CN103075313A - 一种利用低速气流流致振动收集电能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用低速气流流致振动收集电能的方法,低速气流通过集风流道进行整流和加速,绕流振动钝体产生旋涡脱落,激励振动钝体振动,将流体流动能转换为振动钝体振动机械能,利用电磁感应发电机将振动钝体振动机械能转换为电能;旋涡形成过程中会向下游移动,进一步激励柔性压电振动片产生形变,并随旋涡流过而摆动,振动钝体带动柔性压电振动片运动,直接将流体流动能转换为电能。利用低速气流流致振动收集电能的方法简单,所需启动风速低,能量转换效率高;采用电磁感应和压电效应两种方式收集电能,大幅提高发电能力。
Description
技术领域
本发明涉及风能发电领域,尤其涉及一种低速气流绕流钝体引起流致振动进行电能收集的方法。
背景技术
随着世界经济发展,能源问题成为世界关注热点。化石能源利用使环境污染日益严重。开发利用新能源与可再生能源,成为当前能源领域的发展重点。环境中的流动能是一种非常重要的资源,风能是一种普遍存在的可再生资源。风力发电是风能的一种主要利用形式,第一台自动运行的且用于发电的风力机的发电机功率仅为12千瓦。之后学者提出的“风力场”使各个国家开始大规模发展风电。但发展风力场的先决条件是当地风能资源丰富。世界很多国家,尤其是发达国家,已充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性,对风电开发给予了高度重视。风电装机容量上也在以每年近30%的速度加速发展,主要有恒速风电系统和变速恒频风电系统。目前,大型风电机组单机容量可达数十兆瓦,中小型风电机组为十千瓦到数百千瓦的。但世界上风力资源丰富的地区和区域毕竟有限,大多数地区的风能资源相对贫乏,风力较弱。但目前对于微风能的利用研究仍处于起始探索阶段,并且存在较多的问题。如能利用自然界的微风进行发电,则可极大提高风能的利用范围。将对微风能-振动能的利用与发电技术相结合,其供能范围将极大扩展而且更为灵活,微风发电机在电子、机电、航空和国防军事等领域具有极为广阔的应用前景;如用于应急照明,军用微型电源,为野外监测仪器设备、传感器及侦察器供电,替代蓄电池等,对推动我国可再生能源的利用技术和国民经济的发展具有重要意义。
由于微风是低速气流,风力较小,其收集存在较大困难。传统涡轮风能发电装置由于存在转动部件,导致摩擦力消耗部分能量,难以应用于对微风能的收集,特别是对于微型动力装置的应用会有更大困难。随着装置尺寸小型化,滑动或滚动摩擦力均会显著增加。
现有风能发电技术主要是利用旋转式电磁感应发电机,此类发电技术所需启动风速大,能量损耗大,效率低。流致振动发电技术已经提出不少形式,但多数集中在水流中,而且存在着技术(结构)不合理,发电量小,系统设计困难等缺陷,特别是针对低速气流的利用更为困难。利用流速较低的微风产生流致振动进行发电的技术还尚未见报道。
发明内容
针对现有技术中的不足之处,本发明的目的在于提供了一种简单,结构设计容易,能量转换效率高的利用低速气流流致振动收集电能的方法。
为了解决上述技术问题,本发明采用了如下技术方案:
一种利用低速气流流致振动收集电能的方法,在该方法中采用了一种收集电能的装置,该收集电能的装置包括振动钝体、柔性压电振动片、弹簧、动力传输皮带、电磁感应发电机和定滑轮;所述振动钝体为空心柱体,其轴线水平设置,振动钝体的上侧和下侧分别固定一弹簧,振动钝体通过弹簧悬空设置;所述振动钝体的左侧为迎风面,振动钝体的右侧为背风面;所述柔性压电振动片由压电材料制成,柔性压电振动片的一端固定在振动钝体的背风面上,另一端水平伸出为自由端;所述定滑轮固定在振动钝体一端的上方,电磁感应发电机固定在振动钝体一端的下方;所述动力传输皮带套在定滑轮和电磁感应发电机的驱动轴上,动力传输皮带的一侧与振动钝体的一端固定连接;
该方法包括如下步骤:
电磁感应电能收集:低速气流通过集风流道进行整流和加速,绕流振动钝体产生旋涡脱落,激励振动钝体振动,振动钝体通过传输皮带带动定滑轮和电磁感应发电机的驱动轴转动,进而驱动电磁感应发电机发电;
压电效应电能收集:在柔性压电振动片连接振动钝体的一端布置输电导线,导线布置在振动钝体的内部;气流绕流振动钝体产生旋涡脱落,旋涡形成过程中会向下游移动,进一步激励柔性压电振动片产生形变,并随旋涡流过而摆动,柔性压电振动片产生的电能通过导线输出。
作为本发明的一种优选方案,所述柔性压电振动片沿气流流向的长度和振动钝体的特征尺寸相等。
本发明的有益效果是:利用低速气流流致振动收集电能的方法简单,所需启动风速低,能量转换效率高;采用电磁感应和压电效应两种方式收集电能,大幅提高发电能力。
附图说明
图1为收集电能的装置的结构示意图。
附图中: 1—振动钝体; 2—柔性压电振动片; 3—支撑弹簧; 4—迎风面; 5—背风面; 6—动力传输皮带; 7—电磁感应发电机; 8—定滑轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
