一種用于風力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電的液體耦合激勵俘能器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于風力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電的液體耦合激勵俘能器，屬壓電發(fā)電領域。內外筒壁兩端通過安裝左右壁板構成工作腔并填充有液體；外筒壁內側設有分流器，左右壁板上分別設有左右推流板，內筒外緣軸臺兩端裝有由壓電振子和限位框構成發(fā)電單元；壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成，壓電晶片靠近限位框安裝，分流器位于兩發(fā)電單元之間且壓電振子靠近分流器；對稱安裝的左右推流板與其相鄰發(fā)電單元中的壓電振子靠近安裝。優(yōu)勢特色：利用分流器及推流板改變液體流動狀態(tài)實現(xiàn)壓電振子激勵，無剛性接觸沖擊、無電磁干擾、無需外界固定支撐，尤其適于要求無電磁干擾的場合；壓電晶片僅承受范圍可控的壓應力作用，發(fā)電能力強、可靠性高。
【專利說明】
-種用于風力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電的液體輔合激勵停 能器
技術領域
[0001] 本實用新型屬于新能源和發(fā)電技術領域，具體設及一種用于風力發(fā)電機葉片監(jiān)測 系統(tǒng)供電的液體禪合激勵俘能器。
【背景技術】
[0002] 葉片是風力發(fā)電機接收風能并將其轉換成動能的關鍵部件，決定了發(fā)電機可靠性 及使用壽命。風力發(fā)電機葉片通常工作在較惡劣的環(huán)境下，且自身結構尺度、重量及工作載 荷等都很大，除因受雷擊和地震等不可抗拒自然災害損毀外，自然腐蝕、磨損及疲勞應力等 造成損傷也不可避免。實踐表明，風力發(fā)電機運行過程中所發(fā)生事故的=分之一是因葉片 損傷所引起的，故葉片健康監(jiān)測勢在必行。隨著風機葉片長度W及風機總體數(shù)量的日益增 加，W往依靠人工定期檢查并加 W維護的方法已無法滿足生產需求。因此，人們提出了多種 形式的風力發(fā)電機葉片健康狀態(tài)監(jiān)測方法，為葉片裂紋、磨損及變形等狀態(tài)的實時監(jiān)測提 供了有效的手段。但現(xiàn)有傳感監(jiān)測系統(tǒng)的供電問題目前尚未得到很好的解決，故難于大范 圍地推廣應用，因為傳感監(jiān)測系統(tǒng)需要安裝在葉片上并隨葉片轉動，無法通過導線提供電 能，而采用電池供電時需經(jīng)常停機更換電池，因此人們提出了多種壓電發(fā)電機為監(jiān)測系統(tǒng) 供電。現(xiàn)有大部分旋轉式壓電發(fā)電機的特點是必須通過軸承座或軸承蓋等"固定件"與軸類 "旋轉體"間的相對轉動實現(xiàn)壓電振子的有效激勵，無法用于"無固定支撐"的旋轉體發(fā)電需 求;此外，現(xiàn)有風力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)用的壓電發(fā)電機大都采用磁力禪合實現(xiàn)非接觸激 勵的，電磁干擾會降低無線監(jiān)測信號的準確性和實時性，嚴重時甚至導致監(jiān)測系統(tǒng)無法正 常工作。

【發(fā)明內容】

[0003] 針對現(xiàn)有風力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電方面所存在的問題，本實用新型提出一種 用于風力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電的液體禪合激勵俘能器。本實用新型采用的實施方案 是：內筒筒壁兩端分別通過螺釘安裝有左右壁板，外筒筒壁左右兩端分別通過螺釘與左右 壁板相連，左右壁板及內外筒構成工作腔，工作腔中填充有低粘度液體；內筒套在主軸上， 主軸端部經(jīng)螺釘固定有壓板，壓板壓靠在右壁板上；外筒筒壁內側均布地設有N個分流器， 左壁板上均布地設有N個左推流板、右壁板上均布地設有N個右推流板，內筒筒壁外緣軸臺 兩端都通過螺釘均布地安裝有2N個發(fā)電單元，N=I~5;發(fā)電單元由一個壓電振子和一個限 位框構成，壓電振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成;壓電晶片長度和寬度分別小于限位 框空腔的長度和寬度，金屬基板長度和寬度分別大于限位框空腔的長度和寬度，壓電晶片 靠近限位框安裝且位于限位框空腔內；位于內筒筒壁外緣軸臺兩端的同一軸截面內的兩個 發(fā)電單元對稱安裝，分流器位于兩個對稱安裝的發(fā)電單元之間，且壓電振子靠近分流器安 裝;分流器的兩個分流板間存在60~120度的分流角；左推流板與左壁板間存在左推流角， 右推流板與右壁板間存在右推流角，左右推流角相等且其取值范圍為30~60度，左右推流 板對稱安裝，左右推流板與其在圓周上相鄰的分流器間的夾角為180/N度;左右推流板分別 與其相鄰的發(fā)電單元中的壓電振子靠近安裝。
