一種利用低速氣流流致振動收集電能的方法技術

本發明專利技術公開了一種利用低速氣流流致振動收集電能的方法，低速氣流通過集風流道進行整流和加速，繞流振動鈍體產生旋渦脫落，激勵振動鈍體振動，將流體流動能轉換為振動鈍體振動機械能，利用電磁感應發電機將振動鈍體振動機械能轉換為電能；旋渦形成過程中會向下游移動，進一步激勵柔性壓電振動片產生形變，并隨旋渦流過而擺動，振動鈍體帶動柔性壓電振動片運動，直接將流體流動能轉換為電能。利用低速氣流流致振動收集電能的方法簡單，所需啟動風速低，能量轉換效率高；采用電磁感應和壓電效應兩種方式收集電能，大幅提高發電能力。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及風能發電領域，尤其涉及一種低速氣流繞流鈍體引起流致振動進行電能收集的方法。
技術介紹
隨著世界經濟發展，能源問題成為世界關注熱點。化石能源利用使環境污染日益嚴重。開發利用新能源與可再生能源，成為當前能源領域的發展重點。環境中的流動能是一種非常重要的資源，風能是一種普遍存在的可再生資源。風力發電是風能的一種主要利用形式，第一臺自動運行的且用于發電的風力機的發電機功率僅為12千瓦。之后學者提出的“風力場”使各個國家開始大規模發展風電。但發展風力場的先決條件是當地風能資源豐富。世界很多國家，尤其是發達國家，已充分認識到風電在調整能源結構、緩解環境污染等方面的重要性，對風電開發給予了高度重視。風電裝機容量上也在以每年近30%的速度加速發展，主要有恒速風電系統和變速恒頻風電系統。目前，大型風電機組單機容量可達數十兆瓦，中小型風電機組為十千瓦到數百千瓦的。但世界上風力資源豐富的地區和區域畢竟有限，大多數地區的風能資源相對貧乏，風力較弱。但目前對于微風能的利用研究仍處于起始探索階段，并且存在較多的問題。如能利用自然界的微風進行發電，則可極大提高風能的利用范圍。將對微風能-振動能的利用與發電技術相結合，其供能范圍將極大擴展而且更為靈活，微風發電機在電子、機電、航空和國防軍事等領域具有極為廣闊的應用前景；如用于應急照明，軍用微型電源，為野外監測儀器設備、傳感器及偵察器供電，替代蓄電池等，對推動我國可再生能源的利用技術和國民經濟的發展具有重要意義。由于微風是低速氣流，風力較小，其收集存在較大困難。傳統渦輪風能發電裝置由于存在轉動部件，導致摩擦力消耗部分能量，難以應用于對微風能的收集，特別是對于微型動力裝置的應用會有更大困難。隨著裝置尺寸小型化，滑動或滾動摩擦力均會顯著增加。現有風能發電技術主要是利用旋轉式電磁感應發電機，此類發電技術所需啟動風速大，能量損耗大，效率低。流致振動發電技術已經提出不少形式，但多數集中在水流中，而且存在著技術(結構)不合理，發電量小，系統設計困難等缺陷，特別是針對低速氣流的利用更為困難。利用流速較低的微風產生流致振動進行發電的技術還尚未見報道。
技術實現思路
針對現有技術中的不足之處，本專利技術的目的在于提供了一種簡單，結構設計容易，能量轉換效率高的利用低速氣流流致振動收集電能的方法。為了解決上述技術問題，本專利技術采用了如下技術方案 ，在該方法中采用了一種收集電能的裝置，該收集電能的裝置包括振動鈍體、柔性壓電振動片、彈簧、動力傳輸皮帶、電磁感應發電機和定滑輪；所述振動鈍體為空心柱體，其軸線水平設置，振動鈍體的上側和下側分別固定一彈簧，振動鈍體通過彈簧懸空設置；所述振動鈍體的左側為迎風面，振動鈍體的右側為背風面；所述柔性壓電振動片由壓電材料制成，柔性壓電振動片的一端固定在振動鈍體的背風面上，另一端水平伸出為自由端；所述定滑輪固定在振動鈍體一端的上方，電磁感應發電機固定在振動鈍體一端的下方；所述動力傳輸皮帶套在定滑輪和電磁感應發電機的驅動軸上，動力傳輸皮帶的一側與振動鈍體的一端固定連接； 