1.本发明涉及一种能量回收技术，主要为一种能在不同风速条件下收集能量的压电旗帜装置。
背景技术：2.随着社会发展，环保问题越来越受重视，传统能源所带来的污染问题也引起人们的关注。以太阳能、风能、声能为代表的新能源得到了迅速且长足的发展，其主要特点是不会对环境产生污染、能量来源持续不断、容易获取等。
3.经济快速发展，越来越多的高楼拔地而起，所需的能量也与日俱增。高楼之间的地方缺乏太阳能，却有相对较为丰富的风能。利用风能发电的一般形式是将风能转化为结构的振动机械能，再将机械能转化为电能。对于微型化风能回收的第一过程(由风能转化为机械能)，目前国内外主要研究的方式有两种，一种是风致旋转，典型的结构是风车式；另一种是风致振动，主要的振动方式包括涡振、颤振、弛振、谐振腔。对于微型化风能回收的第二过程(由机械能转化为电能)，主要方式分为静电式、电磁式和压电式。通常根据第一过程的结构不同，会选用不同的方式进行电能回收。
4.传统的风能回收装置往往采用飞车式结构，结构庞大，前期投入巨大且受制于地域，而小型化智能化多能量复合型回收装置将会成为未来的发展的趋势。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种能在不同风速条件下收集能量的压电旗帜装置，通过将压电薄膜和压电陶瓷粘连在弹性基底层上，实现将风能转换为电能。因为压电陶瓷与压电薄膜的硬度差距较大，可实现多风速区间的能量收集，同时可以避免旗帜呈“s”型时的正负电荷抵消，避免了装置损坏和无法收集能量。两片压电陶瓷之间留有一定距离，避免压电陶瓷无法产生形变。
6.本发明所述一种能在不同风速条件下收集能量的压电旗帜装置，包括压电薄膜、压电陶瓷、弹性基底层和钝体；以所述弹性基底层作为基础，所述压电薄膜完全覆盖在弹性基底层的两面上；所述弹性基底层的每一面覆盖有两块大小相同的所述压电陶瓷；所述弹性基底层末端安装有钝体。
7.在每一面的所述压电薄膜上粘贴两块大小相同、极化方向一致的所述压电陶瓷，以所述弹性基底层的前端为起始端且在起始端对齐，将所述三层材料用绝缘材料覆盖放入旗杆内，所述钝体在所述弹性基底层末端。当风吹过钝体带动弹性基底层振动，将风能变成机械能，所述弹性基底层带动所述压电薄膜持续振动将机械能转化为电能，当风速达到一定数值时所述弹性基底层带动所述压电薄膜和所述压电陶瓷同时振动将机械能转化为电能。由于所述压电薄膜和所述压电陶瓷硬度区别较大可以防止产生”s“型弯曲，所述压电陶瓷之间留有一定距离避免不产生形变。
8.进一步的，在每一面的所述压电薄膜的前端接入正负极各有一个，在电极线上加
上绝缘层用以连接。
9.进一步的，所述弹性基底层和所述压电薄膜长l1，宽b1，每块所述压电陶瓷长l2，宽b2，所述压电陶瓷前端和所述压电薄膜前端相粘连。
10.进一步的，每块压电陶瓷的前端都连接有正负极，以绝缘层覆盖连接，将同一个面的压电陶瓷的电极与所述同一面的压电薄膜的正负极并联。
11.进一步的，将两个面的正负极相并联，两个面并联后的正极相连作为该装置的正极、两个面并联后的负极相连作为该装置的负极。
12.进一步的，在所述弹性基底层和所述压电薄膜粘合后的后端加装钝体，所述钝体质量较轻，风吹过时带动所述弹性基底层振动。
13.进一步的，根据当地的风速条件，调整所述压电薄膜长度l1和所述压电陶瓷长度l2的比值来调整装置的振动频率以达到最大能量回收效率。
14.进一步的，所述弹性基底层弯曲刚度选择范围在0.1-0.5之间。
15.进一步的，在压电薄膜和压电陶瓷的数目保持不变且弹性基底层弯曲刚度不变的情况下，调整钝体体积和质量的大小用以提高发电量。
16.有益效果：
17.(1)弹性基底层的前端固定在旗杆上，以末端钝体带动弹性基底层一起振动，当风吹过钝体时弹性基底层会产生持续性自振，将风能转化为机械能，带动压电薄膜和压电陶瓷振动将机械能转化为电能。
18.(2)由于压电薄膜和压电陶瓷的硬度不同，不会导致在风速高的情况下旗帜呈“s“型带来的正负电荷抵消现象。
19.(3)压电薄膜和压电陶瓷的韧性不同在同一个风速情况下振动频率不同，收集的电量不同，可以适应复杂气候情况，匹配多种风速，综合电能回收量较高。
