一种隧道气流致振俘能器的制作方法

本发明属新能源技术领域，具体涉及一种隧道气流致振俘能器。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明提出一种隧道气流致振俘能器，本发明采用的实施方案是：壳体为由顶壁、底壁、前壁和后壁构成的方筒，壳体左侧设有一个横梁和两个挡风板，壳体右侧设有上梁和下梁，横梁、挡风板、上梁及下梁的两端分别固定在前壁和后壁上；前壁和后壁左侧都经螺钉安装有两个左限位块，前壁和后壁右侧都经螺钉安装有两个右限位块；置于前壁和后壁上的左限位块和右限位块分别对称地布置在横梁中心线的上下两侧；横梁的上下两侧都经压板及螺钉安装有左振子，左振子端部经螺钉安装有左惯性块，上梁及下梁上都经压板及螺钉安装有右振子，右振子端部经螺钉安装有右惯性块和飘带；左振子和右振子都是由等厚度的基板和压电片粘接而成的悬臂梁结构，左振子的基板靠近横梁安装、右振子的压电片靠近上梁或下梁安装，左振子向壳体右侧倾斜、右振子向壳体左侧倾斜；左振子的悬臂部分置于横梁上方的挡风板及左限位块的右下方、或横梁下方的挡风板及左限位块的右上方，右振子的悬臂部分置于横梁上方的右限位块的右下方、或横梁下方的右限位块的右上方。

当车辆快速从隧道中通过时便会有风生成，风从壳体右侧吹向左侧；飘带受风力作用时将产生摆动，从而带动右振子往复弯曲变形；同时，风吹过左振子和右振子时还会在左振子和右振子后面生成漩涡，漩涡的连续生成与脱落会使左振子和右振子左右两侧风压交替地增加和减小，从而迫使左振子和右振子产生往复弯曲振动；左振子自由端顶靠在左限位块上时左振子的变形量小于其许用值，右振子自由端顶靠在右限位块上时右振子的变形量小于其许用值；左振子和右振子往复弯曲变形时压电片上的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能。

本发明中，左振子主要是通过与风耦合作用形成的卡门漩街实现自激振动发电的，适于高风速环境，且存在使发电效果较好的较佳安装角q＝15～45°，安装角是指左振子自由端点和固定端点间连线与来风方向间的夹角；挡风板的功能是改善挡风板与左振子之间区域内的漩涡生成条件并提高漩涡强度，进而提高左振子的振幅和发电能力；右振子主要通过飘带与风的耦合作用产生自激振动发电的，适于低风速环境，且飘带对风的扰动还有助于提高左振子的振幅，右振子的安装角为q’＝180-q。

本发明中左振子及右振子安装前的自然状态下为预弯结构或平直结构。左振子及右振子为预弯结构时，基板置于压电片内侧、即基板弯曲半径小于压电片弯曲半径，要解决的关键问题是确保其弯曲半径大于最小的许用弯曲半径、避免压电片因制作过程中拉应力过大而损坏；左振子及右振子为平直结构时，要解决的关键问题是确保工作中左振子及右振子变形量小于其许用值、避免压电片因压应力过大而损毁；左振子及右振子为预弯结构时压电片凸面上的最小许用预弯半径为左振子及右振子为平直结构时的许用弯曲变形量为其中h、l分别为左振子或右振子总厚度和悬臂长度，β＝e1/e2，e1、e2分别为基板和压电片的弹性模量，g31分别为压电材料的介电常数和电压常数，分别为压电材料的许用拉应力和许用压应力。

优势与特色：结构简单、启动风速低，易通过阵列方式提高发电及供电能力，可实现隧道内仪器设备的自供电运行，无需化学电池和铺设电缆；采用两个发电单元同步工作，风速适应性强；压电振子结构及安装参数合理、单向弯曲变形，发电能力强、可靠性高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；

