CN108918079B - 一种基于参数振动原理的风能发电试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体动能新能源发电领域，为一种基于参数振动原理的风能发电试验装置，包括底座、支柱、试验模型、夹持装置和压电片；底座上设置底座滑道，支柱设有两根，每根支柱在底座上可沿底座滑道滑动，每根支柱与底座固定连接，每根支柱与底座的固定连接件设置在底座滑道上；夹持装置将试验模型夹紧后，与试验模型一起固定在支柱上；试验模型呈扁平的杆件结构，压电片贴在试验模型上。该装置利用压电片来进行风能发电试验，结构简单，方便调试，外形适用性好，能用于研究振动系统发生参数振动时对风能发电效率的影响。
Description
技术领域
本发明属于流体动能新能源发电领域，具体涉及一种基于参数振动原理的风能发电试验装置。
背景技术
随着经济和社会的快速发展，人类对能源的需求不断增加，但随着人们对化石燃料，煤炭能源的肆意开采，传统能源逐渐消耗殆尽，而且传统能源的使用造成的环境污染和温室效应等问题的严重性远远甚于能源缺乏的危机。所以在未来的发展计划中，开发新型可再生能源便是全世界各个国家最重要的战略方向。新型可再生能源有风能、太阳能、光能等，而在这其中，对于风能的开发应用最为广泛，风能是可再生的清洁能源，具有储量大、分布广、绿色环保、可持续利用等优点。
在风工程领域，流场中结构体的风致振动的机理主要分为颤振、抖振、涡激振动和驰振4类。压电自发电技术是基于流体力学圆柱绕流涡激振动的驱动来产生机械能。涡激振动利用均匀流下圆柱涡脱落力诱发其共振的机理捕获风能，以此形成风力驱动系统进行发电，是一种在低风速情况下有较好的适应性的发电方式。值得注意的是，当漩涡脱落频率与结构自振频率接近时，会发生结构涡激振动，这是结构风致振动中最常见的一种现象。
申请人发现，大部分利用结构体的风致振动的机理实现机械能转化为电能的研究中，并没有考虑到参数振动对风能发电效率的影响。参数振动是由振动系统随时间变化的参数(刚度、阻尼、质量或者质量惯矩)激发的振动，它本质上是一种非线性振动，当系统参数按照一定规律变化时，任意微小的扰动就会使系统产生大幅度振动，系统参数振动的运动微分方程具有时变系数。按参数随时间变化的规律来分类，参数振动就可分为确定性参数振动与随机参数振动。事实上，由于外激励(风荷载)属于随机激励，其大小也是不确定的，若当激励频率与模型固有频率成某阶倍数关系时，结构可能会发生参数振动现象。因而，本申请发明人鉴于此研究现象，设计一种试验装置，可用于去研究发生参数振动的振动系统，也可以结合风能发电的机理，研究参数振动对风能发电效率的影响。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，提高风能发电的效率，本发明提出一种基于参数振动原理的风能发电试验装置，该装置利用压电片来进行风能发电试验，结构简单，方便调试，外形适用性好，能用于研究振动系统参数振动对风能发电效率的影响。
本发明采用如下技术方案来实现：一种基于参数振动原理的风能发电试验装置，包括底座、支柱、试验模型、夹持装置和压电片；底座上设置底座滑道，支柱设有两根，每根支柱在底座上可沿底座滑道滑动，每根支柱与底座固定连接，每根支柱与底座的固定连接件设置在底座滑道上；夹持装置将试验模型夹紧后，与试验模型一起固定在支柱上；试验模型呈扁平的杆件结构，压电片贴在试验模型上。
优选地，所述支柱上设有支柱滑道，夹持装置可沿支柱滑道在支柱高度方向移动。所述支柱滑道为两条，两条支柱滑道之间为供试验模型穿过的通孔。
优选地，所述夹持装置包括固定连接的两块钢块，试验模型夹紧在两块钢块之间。