20.(4)根据当地风速分布情况，通过改变压电薄膜长度l1和压电陶瓷长度l2的比值来调整能量回收效率和防止出现“s”型形变。
21.(5)由于压电陶瓷和压电薄膜硬度不同，在风速较低时只有压电薄膜振动，风速较高时两者一起振动，两种材料在振动中发电量不同，所以在不同风速下电能回收效率相较于单一材料更加高。
22.(6)将压电陶瓷和压电薄膜产生的交流电，接入整流器先整流再以并联的方式接入能量回收电路，整流后的交流电电压相同，并联的方式损耗最低，整体上回收能量最多。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图。
24.图中1为弹性基底层，2为压电陶瓷，3为钝体。
具体实施方式
25.下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。
26.如图1所示，一种能在不同风速条件下收集能量的压电旗帜装置，包括弹性基底层1、压电薄膜、压电陶瓷2、钝体3；弹性基底层与水平面相垂直，弹性基底层和压电薄膜长l1宽b1，压电陶瓷长l2宽b2。
27.所述压电薄膜贴在所述弹性基底层1上，所述压电薄膜的前端与所述弹性基底层1的前端相平齐，且所述弹性基底层1的两个面都贴上相同的一层压电薄膜，每一面的所述压电薄膜上覆盖有两片压电陶瓷2，压电陶瓷2的前端与压电薄膜的前端对齐，单面两片压电陶瓷2之间相互平行且贴合于弹性基底层1的前端，压电陶瓷2之间的极化方向保持一致且每片压电陶瓷2之间留有一定距离，两个面的压电陶瓷2极化方向都保持相同，压电薄膜和压电陶瓷之间的振动方向均一致，确保振动时压电薄膜和压电陶瓷产生的电流方向相同不会被抵消。将钝体3加装在弹性基底层1和压电薄膜的末端。每一个压电薄膜和压电陶瓷前端都粘贴有正负极，并将每个正负极相并联，先进行整流再接入能量回收电路。
28.本发明中压电薄膜采用pvdf材料制成，压电陶瓷2由压电双晶片组成，绝缘层将电极线覆盖起来避免了短路。
29.本发明公开的压电旗帜装置，在使用前需要根据安装地点的年平均风速，调整压电薄膜长度l1和压电陶瓷的长度l2的比值以使能量回收率更高。当所述弹性基底层弯曲刚度范围为0.1-0.5，弹性基底层在风中实现最大程度的持续性振荡，风吹过旗帜时产生旗面涡激振动效应。当压电薄膜层数不变和压电陶瓷数量不变时，调整钝体的体积大小可以提高弹性基底层振动幅度，达到更大的形变量。
30.本发明中钝体3带动弹性基底层振动产生旗面涡激振动效应，因此具有以下几个优点：
31.首先，在相当大的一个风速区间内持续性自振，可以持续性发电，在风速较大时实现相对高的能量回收效率。
32.第二，弹性基底层的持续性自振来源于风吹过钝体时产生的涡激振动效应，可以通过调整钝体的体积大小来适应风速，以达到最大的形变量从而达到最大的发电量。
33.第三，同时可以通过调整压电薄膜长度l1和压电陶瓷的长度l2的比值来调整该装置对于当地风速的适应情况。
34.压电旗帜的发电量取决于弹性基底层带动压电薄膜和压电陶瓷的振幅和频率，因为振动强度与振动加速度成正比，所以当风速越高时振动频率越高，振幅取决于弹性基底层的弯曲刚度，频率取决于弹性基底层的质量m。
35.第四，在制造装置之前根据所装地的实际情况，选好相应参数的弹性基底层和钝体，确保涡激振动达到最大化，产生的正压电效应最大化。
36.所述弹性基底层的弯曲刚度计算公式如下：
[0037][0038]
其中，为弯曲刚度，e为杨氏模量，hm为弹性基底层的厚度，v为泊松比，ρf为流体的密度，u为自由流的速度，l1为弹性基底层的横向长度。
[0039]
第五，压电陶瓷在风力与后端钝体和弹性基底层的综合作用下产生弯曲形变时，
其产生的电压可通过如下计算进行表示：
[0040][0041]
其中，h为装置总体的厚度，h＝h
p
+hm；h
p
为压电陶瓷的厚度；λh＝hm/h为厚度比；λe＝em/e
p
为弹性模量比；em为弹性基底层的弹性模量；e
p
为压电片的弹性模量；g
31
为压电电压常数；k、f分别为压电梁的等效刚度和自由端所受等效作用力。由上述公式知，可通过改变装置材料、尺寸等属性以提高输出交流电压。
