CN113364351B - 一种利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置和方法，包括支撑架、连接架、支撑弹簧、双圆锥体和介电弹性体发电装置；双圆锥体和介电弹性体发电装置通过圆盘端板和连接架连接，连接架和支撑架通过连接销轴铰接，支撑弹簧和支撑架一端连接圆盘端板和连接架，另一端和流道壁面连接；该装置结构简单，没有额外的能量损失，适用于较宽流速范围内的流体能量收集；流体通过锥体产生涡激振动带动介电弹性体发电装置将流动能转换为电能。流体通过圆锥体不同截面的涡脱落频率不同，可以使得某截面处的涡脱落频率与结构固有频率一致而产生共振，从而在较宽来流速度范围内都能有效地利用流体动能进行发电，转换效率高，能大幅提高发电能力。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种利用流动能发电的装置，具体涉及一种利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置和方法。
背景技术
现今，能源问题依旧是全球关注的重点，传统化石能源的污染及其逐渐面临枯竭等问题日益严重，可再生能源的开发利用受到各国高度关注。环境中的风能、潮汐能、水流洋流等形式的流动能是一种普遍存在的可再生能源。传统的流动能发电技术主要是利用流体作用力直接推动涡轮旋转，从而采用电磁感应发电机进行发电。这种发电方式所需要来流速度大，结构复杂，一般使用在大型水电站上，故而后续发明了利用圆柱体绕流涡激振动的发电技术，但是这些技术也存在适用流体流速范围小，能量转化效率低等问题。
柱体绕流产生一定频率的Karman涡脱落，诱发周期性流体力，激励结构产生振动。当涡脱落频率与柱体振动频率同步时，柱体横向振动幅度增加，涡脱落频率与振动频率形成联锁，从而使柱体的振动控制涡脱落频率，从而使流体能量更有效地不断输入到结构振动系统。当来流经过双圆锥体时形成不同频率的对称涡脱落，当其中某一涡脱落频率与柱体振动频率相近时，引发系统共振，这时的柱体振幅达到最大，回收能量的效率最高。不同的来流速度对应着不同的柱体直径处可实现柱体共振的涡脱落频率，故而此技术可以提高流动能的利用效率，扩展流动能的利用范围，进一步提高圆柱绕流涡激振动能量收集的密度。
介电弹性体是在丙烯酸或硅树脂等弹性体材料基质的上、下表面渗入屈从电极材料(如碳或石墨等)形成的，是一种基于Maxwell效应的新型电活性聚合物材料。介电弹性体的发电原理可看作为可变电容装置。在伸展状态下，电荷注入到介电弹性体薄膜电极上，当在外力作用下紧缩弛豫时，弹性体材料的弹性应力抵抗电场力，提高了电能。当外力作用在具有预加电压的介电弹性体上使其变形时，通过改变电容即可发电，变形越大，发电能力越强。而介电弹性体发电过程即为介电弹性体的伸展与紧缩弛豫的交替过程。
该发电技术可以改进现阶段流动能发电技术，为更广范围、更高效率的流动能回收提供可能，具有广阔的应用前景，符合当今社会节能、环保的发展趋势，对推动我国可再生能源的利用和国民经济的发展有着重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，特别是针对涡激振动发电装置对能量收集的效率低下、适用来流速度范围窄等问题，本发明提供了一种结构设计简单，能量转换效率高的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置和方法。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个目的在于提供一种利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置，包括支撑架、连接架、支撑弹簧、双圆锥体和介电弹性体发电装置；
所述的连接架的中部通过支撑架安装在流道壁面上，连接架一侧安装有双圆锥体，连接架另一侧通过一对支撑弹簧固定在流道壁面上；所述的介电弹性体发电装置位于两个支撑弹簧之间；所述的双圆锥体和介电弹性体发电装置以支撑架和连接架的连接处为支点，形成跷跷板结构；
所述的介电弹性体发电装置包括若干个由刚性支撑体上盖、刚性支撑体下盖、内部弹簧和介电弹性薄膜构成的单体结构；所述的内部弹簧的两端分别与刚性支撑体上盖、刚性支撑体下盖连接，所述的刚性支撑体上盖固定在连接架另一侧，刚性支撑体下盖固定在流道壁面上；所述的介电弹性薄膜包覆在内部弹簧的外侧，介电弹性薄膜的两端分别与刚性支撑体上盖、刚性支撑体下盖连接；若干个单体结构均布在两个支撑弹簧之间；
所述的介电弹性薄膜是通过在弹性体材料两侧镀屈从电极制备得到的。
所述的双圆锥体的最大直径和最小直径分别为：
Dmax＝St×Umax/fvs
Dmin＝St×Umin/fvs
Fvs≈fn
