CN112117935A - 一种涡激共振复合发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡激共振复合发电装置，包括底座和竖直的支撑杆；箱体，承载于支撑杆上，箱体包括底板和侧板；振动组件，包括柔性材质的竖直结构和横向结构，竖直结构竖直设在底板上，横向结构悬伸在侧板上，竖直结构和横向结构上设有压电组件；电磁感应部件，包括感应部件和磁力部件，磁力部件设在竖直结构上，竖直结构带动磁力部件运动，与感应部件发生感应；电量收集模块，分别与压电组件和电磁感应部件连接；此涡激共振复合发电装置利用涡激共振伴有的高频与大幅振动特征以及锁频现象，使得竖直结构和横向结构的振动频率大幅提升，同时利用竖直结构带动磁力部件与感应部件产生电能，通过将压电与磁电复合的方式相结合，提高发电效益。

Description

一种涡激共振复合发电装置

技术领域

本发明涉及能量采集装置技术领域，特别涉及一种涡激共振复合发电装置。

背景技术

自然界蕴藏着丰富的风能，当气流绕经结构表面时会在结构两侧背后尾流中产生交替脱落的旋涡，使结构表面的压力产生周期性的变化，从而在结构上产生周期性的涡激力，使结构产生涡激振动。旋涡的脱落频率与结构的形状和特征尺寸以及风速有关，当风速达到一个适当的值时，涡激力或力矩的频率接近于结构的某一固有频率，从而激发结构的涡激共振。一旦结构开始共振，结构的振动幅度会显著增大，并且结构运动和气流之间会产生剧烈的相互作用，即气弹效应。这种气弹效应将使得在一定得风速范围内涡脱频率不再随风速变化，即产生涡激共振锁频现象。若能合理涡激共振及其锁频现象，将能提高风能的收集效率，并产生相应的经济与社会效益。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种涡激共振复合发电装置，通过压电与磁电的复合发电方式，提高能量收集效益。

根据本发明的第一方面实施例，提供一种涡激共振复合发电装置，包括底座；支撑杆，竖直设置在底座上；箱体，承载于支撑杆上，箱体包括底板和设置在底板两侧的侧板；振动组件，包括竖直结构和横向结构，竖直结构竖直设置在底板上，横向结构悬伸设置侧板上，竖直结构和横向结构均为柔性材质，且竖直结构和横向结构上均设有压电组件；电磁感应部件，包括感应部件和磁力部件，磁力部件设置在竖直结构上，竖直结构振动带动磁力部件运动，感应部件设置在磁力部件的运动路径上，磁力部件与感应部件发生感应；电量收集模块，分别与压电组件和电磁感应部件连接。

有益效果：此涡激共振复合发电装置通过振动组件感受外界的风能，利用涡激共振伴有的高频与大幅振动特征，使得竖直结构和横向结构的振动频率与振幅大幅提升，提高发电效益，同时利用竖直结构的振动，带动磁力部件与感应部件发生相对运动关系，根据电磁感应原理产生电能，通过将压电与磁电复合的方式相结合，进一步提高了发电效益。

根据本发明第一方面实施例的涡激共振复合发电装置，竖直结构和横向结构设置多组，各竖直结构彼此间隔，各竖直结构在底板的中部位置排列，各横向结构分成两组，各横向结构分别设置在两块侧板上，各横向结构关于成列的各竖直结构对称设置。

根据本发明第一方面实施例的涡激共振复合发电装置，两块侧板上的各横向结构均沿水平方向依次排列。

根据本发明第一方面实施例的涡激共振复合发电装置，竖直结构的中心线与位于竖直结构两侧的横向结构的中心线在同一平面。

根据本发明第一方面实施例的涡激共振复合发电装置，一块竖直结构与位于竖直结构两侧的横向结构组成一组，同组中的竖直结构和横向结构的长度相同，不同组的竖直结构和横向结构的长度互不相同。

根据本发明第一方面实施例的涡激共振复合发电装置，一块竖直结构上对应设置两组磁力部件和两组感应部件，两组磁力部件分别位于竖直结构的两侧面，两组感应部件分别位于两块侧板上，感应部件与横向结构上下间隔。

根据本发明第一方面实施例的涡激共振复合发电装置，磁力部件为磁铁，感应部件为中空管道和设置在中空管道外的电感线圈，磁铁的中心与电感线圈的圆心、中空管道的中心轴线在同一水平线上。

