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

一种利用低速气流流致振动收集电能的方法
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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