CN112234861B - 基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，包括压电梁、密封盖和振动体；压电梁为双面压电片，其上设置有密封盖，密封盖将压电梁分为压电梁气体交界侧和压电梁液体交界侧，压电梁气体交界侧的外端设置有电极，压电梁液体交界侧的外端连接振动体。通过涡流冲击振动体产生的涡激效应，引导压电片进行振动；压电片在振动过程中，为抵抗变化会在材料相对的表面上产生等量的正负电荷，从而产生交变电压，该电压可通过能量收集耦合电路进行收集利用。该装置结构简单，适应性强，操作方便，安全可靠，且便于维修，发电过程具有高效性，过程绿色、无污染，可应用于微型元器件的续航保障，具有自启动和免维护的优点，可实现流程化自动化进程。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用涡激效应进行流体振动能收集发电的装置，属于流体振动能发电以及能量采集技术领域。
背景技术
从21世纪初开始，与技术进步密切相关的世界能源消耗(WEC)的增长突出了利用可再生能源的必要性，现阶段应用最为广泛且成熟的环境能量收集技术为太阳能与风能收集技术，但设备对环境的要求比较严格，需要足量的光能与风能才能发挥效果。相比之下，机械振动能量广泛存在于生活各处，此部分能量没有得到有效地利用。
涡激现象指一定条件下的稳定来流绕过规则物体时，物体两侧会周期性地产生脱离其表面的涡旋，也就是所谓的边界层脱离，这种流体与物体相互作用的现象被称作“涡激振动”。本质上为钝体绕流问题。流体冲击钝体，受到压缩速度变快，与之前的流场形成剪切层；剪切层不稳定，当惯性力远大于粘性力时,剪切层破坏，形成更加湍急的漩涡。如流速够快，当漩涡脱离固体时，由于漩涡是非对称的，会产生侧向力，而这个侧向力与漩涡频率有关；即当固体频率和漩涡频率接近时，发生共振。
正压电效应是指由于形变而产生电极化的现象。当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。
中国专利文献CN110311590A公开的《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弹簧，利用弹簧进行频率的整合，利用附带的支撑薄片对压电陶瓷进行振动。该发明结构较复杂，效率较低。
CN108869161A公开的《定水流方向的管道水力发电模块和系统及发电方法》中，随摆管由于水流流经障碍物，在障碍物后形成涡流通过涡的扰动导致其随着下部的半柔性支撑件发生左右摆动，从而进行发电。该发明结构简单，但单次涡流效应产生的冲击流频率因素并不稳定，对水流工况要求较高。
上述发电装置均不是用于微型元器件巡航。
目前亟需一种能够充分利用流体致振能，解决当前微型元器件巡航问题的装置。
发明内容
针对现有新能源市场中流体振动能发电技术存在的问题，本发明目的在于提供一种高效的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，为机械振动能的收集提供帮助，其优点在于装置结构简单，实用性强，可应用于多种微型元器件续航保障。
本发明基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置的技术方案如下所述。
该装置，包括压电梁、密封盖和振动体；压电梁上设置有密封盖，密封盖将压电梁分为压电梁气体交界侧和压电梁液体交界侧，压电梁气体交界侧的外端设置有电极，压电梁液体交界侧的外端连接振动体。所述压电梁为双面压电片，采用M2814-P2压电陶瓷片，其尺寸根据压电梁尺寸进行配置。所述密封盖起边界作用，进行气液界面分离；所述振动体用于激发涡流激振效应，引导压电片进行振动，通过压电正效应，产生交变电压。
所述压电梁，长度为80～100mm，宽度为15～20mm，厚度为0.2～0.4mm。
所述压电梁液体交界侧上包裹碳纤维层，对陶瓷压电片起强化作用，增加其强度，并防止流体腐蚀效应。
所述碳纤维层厚度为0.1～0.2mm，该厚度要求保证了抗腐蚀性能的同时可最大程度的减弱自身层厚对压电片振动产生的影响。
