[發(fā)明專利]一種基于渦激振動(dòng)原理的可控壓電發(fā)電裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910656470.6
• 申請日: 2019-07-19
• 公開（公告）號: CN110311590A
• 公開（公告）日: 2019-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳威;萬威;晁浩南;張?zhí)炫?/a>;李江;高越;陳永生
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;F03B13/00;F03B13/26
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王杰

本發(fā)明涉及一種基于渦激振動(dòng)原理的可控壓電發(fā)電裝置，其渦激振動(dòng)俘獲系統(tǒng)包括固定桁架、圓柱鈍體和可移動(dòng)桁架，固定桁架的安裝槽內(nèi)設(shè)有豎向排列的第一非線性彈簧和第二非線性彈簧，第一非線性彈簧的上端與可移動(dòng)桁架固定連接、下端與圓柱鈍體的端部固定連接，第二非線性彈簧的下端與安裝槽的下端面固定連接、上端與圓柱鈍體的端部固定連接。本發(fā)明利用鈍體的周期性渦激振動(dòng)來將水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，利用壓電陶瓷薄片的正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，避免了傳統(tǒng)發(fā)電裝置在的機(jī)械傳遞過程中造成的較大能量損失；利用非線性彈簧支撐鈍體，能夠便捷地改變結(jié)構(gòu)固有頻率以適應(yīng)不同來流速度，使鈍體都能發(fā)生鎖定共振，達(dá)到能量的最大俘獲。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及海洋再生能源開發(fā)與利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用渦激振動(dòng)帶動(dòng)壓電板振動(dòng)發(fā)電的發(fā)電裝置。

背景技術(shù)

電能是科學(xué)技術(shù)發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)增長的主要?jiǎng)恿?，因此發(fā)電技術(shù)尤為重要，根據(jù)2018年國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國電能來源中火力發(fā)電，水力發(fā)電，核電，風(fēng)電分別占比75.08％、13.15％、4.17％、6.1％，火力發(fā)電仍然是我國主要的發(fā)電方式，但化石資源的儲(chǔ)備有限且煤炭燃燒會(huì)排放二氧化硫一氧化碳等空氣污染物，造成酸雨，霧霾等自然災(zāi)害，且直接對人體造成損傷，不利于自然環(huán)境的保護(hù)。而核電雖能釋放大量能源，但目前科學(xué)技術(shù)尚不成熟，若發(fā)生核事故造成大量輻射后果十分嚴(yán)重，所以尋求可持續(xù)發(fā)展的清潔有效安全的發(fā)電方式顯得迫在眉睫。利用自然資源發(fā)電是一種無消耗無污染的新型發(fā)電方式，例如太陽能發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，水力發(fā)電等。其中，水力發(fā)電不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不排放有害物質(zhì)，對環(huán)境污染小，適合可持續(xù)發(fā)展，以往的水力發(fā)電是通過水流推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪機(jī)帶動(dòng)機(jī)械發(fā)電機(jī)裝置發(fā)電，但是這種傳動(dòng)的發(fā)電方式在機(jī)械傳遞中能量大量損失，以至于能量轉(zhuǎn)換效率低下。

鈍體擾流是流體力學(xué)中一種非常重要的現(xiàn)象，隨時(shí)隨地都發(fā)生在自然界中。從流體的角度分析，任何非流線形物體，在一定的恒定流速下，都會(huì)在物體兩側(cè)交替產(chǎn)生脫離物體表面的漩渦，交替脫離的漩渦會(huì)在物體上生成周期性變化的脈動(dòng)壓力。如果柱體是彈性支撐結(jié)構(gòu)，那么脈動(dòng)流體力將引發(fā)柱體的周期性橫向振動(dòng)，如果漩渦脫落的頻率靠近結(jié)構(gòu)的固有頻率，會(huì)發(fā)生鎖定現(xiàn)象，柱體會(huì)發(fā)生共振，振動(dòng)的幅值會(huì)大大的增加。渦激共振通常是一種具有破壞性的現(xiàn)象，如果能將渦激振動(dòng)的能量利用起來，并讓鈍體始終處于共振狀態(tài)，能夠高效地將水流能轉(zhuǎn)化成電能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的機(jī)械傳遞中能量的損失和無法讓鈍體始終處于鎖定狀態(tài)發(fā)生共振以得到最大能量轉(zhuǎn)化的問題，提供一種基于渦激振動(dòng)原理的可控壓電發(fā)電裝置。該裝置利用鈍體的周期性渦激振動(dòng)來將水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，利用壓電陶瓷薄片的正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，避免了傳統(tǒng)發(fā)電裝置在機(jī)械傳遞中造成的較大能量損失；利用非線性彈簧支撐鈍體，能夠便捷地改變結(jié)構(gòu)固有頻率以適應(yīng)不同來流速度，使鈍體都能發(fā)生鎖定共振，獲得更多的能量。

本發(fā)明為解決上述提出的技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：

一種基于渦激振動(dòng)原理的可控壓電發(fā)電裝置，包括渦激振動(dòng)俘獲系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和壓電發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)；

所述渦激振動(dòng)俘獲系統(tǒng)包括固定桁架、圓柱鈍體和可移動(dòng)桁架；所述固定桁架有兩個(gè)，相對設(shè)置于水流兩側(cè)，固定桁架的內(nèi)側(cè)面開設(shè)有安裝槽，固定桁架的外側(cè)面開設(shè)有滑槽導(dǎo)軌；所述圓柱鈍體水平設(shè)置于兩個(gè)固定桁架之間，圓柱鈍體的中間部分為大直徑柱體、兩端部為小直徑柱體；所述可移動(dòng)桁架水平設(shè)置于兩個(gè)固定桁架之間、位于圓柱鈍體上方，可移動(dòng)桁架的兩端依次穿過所述固定桁架的安裝槽和滑槽導(dǎo)軌，并能沿滑槽導(dǎo)軌上下移動(dòng)；所述固定桁架的安裝槽內(nèi)設(shè)有豎向排列的第一非線性彈簧和第二非線性彈簧，所述第一非線性彈簧的上端與所述可移動(dòng)桁架固定連接、下端與所述圓柱鈍體的端部固定連接，所述第二非線性彈簧的下端與安裝槽的下端面固定連接、上端與所述圓柱鈍體的端部固定連接；

所述能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括傳遞桿和支撐薄板，所述傳遞桿與所述圓柱鈍體固定連接，傳遞桿豎直穿過所述支撐薄板；