[0004] 本實用新型中，為提高壓電振子的可靠性和發(fā)電能力，限位框的限位面為圓弧曲 面且其合理的曲率半徑為
，其中，a = hm/hp為厚度 比，hm和hp分別為金屬基板和壓電晶片的厚度;壓電晶片為0.2mm~0.3mm厚的PZT4,金屬基 板為被青銅，且厚度比范圍為Q = I~2.5,此時的發(fā)電量較大、即能量比較大;能量比是指各 不同厚度比壓電振子一次彎曲變形所產生的電能與其中的最大值之比。
[0005] 工作過程中，主軸端部法蘭經(jīng)螺釘安裝在風力發(fā)電機葉片或旋轉軸上并隨之旋 轉，壓電振子、分流器、及左右推流板隨主軸轉動；工作腔內的液體在其自身慣性力作用下 處于工作腔底部，在分流器、左右推流板未轉入液體內部時，液體處于相對靜止狀態(tài)。
[0006] 當分流器與其左右兩側相鄰的壓電振子同時轉入液體內部時，處于分流器前面的 液體因受分流器作用而向左右兩側運動并迫使壓電振子向遠離分流器的方向彎曲變形，待 所述壓電振子及分流器轉出液體時，壓電振子在其自身彈性力及離屯、力的作用下復位。
[0007] 當左右推流板及其相鄰壓電振子同時轉入液體內部時，處于左右推流板前面的液 體因受左右推流板的作用而向工作腔中部流動，從而迫使壓電振子向遠離它所靠近的左推 流板或右推流板的方向彎曲變形，待所述壓電振子、左右分流板轉出液體時，所述壓電振子 在其自身彈性力及離屯、力的作用下復位。當壓電振子交替地轉入液體、轉出液體時，便產生 連續(xù)的彎曲變形，從而將機械能轉換成電能。
[0008] 當壓電振子受液體作用發(fā)生較大時，壓電振子的金屬基板將貼靠在限位框的限位 面上，從而避免壓電晶片因變形過大而損毀;因限位框的限位面為圓弧曲面、各點曲率半徑 相等，金屬基板完全貼靠在限位曲面上時壓電晶片上各點的應力及發(fā)電量相等，從而有效 地提高了壓電振子的發(fā)電能力；當本實用新型中壓電振子的金屬基板完全貼靠在限位框的 限位曲面上且壓電晶片所受應力與傳統(tǒng)懸臂梁結構壓電振子的壓電晶片所受應力相同時， 本實用新型中壓電振子所獲得的電能為傳統(tǒng)懸臂梁壓電振子發(fā)電量的4倍。
[0009] 優(yōu)勢與特色：1)利用分流器及推流板改變液體流動狀態(tài)實現(xiàn)壓電振子振動激勵， 無剛性接觸沖擊、無電磁干擾，尤其適于要求無電磁干擾的無線傳感監(jiān)測系統(tǒng);2)利用液體 慣性力及流動性實現(xiàn)轉動自激發(fā)電，無需外界固定支撐，可置于葉片或其轉軸上;3)壓電晶 片工作在壓應力狀態(tài)下、且最大應力可控，可靠性高、發(fā)電能力強。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本實用新型一個較佳實施例中俘能器的結構示意圖；
[0011] 圖2是圖1的A-A剖視圖；
[0012] 圖3是本實用新型一個較佳實施例中外筒的結構示意圖；
[0013] 圖4是本實用新型一個較佳實施例中左壁板的結構示意圖；
[0014] 圖5是圖3的B-B剖視圖；
[001引圖6是圖4的C-詔Ij視圖；
[0016] 圖7是本實用新型一個較佳實施例中限位框的結構示意圖；
[0017] 圖8是圖7的左視圖；
[0018] 圖9是壓電振子的能量比與厚度比的關系曲線。
【具體實施方式】
[0019] 內筒e的筒壁el兩端分別通過螺釘安裝有左壁板C和右壁板a,外筒b的筒壁bl的左 右兩端分別通過螺釘與左壁板C和右壁板a相連，左壁板C、右壁板a、外筒b及內筒e共同構成 工作腔K，工作腔K中填充有低粘度液體；內筒e套在主軸f上，主軸f端部經(jīng)螺釘固定有壓板 h，壓板h壓靠在右壁板a上;外筒b的筒壁bl的內側均布地設有N個分流器b2，左壁板C上均布 地設有N個左推流板cl、右壁板a上均布地設有N個右推流板al，內筒e的筒壁el外緣的軸臺 e2兩端都通過螺釘均布地安裝有2N個發(fā)電單元I，N=1~5;發(fā)電單元I由一個壓電振子g和 一個限位框d構成，壓電振子g由金屬基板gl和壓電晶片g2粘接而成;壓電晶片g2的長度和 寬度分別小于限位框d的空腔dl的長度和寬度，金屬基板gl的長度和寬度分別大于限位框d 的空腔d2的長度和寬度，壓電晶片g2靠近限位框d安裝且位于限位框d的空腔d2內；位于內 