CN103762894A - 一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置，包括上圆柱体、下圆柱体、弹性压电片、端板、压电片固定轴、支撑弹簧和阻尼调节器；上圆柱体、下圆柱体和压电片固定轴通过在柱体两端设置的端板连接为一体，压电片固定轴距离上圆柱体和下圆柱体的距离相等，其轴心线与柱体的轴心线位于同一平面，弹性压电片一端连接在压电片固定轴上；两侧的端板与流道壁面之间分别设置阻尼调节器和支撑弹簧。该装置结构简单可靠，不会因摩擦力消耗部分能量，适用于流速较低时的能量收集；采用并列双圆柱振动共同驱动发电机，结合压电片形变时的压电效应直接将流动能转换为电能，可有效利用低速流动能进行发电，能量密度高，大幅提高发电能力。

Description

一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置

技术领域

本发明涉及一种利用流动能进行发电的装置，具体涉及一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置。

背景技术

目前，能源问题成为全球关注的热点，化石能源利用导致环境污染日益严重，可再生能源的开发利用受到各国高度重视，成为当今能源领域发展的重要方向。对于环境中可利用的可再生能源，风能、水流及洋流等形式的流动能是一种普遍存在的可再生资源。利用流体动能进行发电是一种主要的可再生能源利用形式。传统的风力发电和水力发电技术主要是利用流体作用力直接推动涡轮旋转，从而采用电磁感应发电机进行发电。然而，这一类发电设备工作时所需的来流速度大，能量损耗大。当来流速度低时，比如微风和小型河流中的水流，利用传统的流动能发电技术进行能量收集存在较大困难。

当钝体横向绕流时，在流速不很高的情况下就会形成边界层分离，随之产生脱体旋涡。钝体后旋涡脱落会在结构表面形成周期性脉动作用力，易形成流致振动。流致振动是一种自激振动现象，普遍存在于自然界和工程领域。该现象是一个流体与固体相互作用的过程，常见的流致振动现象包括颤振、驰振、涡致振动和抖振。在许多与流体相关的机械和工程问题中，流致振动是一个涉及安全性的重大问题，特别是近年来海洋工程、风工程、航空航天和核工程等的迅速发展，流致振动问题受到更为广泛的关注。如果能将流致振动与发电技术相结合，实现流动能向振动能、电能的高效转换。不仅能将这类不利振动现象有效利用，还能极大扩展流动能的利用范围。当来流速度较低时，利用流致振动进行发电，同时利用柔性压电片在钝体后旋涡形成和演化过程中的不断形变，进一步提高流致振动能量收集的密度。该发电技术可以为独立于电网的低功率用电设施提供电能，比如野外检测仪器设备、军用微型电源和应急照明等，具有极为广阔的应用前景，符合当今社会节能、环保、低碳的发展趋势，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。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，特别是针对来流速度较低的流体，本发明提供了一种结构设计容易、能量转换效率高的利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置，包括上圆柱体、下圆柱体、弹性压电片、端板、压电片固定轴、支撑弹簧和阻尼调节器；所述上圆柱体、下圆柱体和压电片固定轴通过在上圆柱体和下圆柱体两端设置的端板连接为一体，上圆柱体和下圆柱体呈一上一下并行排列，且直径相等，所述压电片固定轴距离上圆柱体和下圆柱体的距离相等，压电片固定轴的轴心线与上圆柱体和下圆柱体的轴心线平行且位于同一平面；所述弹性压电片一端连接在压电片固定轴上，另一端自由振动；所述上圆柱体和下圆柱体的两侧的端板分别通过竖直设置的直线轴承安装在流道壁面上，两侧的端板与流道壁面之间分别设置阻尼调节器和支撑弹簧，所述阻尼调节器的一端连接在端板上，阻尼调节器的另一端连接在流道壁面上，所述支撑弹簧的一端连接在端板上，支撑弹簧的另一端连接在流道壁面上。

