CN110022046A - 一种压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，主要包括支架、发电转化机构、刚性耦合振子系统等。具体涉及一种利用三个刚性耦合的圆柱作为能量转换振子，压电层和永磁体及线圈作为复合传动装置，发电机作为转化装置的发电设备。本发明适应范围广，在高流速海况下，系统可稳定地发生剧烈驰振效应并提供高效能量转化；利用压电层与永磁体复合的方式来转化能量，其能源利用率高，结构简单，在大变形条件下可靠性高并适合用于水下环境；经济性好，不需要特殊表面处理，发电获利高；小间距比的刚性耦合可以获得更好的力学特性；本发明装置间距小，结构紧凑，空间利用率高；设备固定安装在海床上，对海洋生态以及海面舰艇影响甚微。
Description
技术领域
本发明属于发电设备技术领域，涉及一种运用驰振原理进行海流能能量收集的装置，具体地说，涉及一种利用三个刚性耦合的圆柱作为能量转换振子，压电层和永磁体及线圈作为复合传动装置，发电机作为转化装置的发电设备。
背景技术
近些年来，日益枯竭的陆地资源和人类社会不断增长的能源需求形成了一个个越来越尖锐的问题。而海洋覆盖了地球的大部分面积并有着丰富的能源储备，因此对于海洋资源的开发，以及可再生能源的研究有着重要的意义和实用价值。
海流能作为海洋所具备的一种完全清洁的可再生能源受到了广泛关注，据统计，全球可利用的海流能大约有5×106 MW，目前针对其的开发手段主要为利用叶轮机设备，然而这种方式较为单一且在部分海况下有明显劣势。例如，叶轮机对于海洋来流速度有较高的要求，在低流速下能量获取效率不理想，而我国具有着海岸线长，近海岸潮流流速度低的特点，并不非常适合叶轮机工作；另一方面叶轮机在旋转过程中会对海洋生态造成破坏并产生较大噪音。因而需要对一种适用范围更广，更为安全且低成本的海流能开采设备展开研究。
当海流流过钝体时，会在其后交替脱落旋涡，并影响钝体表面的压力分布产生周期性的压力差，这种压差会驱使钝体发生流致振动，这是一种典型的流固耦合现象。在过去，流致振动往往被认为是一种有害现象，会造成结构破坏以及疲劳失效，而近年来，研究发现结构在振动的同时会吸收大部分流体动能，其具备良好的能量转化能力。流致振动主要包括涡激振动和驰振，其中驰振是一种高振幅且较低频的不稳定现象，可以有效提高能量转化效率。目前利用流致振动进行能量转化的研究主要集中在单圆柱振子，这种情况下需要改变其表面粗糙度方可产生驰振，而这样会抑制低流速下的振幅并不易加工和维护；国内外也有对多圆柱振子的研究，例如天津大学燕翔等人发明了一种基于多振子的同振式涡激振动发电装置，专利公开号为CN104061111A。该发明对多振子进行串列排布，利用尾流驰振原理进行发电，使用范围较广，发电效率高。然而尾流振子需受前一个振子的尾流作用方可发生驰振，这种运动往往不规律且同样对于来流范围有一定要求，过高或过低流速均不易发生驰振。此外，尾流驰振发生的条件要求振子间间距不可太小，这也会降低设备空间利用率。另一方面，目前对于涡激振动发电装置的研究多集中于弹簧振子机构，而这种机构较为复杂，在水下环境下可靠性有待提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提出了一种压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，是一种利用三个刚性耦合的圆柱作为能量转换振子，压电层和永磁体及线圈作为复合传动装置，发电机作为转化装置的发电设备；本发明利用流致振动现象，开发一种海流能能量转化装置。具体将三个圆柱振子刚性连接，使其成为一体并呈小间距比的等边三角形排布，由于刚性连接，一方面其力学特性更好，系统更稳定；另一方面，在广泛来流速度下均可以稳定发生驰振现象，并且由于小间距比的作用，振动更为剧烈且不需要受尾流控制，因而具有可观的能量转换特性以及广适性。此外，整个能量转换装置可完全工作在海平面以下，对海洋生态以及海面舰艇影响甚微。在能量转化方面，本发明利用压电层搭配永磁体作为转化机构，整体机构简单可靠，非常适用于水下环境，同时这种复合方法也可以提高能量传递效率。
其技术方案如下：
一种压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，包括支架21、发电转化机构22和刚性耦合振子系统23；
所述支架21包括上支架1，下支架2，第一连接架3、第二连接架4，底座5，连接架上螺钉6，连接架下螺钉7；发电转化机构22；
所述发电转化机构22包括基片层8，压电层9，磁感线圈10，永磁铁11，线圈支架12，线圈支架螺钉13，发电机14，发电机支架15，发电机支架螺钉16；
所述刚性耦合振子系统23包括，圆柱振子17，刚性连接片18，连接片螺钉19，基片振子连接架20，振子连接架螺钉24。
进一步，所述支架21用于完成固定作用，上支架1与第一连接架3、第二连接架4之间通过连接架上螺钉6相接，第一连接架3、第二连接架4与下支架2通过连接架下螺钉7相接。支架与底座5固连，而底座5安装在海床上。
