CN105006992A - 双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置 - Google Patents

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Abstract

双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置,它涉及一种流体动能转换装置,以解决现有波浪能发电装置结构复杂、发电频带窄及发电方式不灵活、浮能效率低的问题,它包括激振梁和两个激振器;两个激振发电器并列设置在激振梁的两端;每个激振发电器包括连接板、密封盖、导向柱、底座、两个振动柱、两个激振永磁体、两个受振永磁体、两个悬臂梁压电浮能器和四个弹簧;导向柱布置在底座上,导向柱的下端面与底座的上端面之间形成一个腔室;激振梁的两端分别与两个连接板连接。本发明用于发电。

Description

双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种流体动能转换装置,具体涉及一种双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置,属于流体动能新能源发电领域。
背景技术
[0002] 随着能源危机的日益严重,新能源技术得到日益广泛的关注。在偏远海岛或者海上作业平台,普遍存在能源匮乏、运输成本高的问题,致使一些设备不能正常工作,给生产、生活带来极大不便。海洋是一个巨大的能源宝库,所包含能量主要体现在潮汐能、风能、波浪能、温差能、盐差能及海流能六方面,其中波浪能和风能具有能量密度大,分布范围广的特点,适于大规模开发利用。据测算,海上波浪所蕴藏的能量高达5000GW,如果能够有效地收集和利用,不仅能够解决海洋浮标、灯塔等的供电需求,还可以用于大规模并网发电,解决能源短缺问题。
[0003] 波浪具有水头低、能量密度高、流速慢的特点。从1910年法国人布索在其海滨住宅附近建造第一座气动波浪发电站至今,波浪能发点已经得到很大的发展,英国、日本、挪威等国家在这方面做了很多研究。现有的波浪能发电技术按海浪能的捕获方式不同可分为点吸收式、波浪衰减式、水柱振荡式、越顶式、浪涌摆荡式和沉潜压差式等;主要原理都是利用波浪的上下起伏的运动形式,将波浪能通过某种方式进行吸收并转化为转子的旋转运动,进而由旋转发电机或直线发电机完成能量转换。现有风力发电还主要集中在陆上,采用风力发电机进行能量转换。
[0004] 这些发电形式根据电磁感应原理进行设计,结构复杂,发电电压低,日常维护困难;一般需要齿轮箱进行增速,会造成较大的能量损失;对于大型发电设备转子惯量大,对于流体存在最小启动速度要求,工作频带窄;对于海上风力发电机还需要特意搭建塔架进行支撑,风叶加工工艺复杂,发电成本高。
[0005] 公开日为2013年07月10日、公开号为CN103199739A、发明名称为“海浪及风力发电装置”的专利申请,它提出了一种可漂浮在水面上,利用环境振动迫使压电复合悬臂梁变形、线圈运动,分别利用压电原理和电磁感应原理产生电能的方案,但是这种装置只能够被动随海浪起伏,俘能效率低。
发明内容
[0006] 本发明为解决现有波浪能发电装置结构复杂、发电频带窄及发电方式不灵活、浮能效率低的问题,进而提供一种双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置。
[0007] 本发明为解决上述问题采取的技术方案是:本发明的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置包括激振梁和两个激振器;两个激振发电器并列设置在激振梁的两端;
[0008] 每个激振发电器包括连接板、密封盖、导向柱、底座、两个振动柱、两个激振永磁体、两个受振永磁体、两个悬臂梁压电浮能器和四个弹簧;四个弹簧分别是两个上弹簧和两个下弹簧;导向柱布置在底座上,导向柱的下端面与底座的上端面之间形成一个腔室;激振梁的两端分别与两个连接板连接;
[0009] 水平布置的连接板的下表面上并列设置有两个振动柱,每个振动柱的侧面上设有沿径向方向延伸的凸起部,上弹簧穿设在振动柱的上段,下弹簧穿设在振动柱的下段,导向柱上并列设置有轴向为竖向的两个通孔,每个通孔内穿设有振动柱、上弹簧和下弹簧,振动柱的凸起部与相对应的通孔滑动接触,密封盖盖装在导向柱上,振动柱的上端穿过密封盖并与连接杆连接,振动柱的下端置于腔室内,上弹簧的上端和下端分别顶靠在密封盖上和凸起部上,下弹簧的上端和下端分别顶靠在凸起部上和导向柱上;
