CN106385200B - 一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，属于流体运动的小型能量收集技术领域。其解决了现有技术中利用流体运动压电发电存在的转化效率较低等问题。本发明包括外壳和绕流发电装置，外壳内壁至少固定有一组绕流发电装置；绕流发电装置包括绕流支架和柔性压电片；绕流支架采用钝体，钝体由至少两根柱体交汇组成并构成绕流支架平面，绕流支架平面垂直于流体的入口方向；有两组及其以上绕流发电装置安装时，前后两组绕流支架平面相互平行；钝体沿流体的出口方向设置有由若干平行排布的柔性压电片，柔性压电片与绕流支架平面垂直，且沿钝体轴向设置。本发明可用于有流体运动的海洋、空中等，应用范围广泛，且结构简单、能源转化效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，属于流体运动的小型能量收集技术领域。
背景技术
能量收集技术是对周围风能，太阳能，热能以及波浪能等自然能源进行收集并将其转化成电能进行储存，这种能源是清洁无污染，且用途非常广泛的，对于军事侦探、科学研究等相关的部门有着至关重要的作用。
流体运动在自然界中普遍存在，水流、风等都是取之不尽用之不竭的清洁能源。将这些能源收集应用于条件苛刻恶劣地方的小型无线电子设备上，既节省能源又清洁无污染，但由于这些能源的收集利用难度大，且转化的效率比较低，所以目前对其利用并不广泛。现在利用流体运动发电的常用的压电设备都是通过物体的机械振动带动压电体的振动，这种收集原理存在很多问题，如输出功率不高，转化效率较低，制造成本较高，技术复杂，应用范围较为狭窄等问题。
随着压电技术的发展以及人们对卡门涡街效应认识的不断深入，利用流体运动发电越来越受到人们的青睐。流体的运动直接作用于压电材料，将流体的动能和势能转化为电能收集应用，既能提高能源的转化效率又节省制造成本，是现在人们研究的重心。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中利用流体运动压电发电存在的上述缺陷，提出了一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，通过过滤网的气流或水流流经该装置内部的绕流支架时，在绕流支架后产生卡门涡街效应，使柔性压电片随着气流或水流的波动而摆动，柔性压电片由于压电效应在上下表面电极上产生电荷进而产生电能。该装置制造简单、能源转化效率高且应用广泛，其转换的电能能够满足多数小型电子设备的用电需求，对节约资源和环境保护有着积极的作用。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，包括外壳和绕流发电装置，外壳内壁至少固定有一组绕流发电装置；绕流发电装置包括绕流支架和柔性压电片；绕流支架采用钝体，钝体由至少两根柱体交汇组成并构成绕流支架平面，绕流支架平面垂直于流体的入口方向；有两组及其以上绕流发电装置安装时，前后两组绕流支架平面相互平行；钝体沿流体的出口方向设置有由若干平行排布的柔性压电片，柔性压电片与绕流支架平面垂直，且沿钝体轴向设置。
进一步地，绕流支架之间交错排布，并采用轻质材料构成，如塑料、铝合金等。
进一步地，钝体的重心位于绕流支架平面的中心。
进一步地，柔性压电片采用PVDF压电薄膜或MFC压电纤维材料，设柔性压电片宽度为D，相邻两柔性压电片的间距至少为0.5D，保证相邻两柔性压电片互不干涉，柔性压电片与绕流支架之间采用直接粘接或悬挂方式固定。两组以上绕流发电装置安装时，后一组绕流支架平面距离前一组柔性压电片的末端至少保持4D的间距，才能保证绕流产生的效应互不干涉影响。
进一步地，外壳为薄壁中空的柱体，采用有机材料或轻质合金制成。
进一步地，该装置还包括前盖和后盖，前盖和后盖采用有机材料或轻质合金制成；外壳与前盖和后盖之间采用机械联接方式固定，稳定性高且易于拆装。
进一步地，前盖和后盖的开口处内壁还粘接有过滤网，过滤网采用直径小于0.1D的细丝编制而成。过滤网的网格间距为D，用于防止流体中尺寸大于D的异物进入该装置。
进一步地，该装置还包括连接外壳与搭载装置的固定杆。
进一步地，固定杆采用轻质合金材料，以焊接或机械联接方式将外壳和搭载装置相连。
工作原理：本发明依据流体流经障碍物产生卡门涡街效应，带动柔性压电片摆动产生电能的原理，将柔性压电片与绕流支架装配在一起，经支架绕流后产生卡门涡街效应。前盖后盖加过滤网，防止装置进大型异物，前盖采用类似空心圆台结构，使装置呈流线型，提高了装置稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，将流体的运动直接作用于柔性压电片，大大提高能源的转化效率；