其中，Dmax和Dmin分别为双圆锥体中间位置处的最大直径和两端位置处的最小直径；Umax和Umin分别为来流速度的最大流速值和最小流速值，fvs为双圆锥体不同直径处对应的横截面后方产生的不同频率涡脱落，fn为装置的固有频率，St为Stouhal数，对于圆柱绕流St≈0.2。
本发明的第二个目的在于提供一种上述的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置的方法，包括：
根据来流速度的范围设计双圆锥体的最大直径和最小直径；将权利要求4所述的装置安装在流道壁面上，双圆锥体靠近来流方向；
当流体以速度U沿来流方向绕流过双圆锥体时，双圆锥体以中间为对称面的两侧不同直径D对应的横截面后方产生周期性的、不同频率的涡脱落，在对应的直径D处产生与装置振动固有频率fn接近的涡脱落频率，使装置处于共振状态；振动过程为：所述的周期性的、不同频率的涡脱落致使双圆锥体表面产生周期性扰动力，即流致振动，将流体的动能转换为机械能，当双圆锥体振动时，介电弹性体发电装置中的内部弹簧呈反方向振动，压缩或拉伸内部弹簧的同时带动介电弹性薄膜压缩或拉伸，将机械能转换为电能，通过外接导线对外接负载进行充电。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、结构简单，运动部件少，从而避免过多因摩擦力造成额外的能量损失，适用于较宽流速范围内的能量收集。
2、可以通过选择合适的支撑弹簧，方便调整振动结构的固有频率。流体通过双圆锥体产生不同频率的涡脱落，促使结构处于共振状态并使涡脱落频率与结构振动频率发生联锁，带动介电弹性体发电装置将流动能转换为电能，能量密度大，转换效率大，能大幅度提高发电能力。
3、双圆锥体的对称结构使得两圆锥上的涡脱落基本呈对称分布，从而有效减小涡激振动发电装置沿圆锥体轴向方向的侧向力，保证发电装置的良好稳定运行。
4、双圆锥体两端的圆盘端板能有效抑制端部涡对柱体两侧Karman涡脱落的影响，从而形成稳定的Karman涡脱落，提高工作稳定性。
5、介电弹性体发电装置中把介电弹性薄膜以一定预拉伸铺设在内部弹簧上，不容易发生介电弹性薄膜褶皱而导致的发电机失效，提高介电弹性体发电装置的稳定性。
附图说明
图1为一种利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置的结构示意图；
图2为一种利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置的主视图；
图3为介电弹性体发电装置的单体结构示意图；
图4为介电弹性体发电装置的单体结构剖视图；
图5为介电弹性薄膜9的局部放大图；
图6为双圆锥体绕流涡激振动的原理图；
图7为介电弹性薄膜伸展状态下的原理图；
图8为介电弹性薄膜回缩状态下的原理图；
附图中：1—圆盘端板；2—双圆锥体；3—连接架；4—支撑架；5—连接销轴；6—支撑弹簧；7—介电弹性体发电装置；801—刚性连接体上盖；802—刚性连接体下盖；9—介电弹性体膜；10—内部弹簧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置，包括支撑架4、连接架3、支撑弹簧6、双圆锥体2和介电弹性体发电装置7；
所述的连接架3的中部通过支撑架4安装在流道壁面上，连接方式为铰接，连接架3一侧安装有双圆锥体2，连接架3另一侧通过一对支撑弹簧固定在流道壁面上；所述的介电弹性体发电装置7位于两个支撑弹簧之间；所述的双圆锥体2和介电弹性体发电装置7以支撑架4和连接架3的连接处为支点，形成跷跷板结构；如图2所示，本实施例中，连接架3的中部通过连接销轴5固定在支撑架4的一端，支撑架4的另一端固定在流道壁面上，连接销轴5的设计使得双圆锥体2-介电弹性体发电装置7的跷跷板结构可以绕连接销轴5进行一定角度的旋转。
如图3-4所示，所述的介电弹性体发电装置7包括若干个由刚性支撑体上盖801、刚性支撑体下盖802、内部弹簧10和介电弹性薄膜9构成的单体结构；所述的内部弹簧10的两端分别与刚性支撑体上盖801、刚性支撑体下盖802连接，所述的刚性支撑体上盖801固定在连接架3另一侧，刚性支撑体下盖802固定在流道壁面上；所述的介电弹性薄膜9包覆在内部弹簧10的外侧，介电弹性薄膜9的两端分别与刚性支撑体上盖801、刚性支撑体下盖802连接；若干个单体结构均布在两个支撑弹簧之间。本实施例中，所述的介电弹性体发电装置7中的每一个单体结构中的内部弹簧与两侧的支撑弹簧平行，使得内部弹簧的振动方向与双圆锥体2的振动方向正好相反。
所述的介电弹性薄膜9是通过在弹性体材料两侧镀屈从电极制备得到的。如图5中的局部放大图所示，中间部分为可拉伸的弹性体材料，两边为屈从电极。介电弹性薄膜9的拉伸和回缩过程分别如图7和图8所示。
