CN107859588A - 基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，属于可持续发电技术领域，其包括自上而下依次相连的上收缩气道、上腔体、下收缩气道和下腔体，上收缩气道的上部开设有气体出入口，下腔体的下部开设有海水出入口，上腔体内设置有套筒，套筒将上腔体分隔为左腔室、中腔室和右腔室，套筒内设置有上绕流圆柱和下绕流圆柱，上、下绕流圆柱之间设置有多组依次排布的介电弹性体薄膜，各组介电弹性体薄膜的中间位置的两侧分别设置有一号永磁体，所述左、右腔室内分别设置有与一号永磁体一一对应的二号永磁铁及用于安装二号永磁体的压电悬臂梁。该复合发电装置能够长时间工作在潮湿的环境中，以提供长久、持续的电能。
Description
技术领域
本发明属于可持续发电领域，尤其涉及一种基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置。
背景技术
随着信息时代的发展，沿海地区的小型电子设备灯塔、传感以及其它小功率电器设备成为如今社会不可缺少的一部分，而这些设备的运转离不开持续、长久的电能供应，传统的电池因使用寿命有限而难以为上述装置供电，传统的振荡水柱波能转换装置的透平发电机也不能长久的在海边等潮湿的环境工作，如何更好的将波浪能转换装置中效率较高的振荡水柱装置与发电装置结合起来成为了该领域亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，该复合发电装置能够长时间工作在潮湿的环境中，以提供长久、持续的电能。
本发明所采用的技术方案为：
基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，包括自上而下依次相连的上收缩气道、上腔体、下收缩气道和下腔体，上收缩气道的上部开设有气体出入口，下腔体的下部开设有海水出入口，上腔体内设置有套筒，套筒的顶端面与上收缩气道的底端面相接，套筒的底端面与下收缩气道的顶端面相接，套筒将上腔体分隔为左腔室、中腔室和右腔室，所述上收缩气道、中腔室、下收缩气道及下腔体相互连通，所述套筒内设置有上绕流圆柱和下绕流圆柱，上绕流圆柱位于中腔室与上收缩气道的交界处，下绕流圆柱位于中腔室与下收缩气道的交界处，上、下绕流圆柱之间设置有多组依次排布的介电弹性体薄膜，各组介电弹性体薄膜的中间位置的两侧分别设置有一号永磁体，所述左、右腔室内分别设置有一列与一号永磁体一一对应的二号永磁铁，且左、右腔室内分别设置有一列与二号永磁体一一对应的压电悬臂梁，一个二号永磁体对应固定在一根压电悬臂梁上。
所述上、下绕流圆柱的长度均为24cm～35cm。
相邻两组所述介电弹性体薄膜之间的缝隙为3cm～5cm。
各组所述介电弹性体薄膜的宽度均为4cm～6cm。
所述一号永磁铁和与其对应的二号永磁体之间的缝隙为3cm～5cm。
所述左腔室和右腔室均为封闭式腔室。
所述上收缩气道为渐缩式结构，上收缩气道的顶部截面呈圆形、底部截面呈椭圆形，上收缩气道的内径从上到下依次减小。
所述下收缩气道为渐缩式结构，下收缩气道的顶部截面呈椭圆形、底部截面呈圆形，下收缩气道的内径从下到上依次减小。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：
1、由于本发明采用的是压电效应，因此发电装置的环境适应性强，可以长时间工作在潮湿的环境中。
2、本发明可以将收集的波浪能转化为空气气柱的气压能，利用气压能产生的卡门涡街现象驱动介电弹性薄膜产生电能。将本发明应用到海洋中，可以提供持续、长久的电能，从而解决海洋中小型电器设备的无线供能问题。
3、本发明中发电装置的结构相较于一般的振荡水柱波能转换装置更为简单，安装维护方便，且制作成本较低。
附图说明
图1为本发明的轴测图。
图2为本发明的半剖结构示意图。