进一步，所述发电转化机构22用于完成能量收集工作，具体地，压电层9紧贴在两个基片层8两面，而基片层8一段紧固在连接架3上，另一端紧固在基片振子连接架20上；磁感线圈10与线圈支架12连接在一起，并通过线圈支架螺钉13安装在上支架1和下支架2上；永磁铁11附着在基片层8上，并包裹在磁感线圈10之中；发电机14安装在发电机支架15上，并通过发电机支架螺钉16安装在第一连接架3、第二连接架4上。
进一步，所述刚性耦合振子系统23用于吸收流体动能，圆柱振子17通过连接片螺钉19与刚性连接片18连接形成刚性耦合振子；基片振子连接架20通过振子连接架螺钉24安装在刚性连接片18上，并与基片层8固连。
进一步，所述底座5的数量为2个，连接架上螺钉6的数量为4个，连接架下螺钉7的数量为4个；所述基片层8的数量为2个，压电层9的数量为4个，磁感线圈10的数量为2个，永磁铁11的数量为2个，线圈支架12的数量为2个，线圈支架螺钉13的数量为2个；所述圆柱振子17的数量为3个，刚性连接片18的数量为2个，连接片螺钉19的数量为6个，基片振子连接架20的数量为2个，振子连接架螺钉24的数量为8个。
进一步，所述圆柱振子17密度选为1800kg/m3，所述圆柱振子17的间距比为0.2D，D为单个圆柱振子的直径。
进一步，阻尼系数为0.05，基片层8的杨氏模量为1.7*1011Pa，压电层9的杨氏模量为7*1010Pa，磁感线圈10的电感为0.007H。
本发明的有益效果为：
本发明适应范围广，在高流速海况下，系统可稳定地发生驰振效应并提供高效能量转化，且在小间距比的作用下，剧烈的振动可以显著增长对高流速流体动能的转化率；本发明利用压电层与永磁体复合的方式来转化能量，其能源利用率高，且结构简单，在大变形条件下可靠性高并适合用于水下环境；加工成本低，不需要特殊表面处理且高效的转化效率可提高发电获利；小间距比的刚性耦合可以获得更好的力学特性；本发明装置间距小，因此结构紧凑，空间利用率高；设备固定安装在海床上，对海洋生态以及海面舰艇影响甚微。
附图说明
图1为本发明压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统的整体结构示意图；
图2是本发明压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统的细节结构图；
图3是本发明压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统发生流致振动过程的流程示意图。其中图3a为振动到达到左极限位置的示意图，图3b为振动到达到右极限位置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图1、图2，一种压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，包括支架21、发电转化机构22和刚性耦合振子系统23；
所述支架21包括上支架1，下支架2，第一连接架3、第二连接架4，底座5，连接架上螺钉6，连接架下螺钉7；发电转化机构22；
所述发电转化机构22包括基片层8，压电层9，磁感线圈10，永磁铁11，线圈支架12，线圈支架螺钉13，发电机14，发电机支架15，发电机支架螺钉16；
所述刚性耦合振子系统23包括，圆柱振子17，刚性连接片18，连接片螺钉19，基片振子连接架20，振子连接架螺钉24。
,所述支架21用于完成固定作用，上支架1与第一连接架3、第二连接架4之间通过连接架上螺钉6相接，第一连接架3、第二连接架4与下支架2通过连接架下螺钉7相接。支架与底座5固连，而底座5安装在海床上。
所述发电转化机构22用于完成能量收集工作，具体地，压电层9紧贴在两个基片层8两面，而基片层8一段紧固在连接架3上，另一端紧固在基片振子连接架20上；磁感线圈10与线圈支架12连接在一起，并通过线圈支架螺钉13安装在上支架1和下支架2上；永磁铁11附着在基片层8上，并包裹在磁感线圈10之中；发电机14安装在发电机支架15上，并通过发电机支架螺钉16安装在第一连接架3、第二连接架4上。
所述刚性耦合振子系统23用于吸收流体动能，圆柱振子17通过连接片螺钉19与刚性连接片18连接形成刚性耦合振子；基片振子连接架20通过振子连接架螺钉24安装在刚性连接片18上，并与基片层8固连。
所述底座5的数量为2个，连接架上螺钉6的数量为4个，连接架下螺钉7的数量为4个；所述基片层8的数量为2个，压电层9的数量为4个，磁感线圈10的数量为2个，永磁铁11的数量为2个，线圈支架12的数量为2个，线圈支架螺钉13的数量为2个；所述圆柱振子17的数量为3个，刚性连接片18的数量为2个，连接片螺钉19的数量为6个，基片振子连接架20的数量为2个，振子连接架螺钉24的数量为8个。
单个圆柱截面直径为50.8mm，为保证小间距比的作用，振子间间距为5.08mm。如图4所示，箭头指明海流流动方向，当海流迎面流过振子时，流体会在圆柱振子17的表面分离旋涡并向后脱落，此时会在上下表面形成压力差，产生升力。圆柱振子因受小间距比的影响，无法脱落完整旋涡，在图3（a）整个系统处于振动位移最低点时，三个圆柱振子从下表面脱落旋涡，并在尾端融合；相反，在图3（b）中整个系统处于振动位移最高点时，三个圆柱振子从上表面开始脱落旋涡并在尾端生成经融合的更大旋涡。在这种同时脱落且相互融合的旋涡作用下，以及整个系统在小间隙内所造成的不稳定性作用下，整个装置会产生较大幅值且相对较高频率的升力。
