[發明專利]一種壓電層和永磁體復合的多振子馳振能量收集系統

有效

• 申請號: 201910320551.9
• 申請日: 2019-04-20
• 公開（公告）號: CN110022046B
• 公開（公告）日: 2020-07-21
• 發明（設計）人: 黃橋高;潘光;韓鵬;施瑤;姜軍
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H02K35/02
• 分類號: H02K35/02;H02N2/18
• 代理公司: 西安研創天下知識產權代理事務所(普通合伙) 61239
• 代理人: 白志杰

本發明公開了一種壓電層和永磁體復合的多振子馳振能量收集系統，主要包括支架、發電轉化機構、剛性耦合振子系統等。具體涉及一種利用三個剛性耦合的圓柱作為能量轉換振子，壓電層和永磁體及線圈作為復合傳動裝置，發電機作為轉化裝置的發電設備。本發明適應范圍廣，在高流速海況下，系統可穩定地發生劇烈馳振效應并提供高效能量轉化；利用壓電層與永磁體復合的方式來轉化能量，其能源利用率高，結構簡單，在大變形條件下可靠性高并適合用于水下環境；經濟性好，不需要特殊表面處理，發電獲利高；小間距比的剛性耦合可以獲得更好的力學特性；本發明裝置間距小，結構緊湊，空間利用率高；設備固定安裝在海床上，對海洋生態以及海面艦艇影響甚微。

技術領域

本發明屬于發電設備技術領域，涉及一種運用馳振原理進行海流能能量收集的裝置，具體地說，涉及一種利用三個剛性耦合的圓柱作為能量轉換振子，壓電層和永磁體及線圈作為復合傳動裝置，發電機作為轉化裝置的發電設備。

背景技術

近些年來，日益枯竭的陸地資源和人類社會不斷增長的能源需求形成了一個個越來越尖銳的問題。而海洋覆蓋了地球的大部分面積并有著豐富的能源儲備，因此對于海洋資源的開發，以及可再生能源的研究有著重要的意義和實用價值。

海流能作為海洋所具備的一種完全清潔的可再生能源受到了廣泛關注，據統計，全球可利用的海流能大約有5×10⁶MW，目前針對其的開發手段主要為利用葉輪機設備，然而這種方式較為單一且在部分海況下有明顯劣勢。例如，葉輪機對于海洋來流速度有較高的要求，在低流速下能量獲取效率不理想，而我國具有著海岸線長，近海岸潮流流速度低的特點，并不非常適合葉輪機工作；另一方面葉輪機在旋轉過程中會對海洋生態造成破壞并產生較大噪音。因而需要對一種適用范圍更廣，更為安全且低成本的海流能開采設備展開研究。

當海流流過鈍體時，會在其后交替脫落旋渦，并影響鈍體表面的壓力分布產生周期性的壓力差，這種壓差會驅使鈍體發生流致振動，這是一種典型的流固耦合現象。在過去，流致振動往往被認為是一種有害現象，會造成結構破壞以及疲勞失效，而近年來，研究發現結構在振動的同時會吸收大部分流體動能，其具備良好的能量轉化能力。流致振動主要包括渦激振動和馳振，其中馳振是一種高振幅且較低頻的不穩定現象，可以有效提高能量轉化效率。目前利用流致振動進行能量轉化的研究主要集中在單圓柱振子，這種情況下需要改變其表面粗糙度方可產生馳振，而這樣會抑制低流速下的振幅并不易加工和維護；國內外也有對多圓柱振子的研究，例如天津大學燕翔等人發明了一種基于多振子的同振式渦激振動發電裝置，專利公開號為CN104061111A。該發明對多振子進行串列排布，利用尾流馳振原理進行發電，使用范圍較廣，發電效率高。然而尾流振子需受前一個振子的尾流作用方可發生馳振，這種運動往往不規律且同樣對于來流范圍有一定要求，過高或過低流速均不易發生馳振。此外，尾流馳振發生的條件要求振子間間距不可太小，這也會降低設備空間利用率。另一方面，目前對于渦激振動發電裝置的研究多集中于彈簧振子機構，而這種機構較為復雜，在水下環境下可靠性有待提高。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺陷，提出了一種壓電層和永磁體復合的多振子馳振能量收集系統，是一種利用三個剛性耦合的圓柱作為能量轉換振子，壓電層和永磁體及線圈作為復合傳動裝置，發電機作為轉化裝置的發電設備；本發明利用流致振動現象，開發一種海流能能量轉化裝置。具體將三個圓柱振子剛性連接，使其成為一體并呈小間距比的等邊三角形排布，由于剛性連接，一方面其力學特性更好，系統更穩定；另一方面，在廣泛來流速度下均可以穩定發生馳振現象，并且由于小間距比的作用，振動更為劇烈且不需要受尾流控制，因而具有可觀的能量轉換特性以及廣適性。此外，整個能量轉換裝置可完全工作在海平面以下，對海洋生態以及海面艦艇影響甚微。在能量轉化方面，本發明利用壓電層搭配永磁體作為轉化機構，整體機構簡單可靠，非常適用于水下環境，同時這種復合方法也可以提高能量傳遞效率。

其技術方案如下：

一種壓電層和永磁體復合的多振子馳振能量收集系統，其特征在于，包括支架21、發電轉化機構22和剛性耦合振子系統23；