該方法包括如下步驟: 電磁感應電能收集:低速氣流通過集風流道進行整流和加速，繞流振動鈍體產生旋渦脫落，激勵振動鈍體振動，振動鈍體通過傳輸皮帶帶動定滑輪和電磁感應發電機的驅動軸轉動，進而驅動電磁感應發電機發電； 壓電效應電能收集:在柔性壓電振動片連接振動鈍體的一端布置輸電導線，導線布置在振動鈍體的內部；氣流繞流振動鈍體產生旋渦脫落，旋渦形成過程中會向下游移動，進一步激勵柔性壓電振動片產生形變，并隨旋渦流過而擺動，柔性壓電振動片產生的電能通過導線輸出。作為本專利技術的一種優選方案，所述柔性壓電振動片沿氣流流向的長度和振動鈍體的特征尺寸相等。 本專利技術的有益效果是:利用低速氣流流致振動收集電能的方法簡單，所需啟動風速低，能量轉換效率高；采用電磁感應和壓電效應兩種方式收集電能，大幅提高發電能力。附圖說明圖1為收集電能的裝置的結構示意圖。附圖中:I一振動鈍體；2—柔性壓電振動片；3—支撐彈簧；4一迎風面；5一背風面；6—動力傳輸皮帶；7—電磁感應發電機；8—定滑輪。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術作進一步詳細地描述。，在該方法中采用了一種收集電能的>J-U ρ α裝直。該收集電能的裝置如圖1所示，包括振動鈍體1、柔性壓電振動片2、彈簧3、動力傳輸皮帶6、電磁感應發電機7和定滑輪8。振動鈍體I為空心柱體，其軸線水平設置，振動鈍體I的上側和下側分別固定一彈簧3，振動鈍體I通過彈簧3懸空設置。振動鈍體I的左側為迎風面4，振動鈍體I的右側為背風面5。柔性壓電振動片2由壓電材料制成，柔性壓電振動片2的一端固定在振動鈍體I的背風面5上，另一端水平伸出為自由端，柔性壓電振動片2沿氣流流向的長度和振動鈍體I的特征尺寸(振動鈍體在垂直流向方向上的投影長度，本實施例中為振動鈍體的直徑)相等。定滑輪8固定在振動鈍體I 一端的上方，電磁感應發電機7固定在振動鈍體I一端的下方。動力傳輸皮帶6套在定滑輪8和電磁感應發電機7的驅動軸上,動力傳輸皮帶6的一側與振動鈍體I的一端固定連接。該利用低速氣流流致振動收集電能的方法包括如下步驟: 電磁感應電能收集:振動鈍體安裝于流道中流速最大的位置，低速氣流通過集風流道進行整流和加速，向振動鈍體I的迎風面4運動，橫向繞流振動鈍體1，將在振動鈍體I的上下兩側出現剪切層分離，由于剪切層的不穩定性波動，剪切層分離后會進一步卷起并形成旋渦。氣流在繞流振動鈍體I時形成的旋渦具有周期性交替脫落的特點，使振動鈍體I表面形成周期性脈動升力，升力方向垂直于氣流方向和振動鈍體I的軸向。由于振動鈍體I的運動方向被限制在與升力相同的方向上，所以在升力作用下，振動鈍體I將沿升力方向運動。并且，在旋渦交替脫落過程中，升力在兩個相反的方向交替變化(垂直于氣流方向和振動鈍體I軸向的正負兩個方向)。因此，振動鈍體I運動將表現為隨旋渦脫落的周期性振動，將低速氣流流動轉換為結構振動。振動鈍體I受到周期性交替變化的作用力而發生振動，振動鈍體I通過傳輸皮帶6帶動定滑輪8和電磁感應發電機7的驅動軸轉動，進而驅動電磁感應發電機7發電，將振動鈍體I振動的機械能轉換為電能。壓電效應電能收集在柔性壓電振動片2連接振動鈍體I的一端布置輸電導線，導線布置在振動鈍體I的內部，防止其擾動流場。氣流橫向繞流振動鈍體I時，將在振動鈍體I的上下兩側形成的交替脫落的旋渦，柔性壓電振動片2正好位于上下兩側脫落的旋渦之間。在旋渦形成并向下游移動的過程中，柔性壓電振動片2在流體力作用下產生變形。同時，振動鈍體I振動時將帶動柔性壓電振動片2 —起運動，加大柔性壓電振動片2的變形量。柔性壓電振動片2利用壓電效應將流體動能直接轉換為電能。進一步利用柔性壓電振動片2 —端的輸電導線將電能輸出。當氣流速度不足以使振動鈍體I產生振動時，氣流在繞流振動鈍體I的過程中仍然會出現剪切層分離，并產生旋渦脫落。脫落的旋渦將使柔性壓電振動片2產生形變。因此，在氣流速度低于使振動鈍體I振動的速度時，仍可利用柔性壓電振動片2進行電能收集。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本專利技術的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本專利技術進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用低速氣流流致振動收集電能的方法，其特征在于，在該方法中采用了一種收集電能的裝置，該收集電能的裝置包括振動鈍體（1）、柔性壓電振動片（2）、彈簧（3）、動力傳輸皮帶（6）、電磁感應發電機（7）和定滑輪（8）；所述振動鈍體（1）為空心柱體，其軸線水平設置，振動鈍體（1）的上側和下側分別固定一彈簧（3），振動鈍體（1）通過彈簧（3）懸空設置；所述振動鈍體（1）的左側為迎風面（4），振動鈍體（1）的右側為背風面（5）；所述柔性壓電振動片（2）由壓電材料制成，柔性壓電振動片（2）的一端固定在振動鈍體（1）的背風面（5）上，另一端水平伸出為自由端；所述定滑輪（8）固定在振動鈍體（1）一端的上方，電磁感應發電機（7）固定在振動鈍體（1）一端的下方；所述動力傳輸皮帶（6）套在定滑輪（8）和電磁感應發電機（7）的驅動軸上，動力傳輸皮帶（6）的一側與振動鈍體（1）的一端固定連接；該方法包括如下步驟：電磁感應電能收集：低速氣流通過集風流道進行整流和加速，繞流振動鈍體（1）產生旋渦脫落，激勵振動鈍體（1）振動，振動鈍體（1）通過傳輸皮帶（6）帶動定滑輪（8）和電磁感應發電機（7）的驅動軸轉動，進而驅動電磁感應發電機（7）發電；壓電效應電能收集：在柔性壓電振動片（2）連接振動鈍體（1）的一端布置輸電導線，導線布置在振動鈍體（1）的內部；氣流繞流振動鈍體（1）產生旋渦脫落，旋渦形成過程中會向下游移動，進一步激勵柔性壓電振動片（2）產生形變，并隨旋渦流過而擺動，柔性壓電振動片（2）產生的電能通過導線輸出。...

【技術特征摘要】
1.一種利用低速氣流流致振動收集電能的方法，其特征在于，在該方法中采用了一種收集電能的裝置，該收集電能的裝置包括振動鈍體(I)、柔性壓電振動片(2)、彈簧(3)、動力傳輸皮帶(6)、電磁感應發電機(7)和定滑輪(8);所述振動鈍體(I)為空心柱體，其軸線水平設置，振動鈍體(I)的上側和下側分別固定一彈簧(3)，振動鈍體(I)通過彈簧(3)懸空設置；所述振動鈍體(I)的左側為迎風面(4)，振動鈍體(I)的右側為背風面(5);所述柔性壓電振動片(2)由壓電材料制成，柔性壓電振動片(2)的一端固定在振動鈍體(I)的背風面(5 )上，另一端水平伸出為自由端；所述定滑輪(8 )固定在振動鈍體(I) 一端的上方，電磁感應發電機(7 )固定在振動鈍體(I) 一端的下方；所述動力傳輸皮帶(6 )套在定滑輪(8 )和電磁感應發電機(7)的驅動軸上,動...

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁林，張力，楊仲卿，陳艷容，閆云飛，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發明
國別省市：