串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置，包括上游圓柱振動系統(tǒng)和下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)；上游圓柱振動系統(tǒng)包括上游圓柱體、砂紙條和支撐彈簧Ⅰ，上游圓柱體通過其兩端設(shè)置的支撐彈簧Ⅰ安裝于流道中心；下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)包括下游圓柱體、壓電板和支撐彈簧Ⅱ，下游圓柱體通過其兩端設(shè)置的支撐彈簧Ⅱ安裝于流道中心，上下游圓柱體的軸心線與來流方向垂直，壓電板的一端安裝在下游圓柱體的背風(fēng)面上，上游圓柱體和下游圓柱體串行排列。該裝置結(jié)構(gòu)可靠，能量密度高，適用于流速較低時的能量收集；在較低流速時，結(jié)合壓電片形變時的壓電效應(yīng)直接將流動能轉(zhuǎn)換為電能，大幅提高發(fā)電能力。
【專利說明】串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用流動能發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及一種串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]為了應(yīng)對全球氣候變暖，可再生能源開發(fā)利用受到世界各國高度重視，許多國家將開發(fā)利用可再生能源作為能源戰(zhàn)略的重要組成部分，提出了明確的可再生能源發(fā)展目標(biāo)，制定了鼓勵可再生能源發(fā)展的法律和政策。特別是在2007年3月，歐盟領(lǐng)導(dǎo)人達(dá)成了一項協(xié)議，為了在五年內(nèi)削減二氧化碳排放量，所消耗的能量中至少應(yīng)有20%是來自可再生能源。在所有的可再生能源中，流動能(風(fēng)能/水能)是最具有代表性的替代能源之一，這種可再生資源促使人們發(fā)明和開發(fā)新的機(jī)械設(shè)備，從而利用這種來自大自然的恩賜。然而，目前利用流動能進(jìn)行能量收集的發(fā)電技術(shù)，無論是風(fēng)能還是水能發(fā)電，傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)都無法有效利用低速流動能(比如微風(fēng))。此類發(fā)電技術(shù)所需啟動流速高，能量損耗大。雖然針對低速氣流和水流的發(fā)電技術(shù)已經(jīng)提出不少形式，但多數(shù)存在著結(jié)構(gòu)不合理和系統(tǒng)設(shè)計困難等缺陷。
[0003]鈍體繞流是自然界中極為普遍的一種物理現(xiàn)象。鈍體是工程中一種常見的非流線型結(jié)構(gòu)，在一定的流速下，流體繞流鈍體后會在鈍體兩側(cè)交替地產(chǎn)生脫離鈍體表面的旋渦。旋渦脫落會在結(jié)構(gòu)表面形成周期性脈動作用力，當(dāng)鈍體固定方式為彈性支撐或允許發(fā)生彈性形變時，脈動力將引發(fā)鈍體的周期性振動，并在一定條件下產(chǎn)生渦致振動。在一切與流體相關(guān)的機(jī)械與工程中，渦致振動是一個涉及安全性的重大問題，例如會導(dǎo)致橋梁、煙囪、高塔、海上平臺和熱交換站等建筑物的疲勞破壞，尤其是當(dāng)旋渦脫落的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時，結(jié)構(gòu)處于共振狀態(tài)，渦致振動對固體結(jié)構(gòu)的破壞更加嚴(yán)重。而此類結(jié)構(gòu)振動在較低的流速下即會發(fā)生，如能將渦致振動與發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，則可極大提高流動能的利用范圍，其供能范圍也會得到極大擴(kuò)展，并且變得更加靈活。對傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備無法利用的低速流動能進(jìn)行利用，在航空航天、電子、機(jī)電和國防軍事等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景(如微型電源，替代蓄電池等)，對推動我國可再生能源的利用技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明提供了一種串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置，該裝置具有簡單、結(jié)構(gòu)設(shè)計容易、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點，特別適合用于捕集低速流體動能。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置，包括上游圓柱振動系統(tǒng)和下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)；