[0042]
国内外诸多研究表明，钝体绕流产生的振动与简谐振动存在一定程度的类似，因此可以将钝体绕流振动的形式类比成简谐振动的形式，并假设钝体绕流振动产生的压强差与升力系数存在正比例关系，从而提出了简谐涡激力模型。
[0043][0044]
m表示钝体的质量，y表示钝体振动位移，ζ表示系统阻尼比，ωn表示漩涡脱落的角速度，ρ表示空气密度，z表示来流风速，i表示钝体高度，c
l
表示升力系数，ωs表示振动角速度，表示初相位，t表示振动的时间。
[0045]
其中当风速到达一定数值时钝体共振幅度公式如下：
[0046][0047]
μ
max
表示动力放大系数；本发明可以将被人忽视的风能转化为电能，给照明设施和相关市政设施供能，在一定程度上缓解了能源紧缺的情况，且风能是清洁能源对环境友好不会产生污染，具有较为深远的发展前景。
[0048]
本发明的旗面由弹性基底层1、压电薄膜、压电陶瓷2、钝体3构成。由风吹过钝体时产生涡激振动效应带动所述压电薄膜振动发电。
[0049]
本发明的旗帜由多种材料组成，采用双面覆盖的方式增加了发电量和发电功率。电路采用单面并联的方式，两面的每片压电陶瓷2的大小、极化方向、布置方式均相同，并且将两面的电极并联在一起，先通过整流后接入能量回收电路，可以最大限度的收集能量并减少损耗。压电薄膜在较小风速时随弹性基底层1振动产生电流，风速较大时压电薄膜和压电陶瓷2同时振动产生较大的发电量，压电陶瓷2的极化方向和压电薄膜的方向相同避免产生的交流电相互抵消。钝体3起到带动装置产生涡激振动的效果，并且可以根据当地的风速条件适当调整钝体的质量达到保护装置的效果，在安装前分析当地的平均风速条件调整压电薄膜长度l1和压电陶瓷长度l2的比值来实现装置的最大的振动幅度和最大发电量。
[0050]
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
技术特征：1.一种能在不同风速情况下收集能量的压电旗帜装置，其特征在于：组成包括弹性基底层、压电薄膜、压电陶瓷和钝体；以所述弹性基底层作为基础，所述压电薄膜完全覆盖在弹性基底层的两面上；所述弹性基底层的每一面覆盖有两块大小相同的所述压电陶瓷；所述弹性基底层末端安装有钝体。2.根据权利要求1所述的一种能在不同风速情况下收集能量的压电旗帜装置，其特征在于：所述压电陶瓷安装在所述弹性基底层的起始端，在同一面的两个所述压电陶瓷之间留有一定距离。3.根据权利要求1所述的一种能在不同风速情况下收集能量的压电旗帜装置，其特征在于：所述压电陶瓷与压电薄膜的极化方向一致，均垂直于弹性基底层且指向弹性基底层；所述压电陶瓷与同一面的所述压电薄膜振动方向一致，将同一面的两块压电陶瓷与压电薄膜先接入整流器后进行并联，两面的压电陶瓷的极化方向均保持一致，将两面所有的正负极先整流再加以并联接入能量储存电路。4.根据权利要求1所述的一种能在不同风速条件下收集能量的压电旗帜装置，其特征在于：所述压电薄膜和所述弹性基底层长相同均为l1，宽均为b1，所述压电陶瓷长为l2，宽为b2，通过调节所述压电薄膜长度l1和所述压电陶瓷长度l2的比值来适应当地风速的变化和提高此种压电旗帜装置的综合能量回收效率。
技术总结本发明公开了一种能在不同风速情况下收集能量的压电旗帜装置，主要用于在高楼间，太阳能不足而具有较大风能的地方。包括弹性基底层、压电陶瓷、压电薄膜、钝体；以所述弹性基底层为底，所述压电薄膜覆盖在弹性基底层双面上，旗帜的双面均覆盖两片大小、极化方向相同的所述压电陶瓷，两片压电陶瓷之间留有一定距离，在所述弹性基底层和所述压电薄膜黏贴的装置后加装一个质量较轻的钝体。在风速较小时所述弹性基底层在所述钝体的带动下持续振动将风能转化为机械能，带动所述压电薄膜持续振荡将机械能转化为电能。在风速较大时所述钝体带动所述弹性基底层持续自振荡将风能转化为机械能，所述弹性陶瓷层和所述压电薄膜均持续振动将机械能转化为电能。动将机械能转化为电能。动将机械能转化为电能。
技术研发人员：陈远晟 刘鑫 郑雷 沈振兴 刘绍娜 杨聪
受保护的技术使用者：盐城工学院
技术研发日：2022.05.09
技术公布日：2022/7/5
