串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置，包括上游圆柱振动系统和下游圆柱-压电振动系统；上游圆柱振动系统包括上游圆柱体、砂纸条和支撑弹簧Ⅰ，上游圆柱体通过其两端设置的支撑弹簧Ⅰ安装于流道中心；下游圆柱-压电振动系统包括下游圆柱体、压电板和支撑弹簧Ⅱ，下游圆柱体通过其两端设置的支撑弹簧Ⅱ安装于流道中心，上下游圆柱体的轴心线与来流方向垂直，压电板的一端安装在下游圆柱体的背风面上，上游圆柱体和下游圆柱体串行排列。该装置结构可靠，能量密度高，适用于流速较低时的能量收集；在较低流速时，结合压电片形变时的压电效应直接将流动能转换为电能，大幅提高发电能力。
【专利说明】串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用流动能发电领域，具体涉及一种串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置。
【背景技术】
[0002]为了应对全球气候变暖，可再生能源开发利用受到世界各国高度重视，许多国家将开发利用可再生能源作为能源战略的重要组成部分，提出了明确的可再生能源发展目标，制定了鼓励可再生能源发展的法律和政策。特别是在2007年3月，欧盟领导人达成了一项协议，为了在五年内削减二氧化碳排放量，所消耗的能量中至少应有20%是来自可再生能源。在所有的可再生能源中，流动能(风能/水能)是最具有代表性的替代能源之一，这种可再生资源促使人们发明和开发新的机械设备，从而利用这种来自大自然的恩赐。然而，目前利用流动能进行能量收集的发电技术，无论是风能还是水能发电，传统的发电技术都无法有效利用低速流动能(比如微风)。此类发电技术所需启动流速高，能量损耗大。虽然针对低速气流和水流的发电技术已经提出不少形式，但多数存在着结构不合理和系统设计困难等缺陷。
[0003]钝体绕流是自然界中极为普遍的一种物理现象。钝体是工程中一种常见的非流线型结构，在一定的流速下，流体绕流钝体后会在钝体两侧交替地产生脱离钝体表面的旋涡。旋涡脱落会在结构表面形成周期性脉动作用力，当钝体固定方式为弹性支撑或允许发生弹性形变时，脉动力将引发钝体的周期性振动，并在一定条件下产生涡致振动。在一切与流体相关的机械与工程中，涡致振动是一个涉及安全性的重大问题，例如会导致桥梁、烟囱、高塔、海上平台和热交换站等建筑物的疲劳破坏，尤其是当旋涡脱落的频率与结构的固有频率接近时，结构处于共振状态，涡致振动对固体结构的破坏更加严重。而此类结构振动在较低的流速下即会发生，如能将涡致振动与发电技术相结合，则可极大提高流动能的利用范围，其供能范围也会得到极大扩展，并且变得更加灵活。对传统发电设备无法利用的低速流动能进行利用，在航空航天、电子、机电和国防军事等领域都具有广阔的应用前景(如微型电源，替代蓄电池等)，对推动我国可再生能源的利用技术和国民经济的发展具有重要意义。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置，该装置具有简单、结构设计容易、能量转换效率高的特点，特别适合用于捕集低速流体动能。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案:
串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置，包括上游圆柱振动系统和下游圆柱-压电振动系统；
所述上游圆柱振动系统包括上游圆柱体、砂纸条和支撑弹簧I ;所述砂纸条为两根，两根砂纸条以穿过上游圆柱体轴心线的水平面对称，沿上游圆柱体的轴向粘贴于上游圆柱体两侧，其位于上游圆柱体的迎风面上；所述上游圆柱体通过其两端设置的支撑弹簧I安装于流道中心，上游圆柱体的轴心线与来流方向垂直；
