專利名稱：一種利用低速氣流流致振動收集電能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風能發(fā)電領(lǐng)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。
背景技術(shù)：
隨著世界經(jīng)濟發(fā)展，能源問題成為世界關(guān)注熱點。化石能源利用使環(huán)境污染日益嚴重。開發(fā)利用新能源與可再生能源，成為當前能源領(lǐng)域的發(fā)展重點。環(huán)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(fā)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(fā)電的風力機的發(fā)電機功率僅為12千瓦。之后學(xué)者提出的“風力場”使各個國家開始大規(guī)模發(fā)展風電。但發(fā)展風力場的先決條件是當?shù)仫L能資源豐富。世界很多國家，尤其是發(fā)達國家，已充分認識到風電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染等方面的重要性，對風電開發(fā)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(fā)展，主要有恒速風電系統(tǒng)和變速恒頻風電系統(tǒng)。目前，大型風電機組單機容量可達數(shù)十兆瓦，中小型風電機組為十千瓦到數(shù)百千瓦的。但世界上風力資源豐富的地區(qū)和區(qū)域畢竟有限，大多數(shù)地區(qū)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(fā)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(fā)電技術(shù)相結(jié)合，其供能范圍將極大擴展而且更為靈活，微風發(fā)電機在電子、機電、航空和國防軍事等領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景；如用于應(yīng)急照明，軍用微型電源，為野外監(jiān)測儀器設(shè)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(shù)和國民經(jīng)濟的發(fā)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(tǒng)渦輪風能發(fā)電裝置由于存在轉(zhuǎn)動部件，導(dǎo)致摩擦力消耗部分能量，難以應(yīng)用于對微風能的收集，特別是對于微型動力裝置的應(yīng)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?，F(xiàn)有風能發(fā)電技術(shù)主要是利用旋轉(zhuǎn)式電磁感應(yīng)發(fā)電機，此類發(fā)電技術(shù)所需啟動風速大，能量損耗大，效率低。流致振動發(fā)電技術(shù)已經(jīng)提出不少形式，但多數(shù)集中在水流中，而且存在著技術(shù)(結(jié)構(gòu))不合理，發(fā)電量小，系統(tǒng)設(shè)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(chǎn)生流致振動進行發(fā)電的技術(shù)還尚未見報道。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供了一種簡單，結(jié)構(gòu)設(shè)計容易，能量轉(zhuǎn)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(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
一種利用低速氣流流致振動收集電能的方法，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(yīng)發(fā)電機和定滑輪；所述振動鈍體為空心柱體，其軸線水平設(shè)置，振動鈍體的上側(cè)和下側(cè)分別固定一彈簧，振動鈍體通過彈簧懸空設(shè)置；所述振動鈍體的左側(cè)為迎風面，振動鈍體的右側(cè)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(yīng)發(fā)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(yīng)發(fā)電機的驅(qū)動軸上，動力傳輸皮帶的一側(cè)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(yīng)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(chǎn)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(yīng)發(fā)電機的驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動電磁感應(yīng)發(fā)電機發(fā)電；
壓電效應(yīng)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(dǎo)線，導(dǎo)線布置在振動鈍體的內(nèi)部；氣流繞流振動鈍體產(chǎn)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(chǎn)生形變，并隨旋渦流過而擺動，柔性壓電振動片產(chǎn)生的電能通過導(dǎo)線輸出。作為本發(fā)明的一種優(yōu)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。 本發(fā)明的有益效果是: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(zhuǎn)換效率高；采用電磁感應(yīng)和壓電效應(yīng)兩種方式收集電能，大幅提高發(fā)電能力。
圖1為收集電能的裝置的結(jié)構(gòu)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(yīng)發(fā)電機；8—定滑輪。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細地描述。一種利用低速氣流流致振動收集電能的方法，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(yīng)發(fā)電機7和定滑輪8。振動鈍體I為空心柱體，其軸線水平設(shè)置，振動鈍體I的上側(cè)和下側(cè)分別固定一彈簧3，振動鈍體I通過彈簧3懸空設(shè)置。振動鈍體I的左側(cè)為迎風面4，振動鈍體I的右側(cè)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(yīng)發(fā)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(yīng)發(fā)電機7的驅(qū)動軸上,動力傳輸皮帶6的一側(cè)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(yīng)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(cè)出現(xiàn)剪切層分離，由于剪切層的不穩(wěn)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(xiàn)為隨旋渦脫落的周期性振動，將低速氣流流動轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)振動。振動鈍體I受到周期性交替變化的作用力而發(fā)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(yīng)發(fā)電機7的驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動電磁感應(yīng)發(fā)電機7發(fā)電，將振動鈍體I振動的機械能轉(zhuǎn)換為電能。壓電效應(yīng)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(dǎo)線，導(dǎo)線布置在振動鈍體I的內(nèi)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(cè)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(cè)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(chǎn)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(yīng)將流體動能直接轉(zhuǎn)換為電能。進一步利用柔性壓電振動片2 —端的輸電導(dǎo)線將電能輸出。當氣流速度不足以使振動鈍體I產(chǎn)生振動時，氣流在繞流振動鈍體I的過程中仍然會出現(xiàn)剪切層分離，并產(chǎn)生旋渦脫落。脫落的旋渦將使柔性壓電振動片2產(chǎn)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)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
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(yīng)發(fā)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(shè)置，振動鈍體(I)的上側(cè)和下側(cè)分別固定一彈簧(3)，振動鈍體(I)通過彈簧(3)懸空設(shè)置；所述振動鈍體(I)的左側(cè)為迎風面(4)，振動鈍體(I)的右側(cè)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(yīng)發(fā)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(yīng)發(fā)電機(7)的驅(qū)動軸上,動力傳輸皮帶(6)的一側(cè)與振動鈍體(I)的一端固定連接； 該方法包括如下步驟: 電磁感應(yīng)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(I)產(chǎn)生旋渦脫落，激勵振動鈍體(I)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(yīng)發(fā)電機(7)的驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動電磁感應(yīng)發(fā)電機(7)發(fā)電； 壓電效應(yīng)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(dǎo)線，導(dǎo)線布置在振動鈍體(I)的內(nèi)部；氣流繞流振動鈍體(I)產(chǎn)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(chǎn)生形變，并隨旋渦流過而擺動，柔性壓電振動片(2)產(chǎn)生的電能通過導(dǎo)線輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用低速氣流流致振動收集電能的方法，其特征在于:所述柔性壓電振動片(2)沿氣流流向的長度和振動鈍體(I)的特征尺寸相等。
全文摘要
本發(fā)明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(chǎn)生旋渦脫落，激勵振動鈍體振動，將流體流動能轉(zhuǎn)換為振動鈍體振動機械能，利用電磁感應(yīng)發(fā)電機將振動鈍體振動機械能轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率高；采用電磁感應(yīng)和壓電效應(yīng)兩種方式收集電能，大幅提高發(fā)電能力。
文檔編號F03G7/08GK103075313SQ201310014159
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者丁林, 張力, 楊仲卿, 陳艷容, 閆云飛 申請人:重慶大學(xué)