CN110311590A - 一种基于涡激振动原理的可控压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于涡激振动原理的可控压电发电装置，其涡激振动俘获系统包括固定桁架、圆柱钝体和可移动桁架，固定桁架的安装槽内设有竖向排列的第一非线性弹簧和第二非线性弹簧，第一非线性弹簧的上端与可移动桁架固定连接、下端与圆柱钝体的端部固定连接，第二非线性弹簧的下端与安装槽的下端面固定连接、上端与圆柱钝体的端部固定连接。本发明利用钝体的周期性涡激振动来将水的动能转化为机械能，利用压电陶瓷薄片的正压电效应将机械能转化为电能，避免了传统发电装置在的机械传递过程中造成的较大能量损失；利用非线性弹簧支撑钝体，能够便捷地改变结构固有频率以适应不同来流速度，使钝体都能发生锁定共振，达到能量的最大俘获。
Description
技术领域
本发明涉及海洋再生能源开发与利用技术领域，具体涉及一种利用涡激振动带动压电板振动发电的发电装置。
背景技术
电能是科学技术发展，国民经济增长的主要动力，因此发电技术尤为重要，根据2018年国家能源局统计数据，我国电能来源中火力发电，水力发电，核电，风电分别占比75.08％、13.15％、4.17％、6.1％，火力发电仍然是我国主要的发电方式，但化石资源的储备有限且煤炭燃烧会排放二氧化硫一氧化碳等空气污染物，造成酸雨，雾霾等自然灾害，且直接对人体造成损伤，不利于自然环境的保护。而核电虽能释放大量能源，但目前科学技术尚不成熟，若发生核事故造成大量辐射后果十分严重，所以寻求可持续发展的清洁有效安全的发电方式显得迫在眉睫。利用自然资源发电是一种无消耗无污染的新型发电方式，例如太阳能发电，风力发电，水力发电等。其中，水力发电不发生化学反应，不排放有害物质，对环境污染小，适合可持续发展，以往的水力发电是通过水流推动水轮机转动，水轮机带动机械发电机装置发电，但是这种传动的发电方式在机械传递中能量大量损失，以至于能量转换效率低下。
钝体扰流是流体力学中一种非常重要的现象，随时随地都发生在自然界中。从流体的角度分析，任何非流线形物体，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替产生脱离物体表面的漩涡，交替脱离的漩涡会在物体上生成周期性变化的脉动压力。如果柱体是弹性支撑结构，那么脉动流体力将引发柱体的周期性横向振动，如果漩涡脱落的频率靠近结构的固有频率，会发生锁定现象，柱体会发生共振，振动的幅值会大大的增加。涡激共振通常是一种具有破坏性的现象，如果能将涡激振动的能量利用起来，并让钝体始终处于共振状态，能够高效地将水流能转化成电能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的机械传递中能量的损失和无法让钝体始终处于锁定状态发生共振以得到最大能量转化的问题，提供一种基于涡激振动原理的可控压电发电装置。该装置利用钝体的周期性涡激振动来将水的动能转化为机械能，利用压电陶瓷薄片的正压电效应将机械能转化成电能，避免了传统发电装置在机械传递中造成的较大能量损失；利用非线性弹簧支撑钝体，能够便捷地改变结构固有频率以适应不同来流速度，使钝体都能发生锁定共振，获得更多的能量。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种基于涡激振动原理的可控压电发电装置，包括涡激振动俘获系统、能量转换系统和压电发电储能系统；