本实施例中，如图1采用的是一种一边敞开的矩形框架结构作为连接架，敞开处的两个端部均安装有带通孔的圆盘端板1，两个圆盘端板的端面相对；所述的双圆锥体2的两端通过两个圆盘端板的通孔固定，能够绕双圆锥体的轴线转动。双圆锥体2的两侧圆盘端板1可以有效抑制端部涡对柱体两侧Karman涡脱落的影响，从而形成稳定涡脱，提高工作稳定性。
双圆锥体2为中间大两端小的变直径柱体，且以最大直径处为对称面。当流体以速度U沿来流方向绕流过双圆锥体2时，双圆锥体2的两侧不同直径D对应的横截面后方产生不同频率的涡脱落，如图6所示。按Strouhal定律涡脱落频率fvs＝St×U/D,其中St为Stouhal数，对于圆柱绕流St≈0.2。根据应用场合的来流速度U的范围，调整双圆锥体的锥度，在对称不同直径D处产生与结构振动固有频率接近的涡脱落频率，引起发电装置的机械结构处于共振状态。双圆锥体2的大振幅能诱发整个圆锥上的绕流产生联锁现象，从而使得整个系统的振动幅度最大，回收能量的效率最高，有效地从流体中吸收流动量转化为机械能。
涡脱落过程是在双圆锥体后方的两侧交替发生，致使圆柱表面产生周期性扰动力，即流致振动。当双圆锥体2振动时，介电弹性体发电装置7中的内部弹簧10和双圆锥体2成反方向振动，压缩或拉伸弹簧的同时使介电弹性薄膜9压缩或拉伸。
依据上述原理，双圆锥体2的最大直径和最小直径分别为：
Dmax＝St×Umax/fvs
Dmin＝St×Umin/fvs
fvs≈fn
其中，Dmax和Dmin分别为双圆锥体中间位置处的最大直径和两端位置处的最小直径；Umax和Umin分别为来流速度的最大流速值和最小流速值，fvs为双圆锥体不同直径处对应的横截面后方产生的不同频率涡脱落，fn为装置的固有频率，St为Stouhal数，对于圆柱绕流St≈0.2。
本实施例中的支撑架可以采用任意形式，只要能够满足支撑功能和绕支撑点摆动的功能即可。例如采用垂直于流道壁面的一对支撑杆构成，所述的连接架与支撑杆垂直。
本实施例中的收集电能的装置在使用时，还包括整流电路和外接负载；每一个单体结构中的刚性支撑体上盖801、刚性支撑体下盖802分别连接外部的正电极和负电极，通过导线连接整流电路后给外接负载供电。图1是以一个单体结构为例的示意图。所述的负载可以是发光二极管或者可充电的蓄电池结构。
在使用上述的装置收集电能时，其工作流程如下：
根据来流速度的范围设计双圆锥体2的最大直径和最小直径；将权利要求4所述的装置安装在流道壁面上，双圆锥体2迎着来流方向；
当流体以速度U沿来流方向绕流过双圆锥体2时，双圆锥体2以中间为对称面的两侧不同直径D对应的横截面后方产生周期性的、不同频率的涡脱落，在对应的直径D处产生与装置振动固有频率f固接近的涡脱落频率，使装置处于共振状态；振动过程为：所述的周期性的、不同频率的涡脱落致使双圆锥体2表面产生周期性扰动力，即流致振动，将流体的动能转换为机械能，当双圆锥体2振动时，介电弹性体发电装置7中的内部弹簧10呈反方向振动，压缩或拉伸内部弹簧的同时带动介电弹性薄膜9压缩或拉伸，将机械能转换为电能，通过外接导线对外接负载进行充电。
本实施例中，所述的介电弹性体发电装置7中的介电弹性薄膜9以预拉伸的形式包覆在内部弹簧10的外侧，当内部弹簧带动介电弹性薄膜9压缩至最低点时，介电弹性薄膜9不发生褶皱。该设计能有效防止介电弹性薄膜发生褶皱而导致发电失效，提高介电弹性体发电装置的稳定性。
对于不同速度的来流，由于双圆锥体2各截面直径不同产生的涡脱落频率不同，使其某一涡脱落频率与双圆锥体2-介电弹性体发电装置7系统的固有频率重合，因此介电弹性体发电装置7可以一直产生最大幅度的形变进行能量收集，进一步提高涡激振动能量收集的密度，大幅提高了流动能的利用效率。
最后，以上实例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，本领域技术人员应该理解，可以对本发明的技术方案进行修改及同等替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围的，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (10)
1.一种利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置，其特征在于，包括支撑架(4)、连接架(3)、支撑弹簧(6)、双圆锥体(2)和介电弹性体发电装置(7)；
所述的连接架(3)的中部通过支撑架(4)安装在流道壁面上，连接架(3)一侧安装有双圆锥体(2)，连接架(3)另一侧通过一对支撑弹簧固定在流道壁面上；所述的介电弹性体发电装置(7)位于两个支撑弹簧之间；所述的双圆锥体(2)和介电弹性体发电装置(7)以支撑架(4)和连接架(3)的连接处为支点，形成跷跷板结构；
