一种用于风力发电机叶片监测系统供电的液体耦合激励俘能器

摘要

本发明涉及一种用于风力发电机叶片监测系统供电的液体耦合激励俘能器，属压电发电领域。内外筒壁两端通过安装左右壁板构成工作腔并填充有液体；外筒壁内侧设有分流器，左右壁板上分别设有左右推流板，内筒外缘轴台两端装有由压电振子和限位框构成发电单元；压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成，压电晶片靠近限位框安装，分流器位于两发电单元之间且压电振子靠近分流器；对称安装的左右推流板与其相邻发电单元中的压电振子靠近安装。优势特色：利用分流器及推流板改变液体流动状态实现压电振子激励，无刚性接触冲击、无电磁干扰、无需外界固定支撑，尤其适于要求无电磁干扰的场合；压电晶片仅承受范围可控的压应力作用，发电能力强、可靠性高。

权利要求

1.一种用于风力发电机叶片监测系统供电的液体耦合激励俘能器，其特征在于：内筒筒壁两端分别安装有左壁板、右壁板，外筒筒壁两端分别与左壁板、右壁板相连，左壁板、右壁板、内筒及外筒构成工作腔，工作腔中填充有低粘度液体；内筒套在主轴上，主轴端部固定有压板，压板压靠在右壁板上；外筒筒壁内侧均布地设有N个分流器，左壁板上均布地设有N个左推流板、右壁板上均布地设有N个右推流板，内筒筒壁外缘轴台两端都均布地装有

2N个发电单元，N＝1～5；发电单元由一个压电振子和一个限位框构成，压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；压电晶片长度和宽度分别小于限位框空腔的长度和宽度，金属基板长度和宽度分别大于限位框空腔的长度和宽度，压电晶片靠近限位框安装且其中一端安装于限位框空腔内；位于内筒筒壁外缘轴台两端的同一轴截面内的两个发电单元对称安装，分流器位于两个对称安装的发电单元之间，且压电振子靠近分流器安装；分流器的两个分流板间存在60～120度的分流角；左推流板与左壁板间存在左推流角，右推流板与右壁板间存在右推流角，左推流角和右推流角相等且其取值范围为30～60度；左推流板和右推流板对称安装，左推流板和右推流板与其在圆周上相邻的分流器间的夹角为180/N度；左推流板和右推流板分别与其相邻的发电单元中的压电振子靠近安装；限位框的限位面为圆弧曲面且其曲率半径R为： 其中，α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片的厚度；压电晶片为0.2mm～0.3mm厚的PZT4，金属基板为铍青铜且厚度比范围为1～2.5；工作过程中，主轴端部法兰经螺钉安装在风力发电机叶片或旋转轴上并随之旋转，压电振子、分流器、左推流板及右推流板随主轴转动；工作腔内的液体在其自身惯性力作用下处于工作腔底部，在分流器、左推流板及右推流板未转入液体内部时，液体处于相对静止状态。

说明书

一种用于风力发电机叶片监测系统供电的液体耦合激励俘

能器

技术领域

[0001] 本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种用于风力发电机叶片监测系统供电的液体耦合激励俘能器。

背景技术

[0002] 叶片是风力发电机接收风能并将其转换成动能的关键部件，决定了发电机可靠性及使用寿命。风力发电机叶片通常工作在较恶劣的环境下，且自身结构尺度、重量及工作载荷等都很大，除因受雷击和地震等不可抗拒自然灾害损毁外，自然腐蚀、磨损及疲劳应力等造成损伤也不可避免。实践表明，风力发电机运行过程中所发生事故的三分之一是因叶片损伤所引起的，故叶片健康监测势在必行。随着风机叶片长度以及风机总体数量的日益增加，以往依靠人工定期检查并加以维护的方法已无法满足生产需求。因此，人们提出了多种形式的风力发电机叶片健康状态监测方法，为叶片裂纹、磨损及变形等状态的实时监测提供了有效的手段。但现有传感监测系统的供电问题目前尚未得到很好的解决，故难于大范围地推广应用，因为传感监测系统需要安装在叶片上并随叶片转动，无法通过导线提供电能，而采用电池供电时需经常停机更换电池，因此人们提出了多种压电发电机为监测系统供电。现有大部分旋转式压电发电机的特点是必须通过轴承座或轴承盖等“固定件”与轴类“旋转体”间的相对转动实现压电振子的有效激励，无法用于“无固定支撑”的旋转体发电需求；此外，现有风力发电机叶片监测系统用的压电发电机大都采用磁力耦合实现非接触激励的，电磁干扰会降低无线监测信号的准确性和实时性，严重时甚至导致监测系统无法正常工作。