所述下游圆柱-压电振动系统包括下游圆柱体、压电板和支撑弹簧II ;所述下游圆柱体通过其两端设置的支撑弹簧II安装于流道中心，下游圆柱体的轴心线与来流方向垂直；所述压电板的一端安装在下游圆柱体的背风面上，压电板包括弹性基板、压电片和附加质量块，所述弹性基板的一面或两面粘贴压电片，所述附加质量块安装在弹性基板且远离下游圆柱体的一端上；压电板的长度与下游圆柱体直径相等；
所述上游圆柱体和下游圆柱体均为中空结构，上游圆柱体和下游圆柱体串行排列，上游圆柱体和下游圆柱体的运动方向垂直于流向及各自轴向。
[0006]作为本发明的一种优选方案，所述压电片上下两侧分别连接电极引出导线，电极引出导线与处理电路连接。
[0007]与现有技术相比，本发明的串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置具有如下优点:
1、该装置结构简单可靠，结构中没有转动部件，不会因摩擦力消耗部分能量，适用于流速较低时的能量收集。
[0008]2、结构中采用串行排列的双柱体，能量密度高；同时利用上游圆柱振动系统增加下游圆柱-压电振动系统的来流强度，促进下游圆柱体发生涡致振动，提高能量转换效率，所需来流速度低。
[0009]3、在下游圆柱体后安装能发生形变的弹性压电板，在较低流速时，结合压电片形变时的压电效应直接将流动能转换为电能，大幅提高发电能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置的结构示意图；
图2为上游圆柱振动系统的示意图；
图3为下游圆柱-压电振动系统的示意图。
[0011]附图中:I一上游圆柱体；2—下游圆柱体；3—砂纸条；4一压电板；4_1一弹性基板；4-2—压电片；4-3—附加质量块；5—支撑弹簧I ; 6—迎风面驻点；7—背风面；8—支撑弹簧II。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细地描述。
[0013]如图1所示，串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置，包括上游圆柱振动系统和下游圆柱-压电振动系统。
[0014]上游圆柱振动系统包括上游圆柱体1、砂纸条3和支撑弹簧I 5。砂纸条3为两根，两根砂纸条3以穿过上游圆柱体I轴心线的水平面对称，沿上游圆柱体I轴向粘贴于上游圆柱体I两侧，其位于上游圆柱体I的迎风面上，并通过动力传输系统输出振动能，如图2所示，砂纸条3与上游圆柱体I的迎风面驻点6之间的角度为a，每根砂纸条3覆盖上游圆柱体I周向表面角度为〃。上游圆柱体I通过其两端设置的支撑弹簧I 5安装于流道中心，上游圆柱体I的轴心线与来流方向垂直。
[0015]下游圆柱-压电振动系统包括下游圆柱体2、压电板4和支撑弹簧II 8，如图3所示。下游圆柱体2通过其两端设置的支撑弹簧II 8安装于流道中心，下游圆柱体2的轴心线与来流方向垂直，并通过动力传输系统输出振动能。压电板4的一端安装在下游圆柱体2的背风面7上，将流动能转换为电能，适用于流速较低时的能量收集。压电板4包括弹性基板4-1、压电片4-2和附加质量块4-3，弹性基板4-1的一面贴压电片4_2，为了提高能量收集密度，可以将弹性基板4-1两面均粘贴压电片4-2，附加质量块4-3安装在弹性基板4-1且远离下游圆柱体2的一端上，该弹性基板4-1的自由端上设置附加质量块4-3，可发生自由振动，压电板4的长度与下游圆柱体2直径相等。在本实施例中，弹性基板4-1呈T型结构，T型头部一端安装在下游圆柱体2的背风面7处，T型尾部一端安装附加质量块4-3。
[0016]上游圆柱体I和下游圆柱体2均为中空结构，上游圆柱体I和下游圆柱体2串行排列(即上游圆柱体I设置在上游，下游圆柱体2设置在下游)，上游圆柱体I和下游圆柱体2的轴线相互平行，平衡位置在同一水平面，上游圆柱体I的运动方向垂直于流向及上游圆柱体I轴向，下游圆柱体2的运动方向垂直于流向及下游圆柱体2轴向。上游圆柱体1、下游圆柱体2、支撑弹簧I 5和支撑弹簧II 8构成质量-弹簧-阻尼振动系统，上游圆柱体I和下游圆柱体2之间的距离可沿流体流动方向进行调节，初始距离为2倍圆柱体直径。