(2)本发明所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，其各个组成如外壳、前盖、后盖、绕流支架和固定杆等均采用了轻质材料，减轻了整个装置的重量，保证了该装置的整体轻便性；
(3)本发明所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，结构简单，部件少，大大节约了材料和安装费用；
(4)本发明所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，该装置转换的电能能够满足多数小型电子设备的用电需求，对节约资源和环境保护有着积极的作用；
(5)本发明所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，通过将该装置安装于飞机机翼、船体或水利工程结构的桩体上，既能转化风能又能转化水流能，应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的流体出口处结构示意图。
图3为本发明的两组绕流发电装置示意图。
图4为本发明装在机翼下方的示意图。
图5为本发明装在船侧面的示意图。
图6为本发明装在船底面的示意图。
图7为本发明装在水利工程结构桩体上的示意图。
图中：1、绕流支架；2、柔性压电片；3、后盖；4、固定杆；5、前盖；6、过滤网；7、外壳；8、机翼；9、船体；10、桩体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实例，对本发明提出的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置进行进一步说明。
本发明所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，如图1至图7所示，一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，包括外壳7和绕流发电装置，外壳7内壁至少固定有一组绕流发电装置；绕流发电装置包括绕流支架1和柔性压电片2；绕流支架1采用钝体，钝体由至少两根柱体交汇组成并构成绕流支架平面，柱体的横截面形状不限于圆形、三角形、方形等规则形状，绕流支架平面垂直于流体的入口方向；有两组及其以上绕流发电装置安装时，前后两组绕流支架平面相互平行；钝体沿流体的出口方向设置有由若干平行排布的柔性压电片2，柔性压电片2与绕流支架平面垂直，且沿钝体轴向设置。在流体力学中，钝体是非流线体，如圆柱和桥墩等。
钝体的重心位于绕流支架平面的中心。优选地，钝体由两根圆柱体交叉组成十字架型，或者由三根圆柱体交汇组成；钝体由三根圆柱体交汇组成时，三根圆柱体的轴心共面，每两根之间为120°。
优选地，柔性压电片2采用PVDF压电薄膜，设柔性压电片2宽度为D，相邻两柔性压电片2的间距至少为0.5D，保证相邻两柔性压电片2互不干涉，柔性压电片2与绕流支架1之间采用直接粘接或悬挂方式固定。
优选地，绕流发电装置安装数量为两组，后一组绕流支架平面距离前一组柔性压电片2的末端至少保持4D的间距，才能保证绕流产生的效应互不干涉影响。
优选地，组成绕流支架1的圆柱体的直径或方体的内切圆直径等于柔性压电片2的宽度D。
优选地，所有的柔性压电片2安装在同一个平面内。
优选地，柔性压电片2的长度为85mm，宽度为14mm，厚度为0.1mm。
外壳7为薄壁中空的柱体，采用有机材料或轻质合金制成，如PVC塑料、有机玻璃或者铝合金等。该装置还包括前盖5和后盖3，前盖5和后盖3采用有机材料或轻质合金制成；外壳7与前盖5和后盖3之间采用机械联接方式固定，稳定性高且易于拆装。前盖5和后盖3的开口处内壁还粘接有过滤网6，过滤网6采用直径小于0.1D的细丝编制而成。过滤网6的网格间距为D，用于防止流体中尺寸大于D的异物进入该装置。
优选地，前盖5采用空心圆台结构，使装置呈流线型，提高了该装置的稳定性。
该装置还包括连接外壳7与搭载装置的固定杆4。固定杆4采用轻质合金材料，以焊接或机械联接方式将外壳7和搭载装置相连，机械联接方式如螺栓联接固定方式或者铆接固定方式，便于拆装。
实施例一：
本发明整个装置通过固定杆4安装在飞机机翼8上，如图4所示。当飞机时速700公里时，气流流速较快，绕流造成的柔性压电片2摆动幅度相对较大。绕流支架1采用十字圆柱交叉形，圆柱直径为14mm，长度为140mm。选择柔性压电片2的长度为85mm，宽度为14mm，厚度为0.1mm。当气流通过过滤网6流经该装置内部的绕流支架1时，在绕流支架1后产生卡门涡街效应，使柔性压电片2随着气流的波动而摆动，柔性压电片2由于压电效应在上下表面电极上产生120V左右的电压，电能经过导线连接电子设备或电能储存设备。
