的一端固定在腔体的上端，另一端固定在腔体的下端，所述的振动体固定在悬挂绳上；所述的腔体的右端设有端盖，端盖上设有缺口，与整流稳压装置电连接的电介质组件的右端固定在端盖上，位于振动体右端的谐振体固定在电介质组件的左端；所述的蓄电池与整流稳压装置电连接，所述的腔体上设有半圆球壳体。本发明体积小，能量转换效率高，可获取持续、稳定的能量，成本低，属于流体动能转换装置的技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体动能转换装置，尤其涉及一种基于谐振腔声学放大原理的涡激振动风力发电装置。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，由计算机网络技术和无线传感技术相结合产生的无线传感器网络技术取得了长足进步，它能实时检测和采集周围环境中检测对象的信息，并将这些信息通过无线方式发送到用户终端，以实现指定范围内的目标检测。为了能尽可能地对整个环境的信息进行检测，提高信息的准确性，通常无线传感器网络节点分布数量较多且密度较高，由此所需的能量常常用化学电池提供。但是化学电池具有体积较大、能量密度较低、使用寿命有限、需定期更换等缺点，而且化学电池含有重金属，易造成严重的环境污染等问题。因此利用自然界中可再生的清洁能源为传感器节点供能成为优先考虑的途径。

目前，电磁式发电机在风力资源丰富的地区使用较多，但是因为其包括涡轮、齿轮箱、发电机等旋转机构，因此体积较大、能量损失较大、成本和维护费用较高。太阳能发电设备因安全可靠、无枯竭危险、无需架设输电线路等优点而大范围使用，但是照射的能量分布密度小、受环境影响较大、铺设面积大且发电成本较高。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供基于谐振腔声学放大原理的涡激振动风力发电装置，该发电装置体积小，能量转换效率高，可获取持续、稳定的能量，成本低。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于谐振腔声学放大原理的涡激振动风力发电装置，包括设有谐振腔的腔体、振动体、悬挂绳、谐振体、电介质组件、整流稳压装置、蓄电池；所述的腔体具有呈柱状的内空腔，位于内空腔的悬挂绳的一端固定在腔体的上端，另一端固定在腔体的下端，所述的振动体固定在悬挂绳上；所述的腔体的右端设有端盖，端盖上设有缺口，与整流稳压装置电连接的电介质组件的右端固定在端盖上，位于振动体右端的谐振体固定在电介质组件的左端；所述的蓄电池与 整流稳压装置电连接，所述的腔体上设有半圆球壳体，与腔体一体形成的半圆球壳体位于腔体的内空腔；从前后方向上看，所述的振动体落在半圆球壳体的范围内，所述的谐振体落在谐振腔的范围内。

气流从腔体的左端流入腔体的内空腔，周围环境中的气流流经振动体时形成卡门涡街现象，在振动体的两侧交替地产生特定频率的气体漩涡，由于气体漩涡的尾流驰振作用，谐振体带动电介质组件沿着前后方向摆动从而形成涡激共振，由于压电效应的现象，机械能转换成电能，电介质组件产生的电能传递给整流稳压装置，经整流稳压后为蓄电池供电。

进一步的是：所述的电介质组件包括沿着前后方向依次设置的前侧的镶嵌块、前侧的压电膜、基体、后侧的压电膜、后侧的镶嵌块，镶嵌块设置在基体的右端；所述的基体和镶嵌块均为导电体且均与整流稳压装置电连接。

进一步的是：所述端盖的中心设有与电介质组件右端相适应的斜嵌通槽，电介质组件的右端插入端盖的斜嵌通槽；所述的谐振体上设有与电介质组件左端相适应的插入槽，电介质组件的左端插入谐振体的插入槽内。