优选地，所述试验模型的两端同时通过夹持装置固定在支柱上，压电片贴于试验模型的两端根部位置和中间位置；或者试验模型的一端通过夹持装置固定在支柱上，压电片贴于试验模型的中间位置。
优选地，所述试验模型上还设有风感应块，所述风感应块在试验模型距两端支柱四分之一处的位置上安装。
本发明设计的风能发电试验装置，相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、试验装置能够用于研究振动系统发生参数振动时的振动情况，同时能基于涡激脱落研究风能发电，还能够基于参数振动原理进行风能发电研究，优化风能发电装置，制造简单，方便调试，外形适用性好，研究适用广泛。
2、试验装置对试验模型的夹持形式不仅可以采用固支形式，还可以采用悬臂形式。采用悬臂形式时可用于研究传统的悬臂式压电材料振动发电；采用固支形式时，在试验模型的两端和中间都设计了压电片，相对于悬臂形式只在试验模型的根部一处设置压电片，更具有合理性，接受的信息更具有相对全面性。
3、根据试验要求和环境激励大小，该试验装置中支座滑道和支柱滑道可用于调整试验模型的位置，从而能够改变试验模型的固有频率及调整试验模型之间的间距。
4、本装置充分利用了压电材料进行风能发电。
附图说明
图1是本发明试验装置总体构造图；
图2是夹持装置与支柱的连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
目前，从周围环境收集能量的方法主要有电磁转换、静电转换、压电转换3种。利用压电材料进行能量转换，产生的电压高，结构简单，且无电磁干扰，易于加工制作。基于目前压电环境能量采集技术成为能量采集与应用领域的研究热点，本发明设计了一套风能发电试验装置，在该试验装置中，采用压电片来获取能量。如果要想把压电材料产生的电能作为电源使用，一般通过两种途径：连续使压电材料进行变形，从而产生连续的交流电；使用能量储存电路把压电材料能量储存下来，例如通过超级电容或充电电池进行储存能量。
本发明试验装置的模型是细长杆件，其具有质量相对较小，刚度较小，阻尼较低的特点，当外激励(风荷载)作用时，极易发生各种形式的振动，外部激励作为参数出现在振动系统中，且持续时间长，作用复杂，就可能引起模型其他参数的改变(刚度、阻尼、质量或者质量惯矩)，在这种情况下，很可能激发振动系统发生参数振动。若当激励频率为模型固有频率的一倍左右时，发生共振称之为主共振；当激励频率为模型固有频率2倍左右时发生的共振称之为主参数共振。
如图1、2，该试验装置包括底座4、支柱5、试验模型7、夹持装置3、压电片1、风能感应块2；底座上设置两条底座滑道6，支柱设有两根，每根支柱在底座上可以沿底座滑道滑动，每根支柱与底座通过配套螺钉固定连接，配套螺钉拧接在底座滑道上，从而调节两根支柱之间的相对位置，继而可以方便调节试验模型的固有频率。
支柱上同样设计了两条支柱滑道8，夹持装置可沿支柱滑道在支柱高度方向移动，夹持装置通过螺钉与支柱固定连接，螺钉拧接在支柱滑道上，达到试验模型能在Z轴上(即沿着支柱高度方向)滑动的效果，继而可控制、调节试验模型位于不同高度位置。两条支柱滑道之间为通孔，供试验模型7穿过，从而也便于夹持装置3将试验模型固定在支柱滑道上。
夹持装置包括A、B两块钢块10，两块钢块通过四个螺钉9、螺母固定连接，将试验模型夹紧在两块钢块之间；同时通过钢块侧面四个螺钉，将钢块与试验模型一起固定在支柱上。如果在试验模型的两端同时采用夹持装置固定在支柱上，将形成固支结构；如果只在试验模型的一端利用夹持装置固定在支柱上，就形成悬臂结构，此时可以做传统的压电悬臂梁振动发电装置研究。