作为本发明的一种优选方案，所述弹性压电片沿流向的长度为上圆柱体的直径的1.5倍，弹性压电片上下两侧分别连接电极引出导线，电极引出导线与处理电路连接。

与现有技术相比，本发明的一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置具有如下优点：

1、结构简单可靠，没有转动部件，不会因摩擦力消耗部分能量，适用于流速较低时的能量收集。

2、采用并列双圆柱振动共同驱动发电机，同时结合弹性压电片形变时的压电效应直接将流动能转换为电能，可有效利用低速流动能进行发电，能量密度高，大幅提高发电能力。

附图说明

图1为一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置的结构示意图；

图2为一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置的主视图；

图3为一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置的俯视图；

图4为一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置的左视图；

图5为圆柱体流致振动原理图。

附图中： 1—上圆柱体； 2—下圆柱体； 3—弹性压电片； 4—端板； 5—压电片固定轴； 6—支撑弹簧； 7—阻尼调节器； 8—流道壁面。

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。

如图1-4所示，一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置，包括上圆柱体1、下圆柱体2、弹性压电片3、端板4、压电片固定轴5、支撑弹簧6和阻尼调节器7。上圆柱体1、下圆柱体2和压电片固定轴5通过在上圆柱体1和下圆柱体2两端设置的端板4连接为一体，上圆柱体1和下圆柱体2呈一上一下并行排列，且直径相等。压电片固定轴5距离上圆柱体1和下圆柱体2的距离相等，压电片固定轴5的轴心线与上圆柱体1和下圆柱体2的轴心线平行且位于同一平面。弹性压电片3一端连接在压电片固定轴5上，另一端自由振动。上圆柱体1和下圆柱体2的两侧的端板4分别通过竖直设置的直线轴承安装在流道壁面8上，两侧的端板4与流道壁面8之间分别设置阻尼调节器7和支撑弹簧6，阻尼调节器7的一端连接在端板4上，阻尼调节器7的另一端连接在流道壁面8上，支撑弹簧6的一端连接在端板4上，支撑弹簧6的另一端连接在流道壁面8上，将并列双圆柱的运动方向限制于垂直来流方向和圆柱轴向，通过支撑弹簧6和阻尼调节器7调节双圆柱-端板振动系统整体的弹性系数和阻尼。同时，圆柱两侧端板4连接动力输出装置输出动能。

弹性压电片3沿流向的长度为上圆柱体1的直径的1.5倍，弹性压电片3上下两侧分别连接电极引出导线，电极引出导线与处理电路连接。处理电路中所有弹性压电片3上的电极引出导线的输出端都以并联方式接入一个整流电路中，将交流电转化为直流电，可以直接为负载供电或者为蓄电池充电。

当流体沿来流方向横向绕流并行排列的上圆柱体1、下圆柱体2时，在流速不高的情况下就会形成边界层自各个圆柱表面分离的现象，随之在各个圆柱下游产生脱体旋涡，如图5所示。旋涡脱落过程在圆柱体两侧交替发生,使圆柱周围应力产生周期性的脉动，从而导致圆柱体受到周期性的流体作用力,进而产生振动，即流致振动。双圆柱与两侧端板构成一个整体，在脉动流体力作用下整体发生振动。为了使双圆柱受到的流体力在同一方向，选取合适的圆柱间距，以保证上圆柱体1和下圆柱体2同侧的边界层同时分离，进而使并列双圆柱整体受到的合力最大，增加振动幅度。在脉动流体力作用下，上圆柱体1和下圆柱体2带动圆柱两侧端板4和压电片固定轴5发生周期性振动，进一步通过动力输出装置输出机械能，驱动发电机将机械能转换为电能输出。另一方面，上圆柱体1和下圆柱体2靠近压电片固定轴5一侧的边界层将出现交替分离，在弹性压电片3两侧交替形成脱体旋涡，在周期性变化的流体力作用下，压电片3将发生上下摆动，出现周期性形变。而且弹性压电片3会跟随压电片固定轴5的振动而运动，使弹性压电片3振幅增加，形变增大，进而利用压电效应将流体动能转换成电能，通过处理电路进行电能输出。弹性压电片3的存在提高了并列双圆柱流致振动的能量转换密度，在流速低于驱动双圆柱发生振动所需流速时，弹性压电片3仍能产生形变进行电能收集，扩大了流动能利用范围。

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，而不脱离本发明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)

1.一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置，其特征在于：包括上圆柱体（1）、下圆柱体（2）、弹性压电片（3）、端板（4）、压电片固定轴（5）、支撑弹簧（6）和阻尼调节器（7）；所述上圆柱体（1）、下圆柱体（2）和压电片固定轴（5）通过在上圆柱体（1）和下圆柱体（2）两端设置的端板（4）连接为一体，上圆柱体（1）和下圆柱体（2）呈一上一下并行排列，且直径相等，所述压电片固定轴（5）距离上圆柱体（1）和下圆柱体（2）的距离相等，压电片固定轴（5）的轴心线与上圆柱体（1）和下圆柱体（2）的轴心线平行且位于同一平面；所述弹性压电片（3）一端连接在压电片固定轴（5）上，另一端自由振动；所述上圆柱体（1）和下圆柱体（2）的两侧的端板（4）分别通过竖直设置的直线轴承安装在流道壁面（8）上，两侧的端板（4）与流道壁面（8）之间分别设置阻尼调节器（7）和支撑弹簧（6），所述阻尼调节器（7）的一端连接在端板（4）上，阻尼调节器（7）的另一端连接在流道壁面（8）上，所述支撑弹簧（6）的一端连接在端板（4）上，支撑弹簧（6）的另一端连接在流道壁面（8）上。

2.根据权利要求1所述的一种利用并列双圆柱流致振动收集电能的装置，其特征在于：所述弹性压电片（3）沿流向的长度为上圆柱体（1）的直径的1.5倍，弹性压电片（3）上下两侧分别连接电极引出导线，电极引出导线与处理电路连接。

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