进一步的是：所述的腔体呈圆筒状。

进一步的是：所述端盖的圆周侧面上均匀地设有多个凸台，所述腔体的右端均匀地设有多个旋紧槽，所述的凸台旋入旋紧槽内。

进一步的是：基于谐振腔声学放大原理的涡激振动风力发电装置还包括支撑架，支撑架上设有用于支撑腔体的V型架，腔体通过定位螺钉固定在支撑架上。

进一步的是：所述的支撑架包括左前立梁、左后立梁、右前立梁、右后立梁、前横梁、后横梁；所述的前横梁连接左前立梁和右前立梁，所述的后横梁连接左后立梁和右后立梁；所述的V型架有两个，一个V型架设置在左前立梁和左后立梁之间，另一个V型架设置在右前立梁和右后立梁之间；所述的腔体通过定位螺钉分别与左前立梁、左后立梁、右前立梁、右后立梁相连接。

进一步的是：所述的谐振腔为亥姆霍兹谐振腔。

进一步的是：所述的悬挂绳通过固定螺钉固定在腔体的上端和下端，所述的振动体通过固定螺钉固定在悬挂绳上。

进一步的是：所述腔体的上端和下端均设有通孔，所述振动体上设有贯穿 孔，所述的固定螺钉均设有相通的径向通孔和轴向通孔，位于腔体上端的固定螺钉插入腔体上端的通孔，位于腔体下端的固定螺钉插入腔体下端的通孔，位于振动体上端和下端的固定螺钉插入振动体的贯穿孔，所述的悬挂绳从上往下依次穿过每个固定螺钉的径向通孔和轴向通孔。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.本发明可直接从环境中获取持续、清洁、稳定的能量。

2.本发明体积小、能量转换效率高、成本低。

3.本发明的发电效率不受外界流体流速变化的影响。

4.本发明的发电装置，卡门涡街的脱涡频率、亥姆霍兹谐振腔频率和电介质组件的固有频率一致，能使电介质组件的摆动幅度达到最大，增大发电装置的发电效率。

5.本发明的发电装置，具有结构紧凑、易装拆和易维护的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是悬挂绳、腔体和振动体处的放大图。

图3是本发明的爆炸图。

图4是腔体第一方向的结构示意图。

图5是腔体第二方向的结构示意图。

图6是端盖的结构示意图。

图7是支撑架的结构示意图。

图8是固定螺钉的结构示意图。

其中，1—腔体，2—端盖，3—电介质组件，4—谐振体，5—振动体，6—悬挂绳，7—支撑架，8—固定螺钉，9—整流稳压装置，10—蓄电池，11—定位螺钉，101—通孔，102—半圆球壳体，103—亥姆霍兹谐振腔，104—旋紧槽，201—凸台，202—斜嵌通槽，203—缺口，301—基体，302—压电膜，303—镶嵌块，701—V型架，801—轴向通孔，802—径向通孔。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

下文所说的前后左右上下方向与图1的前后左右上下方向一致。

结合图1、图2、图3、图4所示，图1是本发明正视方向的图。基于谐振腔声学放大原理的涡激振动风力发电装置，包括设有亥姆霍兹谐振腔的腔体、振动体、悬挂绳、谐振体、电介质组件、整流稳压装置、蓄电池、支撑架。所述的腔体呈圆筒状，腔体具有呈柱状的内空腔，位于内空腔的悬挂绳的一端固定在腔体的上端，另一端固定在腔体的下端，所述的振动体固定在悬挂绳上，振动体和悬挂绳位于腔体的左部。所述的腔体的右端设有端盖，端盖上设有缺口，与整流稳压装置电连接的电介质组件的右端固定在端盖上，位于振动体右端的谐振体固定在电介质组件的左端；所述的蓄电池与整流稳压装置电连接，所述的腔体上设有半圆球壳体，与腔体一体形成的半圆球壳体位于腔体的内空腔，即半圆球壳体是向内空腔凹陷的；从前后方向上看，所述的振动体落在半圆球壳体的范围内，所述的谐振体落在谐振腔的范围内。

所述的电介质组件包括沿着前后方向依次设置的前侧的镶嵌块、前侧的压电膜、基体、后侧的压电膜、后侧的镶嵌块，镶嵌块设置在基体的右端，镶嵌块的长度(左右方向)比较小；基体、压电膜和镶嵌块之间是固定在一起的，三者之间通过导电胶粘连接。基体为柔性基体，压电膜为压电薄膜，压电薄膜沿着厚度方向(前后方向)极化。所述的基体和镶嵌块均为导电体且均与整流稳压装置电连接。电介质组件产生的电能传递给整流稳压装置，并经整流稳压后直接给蓄电池充电。