实施例二：
本发明整个装置通过固定杆4安装在船体9侧面或船体9上，如图5或图6所示。当船速达10m/s时，水流流速相对较慢，绕流造成的柔性压电片2摆动幅度相对较小，相邻柔性压电片2影响较小。绕流支架1采用十字圆柱交叉形，圆柱直径为14mm，长度为140mm。选择柔性压电片2的长度为85mm，宽度为14mm，厚度为0.1mm。当水流通过过滤网6流经该装置内部的绕流支架1时，在绕流支架1后产生卡门涡街效应，使柔性压电片2随着水流的波动而摆动，柔性压电片2由于压电效应会在上下表面电极上产生10V左右的电压，电能经过导线连接电子设备或电能储存设备。
实施例三：
本发明整个装置通过固定杆4安装在水利工程结构的桩体10上，如图7所示。当流速达5m/s时，绕流造成的柔性压电片2摆动幅度较小，相邻柔性压电片影响较小。绕流支架1采用十字圆柱交叉形，圆柱直径为14mm，长度为140mm。选择柔性压电片2的长度为85mm，宽度为14mm，厚度为0.1mm。当水流通过过滤网6流经该装置内部的绕流支架1时，在绕流支架1后产生卡门涡街效应，使柔性压电片2随着水流的波动而摆动，柔性压电片2由于压电效应会在上下表面电极上产生6V左右的电压，电能经过导线连接电子设备或电能储存设备。
当然，上述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的专利涵盖范围内。
Claims (6)
1.一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，包括外壳(7)和绕流发电装置，其特征在于：外壳(7)内壁至少固定有一组绕流发电装置，绕流发电装置包括绕流支架(1)和柔性压电片(2)；绕流支架(1)采用钝体，钝体由至少两根柱体交汇组成并构成绕流支架平面，绕流支架平面垂直于流体的入口方向；有两组及其以上绕流发电装置安装时，前后两组绕流支架平面相互平行，绕流支架(1)之间交错排布，并采用轻质材料构成，钝体的重心位于绕流支架平面的中心；钝体沿流体的出口方向设置有由若干平行排布的柔性压电片(2)，柔性压电片(2)与绕流支架平面垂直，且沿钝体轴向设置，柔性压电片(2)采用PVDF压电薄膜或MFC压电纤维材料，设柔性压电片(2)宽度为D，相邻两柔性压电片(2)的间距至少为0.5D，保证相邻两柔性压电片(2)互不干涉，柔性压电片(2)与绕流支架(1)之间采用直接粘接或悬挂方式固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，其特征在于：外壳(7)为薄壁中空的柱体，采用有机材料或轻质合金制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，其特征在于：该装置还包括前盖(5)和后盖(3)，前盖(5)和后盖(3)采用有机材料或轻质合金制成，外壳(7)与前盖(5)和后盖(3)之间采用机械联接方式固定。
4.根据权利要求3所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，其特征在于：前盖(5)和后盖(3)的开口处内壁还粘接有过滤网(6)，过滤网(6)采用直径小于0.1D的细丝编制而成。
5.根据权利要求1所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，其特征在于：该装置还包括连接外壳(7)与搭载装置的固定杆(4)。
6.根据权利要求5所述的一种基于卡门涡街效应的柔性压电发电装置，其特征在于：固定杆(4)采用轻质合金材料，以焊接或机械联接方式将外壳(7)和搭载装置相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 266071 Shandong city of Qingdao province Ningxia City Road No. 308 Patentee after: Qingdao University Address before: 266071 Ningxia Road, Shandong, China, No. 308, No. Patentee before: Qingdao University |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180522 Termination date: 20211018 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |