[發明專利]一種利用雙圓錐體繞流渦激振動收集電能的裝置和方法

有效

• 申請號: 202110759722.5
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113364351B
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 蔡建程;余夢瑤;徐子盛;鄂世舉;邸奎;陳希
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02J7/32
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

本發明公開了一種利用雙圓錐體繞流渦激振動收集電能的裝置和方法，包括支撐架、連接架、支撐彈簧、雙圓錐體和介電彈性體發電裝置；雙圓錐體和介電彈性體發電裝置通過圓盤端板和連接架連接，連接架和支撐架通過連接銷軸鉸接，支撐彈簧和支撐架一端連接圓盤端板和連接架，另一端和流道壁面連接；該裝置結構簡單，沒有額外的能量損失，適用于較寬流速范圍內的流體能量收集；流體通過錐體產生渦激振動帶動介電彈性體發電裝置將流動能轉換為電能。流體通過圓錐體不同截面的渦脫落頻率不同，可以使得某截面處的渦脫落頻率與結構固有頻率一致而產生共振，從而在較寬來流速度范圍內都能有效地利用流體動能進行發電，轉換效率高，能大幅提高發電能力。

技術領域

本發明涉及的是一種利用流動能發電的裝置，具體涉及一種利用雙圓錐體繞流渦激振動收集電能的裝置和方法。

背景技術

現今，能源問題依舊是全球關注的重點，傳統化石能源的污染及其逐漸面臨枯竭等問題日益嚴重，可再生能源的開發利用受到各國高度關注。環境中的風能、潮汐能、水流洋流等形式的流動能是一種普遍存在的可再生能源。傳統的流動能發電技術主要是利用流體作用力直接推動渦輪旋轉，從而采用電磁感應發電機進行發電。這種發電方式所需要來流速度大，結構復雜，一般使用在大型水電站上，故而后續發明了利用圓柱體繞流渦激振動的發電技術，但是這些技術也存在適用流體流速范圍小，能量轉化效率低等問題。

柱體繞流產生一定頻率的Karman渦脫落，誘發周期性流體力，激勵結構產生振動。當渦脫落頻率與柱體振動頻率同步時，柱體橫向振動幅度增加，渦脫落頻率與振動頻率形成聯鎖，從而使柱體的振動控制渦脫落頻率，從而使流體能量更有效地不斷輸入到結構振動系統。當來流經過雙圓錐體時形成不同頻率的對稱渦脫落，當其中某一渦脫落頻率與柱體振動頻率相近時，引發系統共振，這時的柱體振幅達到最大，回收能量的效率最高。不同的來流速度對應著不同的柱體直徑處可實現柱體共振的渦脫落頻率，故而此技術可以提高流動能的利用效率，擴展流動能的利用范圍，進一步提高圓柱繞流渦激振動能量收集的密度。

介電彈性體是在丙烯酸或硅樹脂等彈性體材料基質的上、下表面滲入屈從電極材料(如碳或石墨等)形成的，是一種基于Maxwell效應的新型電活性聚合物材料。介電彈性體的發電原理可看作為可變電容裝置。在伸展狀態下，電荷注入到介電彈性體薄膜電極上，當在外力作用下緊縮弛豫時，彈性體材料的彈性應力抵抗電場力，提高了電能。當外力作用在具有預加電壓的介電彈性體上使其變形時，通過改變電容即可發電，變形越大，發電能力越強。而介電彈性體發電過程即為介電彈性體的伸展與緊縮弛豫的交替過程。

該發電技術可以改進現階段流動能發電技術，為更廣范圍、更高效率的流動能回收提供可能，具有廣闊的應用前景，符合當今社會節能、環保的發展趨勢，對推動我國可再生能源的利用和國民經濟的發展有著重要意義。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，特別是針對渦激振動發電裝置對能量收集的效率低下、適用來流速度范圍窄等問題，本發明提供了一種結構設計簡單，能量轉換效率高的利用雙圓錐體繞流渦激振動收集電能的裝置和方法。

為解決以上技術問題，本發明采用如下技術方案：

本發明的第一個目的在于提供一種利用雙圓錐體繞流渦激振動收集電能的裝置，包括支撐架、連接架、支撐彈簧、雙圓錐體和介電彈性體發電裝置；

所述的連接架的中部通過支撐架安裝在流道壁面上，連接架一側安裝有雙圓錐體，連接架另一側通過一對支撐彈簧固定在流道壁面上；所述的介電彈性體發電裝置位于兩個支撐彈簧之間；所述的雙圓錐體和介電彈性體發電裝置以支撐架和連接架的連接處為支點，形成蹺蹺板結構；