所述端盖的中心设有与电介质组件右端相适应的斜嵌通槽，电介质组件的右端插入端盖的斜嵌通槽，即基体的右端、压电膜的右端和镶嵌块插入斜嵌通槽。所述的谐振体上设有与电介质组件左端相适应的插入槽，电介质组件的左端插入谐振体的插入槽内，即基体的左端和压电膜的左端插入插入槽内，插入槽的截面呈矩形。

结合图5所示，所述端盖的圆周侧面上均匀地设有多个凸台，所述腔体的右端均匀地设有多个旋紧槽，所述的凸台旋入旋紧槽内；旋紧槽呈L型，凸台为一方块，凸台先插入旋紧槽内，然后在旋转端盖即可将端盖固定在腔体上。端盖上的缺口为环形的中空区域。

结合图6所示，支撑架上设有用于支撑腔体的V型架，腔体通过定位螺钉固定在支撑架上。所述的支撑架包括左前立梁、左后立梁、右前立梁、右后立 梁、前横梁、后横梁；所述的前横梁连接左前立梁和右前立梁，所述的后横梁连接左后立梁和右后立梁；所述的V型架有两个，一个V型架设置在左前立梁和左后立梁之间，另一个V型架设置在右前立梁和右后立梁之间；所述的腔体通过定位螺钉分别与左前立梁、左后立梁、右前立梁、右后立梁相连接。

结合图1、图4、图7所示，所述的悬挂绳通过固定螺钉固定在腔体的上端和下端，所述的振动体通过固定螺钉固定在悬挂绳上。所述腔体的上端和下端均设有通孔，所述振动体上设有贯穿孔，所述的固定螺钉均设有相通的径向通孔和轴向通孔，位于腔体上端的固定螺钉插入腔体上端的通孔，位于腔体下端的固定螺钉插入腔体下端的通孔，位于振动体上端和下端的固定螺钉插入振动体的贯穿孔，所述的悬挂绳从上往下依次穿过每个固定螺钉的径向通孔和轴向通孔。

本发明的原理是：气流从腔体的左端流入腔体的内空腔，周围环境中的气流流经振动体时形成卡门涡街现象，在振动体的两侧交替地产生特定频率的气体漩涡，由于气体漩涡的尾流驰振作用，谐振体带动电介质组件沿着前后方向摆动从而形成涡激共振，由于压电效应的现象，机械能转换成电能，电介质组件产生的电能传递给整流稳压装置，经整流稳压后为蓄电池供电。同时亥姆霍兹谐振腔在卡门涡街的脱涡频率的流体声波的作用下发生共振，使得亥姆霍兹谐振腔的出口处压力增大，位于腔体前侧和后侧的亥姆霍兹谐振腔交替推动谐振体运动，当电介质组件的摆动频率与自身固有频率相同时，摆幅达到最大，此时收集到的电能最多。

本发明可根据实际情况，利用仿真软件优化该发电装置，使电能输出达到最大，并且本发明可设置多个发电装置，每个发电装置的腔体沿轴向依次排布，以增加输出功率，多个发电装置共用一个整流稳压装置和蓄电池。本发明可直接从环境中获取持续、清洁、稳定的能量，并且体积小、结构简单、成本低廉、无污染、免维护。本发明的发电装置，由于腔体的前端部设有半圆球壳体，且振动体在腔体内的位置不受限制，在发电装置结构尺寸合适的条件下，流经振动体的流体速度恒定，因此卡门涡街的脱涡频率也恒定，即该发电装置的发电效率不受外界流体流速变化的影响。本发明的发电装置，卡门涡街的脱涡频率、亥姆霍兹谐振腔频率和电介质组件的固有频率一致，能使电介质组件的摆动幅 度达到最大，增大发电装置的发电效率。本发明的发电装置，具有结构紧凑、易装拆和易维护的优点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。