筒e的筒壁el外緣的軸臺e2兩端的同一軸截面內的兩個發(fā)電單元I對稱安裝，分流器b2位于 兩個對稱安裝的發(fā)電單元I之間，且壓電振子g靠近分流器b2安裝;分流器b2的兩個分流板 間存在一定的分流角，分流角的取值范圍為Ql = 60~120度;左推流板Cl與左壁板C間存在 一定的左推流角，右推流板al與右壁板a間存在一定的右推流角，左推流角和右推流角相等 且其取值范圍為Q2 = 30~60度，左推流板Cl與右推流板al對稱安裝，所述兩個對稱安裝的 左推流板Cl和右推流板al與其在圓周上相鄰的分流器g2間的夾角為Q3=180/N度；左推流 板Cl及右推流板al分別與其相鄰的發(fā)電單元I中的壓電振子g靠近安裝。
[0020] 本實用新型中，為提高壓電振子g的可靠性和發(fā)電能力，限位框d的限位面d2為圓 弧曲面且其曲率半徑為
庚中，Ci = WAp為厚度比， hm和hp分別為金屬基板gl和壓電晶片g2的厚度;壓電晶片g2為0.2mm~0.3mm厚的PZT4,金屬 基板gl為被青銅且厚度比范圍為1~2.5,此時的發(fā)電量較大、即能量比較大;能量比是指各 不同厚度比的壓電振子g的一次彎曲變形所產生的電能與其中的最大值之比。
[0021] 工作過程中，主軸f端部的法蘭通過螺釘安裝在風力發(fā)電機葉片或旋轉軸上并隨 之旋轉，壓電振子g、分流器b2、左推流板Cl及右推流板al隨主軸f轉動;工作腔K內的液體在 其自身慣性力作用下處于工作腔K的底部，在分流器d2、左推流板Cl及右推流板al未轉入液 體內部時，液體處于相對靜止狀態(tài)。
[0022] 當分流器d2與其左右兩側相鄰的壓電振子g同時轉入液體內部時，處于分流器d2 前面的液體因受分流器d2作用而向左右兩側運動并迫使壓電振子g向遠離分流器d2的方向 彎曲變形，待所述壓電振子g及分流器d2轉出液體時，壓電振子g在其自身彈性力及離屯、力 的作用下復位。
[0023] 當左推流板cl、右推流板al及其相鄰壓電振子g同時轉入液體內部時，處于左推流 板Cl及右推流板al前面的液體因受左推流板Cl或右推流板al的作用而向工作腔K的中部流 動，從而迫使壓電振子g向遠離它所靠近的左推流板C1或右推流板al的方向彎曲變形，待所 述壓電振子g、左分流板Cl及右分流板al轉出液體時，所述壓電振子g在其自身彈性力及離 屯、力的作用下復位。當壓電振子g交替地轉入液體、轉出液體時，便產生連續(xù)的彎曲變形，從 而將機械能轉換成電能。
[0024]當壓電振子g受液體作用發(fā)生較大時，壓電振子g的金屬基板gl將貼靠在限位框d 的限位面d2上，從而避免壓電晶片g2因變形過大而損毀；因限位框d的限位面為圓弧曲面、 各點曲率半徑相等，金屬基板gl完全貼靠在限位曲面d2上時壓電晶片g2上各點的應力及發(fā) 電量相等，從而有效地提高了壓電振子g的發(fā)電能力；當本實用新型中壓電振子g的金屬基 板完全貼靠在限位框d的限位曲面d2上且壓電晶片g2所受應力與傳統(tǒng)懸臂梁結構壓電振子 的壓電晶片所受應力相同時，本實用新型中壓電振子g所獲得的電能為傳統(tǒng)懸臂梁壓電振 子發(fā)電量的4倍。
【主權項】
1. 一種用于風力發(fā)電機葉片監(jiān)測系統(tǒng)供電的液體耦合激勵俘能器，其特征在于：內筒 筒壁兩端分別安裝有左右壁板，外筒筒壁兩端分別與左右壁板相連，左右壁板及內外筒構 成工作腔，作腔中填充有低粘度液體；內筒套在主軸上，主軸端部固定有壓板，壓板壓靠在 右壁板上；外筒筒壁內側設有分流器，左壁板上設有左推流板、右壁板上設有右推流板，內 筒筒壁外緣軸臺兩端都裝有發(fā)電單元;發(fā)電單元由一個壓電振子和一個限位框構成，壓電 振子由金屬基板和壓電晶片粘接而成;壓電晶片長度和寬度分別小于限位框空腔的長度和 寬度，金屬基板長度和寬度分別大于限位框空腔的長度和寬度，壓電晶片靠近限位框安裝 且位于限位框空腔內；位于內筒筒壁外緣軸臺兩端的同一軸截面內的兩個發(fā)電單元對稱安 裝，分流器位于兩個對稱安裝的發(fā)電單元之間，且壓電振子靠近分流器安裝。
【文檔編號】H02N2/18GK205681352SQ201620626278
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日 公開號201620626278.4, CN 201620626278, CN 205681352 U, CN 205681352U, CN-U-205681352, CN201620626278, CN201620626278.4, CN205681352 U, CN205681352U
【發(fā)明人】曾平, 嚴夢加, 何恒錢, 王淑云, 闞君武
【申請人】浙江師范大學