根据本发明第一方面实施例的涡激共振复合发电装置，不同竖直结构中的磁铁的尺寸均不相同。

根据本发明第一方面实施例的涡激共振复合发电装置，支撑杆可旋转地设置在底座上，且支撑杆为可伸缩结构。

根据本发明第一方面实施例的涡激共振复合发电装置，支撑杆的侧壁上设有导向盘。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中竖直结构的结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1～图2，一种涡激共振复合发电装置，包括底座10；支撑杆11，竖直设置在底座10上，优选设置在底座10的中心处；箱体，承载于支撑杆11上，箱体包括底板21和设置在底板21两侧的侧板22，底板21和两侧的侧板22构成“U”型结构件；振动组件，包括竖直结构31和横向结构32，竖直结构31竖直设置在底板21上，横向结构32悬伸设置侧板22上，竖直结构31和横向结构32均为柔性材质，受风力影响会产生振动，且竖直结构31和横向结构32上均设有压电组件43，压电组件43能将机械能转换为电能；电磁感应部件42，包括感应部件42和磁力部件41，磁力部件41设置在竖直结构31上，竖直结构31振动带动磁力部件41运动，感应部件42设置在磁力部件41的运动路径上，磁力部件41与感应部件42发生感应；电量收集模块，分别与压电组件43和电磁感应部件42连接。此涡激共振复合发电装置通过振动组件感受外界的风能，利用涡激共振伴有的高频与大幅振动特征，使得竖直结构31和横向结构32的振动频率与振幅大幅提升，提高发电效益，同时利用竖直结构31的振动，带动磁力部件41与感应部件42发生相对运动关系，根据电磁感应原理产生电能，通过将压电与磁电复合的方式相结合，进一步提高了发电效益。

在本实施例中，竖直结构31和横向结构32设置多组，各竖直结构31彼此间隔，优选的彼此间隔相等，各竖直结构31在底板21的中部位置排列，各横向结构32分成两组，各横向结构32分别设置在两块侧板22上，各横向结构32关于成列的各竖直结构31对称设置。

优选的，可对各竖向结构31和各横向结构分组，一块竖直结构31与位于竖直结构31两侧的横向结构32组成一组，同组中的竖直结构31和横向结构32的长度相同，不同组的竖直结构31和横向结构32的长度互不相同。以使得不同组中的竖直结构31和横向结构32具有不同的自振频率，以组成一个更大的共振频率带，拓宽产生涡激共振的风速范围。

优选的，两块侧板22上的各横向结构32均沿水平方向依次排列。竖直结构31的中心线与位于竖直结构31两侧的横向结构32的中心线在同一平面内，保证设计合理，使得产生的涡激共振能充分利用。

在本实施例中，一块竖直结构31上对应设置两组磁力部件41和两组感应部件42，两组磁力部件41分别位于竖直结构31的两侧面，两组感应部件42分别位于两块侧板22上，感应部件42与横向结构32上下间隔，保证竖直结构31在左右晃动时消耗的能量都能被充分采集。

优选的，磁力部件41为磁铁，感应部件42为中空管道和设置在中空管道外的电感线圈，磁铁的中心与电感线圈的圆心、中空管道的中心轴线在同一水平线上。

优选的，同一个竖直结构31上的两个磁铁的参数相同，不同的竖直结构31中的磁铁的尺寸均不相同。中空管道和电感线圈的尺寸与各磁铁相配合，使得不同的竖直结构31有不同的自振频率，也使得不同的电感线圈能够与相应的磁铁匹配并尽可能产生更多的电能。

在本实施例中，支撑杆11可旋转地设置在底座10上，且支撑杆11为可伸缩结构。可通过旋转调节支撑杆11，保证更好地迎风，并根据风力大小，及时调整支撑杆11的高度，保证箱体稳定和更好地接收风能。

在本实施例中，支撑杆11的侧壁上设有导向盘12。导向盘12为一弧形的薄板状结构，导向盘12的板平面与两侧板22的板平面平行。

具体的，通过旋转支撑杆11，并带动箱体一起旋转，由于导向盘12的导向作用，使得支撑杆11的旋转总是会令导向盘12垂直于迎风向，使得来流能够直接作用在振动组件上并在横向结构32和竖直结构31的两侧产生旋涡脱落。