[0017]压电片4-2上下两侧分别连接电极引出导线，电极引出导线与处理电路连接，将电极引出导线布置在空心圆柱体内部，当压电片4-2发生形变时直接输出电能。
[0018]当流体沿来流方向通过流道进行整流后，横向绕流上游圆柱振动系统和下游圆柱-压电振动系统中的圆柱体，由于水和空气均具有粘型，绕流过程中边界层分离，在一定流速范围内会形成脱体旋涡。在旋涡脱落的过程中，圆柱体会受到周期性变化的脉动作用力。在脉动力作用下，圆柱体将发生周期性振动。发生振动的圆柱体通过动力输出装置输出机械能，带动发电机旋转，将机械能转换为电能输出。对于上游圆柱体I振动系统，为了促使脱体旋涡产生，在上游圆柱体I表面对称粘贴砂纸条，从而使上游圆柱振动系统在低流速下也会发生振动。另一方面，由于上游圆柱振动系统的存在，使下游圆柱-压电振动系统面对的来流强度增加，进一步刺激下游圆柱体2后的旋涡脱落，使下游圆柱体2受到周期性脉动升力，从而促进下游圆柱体2振动。对于下游圆柱-压电振动系统，当上游圆柱体I后的脱体旋涡沿流向向下游运动时，安装在下游圆柱体2的背风面7的压电板4在交替脱落的旋涡作用下受到周期性变化的流体力，从而产生形变，并跟随下游圆柱体2运动，进而利用压电效应将流体动能转换成电能。同时，当下游圆柱体2后的脱体旋涡沿流向向下游运动时，安装在下游圆柱体的背风面7处的压电板4会在旋涡作用下受到周期性变化的流体力，从而产生形变。当下游圆柱-压电振动系统中的圆柱体发生振动时，压电板会跟随下游圆柱体2运动，由于压电板4末端安装有附加质量块4-3，将使压电板4产生更大的变形，进而利用压电效应将流体动能转换成电能，通过处理电路进行电能输出。当来流条件不足以促使上游圆柱体I和下游圆柱体2发生振动时，流体在下游圆柱体2表面仍然会出现边界层分离，并产生旋涡脱落。脱落的旋涡将使压电板4产生形变。因此，在来流速度低于使上游圆柱体I和下游圆柱体2发生振动的速度时，仍可利用压电板4收集电能。
[0019]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置，其特征在于:包括上游圆柱振动系统和下游圆柱-压电振动系统； 所述上游圆柱振动系统包括上游圆柱体(I)、砂纸条(3)和支撑弹簧I (5);所述砂纸条(3)为两根，两根砂纸条(3)以穿过上游圆柱体(I)轴心线的水平面对称，沿上游圆柱体(I)轴向粘贴于上游圆柱体(I)两侧，其位于上游圆柱体(I)的迎风面上；所述上游圆柱体(1)通过其两端设置的支撑弹簧I(5)安装于流道中心，上游圆柱体(I)的轴心线与来流方向垂直； 所述下游圆柱-压电振动系统包括下游圆柱体(2)、压电板(4)和支撑弹簧II (8);所述下游圆柱体(2)通过其两端设置的支撑弹簧II (8)安装于流道中心，下游圆柱体(2)的轴心线与来流方向垂直；所述压电板(4)的一端安装在下游圆柱体(2)的背风面上，压电板(4)包括弹性基板(4-1)、压电片(4-2)和附加质量块(4-3)，所述弹性基板(4-1)的一面或两面粘贴压电片(4-2)，所述附加质量块(4-3)安装在弹性基板(4-1)且远离下游圆柱体(2)的一端上；压电板(4)的长度与下游圆柱体(2)直径相等； 所述上游圆柱体(I)和下游圆柱体(2)均为中空结构，上游圆柱体(I)和下游圆柱体(2)串行排列。
2.根据权利要求1所述的串行排列双柱体涡致振动收集低速流动能的装置，其特征在于:所述压电片(4-2)上下两侧分别连接电极引出导线，电极引出导线与处理电路连接。
【文档编号】H02N2/18GK103762896SQ201410052843
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】丁林, 张力, 胡德江, 杨仲卿, 吴春梅, 王军雷 申请人:重庆大学