发明内容

[0003] 针对现有风力发电机叶片监测系统供电方面所存在的问题，本发明提出一种用于风力发电机叶片监测系统供电的液体耦合激励俘能器。本发明采用的实施方案是：内筒筒壁两端分别通过螺钉安装有左壁板和右壁板，外筒筒壁左右两端分别通过螺钉与左壁板和右壁板相连，左壁板、右壁板、内筒及外筒构成工作腔，工作腔中填充有低粘度液体；内筒套在主轴上，主轴端部经螺钉固定有压板，压板压靠在右壁板上；外筒筒壁内侧均布地设有N个分流器，左壁板上均布地设有N个左推流板、右壁板上均布地设有N个右推流板，内筒筒壁外缘轴台两端都通过螺钉均布地安装有2N个发电单元，N＝1～5；发电单元由一个压电振子和一个限位框构成，压电振子由金属基板和压电晶片粘接而成；压电晶片长度和宽度分别小于限位框空腔的长度和宽度，金属基板长度和宽度分别大于限位框空腔的长度和宽度，压电晶片靠近限位框安装且其中一端安装于限位框空腔内；位于内筒筒壁外缘轴台两端的同一轴截面内的两个发电单元对称安装，分流器位于两个对称安装的发电单元之间，且压电振子靠近分流器安装；分流器的两个分流板间存在60～120度的分流角；左推流板与左壁板间存在左推流角，右推流板与右壁板间存在右推流角，左推流角和右推流角相等且其取值范围为30～60度，左推流板和右推流板对称安装，左推流板和右推流板与其在圆周上相邻的分流器间的夹角为180/N度；左推流板和右推流板分别与其相邻的发电单元中的压电振子靠近安装。

[0004] 本发明中，为提高压电振子的可靠性和发电能力，限位框的限位面为圆弧曲面且其合理的曲率半径为： 其中，α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板和压电晶片的厚度；压电晶片为0.2mm～0.3mm厚的PZT4，金属基板为铍青铜，且厚度比范围为α＝1～2.5，此时的发电量较大、即能量比较大；能量比是指各不同厚度比压电振子一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比。

[0005] 工作过程中，主轴端部法兰经螺钉安装在风力发电机叶片或旋转轴上并随之旋转，压电振子、分流器、左推流板及右推流板随主轴转动；工作腔内的液体在其自身惯性力作用下处于工作腔底部，在分流器、左推流板及右推流板未转入液体内部时，液体处于相对静止状态。

[0006] 当分流器与其左右两侧相邻的压电振子同时转入液体内部时，处于分流器前面的液体因受分流器作用而向左右两侧运动并迫使压电振子向远离分流器的方向弯曲变形，待所述压电振子及分流器转出液体时，压电振子在其自身弹性力及离心力的作用下复位。

[0007] 当左推流板、右推流板及其相邻压电振子同时转入液体内部时，处于左推流板和右推流板前面的液体因受左推流板和右推流板的作用而向工作腔中部流动，从而迫使压电振子向远离它所靠近的左推流板或右推流板的方向弯曲变形，待所述压电振子、左分流板及右分流板转出液体时，所述压电振子在其自身弹性力及离心力的作用下复位。当压电振子交替地转入液体、转出液体时，便产生连续的弯曲变形，从而将机械能转换成电能。

[0008] 当压电振子受液体作用发生较大时，压电振子的金属基板将贴靠在限位框的限位面上，从而避免压电晶片因变形过大而损毁；因限位框的限位面为圆弧曲面、各点曲率半径相等，金属基板完全贴靠在限位曲面上时压电晶片上各点的应力及发电量相等，从而有效地提高了压电振子的发电能力；当本发明中压电振子的金属基板完全贴靠在限位框的限位曲面上且压电晶片所受应力与传统悬臂梁结构压电振子的压电晶片所受应力相同时，本发明中压电振子所获得的电能为传统悬臂梁压电振子发电量的4倍。

[0009] 优势与特色：1)利用分流器及推流板改变液体流动状态实现压电振子振动激励，无刚性接触冲击、无电磁干扰，尤其适于要求无电磁干扰的无线传感监测系统；2)利用液体惯性力及流动性实现转动自激发电，无需外界固定支撑，可置于叶片或其转轴上；3)压电晶片工作在压应力状态下、且最大应力可控，可靠性高、发电能力强。

附图说明

[0010] 图1是本发明一个较佳实施例中俘能器的结构示意图；

[0011] 图2是图1的A-A剖视图；

[0012] 图3是本发明一个较佳实施例中外筒的结构示意图；

[0013] 图4是本发明一个较佳实施例中左壁板的结构示意图；

[0014] 图5是图3的B-B剖视图；

[0015] 图6是图4的C-C剖视图；

[0016] 图7是本发明一个较佳实施例中限位框的结构示意图；

[0017] 图8是图7的左视图；

[0018] 图9是压电振子的能量比与厚度比的关系曲线。

具体实施方式

[0019] 内筒e的筒壁e1两端分别通过螺钉安装有左壁板c和右壁板a，外筒b的筒壁b1的左右两端分别通过螺钉与左壁板c和右壁板a相连，左壁板c、右壁板a、外筒b及内筒e共同构成工作腔K，工作腔K中填充有低粘度液体；内筒e套在主轴f上，主轴f端部经螺钉固定有压板h，压板h压靠在右壁板a上；外筒b的筒壁b1的内侧均布地设有N个分流器b2，左壁板c上均布地设有N个左推流板c1、右壁板a上均布地设有N个右推流板a1，内筒e的筒壁e1外缘的轴台e2两端都通过螺钉均布地安装有2N个发电单元I，N＝1～5；发电单元I由一个压电振子g和一个限位框d构成，压电振子g由金属基板g1和压电晶片g2粘接而成；压电晶片g2的长度和宽度分别小于限位框d的空腔d1的长度和宽度，金属基板g1的长度和宽度分别大于限位框d的空腔d2的长度和宽度，压电晶片g2靠近限位框d安装且位于限位框d的空腔d2内；位于内筒e的筒壁e1外缘的轴台e2两端的同一轴截面内的两个发电单元I对称安装，分流器b2位于两个对称安装的发电单元I之间，且压电振子g靠近分流器b2安装；分流器b2的两个分流板间存在一定的分流角，分流角的取值范围为Q1＝60～120度；左推流板c1与左壁板c间存在一定的左推流角，右推流板a1与右壁板a间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围为Q2＝30～60度，左推流板c1与右推流板a1对称安装，所述两个对称安装的左推流板c1和右推流板a1与其在圆周上相邻的分流器g2间的夹角为Q3＝180/N度；左推流板c1及右推流板a1分别与其相邻的发电单元I中的压电振子g靠近安装。

[0020] 本发明中，为提高压电振子g的可靠性和发电能力，限位框d的限位面d2为圆弧曲面且其曲率半径为： 其中，α＝hm/hp为厚度比，hm和hp分别为金属基板g1和压电晶片g2的厚度；压电晶片g2为0.2mm～0.3mm厚的PZT4，金属基板g1为铍青铜且厚度比范围为1～2.5，此时的发电量较大、即能量比较大；能量比是指各不同厚度比的压电振子g的一次弯曲变形所产生的电能与其中的最大值之比。

[0021] 工作过程中，主轴f端部的法兰通过螺钉安装在风力发电机叶片或旋转轴上并随之旋转，压电振子g、分流器b2、左推流板c1及右推流板a1随主轴f转动；工作腔K内的液体在其自身惯性力作用下处于工作腔K的底部，在分流器d2、左推流板c1及右推流板a1未转入液体内部时，液体处于相对静止状态。

[0022] 当分流器d2与其左右两侧相邻的压电振子g同时转入液体内部时，处于分流器d2前面的液体因受分流器d2作用而向左右两侧运动并迫使压电振子g向远离分流器d2的方向弯曲变形，待所述压电振子g及分流器d2转出液体时，压电振子g在其自身弹性力及离心力的作用下复位。

[0023] 当左推流板c1、右推流板a1及其相邻压电振子g同时转入液体内部时，处于左推流板c1及右推流板a1前面的液体因受左推流板c1或右推流板a1的作用而向工作腔K的中部流动，从而迫使压电振子g向远离它所靠近的左推流板c1或右推流板a1的方向弯曲变形，待所述压电振子g、左分流板c1及右分流板a1转出液体时，所述压电振子g在其自身弹性力及离心力的作用下复位。当压电振子g交替地转入液体、转出液体时，便产生连续的弯曲变形，从而将机械能转换成电能。

[0024] 当压电振子g受液体作用发生较大时，压电振子g的金属基板g1将贴靠在限位框d的限位面d2上，从而避免压电晶片g2因变形过大而损毁；因限位框d的限位面为圆弧曲面、各点曲率半径相等，金属基板g1完全贴靠在限位曲面d2上时压电晶片g2上各点的应力及发电量相等，从而有效地提高了压电振子g的发电能力；当本发明中压电振子g的金属基板完全贴靠在限位框d的限位曲面d2上且压电晶片g2所受应力与传统悬臂梁结构压电振子的压电晶片所受应力相同时，本发明中压电振子g所获得的电能为传统悬臂梁压电振子发电量的4倍。