所述上游圓柱振動系統(tǒng)包括上游圓柱體、砂紙條和支撐彈簧I ;所述砂紙條為兩根，兩根砂紙條以穿過上游圓柱體軸心線的水平面對稱，沿上游圓柱體的軸向粘貼于上游圓柱體兩側(cè)，其位于上游圓柱體的迎風(fēng)面上；所述上游圓柱體通過其兩端設(shè)置的支撐彈簧I安裝于流道中心，上游圓柱體的軸心線與來流方向垂直；
所述下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)包括下游圓柱體、壓電板和支撐彈簧II ;所述下游圓柱體通過其兩端設(shè)置的支撐彈簧II安裝于流道中心，下游圓柱體的軸心線與來流方向垂直；所述壓電板的一端安裝在下游圓柱體的背風(fēng)面上，壓電板包括彈性基板、壓電片和附加質(zhì)量塊，所述彈性基板的一面或兩面粘貼壓電片，所述附加質(zhì)量塊安裝在彈性基板且遠(yuǎn)離下游圓柱體的一端上；壓電板的長度與下游圓柱體直徑相等；
所述上游圓柱體和下游圓柱體均為中空結(jié)構(gòu)，上游圓柱體和下游圓柱體串行排列，上游圓柱體和下游圓柱體的運動方向垂直于流向及各自軸向。
[0006]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述壓電片上下兩側(cè)分別連接電極引出導(dǎo)線，電極引出導(dǎo)線與處理電路連接。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置具有如下優(yōu)點:
1、該裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，結(jié)構(gòu)中沒有轉(zhuǎn)動部件，不會因摩擦力消耗部分能量，適用于流速較低時的能量收集。
[0008]2、結(jié)構(gòu)中采用串行排列的雙柱體，能量密度高；同時利用上游圓柱振動系統(tǒng)增加下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)的來流強度，促進(jìn)下游圓柱體發(fā)生渦致振動，提高能量轉(zhuǎn)換效率，所需來流速度低。
[0009]3、在下游圓柱體后安裝能發(fā)生形變的彈性壓電板，在較低流速時，結(jié)合壓電片形變時的壓電效應(yīng)直接將流動能轉(zhuǎn)換為電能，大幅提高發(fā)電能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為上游圓柱振動系統(tǒng)的示意圖；
圖3為下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)的示意圖。
[0011]附圖中:I一上游圓柱體；2—下游圓柱體；3—砂紙條；4一壓電板；4_1一彈性基板；4-2—壓電片；4-3—附加質(zhì)量塊；5—支撐彈簧I ; 6—迎風(fēng)面駐點；7—背風(fēng)面；8—支撐彈簧II。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
[0013]如圖1所示，串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置，包括上游圓柱振動系統(tǒng)和下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)。
[0014]上游圓柱振動系統(tǒng)包括上游圓柱體1、砂紙條3和支撐彈簧I 5。砂紙條3為兩根，兩根砂紙條3以穿過上游圓柱體I軸心線的水平面對稱，沿上游圓柱體I軸向粘貼于上游圓柱體I兩側(cè)，其位于上游圓柱體I的迎風(fēng)面上，并通過動力傳輸系統(tǒng)輸出振動能，如圖2所示，砂紙條3與上游圓柱體I的迎風(fēng)面駐點6之間的角度為a，每根砂紙條3覆蓋上游圓柱體I周向表面角度為〃。上游圓柱體I通過其兩端設(shè)置的支撐彈簧I 5安裝于流道中心，上游圓柱體I的軸心線與來流方向垂直。
[0015]下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)包括下游圓柱體2、壓電板4和支撐彈簧II 8，如圖3所示。下游圓柱體2通過其兩端設(shè)置的支撐彈簧II 8安裝于流道中心，下游圓柱體2的軸心線與來流方向垂直，并通過動力傳輸系統(tǒng)輸出振動能。壓電板4的一端安裝在下游圓柱體2的背風(fēng)面7上，將流動能轉(zhuǎn)換為電能，適用于流速較低時的能量收集。壓電板4包括彈性基板4-1、壓電片4-2和附加質(zhì)量塊4-3，彈性基板4-1的一面貼壓電片4_2，為了提高能量收集密度，可以將彈性基板4-1兩面均粘貼壓電片4-2，附加質(zhì)量塊4-3安裝在彈性基板4-1且遠(yuǎn)離下游圓柱體2的一端上，該彈性基板4-1的自由端上設(shè)置附加質(zhì)量塊4-3，可發(fā)生自由振動，壓電板4的長度與下游圓柱體2直徑相等。在本實施例中，彈性基板4-1呈T型結(jié)構(gòu)，T型頭部一端安裝在下游圓柱體2的背風(fēng)面7處，T型尾部一端安裝附加質(zhì)量塊4-3。
[0016]上游圓柱體I和下游圓柱體2均為中空結(jié)構(gòu)，上游圓柱體I和下游圓柱體2串行排列(即上游圓柱體I設(shè)置在上游，下游圓柱體2設(shè)置在下游)，上游圓柱體I和下游圓柱體2的軸線相互平行，平衡位置在同一水平面，上游圓柱體I的運動方向垂直于流向及上游圓柱體I軸向，下游圓柱體2的運動方向垂直于流向及下游圓柱體2軸向。上游圓柱體1、下游圓柱體2、支撐彈簧I 5和支撐彈簧II 8構(gòu)成質(zhì)量-彈簧-阻尼振動系統(tǒng)，上游圓柱體I和下游圓柱體2之間的距離可沿流體流動方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，初始距離為2倍圓柱體直徑。
[0017]壓電片4-2上下兩側(cè)分別連接電極引出導(dǎo)線，電極引出導(dǎo)線與處理電路連接，將電極引出導(dǎo)線布置在空心圓柱體內(nèi)部，當(dāng)壓電片4-2發(fā)生形變時直接輸出電能。
[0018]當(dāng)流體沿來流方向通過流道進(jìn)行整流后，橫向繞流上游圓柱振動系統(tǒng)和下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)中的圓柱體，由于水和空氣均具有粘型，繞流過程中邊界層分離，在一定流速范圍內(nèi)會形成脫體旋渦。在旋渦脫落的過程中，圓柱體會受到周期性變化的脈動作用力。在脈動力作用下，圓柱體將發(fā)生周期性振動。發(fā)生振動的圓柱體通過動力輸出裝置輸出機(jī)械能，帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。對于上游圓柱體I振動系統(tǒng)，為了促使脫體旋渦產(chǎn)生，在上游圓柱體I表面對稱粘貼砂紙條，從而使上游圓柱振動系統(tǒng)在低流速下也會發(fā)生振動。另一方面，由于上游圓柱振動系統(tǒng)的存在，使下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)面對的來流強度增加，進(jìn)一步刺激下游圓柱體2后的旋渦脫落，使下游圓柱體2受到周期性脈動升力，從而促進(jìn)下游圓柱體2振動。對于下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)，當(dāng)上游圓柱體I后的脫體旋渦沿流向向下游運動時，安裝在下游圓柱體2的背風(fēng)面7的壓電板4在交替脫落的旋渦作用下受到周期性變化的流體力，從而產(chǎn)生形變，并跟隨下游圓柱體2運動，進(jìn)而利用壓電效應(yīng)將流體動能轉(zhuǎn)換成電能。同時，當(dāng)下游圓柱體2后的脫體旋渦沿流向向下游運動時，安裝在下游圓柱體的背風(fēng)面7處的壓電板4會在旋渦作用下受到周期性變化的流體力，從而產(chǎn)生形變。當(dāng)下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)中的圓柱體發(fā)生振動時，壓電板會跟隨下游圓柱體2運動，由于壓電板4末端安裝有附加質(zhì)量塊4-3，將使壓電板4產(chǎn)生更大的變形，進(jìn)而利用壓電效應(yīng)將流體動能轉(zhuǎn)換成電能，通過處理電路進(jìn)行電能輸出。當(dāng)來流條件不足以促使上游圓柱體I和下游圓柱體2發(fā)生振動時，流體在下游圓柱體2表面仍然會出現(xiàn)邊界層分離，并產(chǎn)生旋渦脫落。脫落的旋渦將使壓電板4產(chǎn)生形變。因此，在來流速度低于使上游圓柱體I和下游圓柱體2發(fā)生振動的速度時，仍可利用壓電板4收集電能。
[0019]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置，其特征在于:包括上游圓柱振動系統(tǒng)和下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)； 所述上游圓柱振動系統(tǒng)包括上游圓柱體(I)、砂紙條(3)和支撐彈簧I (5);所述砂紙條(3)為兩根，兩根砂紙條(3)以穿過上游圓柱體(I)軸心線的水平面對稱，沿上游圓柱體(I)軸向粘貼于上游圓柱體(I)兩側(cè)，其位于上游圓柱體(I)的迎風(fēng)面上；所述上游圓柱體(1)通過其兩端設(shè)置的支撐彈簧I(5)安裝于流道中心，上游圓柱體(I)的軸心線與來流方向垂直； 所述下游圓柱-壓電振動系統(tǒng)包括下游圓柱體(2)、壓電板(4)和支撐彈簧II (8);所述下游圓柱體(2)通過其兩端設(shè)置的支撐彈簧II (8)安裝于流道中心，下游圓柱體(2)的軸心線與來流方向垂直；所述壓電板(4)的一端安裝在下游圓柱體(2)的背風(fēng)面上，壓電板(4)包括彈性基板(4-1)、壓電片(4-2)和附加質(zhì)量塊(4-3)，所述彈性基板(4-1)的一面或兩面粘貼壓電片(4-2)，所述附加質(zhì)量塊(4-3)安裝在彈性基板(4-1)且遠(yuǎn)離下游圓柱體(2)的一端上；壓電板(4)的長度與下游圓柱體(2)直徑相等； 所述上游圓柱體(I)和下游圓柱體(2)均為中空結(jié)構(gòu)，上游圓柱體(I)和下游圓柱體(2)串行排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串行排列雙柱體渦致振動收集低速流動能的裝置，其特征在于:所述壓電片(4-2)上下兩側(cè)分別連接電極引出導(dǎo)線，電極引出導(dǎo)線與處理電路連接。
【文檔編號】H02N2/18GK103762896SQ201410052843
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】丁林, 張力, 胡德江, 楊仲卿, 吳春梅, 王軍雷 申請人:重慶大學(xué)