本发明试验装置中，试验模型呈扁平的杆件结构。试验模型尺寸可以根据实验要求进行调整。试验模型上设有压电片和风感应块，风能感应块可采用泡沫感应块实现。当本试验装置为悬臂结构时，压电片贴于试验模型的中间位置；当本试验装置为固支结构时，压电片贴于试验模型的两端根部位置和中间位置，用于接收试验模型振动信息，相对于悬臂结构只贴一个压变片，该装置所接收的信息更丰富和全面。而风能感应块可在试验模型距两端支柱四分之一处的位置上安装，风能感应块的材料具有轻质的特性，如可以采用泡沫，风能感应块受的外激励由风荷载提供。本试验装置的操作原理是：当外激励(风荷载)作用在试验模型上时，会使得试验模型发生振动，在试验模型上安装压电片，用于接收其振动信息，当压电片的变形越大，其产生的能量越大。
由于该试验装置的试验模型是细长杆件，其具有质量相对较小、刚度较小、阻尼较低的特点，当外激励(风荷载)作用时，极易发生各种形式的振动，外部激励作为参数出现在振动系统中，并且随时间变化，在这种激励作用下的振动可能发生参数振动。即当激励频率为试验模型固有频率的一倍左右时，发生共振称之为主共振；当激励频率为试验模型固有频率2倍左右时发生的共振称之为主参数共振，基于参数共振原理，可研究该模型在外激励作用下可能发生的参数共振。该试验装置不仅用于研究结构参数振动现象，且基于此参数振动原理以及结合压电材料具有能量收集的特点，还可用于研究改进风能发电装置，来提高风能发电的效率。该试验装置不仅能基于涡激脱落研究风能发电，还能基于参数振动进行风能发电研究，其发电频带变宽。
试验装置是通过螺钉和螺母把呈细长杆件的试验模型固定在两根支柱上，不仅可以给试验模型杆件提供足够的约束力，由于底座设置了底座滑道，还能达到方便更换试验模型，改变试验模型固有频率的目的。
该试验装置制造简单，方便调试，外形适用性好，选用的试验模型具有柔性高、质量相对较小、阻尼较低的特点；并且考虑风荷载属于一种随机的外激励，设置了螺母连接块和滑道，根据实验要求，可方便调整试验模型的在底座滑道上的固定位置，从而改变模型的固有频率。该试验装置可用于研究当结构发生参数共振时的运动情况；还可用于研究风能发电，找到参数共振对发电效率的影响机理，为优化风能发电装置提供新思路，优化风能发电装置。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于参数振动原理的风能发电试验装置，其特征在于，包括底座、支柱、试验模型、夹持装置和压电片；底座上设置底座滑道，支柱设有两根，每根支柱在底座上可沿底座滑道滑动，每根支柱与底座固定连接，每根支柱与底座的固定连接件设置在底座滑道上；夹持装置将试验模型夹紧后，与试验模型一起固定在支柱上；试验模型呈扁平的杆件结构，压电片贴在试验模型上；所述支柱上设有支柱滑道，夹持装置可沿支柱滑道在支柱高度方向移动；
所述试验模型的两端同时通过夹持装置固定在支柱上，压电片贴于试验模型的两端根部位置和中间位置；或者试验模型的一端通过夹持装置固定在支柱上，压电片贴于试验模型的中间位置。
2.根据权利要求1所述的基于参数振动原理的风能发电试验装置，其特征在于，所述支柱滑道为两条，两条支柱滑道之间为供试验模型穿过的通孔。
3.根据权利要求1所述的基于参数振动原理的风能发电试验装置，其特征在于，所述夹持装置包括固定连接的两块钢块，试验模型夹紧在两块钢块之间。
4.根据权利要求1所述的基于参数振动原理的风能发电试验装置，其特征在于，所述底座滑道设有两条；每根支柱与底座的固定连接件为螺钉。
5.根据权利要求1所述的基于参数振动原理的风能发电试验装置，其特征在于，所述试验模型上还设有风感应块，所述风感应块在试验模型距两端支柱四分之一处的位置上安装。
6.根据权利要求5所述的基于参数振动原理的风能发电试验装置，其特征在于，所述风感应块为泡沫感应块。
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