一种利用低速气流流致振动收集电能的方法,在该方法中采用了一种收集电能的装置。
该收集电能的装置如图1所示,包括振动钝体1、柔性压电振动片2、弹簧3、动力传输皮带6、电磁感应发电机7和定滑轮8。振动钝体1为空心柱体,其轴线水平设置,振动钝体1的上侧和下侧分别固定一弹簧3,振动钝体1通过弹簧3悬空设置。振动钝体1的左侧为迎风面4,振动钝体1的右侧为背风面5。柔性压电振动片2由压电材料制成,柔性压电振动片2的一端固定在振动钝体1的背风面5上,另一端水平伸出为自由端,柔性压电振动片2沿气流流向的长度和振动钝体1的特征尺寸(振动钝体在垂直流向方向上的投影长度,本实施例中为振动钝体的直径)相等。定滑轮8固定在振动钝体1一端的上方,电磁感应发电机7固定在振动钝体1一端的下方。动力传输皮带6套在定滑轮8和电磁感应发电机7的驱动轴上,动力传输皮带6的一侧与振动钝体1的一端固定连接。
该利用低速气流流致振动收集电能的方法包括如下步骤:
电磁感应电能收集:振动钝体安装于流道中流速最大的位置,低速气流通过集风流道进行整流和加速,向振动钝体1的迎风面4运动,横向绕流振动钝体1,将在振动钝体1的上下两侧出现剪切层分离,由于剪切层的不稳定性波动,剪切层分离后会进一步卷起并形成旋涡。气流在绕流振动钝体1时形成的旋涡具有周期性交替脱落的特点,使振动钝体1表面形成周期性脉动升力,升力方向垂直于气流方向和振动钝体1的轴向。由于振动钝体1的运动方向被限制在与升力相同的方向上,所以在升力作用下,振动钝体1将沿升力方向运动。并且,在旋涡交替脱落过程中,升力在两个相反的方向交替变化(垂直于气流方向和振动钝体1轴向的正负两个方向)。因此,振动钝体1运动将表现为随旋涡脱落的周期性振动,将低速气流流动转换为结构振动。振动钝体1受到周期性交替变化的作用力而发生振动,振动钝体1通过传输皮带6带动定滑轮8和电磁感应发电机7的驱动轴转动,进而驱动电磁感应发电机7发电,将振动钝体1振动的机械能转换为电能。
压电效应电能收集:在柔性压电振动片2连接振动钝体1的一端布置输电导线,导线布置在振动钝体1的内部,防止其扰动流场。气流横向绕流振动钝体1时,将在振动钝体1的上下两侧形成的交替脱落的旋涡,柔性压电振动片2正好位于上下两侧脱落的旋涡之间。在旋涡形成并向下游移动的过程中,柔性压电振动片2在流体力作用下产生变形。同时,振动钝体1振动时将带动柔性压电振动片2一起运动,加大柔性压电振动片2的变形量。柔性压电振动片2利用压电效应将流体动能直接转换为电能。进一步利用柔性压电振动片2一端的输电导线将电能输出。
当气流速度不足以使振动钝体1产生振动时,气流在绕流振动钝体1的过程中仍然会出现剪切层分离,并产生旋涡脱落。脱落的旋涡将使柔性压电振动片2产生形变。因此,在气流速度低于使振动钝体1振动的速度时,仍可利用柔性压电振动片2进行电能收集。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种利用低速气流流致振动收集电能的方法,其特征在于,在该方法中采用了一种收集电能的装置,该收集电能的装置包括振动钝体(1)、柔性压电振动片(2)、弹簧(3)、动力传输皮带(6)、电磁感应发电机(7)和定滑轮(8);所述振动钝体(1)为空心柱体,其轴线水平设置,振动钝体(1)的上侧和下侧分别固定一弹簧(3),振动钝体(1)通过弹簧(3)悬空设置;所述振动钝体(1)的左侧为迎风面(4),振动钝体(1)的右侧为背风面(5);所述柔性压电振动片(2)由压电材料制成,柔性压电振动片(2)的一端固定在振动钝体(1)的背风面(5)上,另一端水平伸出为自由端;所述定滑轮(8)固定在振动钝体(1)一端的上方,电磁感应发电机(7)固定在振动钝体(1)一端的下方;所述动力传输皮带(6)套在定滑轮(8)和电磁感应发电机(7)的驱动轴上,动力传输皮带(6)的一侧与振动钝体(1)的一端固定连接;
该方法包括如下步骤:
电磁感应电能收集:低速气流通过集风流道进行整流和加速,绕流振动钝体(1)产生旋涡脱落,激励振动钝体(1)振动,振动钝体(1)通过传输皮带(6)带动定滑轮(8)和电磁感应发电机(7)的驱动轴转动,进而驱动电磁感应发电机(7)发电;
压电效应电能收集:在柔性压电振动片(2)连接振动钝体(1)的一端布置输电导线,导线布置在振动钝体(1)的内部;气流绕流振动钝体(1)产生旋涡脱落,旋涡形成过程中会向下游移动,进一步激励柔性压电振动片(2)产生形变,并随旋涡流过而摆动,柔性压电振动片(2)产生的电能通过导线输出。
2.根据权利要求1所述的一种利用低速气流流致振动收集电能的方法,其特征在于:所述柔性压电振动片(2)沿气流流向的长度和振动钝体(1)的特征尺寸相等。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141001 Termination date: 20190115 |
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