在本实施例中，压电组件43可以压电陶瓷或者压电聚合物，压电材料可以在横向结构32和竖直结构31上单面布置，也可以双面布置。

在本实施例中，横向结构32与竖直结构31均为板状结构，其中竖直结构31的正面平行于侧板22，横向结构32的正面平行于底板21。

此涡激共振复合发电装置垂直安装于具有一定空旷空间的地带，当周围环境有风时，在导向盘12的作用下，箱体将绕着底座10的中轴线旋转，使导向盘12垂直于来流方向。此时风吹过箱体，并且在横向结构32与竖直结构31的两侧产生交替的旋涡脱落。由此产生的涡激力作用在横向结构32与竖直结构31的表面，使得横向结构32与竖直结构31开始产生受迫振动；在来流风速达到一定范围时产生气动力，在气动力的作用下横向结构32与竖直结构31产生自激振动；当旋涡脱落的频率与横向结构32与竖直结构31的自振频率一致时，产生更大幅度的涡激共振现象。当横向结构32与竖直结构31受到外力激励产生振动时，由于压电组件43的压电效应，贴于横向结构32与竖直结构31根部的压电组件43将部分振动能转化为电能，该电能通过整流稳压后可被存储于电量收集模块。当竖直结构31产生振动时，将带动其顶端两侧的磁铁交替往复地进入与离开电感线圈，使得通过电感线圈的磁通量发生变化，并产生感应电流，该电能通过整流稳压后可被存储于电量收集模块。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种涡激共振复合发电装置，其特征在于，包括：

底座；

支撑杆，竖直设置在所述底座上；

箱体，承载于所述支撑杆上，所述箱体包括底板和设置在所述底板两侧的侧板；

振动组件，包括竖直结构和横向结构，所述竖直结构竖直设置在所述底板上，所述横向结构悬伸设置所述侧板上，所述竖直结构和所述横向结构均为柔性材质，且所述竖直结构和所述横向结构上均设有压电组件；

电磁感应部件，包括感应部件和磁力部件，所述磁力部件设置在所述竖直结构上，所述竖直结构振动带动所述磁力部件运动，所述感应部件设置在所述磁力部件的运动路径上，所述磁力部件与所述感应部件发生感应；

电量收集模块，分别与所述压电组件和电磁感应部件连接。

2.根据权利要求1所述的涡激共振复合发电装置，其特征在于：所述竖直结构和所述横向结构设置多组，各所述竖直结构彼此间隔，各所述竖直结构在所述底板的中部位置排列，各所述横向结构分成两组，各所述横向结构分别设置在两块所述侧板上，各所述横向结构关于成列的各所述竖直结构对称设置。

3.根据权利要求2所述的涡激共振复合发电装置，其特征在于：两块所述侧板上的各所述横向结构均沿水平方向依次排列。

4.根据权利要求3所述的涡激共振复合发电装置，其特征在于：所述竖直结构的中心线与位于竖直结构两侧的所述横向结构的中心线在同一平面。

5.根据权利要求4所述的涡激共振复合发电装置，其特征在于：一块所述竖直结构与位于竖直结构两侧的所述横向结构组成一组，同组中的所述竖直结构和所述横向结构的长度相同，不同组的所述竖直结构和所述横向结构的长度互不相同。

6.根据权利要求4所述的涡激共振复合发电装置，其特征在于：一块所述竖直结构上对应设置两组所述磁力部件和两组所述感应部件，两组所述磁力部件分别位于所述竖直结构的两侧面，两组所述感应部件分别位于两块所述侧板上，所述感应部件与所述横向结构上下间隔。

7.根据权利要求6所述的涡激共振复合发电装置，其特征在于：所述磁力部件为磁铁，所述感应部件为中空管道和设置在所述中空管道外的电感线圈，所述磁铁的中心与所述电感线圈的圆心、所述中空管道的中心轴线在同一水平线上。

8.根据权利要求7所述的涡激共振复合发电装置，其特征在于：不同所述竖直结构中的磁铁的尺寸均不相同。

9.根据权利要求1所述的涡激共振复合发电装置，其特征在于：所述支撑杆可旋转地设置在所述底座上，且所述支撑杆为可伸缩结构。

10.根据权利要求9所述的涡激共振复合发电装置，其特征在于：所述支撑杆的侧壁上设有导向盘。

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