[0010] 每个振动柱的下端安装有一个激振永磁体,腔室内布置有两个压电复合悬臂梁浮能器,悬臂梁压电浮能器的基座与底座固接,悬臂梁压电浮能器的压电片水平布置,悬臂梁压电浮能器的压电片的上表面安装有受振永磁体,激振永磁体和受振永磁体正对设置,激振永磁体和受振永磁体极性相同。
[0011] 本发明的有意效果是:本发明的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置主要通过水或空气等流体流过激振梁时使激振梁产生振动,通过振动柱及激振永磁体磁场将振动形式传递给受振永磁体从而使悬臂梁压电浮能器变形产生电能。两个激振发电器对称支撑在激振梁的两端,压电发电部件截面椭圆长轴与激振梁垂直,支撑稳定性高。本发明根据圆柱绕流理论,将激振梁与振动柱整体两端用弹簧支撑,当流体流过激振梁的速度在一定范围内时,在激振梁后方产生的涡节周期性脱落,诱发激振梁、振动柱整体规律性振动,激振永磁体也相应的产生振动,并使磁场周期性变化,受振永磁体受到交变的磁场力。悬臂梁压电浮能器采用悬臂支撑形式,末端配有受振永磁体,极易产生振动。在磁场力作用下悬臂梁压电浮能器产生受迫振动,振动频率与激振梁振动频率相同。根据压电发电原理,悬臂梁压电浮能器在外力作用下产生振动,压电晶体内部产生极化,从而在两晶面上产生正负电荷,产生电压,电压的高低与悬臂梁压电浮能器的振动频率和幅度有关。本发明中可以调节激振梁的直径、支撑弹簧刚度以及悬臂梁压电浮能器的形状尺寸,使激振梁后方涡节脱落频率、激振梁以及振动柱部件固有频率、悬臂梁压电浮能器固有振动频率一致,应用中可以根据环境流速调节参数,使系统在环境流速下实现高频、高幅度的振动,最大程度地实现能量转换,发电效率高,发电效率提高了 50% -75%。
[0012] 本发明的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置可用于海浪能发电和风力发电,采用压电元件进行能连转换,具有结构简单,便于微型化和集成化的优点,可用于小规模区域性发电,也可以在浅海大规模建设进行并网发电。
[0013] 本发明的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置的关键在于振动柱与压电复合悬臂梁之间的相对运动,所以只要本装置也可作为振动能发电装置。将底座固定在车辆或船舶上,按车辆行驶时常规振动频率范围设计发电片,进行振动能发电。
[0014] 本发明的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置具有结构简单,应用灵活,发电频域宽,易于微型化和集成化的优点;根据圆柱绕流原理,涡节脱落产生振动,通过磁场力诱发悬臂梁压电浮能器的压电片振动,实现无接触传动,俘能效率高;实现了振动式和压电式俘能方式的结合,提高了应用的灵活性。本发明可用作研究流体动能转换装置的实验平台,也可用于振动能发电装置或者便携式发电装置的研究。
附图说明
[0015]图1是本发明的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置的立体结构示意图,图2是单个激振发电器的主剖面图,图3是导向柱的立体结构示意图,图4是底座的立体结构示意图,图5是振动柱的立体结构示意图,图6是激振梁在流体作用下产生卡门涡节规律性脱落现象的形态示意图,图7是悬臂梁压电浮能器在激振永磁体磁场力作用下产生受迫振动时的变形示意图。
具体实施方式
[0016] 具体实施方式一:结合图1-图5说明,本实施方式的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置包括激振梁2和两个激振器I ;两个激振发电器I并列设置在激振梁2的两端;
[0017] 每个激振发电器I包括连接板1-2、密封盖1-4、导向柱1-5、底座1_11、两个振动柱1-3、两个激振永磁体1-7、两个受振永磁体1-9、两个悬臂梁压电浮能器1-10和四个弹簧;四个弹簧分别是两个上弹簧1-13和两个下弹簧1-14 ;导向柱1-5布置在底座1-11上,导向柱1-5的下端面与底座1-11的上端面之间形成一个腔室1-16 ;激振梁2的两端分别与两个连接板1-2连接;