本发明在上述升力的作用下，圆柱振子17会带动基片振子连接架20和基片层8产生位移。一方面，当位移发生时，紧贴在基片层8两面的压边层9会发生变形并产生应变，相应地，这种应变能在压电负载电阻上转换成压电电压V1和相应的功率P1并传递至发电机14；另一方面，附着在基片层8上的永磁铁11也会随着振子发生位移。而又由于永磁铁11被包裹在磁感线圈10之中，因此，永磁铁11的表面会切割放置在其附近的线圈。这种电磁感应会产生电流I并流过磁感线圈10，并由其负载电阻产生功率P2。与此同时，所转换的电能也会传递到发电机14中存储。在流体力的作用下，刚性耦合振子系统三会发生周期往复运动，本发明装置将不断把吸收的流体能量转化为电能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，其特征在于，包括支架(21)、发电转化机构(22)和刚性耦合振子系统(23)；
所述支架(21)包括上支架(1)，下支架(2)，第一连接架(3)、第二连接架(4)，底座(5)，连接架上螺钉(6)，连接架下螺钉(7)；发电转化机构(22)；
所述发电转化机构(22)包括铝基片(8)，压电层(9)，磁感线圈(10)，永磁铁(11)，线圈支架(12)，线圈支架螺钉(13)，发电机(14)，发电机支架(15)，发电机支架螺钉(16)；
所述刚性耦合振子系统(23)包括，圆柱振子(17)，刚性连接片(18)，连接片螺钉(19)，基片振子连接架(20)，振子连接架螺钉(24)。
2.根据权利要求1所述的压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，其特征在于，所述支架(21)用于完成固定作用，上支架(1)与第一连接架(3)、第二连接架(4)之间通过连接架上螺钉(6)相接，第一连接架(3)、第二连接架(4)与下支架(2)通过连接架下螺钉(7)相接，支架与底座(5)固连，而底座(5)安装在海床上。
3.根据权利要求1所述的压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，其特征在于，所述发电转化机构(22)用于完成能量收集工作，具体地，压电层(9)紧贴在两个铝基片(8)两面，而铝基片(8)一段紧固在连接架(3)上，另一端紧固在基片振子连接架(20)上；磁感线圈(10)与线圈支架(12)连接在一起，并通过线圈支架螺钉(13)安装在上支架(1)和下支架(2)上；永磁铁(11)附着在铝基片(8)上，并包裹在磁感线圈(10)之中；发电机(14)安装在发电机支架(15)上，并通过发电机支架螺钉(16)安装在第一连接架(3)、第二连接架(4)上。
4.根据权利要求1所述的压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，其特征在于，所述刚性耦合振子系统(23)用于吸收流体动能，圆柱振子(17)通过连接片螺钉(19)与刚性连接片(18)连接形成刚性耦合振子；基片振子连接架(20)通过振子连接架螺钉(24)安装在刚性连接片(18)上，并与铝基片(8)固连。
5.根据权利要求1所述的压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，其特征在于，所述底座(5)的数量为2个，连接架上螺钉(6)的数量为4个，连接架下螺钉(7)的数量为4个；所述铝基片(8)的数量为2个，压电层(9)的数量为4个，磁感线圈(10)的数量为2个，永磁铁(11)的数量为2个，线圈支架(12)的数量为2个，线圈支架螺钉(13)的数量为2个；所述圆柱振子(17)的数量为3个，刚性连接片(18)的数量为2个，连接片螺钉(19)的数量为6个，基片振子连接架(20)的数量为2个，振子连接架螺钉(24)的数量为8个。
6.根据权利要求1所述的压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，其特征在于，所述圆柱振子(17)密度选为1800kg/m3，所述圆柱振子(17)的间距比为0.2D，D为单个圆柱振子的直径。
7.根据权利要求1所述的压电层和永磁体复合的多振子驰振能量收集系统，其特征在于，阻尼系数为0.05，基片层(8)的杨氏模量为1.7*1011Pa，压电层(9)的杨氏模量为7*1010Pa，磁感线圈(10)的电感为0.007H。
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| CN114962125B (zh) * | 2022-06-17 | 2024-01-30 | 中国石油大学(华东) | 直立压电式海洋立管流致振动能量采集与转化装置 |
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| Publication number | Publication date |
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| CN110022046B (zh) | 2020-07-21 |
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