所述密封盖上设置有桁架，其上布置有固定孔。
所述密封盖上设置宽0.01～0.03mm的柔性槽，防止压电片与边界过度接触，产生断裂。
所述电极为4～6个，在压电梁气体交界侧的外端面呈对称分布，以有利于交变电流的导出。
所述电极直径为0.1～0.15mm，长度为0.5～0.8mm。
所述振动体呈圆柱型，直径为18～25mm，其上开有用于装夹在压电梁上的槽口。
上述装置适用于多种场合的微型装置续航，各参数可根据实际需要进行比例调整。
本发明采用压电发电技术，以密封盖作为边界，将包含振动体一段安装于流体流动区域中，另一段安装于无流体区域中，防止导电区域遭受流体腐蚀；通过流体冲击振动体产生的涡激效应，引导压电片进行振动；压电片在振动过程中，为抵抗变化会在材料相对的表面上产生等量的正负电荷，从而产生交变电压。所产生的交变电压由电极进行导出，输入到能量收集耦合电路中，对交变电流进行整流储存，最后导入到负载中去。通过该过程，对流体产生的振动能进行收集，可为微型元器件进行供能。具有绿色环保，简便实用的特点。
根据发明所述装置，设计出的能量收集耦合电路，与所述电极连接，该电路包括依次连接的整流桥、滤波器和稳压器，该电路具有高效，简单的特点，与所述装置高度契合。所述整流桥、滤波器和稳压器采用现有通用技术。
本发明所述装置以线性模式工作，流体涡激效应可诱发频率为f＝Stv/d的正弦力(St是斯特鲁哈尔数，v是水的速度，d是圆柱体直径)，经由实验测试，在0.5m/s的水速下，得到20mm的振幅与6.4Hz的频率，经过能量收集电路整流储存，可得到输出电压6V，可见该装置对流体振动能的收集具有高度的敏感性和可行性。
本发明提出基于涡激效应进行流体振动能收集的一体化耦合压电发电装置，并设计能量收集电路，对流体振动能进行收集。整个过程绿色、无污染，可应用于微型元器件的续航保障，具有较大应用前景，为新能源市场弥补空缺。
本发明具有以下特点：
1.本发明所述装置结构简单，可放大性强，可根据实际需求改变尺寸，只需要进行调整即可满足不同工况下，不同实用条件下的需求。
2.本发明所述装置耦合发电装置与能量收集电路，具有自启动和免维护的优点，可实现流程化自动化进程，具有高效性。
3.本发明所述装置设置有圆柱型振动体，使得振动产生不受限于流向与流量的限制。
4.本发明所述装置设置有碳纤维保护层，可适用于废水或雨水等不同流体介质中，适用范围较广，不受流体性质限制。
5.本发明所述装置交界面设置有柔性槽，将压电片与边界设置间隙，防止压电片层与边界过度接触导致削弱振动效果或产生断裂。
6.本发明所述设备不局限于在水流体应用，对于其他类型的流体也预计拥有良好的效果。
7.本发明所述设备结构简单，适应性强，操作方便，安全可靠，且便于维修。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图
图2是本发明中压电片层分布示意图
图3是本发明能量收集电路示意图
图中：1.铜电极，2.压电梁气体交界侧，3.密封盖，4.桁架，5.压电梁液体交界侧，6.振动体，7.双面压电片，8.碳纤维层。
具体实施方式
本发明所述基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，如图1所示，该装置包括铜电极1、压电梁、密封盖3、桁架4和振动体6。
压电梁即双面压电片7(参见图2)。压电梁为一扁平长方体，其长度为80～100mm，宽度为15～20mm，厚度为0.2～0.4mm；该双面压电片7采用M2814-P2压电陶瓷片，具有较好的正压电性能。
压电梁上设置密封盖3，压电梁贯穿密封盖3，密封盖3上设置有桁架4，通过桁架4使压电梁固定在密封盖3上。压电梁在密封盖3两侧分别形成压电梁气体交界侧2和压电梁液体交界侧5。密封盖3位于整个压电梁的中部，起边界作用，进行气液界面分离。桁架4位于密封盖3的压电梁气体交界侧2一侧，其上设置有固定孔。
密封盖3上设置宽度0.01～0.03mm的柔性槽，在装置振动过程中防止压电片层与边界过度接触导致削弱振动效果或产生断裂，具体尺寸视实际工况而定。