图2是图1的a-a视图；

图3是本发明一个较佳实施例中俘能器并联的阵列示意图；

图4是输出电压与安装角度的关系曲线。

具体实施方式

壳体a为由顶壁a1、底壁a2、前壁a3和后壁a4构成的方筒，壳体a的左侧内部设有一个横梁a5和两个挡风板a6，壳体a的右侧内部设有上梁a7和下梁a8，横梁a5、挡风板a6、上梁a7及下梁a8的两端分别固定在前壁a3和后壁a4上；前壁a3和后壁a4的左侧都经螺钉安装有两个左限位块b，前壁a3和后壁a4的右侧都经螺钉安装有两个右限位块c；置于前壁a3和后壁a4上的左限位块b和右限位块c分别对称地布置在横梁a5中心线的上下两侧；横梁a5的上下两侧都经压板d及螺钉安装有左振子e，左振子e端部经螺钉安装有左惯性块f，上梁a7及下梁a8上都经压板d及螺钉安装有右振子e’，右振子e’端部经螺钉安装有右惯性块f’和飘带g；左振子e和右振子e’都是由等厚度的基板e1和压电片e2粘接而成的悬臂梁结构，左振子e的基板e1靠近横梁a5安装、右振子e’的压电片e2靠近上梁a7或下梁a8安装，左振子e向壳体a的右侧倾斜、右振子e’向壳体a的左侧倾斜；左振子e的悬臂部分置于横梁a5上方的挡风板a6及左限位块b的右下方、或横梁a5下方的挡风板a6及左限位块b的右上方，右振子e’的悬臂部分置于横梁a5上方的右限位块c的右下方、或横梁a5下方的右限位块c的右上方。

当车辆快速从隧道中通过时便会有风生成，风从壳体a的右侧吹向左侧；飘带g受风力作用时将产生摆动，从而带动右振子e’往复弯曲变形；同时，风吹过左振子e和右振子e’时还会在左振子e和右振子e’后面生成漩涡，漩涡的连续生成与脱落会使左振子e和右振子e’左右两侧风压交替地增加和减小，从而迫使左振子e和右振子e’产生往复弯曲振动；左振子e自由端顶靠在左限位块b上时左振子e的变形量小于其许用值，右振子e’自由端顶靠在右限位块c上时右振子e’的变形量小于其许用值；左振子e和右振子e’往复弯曲变形时压电片e2上的应力交替地增加和减小，从而将机械能转换成电能。

本发明中，左振子e主要是通过与风耦合作用形成的卡门漩街实现自激振动发电的，适于高风速环境，且存在使发电效果较好的较佳安装角q＝15～45°，安装角是指左振子e自由端点和固定端点间连线与来风方向间的夹角；挡风板a6的功能是改善挡风板a6与左振子e之间区域b内的漩涡生成条件并提高漩涡强度，进而提高左振子e的振幅和发电能力；右振子e’主要通过飘带g与风的耦合作用产生自激振动发电的，适于低风速环境，且飘带g对风的扰动还有助于提高左振子e的振幅，右振子e’的安装角为q’＝180-q。

本发明中左振子e及右振子e’安装前的自然状态下为预弯结构或平直结构。左振子e及右振子e’为预弯结构时，基板e1置于压电片e2内侧、即基板e1的弯曲半径小于压电片e2的弯曲半径，要解决的关键问题是确保其弯曲半径大于最小的许用弯曲半径、避免压电片e2因制作过程中拉应力过大而损坏；左振子e及右振子e’为平直结构时，要解决的关键问题是确保工作中左振子e及右振子e’变形量小于其许用值、避免压电片e2因压应力过大而损毁；左振子e及右振子e’为预弯结构时压电片e2凸面上的最小许用预弯半径为左振子e及右振子e’为平直结构时的许用弯曲变形量为其中h、l分别为左振子e或右振子e’总厚度和悬臂长度，β＝e1/e2，e1、e2分别为基板e1和压电片e2的弹性模量，g31分别为压电材料的介电常数和电压常数，分别为压电材料的许用拉应力和许用压应力。