所述涡激振动俘获系统包括固定桁架、圆柱钝体和可移动桁架；所述固定桁架有两个，相对设置于水流两侧，固定桁架的内侧面开设有安装槽，固定桁架的外侧面开设有滑槽导轨；所述圆柱钝体水平设置于两个固定桁架之间，圆柱钝体的中间部分为大直径柱体、两端部为小直径柱体；所述可移动桁架水平设置于两个固定桁架之间、位于圆柱钝体上方，可移动桁架的两端依次穿过所述固定桁架的安装槽和滑槽导轨，并能沿滑槽导轨上下移动；所述固定桁架的安装槽内设有竖向排列的第一非线性弹簧和第二非线性弹簧，所述第一非线性弹簧的上端与所述可移动桁架固定连接、下端与所述圆柱钝体的端部固定连接，所述第二非线性弹簧的下端与安装槽的下端面固定连接、上端与所述圆柱钝体的端部固定连接；
所述能量转换系统包括传递杆和支撑薄板，所述传递杆与所述圆柱钝体固定连接，传递杆竖直穿过所述支撑薄板；
所述压电发电储能系统包括压电陶瓷片、电路箱、LED灯泡、功率表和蓄电池，所述压电陶瓷片与传递杆连接，发生垂向的振动变形，产生正负电荷；所述LED灯泡固定在电路箱上，与蓄电池、功率表以及电路箱内电路形成采集电路。
上述方案中，所述涡激振动俘获系统还包括圆形腹板，所述圆形腹板有两个，分别固定安装于所述圆柱钝体的大直径柱体与小直径柱体的过渡处，所述传递杆的下端分别与两个圆形腹板固定连接。
上述方案中，所述可移动桁架的两端设有螺栓结构，可移动桁架移动至合适的位置后通过紧固螺帽与端部螺栓连接进行固定。
上述方案中，所述采集电路由压电振子模块、AC-DC整流桥模块、滤波电容模块、DC-DC降压转换器模块、功率监控模块、采集储能模块组成；所述压电振子模块包括压电陶瓷片；所述AC-DC整流桥模块由四个二极管D1、D2、D3和D4组成；所述滤波电容模块包括电容C1；所述DC-DC降压转换器模块包括包含NMOS管、电感L、电容C2和二极管D5；所述功率监控模块由功率表和电阻R1组成；所述采集储能模块包括电阻R2、LED灯泡和蓄电池。
上述方案中，所述压电发电储能系统还包括支撑厚板，所述电路箱、功率表和蓄电池固定于支撑厚板上。
本发明的有益效果在于：
1、本发明基于涡激振动原理的可控压电发电装置利用钝体的周期性涡激振动来将水的动能转化为机械能，利用压电陶瓷薄片的正压电效应来进行发电，避免了传统发电装置在机械传递过程中造成的较大能量损失。利用非线性弹簧支撑钝体，能够便捷地改变结构固有频率以适应不同来流速度，使钝体都能发生锁定共振，达到能量的最大俘获，提高能量的利用率。
2、在压电发电储能系统中，通过自行设计合理的采集电路，能够进行实时监控发电装置的运行状态，并及时应对电路的各种突发状况。
3、本发明的圆柱钝体与非线性弹簧构成一个弹性系统，基于流固耦合原理，涡的脱落引起弹性体的振动，然后再将振动传递到压电片上进行发电，这种装置比常见的基于尾流和压电片振动发电的装置更加容易控制，圆柱质量大，动能足，能量转换效率更高。同时在出现电路故障等突发情况时，因本装置的压电发电储能在水面上，比基于尾流的水下装置更容易维修。
4、本发明的适用性广，可应用于普通水渠，也可应用于海洋潮流，根据应用地的不同可设计制造大小适宜的发电机。
5、本发明利用压电陶瓷片变形进行发电，材料损耗低，对水流几乎无污染。
6、本发明装置结构简单、造价便宜、安装方便，便于维护。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于涡激振动原理的可控压电发电装置的整体结构示意图；
图2是本发明涡激振动俘获系统的侧向示意图；
图3是图2所示涡激振动俘获系统的A视角示意图；
图4是图2所示涡激振动俘获系统的B视角示意图；
图5是本发明压电发电储能系统的电路图。