[0018] 水平布置的连接板1-2的下表面上并列设置有两个振动柱1-3,每个振动柱1-3的侧面上设有沿径向方向延伸的凸起部1-12,上弹簧1-13穿设在振动柱1-3的上段,下弹簧
1-14穿设在振动柱1-3的下段,导向柱1-5上并列设置有轴向为竖向的两个通孔1-15,每个通孔内穿设有振动柱1-3、上弹簧1-13和下弹簧1-14,振动柱1-3的凸起部1_12与相对应的通孔1-15滑动接触,盖板1-4盖装在导向柱1-5上,振动柱1-3的上端穿过盖板1-4并与连接杆1-2连接,振动柱1-3的下端置于腔室1-16内,上弹簧1-13的上端和下端分别顶靠在盖板1-4上和凸起部1-12上,下弹簧1-14的上端和下端分别顶靠在凸起部1-12上和导向柱1_5上;
[0019] 每个振动柱1-3的下端安装有一个激振永磁体1-7,腔室1-16内布置有两个压电复合悬臂梁浮能器1-10,悬臂梁压电浮能器1-10的基座与底座1-11固接,悬臂梁压电浮能器1-10的压电片水平布置,悬臂梁压电浮能器1-10的压电片的上表面安装有受振永磁体
1-9,激振永磁体1-7和受振永磁体1-9正对设置,激振永磁体1-7和受振永磁体1-9极性相同。
[0020] 具体实施方式二:结合图2和图5说明,本实施方式的凸起部1-12为圆环形凸起部。如此设置,结构简单,设计合理,运行稳定可靠。其它与具体实施方式一相同。
[0021] 具体实施方式三:结合图1-图3说明,本实施方式的导向柱1-5的横截面为椭圆形,两个通孔1-15开设在导向柱1-5的长轴上,两个悬臂梁压电浮能器1-10的压电片的长度方向与导向柱1-5的长轴方向平行。如此设置,激振梁与连接板垂直布置,支撑稳定性更高。其它与具体实施方式一或二相同。
[0022] 具体实施方式四:结合图2说明,本实施方式的振动柱1-3、导向柱1-5和底座
1-11均由奥氏体有色金属材料制成。如此设置,取材容易,使用和设计方便,满足实际需要。其它与具体实施方式三相同。
[0023] 具体实施方式五:结合图2说明,本实施方式的悬臂梁压电浮能器1-10的压电片的材料为压电陶瓷或者聚偏氟乙烯压电聚合物。如此设置,压电陶瓷具有良好的介电性、压电性、弹性性质、频率稳定好以及将微弱的机械振动转换成电信号的性能的特点。其它与具体实施方式一、二或四相同。
[0024] 具体实施方式六:结合图2说明,本实施方式的每个激振发电器I还包括压板1-8,底座1-11的中部加工有一个竖直向上延伸的凸台1-17,凸台1-17上相对的两端开设有凹槽,悬臂梁压电浮能器1-ίο的基座布置在凹槽内,悬臂梁压电浮能器1-10通过压板1-8固装在凸台1-17上。如此布置,节约了激振永磁体的数量,也减少了激振器布置空间,同时,悬臂梁发电浮能器的发电效率较高。其它与具体实施方式五相同。
[0025] 工作过程
[0026] 本发明的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置在制造的时候,振动柱上两组弹簧一组安装在密封盖与振动柱的凸起部之间,一组安装在振动柱的凸起部与贯穿孔底部台阶之间,两组弹簧始终处于压缩状态,弹簧刚度对应相等;振动柱外圆柱面与密封盖的结合面上装有防水密封圈1-18 ;导向柱1-5为横截面为椭圆的柱体,导向柱1-5的两个贯穿的通孔沿椭圆长轴并列分布;振动柱由密封盖孔和贯穿通孔导向,无外力作用时能在弹簧作用下自由振动。
[0027] 本发明的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置在制造的时候,悬臂梁压电浮能器悬臂支撑,基座通过压板刚性安装在底座上,极易产生振动;激振梁的直径、弹簧刚度以及悬臂梁压电浮能器的形状尺寸可调节,使激振梁后方涡节脱落频率、激振梁以及振动柱部件固有频率、悬臂梁压电浮能器固有振动频率一致,保证激振梁的振动能够引起悬臂梁压电浮能器产生共振;应用中可以根据环境流速调节参数,使系统在环境流速下实现高频、高幅度的振动,最大程度地实现能量转换。
[0028] 本发明的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置采用悬臂梁压电浮能器进行能量转换,具有结构简单,发电频域宽,易于微型化和集成化的优点;利用圆柱绕流原理,涡节脱落产生振动,俘能效率高;实现了振动式和压电式俘能方式的结合,应用灵活。