所述的介电弹性体发电装置(7)包括若干个由刚性支撑体上盖(801)、刚性支撑体下盖(802)、内部弹簧(10)和介电弹性薄膜(9)构成的单体结构；所述的内部弹簧(10)的两端分别与刚性支撑体上盖(801)、刚性支撑体下盖(802)连接，所述的刚性支撑体上盖(801)固定在连接架(3)另一侧，刚性支撑体下盖(802)固定在流道壁面上；所述的介电弹性薄膜(9)包覆在内部弹簧(10)的外侧，介电弹性薄膜(9)的两端分别与刚性支撑体上盖(801)、刚性支撑体下盖(802)连接；若干个单体结构均布在两个支撑弹簧之间；
所述的介电弹性薄膜(9)是通过在弹性体材料两侧镀屈从电极制备得到的。
2.根据权利要求1所述的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置，其特征在于，所述的连接架(3)为一边敞开的矩形框架结构，敞开处的两个端部均安装有带通孔的圆盘端板(1)，两个圆盘端板的端面相对；所述的双圆锥体(2)的两端通过两个圆盘端板的通孔固定，能够绕双圆锥体的轴线转动。
3.根据权利要求2所述的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置，其特征在于，所述的双圆锥体(2)为中间大两端小的变直径柱体，且以最大直径处为对称面。
4.根据权利要求3所述的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置，其特征在于，所述的双圆锥体(2)的最大直径和最小直径分别为：
Dmax＝St×Umax/fvs
Dmin＝St×Umin/fvs
fvs≈fn
其中，Dmax和Dmin分别为双圆锥体中间位置处的最大直径和两端位置处的最小直径；Umax和Umin分别为来流速度的最大流速值和最小流速值，fvs为双圆锥体不同直径处对应的横截面后方产生的不同频率涡脱落，fn为装置的固有频率，St为Stouhal数，对于圆柱绕流St≈0.2。
5.根据权利要求1所述的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置，其特征在于，所述的连接架(3)的中部通过连接销轴(5)固定在支撑架(4)的一端，支撑架(4)的另一端固定在流道壁面上。
6.根据权利要求1所述的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置，其特征在于，所述的支撑架采用垂直于流道壁面的一对支撑杆构成，所述的连接架与支撑杆垂直。
7.根据权利要求1所述的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置，其特征在于，所述的介电弹性体发电装置(7)中的每一个单体结构中的内部弹簧与两侧的支撑弹簧平行。
8.根据权利要求7所述的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置，其特征在于，还包括整流电路和外接负载；
每一个单体结构中的刚性支撑体上盖(801)、刚性支撑体下盖(802)分别连接外部的正电极和负电极，通过导线连接整流电路后给外接负载供电。
9.一种权利要求4所述的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置的方法，其特征在于，包括：
根据来流速度的范围设计双圆锥体(2)的最大直径和最小直径；将权利要求4所述的装置安装在流道壁面上，双圆锥体(2)迎着来流方向；
当流体以速度U沿来流方向绕流过双圆锥体(2)时，双圆锥体(2)以中间为对称面的两侧不同直径D对应的横截面后方产生周期性的、不同频率的涡脱落，在对应的直径D处产生与装置振动固有频率fn接近的涡脱落频率，使装置处于共振状态；振动过程为：所述的周期性的、不同频率的涡脱落致使双圆锥体(2)表面产生周期性扰动力，即流致振动，将流体的动能转换为机械能，当双圆锥体(2)振动时，介电弹性体发电装置(7)中的内部弹簧(10)呈反方向振动，压缩或拉伸内部弹簧的同时带动介电弹性薄膜(9)压缩或拉伸，将机械能转换为电能，通过外接导线对外接负载进行充电。
10.根据权利要求9所述的利用双圆锥体绕流涡激振动收集电能的装置的方法，其特征在于，所述的介电弹性体发电装置(7)中的介电弹性薄膜(9)以预拉伸的形式包覆在内部弹簧(10)的外侧，当内部弹簧带动介电弹性薄膜(9)压缩至最低点时，介电弹性薄膜(9)不发生褶皱。
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Citations (7)
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-
2021
- 2021-07-05 CN CN202110759722.5A patent/CN113364351B/zh active Active
Patent Citations (7)
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