图中：11、固定桁架；111、安装槽；112、滑槽导轨；12、圆柱钝体；13、圆形腹板；14a、第一非线性弹簧；14b、第二非线性弹簧；15、可移动桁架；16、螺栓结构；21、传递杆；22、支撑薄板；31、压电陶瓷片；32、电路箱；33、LED灯泡；34、支撑厚板；35、功率表；36、蓄电池；41、压电振子模块；42、AC-DC整流桥模块；43、滤波电容模块；44、DC-DC降压转换器模块；45、功率监控模块；46、采集储能模块。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明一较佳实施例的基于涡激振动原理的可控压电发电装置，包括涡激振动俘获系统、能量转换系统和压电发电储能系统。
如图1-4所示，涡激振动俘获系统包括固定桁架11、圆柱钝体12和可移动桁架15。固定桁架11有两个，相对设置于水流两侧，固定桁架11的内侧面开设有安装槽111，固定桁架11的外侧面开设有滑槽导轨112。圆柱钝体12水平设置于两个固定桁架11之间，圆柱钝体12的中间部分为大直径柱体、两端部为小直径柱体。可移动桁架15水平设置于两个固定桁架11之间，可移动桁架15位于圆柱钝体12上方，可移动桁架15的两端依次穿过固定桁架11的安装槽111和滑槽导轨112，并能沿滑槽导轨112上下移动。两个固定桁架11的安装槽111内分别设有竖向排列的第一非线性弹簧14a和第二非线性弹簧14b，第一非线性弹簧14a的上端与可移动桁架15固定连接、下端与圆柱钝体12的端部固定连接，第二非线性弹簧14b的下端与安装槽111的下端面固定连接、上端与圆柱钝体12的端部固定连接。圆柱钝体12与第一非线性弹簧14a和第二非线性弹簧14b形成了一个弹性支撑结构系统，通过上下移动可移动桁架15改变非线性弹簧的预紧力从而改变弹性支撑结构系统的固有频率，使圆柱钝体12的固有频率与脱涡频率相等，以面对一定范围内流速的来流均能够使圆柱钝体12达到锁定共振状态，圆柱钝体12的振幅最大。
进一步优化，本实施例中，涡激振动俘获系统还包括圆形腹板13，圆形腹板13有两个，分别固定安装于圆柱钝体12的大直径柱体与小直径柱体的过渡处。
进一步优化，本实施例中，可移动桁架15的两端设有螺栓结构16，可移动桁架15移动至合适的位置后通过紧固螺帽与端部螺栓连接进行固定。
如图1所示，能量转换系统包括传递杆21和支撑薄板22，传递杆21的下端分别与两个圆形腹板13固定连接，能够将圆柱钝体12的振动传递到传递杆21上，传递杆21竖直穿过支撑薄板22，保证传递到压电陶瓷片31的振动主要是垂向振动。为了不影响绕流，同时方便焊接加工，所以设计圆形腹板13与传递杆21的下端连接，实现振动的传递。同时，还能防止传递杆21与固定桁架11靠的太近造成接触。
如图1所示，压电发电储能系统包括压电陶瓷片31、电路箱32、LED灯泡33、功率表35、蓄电池36。压电陶瓷片31与传递杆21连接，发生垂向的振动变形，产生正负电荷。LED灯泡33固定在电路箱32上，与蓄电池36，功率表35以及电路箱32内电路形成采集电路。采集电路图如图5所示，采集电路由压电振子模块41、AC-DC整流桥模块42、滤波电容模块43、DC-DC降压转换器模块44、功率监控模块45、采集储能模块46组成。压电振子模块41包括压电陶瓷片31，产生正负电荷。AC-DC整流桥模块42由四个二极管D1、D2、D3和D4组成，该模块将压电片产生的交流电压转化成直流电压；滤波电容模块43包括电容C1，该模块通过降低交流脉冲波纹系数，使直流电平稳输出；DC-DC降压转换器模块44包括包含NMOS管、电感L、电容C2和二极管D5，该模块将输入的电压经降压处理，输出有效的固定电压；功率监控模块45由功率表35和电阻R1组成，该模块可以实时监测电路的有效功率；采集储能模块46包括电阻R2、LED灯泡33和蓄电池36，该模块可以将电能储存到蓄电池中，供后续使用。可以通过实时肉眼观测灯泡亮度来粗略判断发电效率。同时能判断线路是否畅通连接，如果灯泡不亮，则表示线路连接出现问题，需要重新检查电路连接。