压电梁气体交界侧2的外端分布有铜电极1，铜电极1呈对称分布，有利于交变电流的导出。铜电极1的直径为0.1～0.15mm，长度为0.5～0.8mm，与能量收集电路通过导线连接，实现交变电压的收集。压电梁液体交界侧5的外端连接(装夹)振动体6，振动体6用于激发涡流激振现象，引导压电片进行振动，通过压电正效应，产生交变电压。振动体6为圆柱型，一端开有槽口，槽口的尺寸与压电梁液体交界侧5的厚度相适应，方便与其进行固连装夹，振动体6的截面直径为18～25mm，在外形与压电片层大小相适应的同时能够较为出色的辅助振动的产生，使得振动产生不受限于流向与流量的限制。
压电梁液体交界侧5的外围包裹有碳纤维层8，参见图2，碳纤维层8不仅对陶瓷压电片7起强化作用，增加其强度，并防止腐蚀，还适用于多种流体，使压电梁的性能不受流体性质限制。碳纤维层8的厚度为0.1～0.2mm，该厚度要求保证了抗腐蚀性能的同时可最大程度的减弱自身层厚对压电片振动产生的影响。
上述结构是根据流体动力学特点经过实际流体致振发电实验得出，达到了处理效果的最佳匹配效果。各种的数据尺寸均为发明人经过大量流体仿真与实际试验所得到的优化结果，能够使装置正确合理运作，实验数据符合仿真预期效果。
图3给出了本发明能量收集耦合电路，包括：依次连接的整流桥、滤波器和稳压器。该电路具有高效，简单的特点，与所述装置高度契合。所述整流桥、滤波器和稳压器采用现有通用技术。
通过本发明装置进行发电的过程为：本发明装置以密封盖3作为边界，将包含振动体一段安装于流体流动区域中，另一段安装于无流体区域中，防止导电区域遭受流体腐蚀。流体通过振动体6，于振动体6处发生涡激效应，使得压电梁产生振动，从而产生压电效应，交变电压从铜电极1处导出，由能量收集耦合电路进行整流滤波后实现稳压，在耦合电容中收集，并最终输出到负载终端，该过程为一体化进程，同时发生。
Claims (10)
1.一种基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，包括压电梁、密封盖和振动体；压电梁上设置有密封盖，密封盖将压电梁分为压电梁气体交界侧和压电梁液体交界侧，压电梁气体交界侧的外端设置有电极，压电梁液体交界侧的外端连接振动体；所述压电梁为双面压电片。
2.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述压电梁的长度为80～100mm，宽度为15～20mm，厚度为0.2～0.4mm。
3.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述压电梁液体交界面侧上包裹碳纤维层。
4.根据权利要求3所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述碳纤维层厚度为0.1～0.2mm。
5.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述密封盖上设置有桁架。
6.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述密封盖上设置宽0.01～0.03mm的柔性槽。
7.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述电极为4～6个，在压电梁气体交界侧的外端面呈对称分布。
8.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述电极直径为0.1～0.15mm，长度为0.5～0.8mm。
9.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述振动体呈圆柱型，截面直径为18～25mm。
10.根据权利要求1所述的基于涡激效应的一体化耦合压电发电装置，其特征是，所述电极与能量收集耦合电路连接，该电路包括依次连接的整流桥、滤波器和稳压器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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