[0029] 如图6和图7所示,图7的竖向双箭头方向表示激振永磁体1-7上下运动方向,弯曲双箭头方向表示受振永磁体1-9偏摆运动方向。图6为激振梁在流体作用下产生卡门涡节规律性脱落现象的形态示意图,由图6可看出,激振梁在流体3 (流体为空气或水)的作用下,产生卡门涡节规律性脱落现象,当流体流过激振梁的速度在一定范围内时,在激振梁后方产生的涡节周期性脱落,如图2所示,涡节周期性脱落会诱发激振梁2、振动柱1-3整体规律性振动,激振永磁体1-7也相应的产生振动,并使磁场周期性变化,受振永磁体1-9受到交变的磁场力,在磁场力作用下悬臂梁压电浮能器产生受迫振动,振动频率与激振梁振动频率相同。图7是悬臂梁压电浮能器在激振永磁体磁场力作用下产生受迫振动时的变形示意图。

Claims (6)

1.双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置,其特征在于:它包括激振梁(2)和两个激振器(I);两个激振发电器(I)并列设置在激振梁(2)的两端; 每个激振发电器(I)包括连接板(1-2)、密封盖(1-4)、导向柱(1-5)、底座(1-11)、两个振动柱(1-3)、两个激振永磁体(1-7)、两个受振永磁体(1-9)、两个悬臂梁压电浮能器(1-10)和四个弹簧;四个弹簧分别是两个上弹簧(1-13)和两个下弹簧(1-14);导向柱(1-5)布置在底座(1-11)上,导向柱(1-5)的下端面与底座(1-11)的上端面之间形成一个腔室(1-16);激振梁(2)的两端分别与两个连接板(1-2)连接; 水平布置的连接板(1-2)的下表面上并列设置有两个振动柱(1-3),每个振动柱(1-3)的侧面上设有沿径向方向延伸的凸起部(1-12),上弹簧(1-13)穿设在振动柱(1-3)的上段,下弹簧(1-14)穿设在振动柱(1-3)的下段,导向柱(1-5)上并列设置有轴向为竖向的两个通孔(1-15),每个通孔内穿设有振动柱(1-3)、上弹簧(1-13)和下弹簧(1-14),振动柱(1-3)的凸起部(1-12)与相对应的通孔(1-15)滑动接触,密封盖(1-4)盖装在导向柱(1-5)上,振动柱(1-3)的上端穿过密封盖(1-4)并与连接杆(1-2)连接,振动柱(1-3)的下端置于腔室(1-16)内,上弹簧(1-13)的上端和下端分别顶靠在密封盖(1-4)上和凸起部(1-12)上,下弹簧(1-14)的上端和下端分别顶靠在凸起部(1-12)上和导向柱(1-5)上; 每个振动柱(1-3)的下端安装有一个激振永磁体(1-7),腔室(1-16)内布置有两个压电复合悬臂梁浮能器(1-10),悬臂梁压电浮能器(1-10)的基座与底座(1-11)固接,悬臂梁压电浮能器(1-10)的压电片水平布置,悬臂梁压电浮能器(1-10)的压电片的上表面安装有受振永磁体(1-9),激振永磁体(1-7)和受振永磁体(1-9)正对设置,激振永磁体(1-7)和受振永磁体(1-9)极性相同。
2.根据权利要求1所述的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置,其特征在于:凸起部(1-12)为圆环形凸起部。
3.根据权利要求1或2所述的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置,其特征在于:导向柱(1-5)的横截面为椭圆形,两个通孔(1-15)开设在导向柱(1-5)的长轴上,两个悬臂梁压电浮能器(1-10)的压电片的长度方向与导向柱(1-5)的长轴方向平行。
4.根据权利要求3所述的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置,其特征在于:振动柱(1-3)、导向柱(1-5)和底座(1-11)均由奥氏体有色金属材料制成。
5.根据权利要求1、2或4所述的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置,其特征在于:悬臂梁压电浮能器(1-10)的压电片的材料为压电陶瓷或者聚偏氟乙烯压电聚合物。
6.根据权利要求5所述的双点弹性支撑圆柱涡激振动流体动能转换装置,其特征在于:每个激振发电器(I)还包括压板(1-8),底座(1-11)的中部加工有一个竖直向上延伸的凸台(1-17),凸台(1-17)上相对的两端开设有凹槽,悬臂梁压电浮能器(1-10)的基座布置在凹槽内,悬臂梁压电浮能器(1-10)通过压板(1-8)固装在凸台(1-17)上。
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