进一步优化，本实施例中，压电发电储能系统还包括支撑厚板34，电路箱32、功率表35和蓄电池36固定于支撑厚板34上，支撑厚板34位于水面上。
本发明基于涡激振动原理的可控压电发电装置的工作原理：
如图1所示，水流经圆形钝体形成交替脱落的旋涡，漩涡的脱落导致弹性支撑的圆形钝体发生垂向振动，根据来流的速度，可以上下移动来改变可移动桁架15的位置，从而改变非线性弹簧的刚度，使得弹性支撑系统的固有频率靠近漩涡脱落的频率，发生锁定共振现象，圆形钝体达到最大振幅。传递杆21将振幅通过圆形腹板13传递到压电陶瓷片31上，压电陶瓷片31经变形产生正负电荷，电荷通过电路箱32转化成电能并存储于蓄电池36中，实现能量的最大俘获储存。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种基于涡激振动原理的可控压电发电装置，其特征在于，包括涡激振动俘获系统、能量转换系统和压电发电储能系统；
所述涡激振动俘获系统包括固定桁架、圆柱钝体和可移动桁架；所述固定桁架有两个，相对设置于水流两侧，固定桁架的内侧面开设有安装槽，固定桁架的外侧面开设有滑槽导轨；所述圆柱钝体水平设置于两个固定桁架之间，圆柱钝体的中间部分为大直径柱体、两端部为小直径柱体；所述可移动桁架水平设置于两个固定桁架之间、位于圆柱钝体上方，可移动桁架的两端依次穿过所述固定桁架的安装槽和滑槽导轨，并能沿滑槽导轨上下移动；所述固定桁架的安装槽内设有竖向排列的第一非线性弹簧和第二非线性弹簧，所述第一非线性弹簧的上端与所述可移动桁架固定连接、下端与所述圆柱钝体的端部固定连接，所述第二非线性弹簧的下端与安装槽的下端面固定连接、上端与所述圆柱钝体的端部固定连接；
所述能量转换系统包括传递杆和支撑薄板，所述传递杆与所述圆柱钝体固定连接，传递杆竖直穿过所述支撑薄板；
所述压电发电储能系统包括压电陶瓷片、电路箱、LED灯泡、功率表和蓄电池，所述压电陶瓷片与传递杆连接，发生垂向的振动变形，产生正负电荷；所述LED灯泡固定在电路箱上，与蓄电池、功率表以及电路箱内电路形成采集电路。
2.根据权利要求1所述的基于涡激振动原理的可控压电发电装置，其特征在于，所述涡激振动俘获系统还包括圆形腹板，所述圆形腹板有两个，分别固定安装于所述圆柱钝体的大直径柱体与小直径柱体的过渡处，所述传递杆的下端分别与两个圆形腹板固定连接。
3.根据权利要求1所述的基于涡激振动原理的可控压电发电装置，其特征在于，所述可移动桁架的两端设有螺栓结构，可移动桁架移动至合适的位置后通过紧固螺帽与端部螺栓连接进行固定。
4.根据权利要求1所述的基于涡激振动原理的可控压电发电装置，其特征在于，所述采集电路由压电振子模块、AC-DC整流桥模块、滤波电容模块、DC-DC降压转换器模块、功率监控模块、采集储能模块组成；所述压电振子模块包括压电陶瓷片；所述AC-DC整流桥模块由四个二极管D1、D2、D3和D4组成；所述滤波电容模块包括电容C1；所述DC-DC降压转换器模块包括包含NMOS管、电感L、电容C2和二极管D5；所述功率监控模块由功率表和电阻R1组成；所述采集储能模块包括电阻R2、LED灯泡和蓄电池。
5.根据权利要求1所述的基于涡激振动原理的可控压电发电装置，其特征在于，所述压电发电储能系统还包括支撑厚板，所述电路箱、功率表和蓄电池固定于支撑厚板上。
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