图3为本发明的俯视图。
图4为本发明中压电悬臂梁为介电弹性体提供电压的电路图。
图5为波峰进入下腔体时卡门涡街驱动介电弹性体发电的原理图。
其中，
1、下腔体 2、下收缩气道 3、上腔体 31、中腔室 32、左腔室 33、右腔室 4、压电悬臂梁 5、二号永磁体 6、上绕流圆柱 7、上收缩气道 8、套筒 9、一号永磁体 10、介电弹性体薄膜 11、下绕流圆柱 12、海水出入口 13、三极管 14、电容 15、气流 16、卡门涡街
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
如图1至图5所示，基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，包括自上而下依次相连的上收缩气道7、上腔体3、下收缩气道2和下腔体1。
所述上收缩气道的7上部开设有气体出入口。所述上收缩气道7为渐缩式结构，上收缩气道7的顶部截面呈圆形、底部截面呈椭圆形，上收缩气道7的内径从上到下依次减小。所述下收缩气道2为渐缩式结构，下收缩气道2的顶部截面呈椭圆形、底部截面呈圆形，下收缩气道2的内径从下到上依次减小。
所述上、下收缩气道的内壁称为集风壁，使用过程中，气流不论是自上收缩气道7进入上腔体3，还是由下收缩气道2进入上腔体3，总的来说，气流都是由开口较大的圆形入口进入，再有开口较小的椭圆形出口流出，通过集风壁增大气流流速，从而增大了卡门涡街效应产生的横向作用力。
所述下腔体1淹没在海水中，下腔体1的下部开设有海水出入口12。
所述上腔体3内设置有套筒8，套筒8的顶端面与上收缩气道7的底端面相接，套筒8的底端面与下收缩气道2的顶端面相接。套筒8将上腔体3分隔为左腔室32、中腔室31和右腔室33。所述左腔室32和右腔室33均为封闭式腔室。所述上收缩气道7、中腔室31、下收缩气道2及下腔体1相互连通。套筒8的设置，使得空气进入上腔体3内后只在套筒8内流动，保证了气体具有较高流速流过上绕流圆柱6或下绕流圆柱11后产生卡门涡街效应。
所述套筒8内设置有上绕流圆柱6和下绕流圆柱11，上绕流圆柱6位于中腔室31与上收缩气道7的交界处，下绕流圆柱11位于中腔室31与下收缩气道2的交界处。所述上、下绕流圆柱之间设置有三组依次排布的介电弹性体薄膜10，介电弹性体薄膜10具有大发电比能量，是压电陶瓷材料的四倍，且介电弹性体薄膜10易于变形，可以与能量源直接耦合，无需中间转换环节，介电弹性体薄膜10的柔顺性好、耐冲击、材料密度低、成本低，在很宽范围的温度及湿度下能满足发电装置的发电特征。各组介电弹性体薄膜10的中间位置的两侧分别设置有一号永磁体9，也就是共有六个一号永磁体9。所述左、右腔室内分别设置有一列与一号永磁体9一一对应的二号永磁铁5，且左、右腔室内分别设置有一列与二号永磁体5一一对应的压电悬臂梁4，一个二号永磁体5对应固定在一根压电悬臂梁4上。
所述上、下绕流圆柱的长度均为24cm～35cm，优选为35cm。相邻两组所述介电弹性体薄膜10之间的缝隙为3cm～5cm，优选为4.5cm。各组所述介电弹性体薄膜10的宽度均为4cm～6cm，优选为6cm。这样保证了压电悬臂梁4具有合适的宽度，不会因过窄而轻易折断，也不会因过宽而导致压电悬臂梁4摆幅小，从而保证了发电装置的发电量。
所述一号永磁铁9和与其对应的二号永磁体5之间需存在一定缝隙，若缝隙太大，一号、二号永磁体之间的相互作用力减小，影响发电装置的发电量，若缝隙太小，可能会使一号、二号永磁体之间的相互作用力与卡门涡街横向作用力抵消。因此，优选一号永磁铁和与其对应的二号永磁体之间的缝隙为3cm～5cm，优选为5cm。
当波浪波峰进入下腔体1形成振荡水柱上升时，下腔体1内压强升高，气体由下腔体1经过下收缩气道2被压入上腔体3的中腔室31，在中腔室31与下收缩气道2的连接处固定有下绕流圆柱11，气流15绕经下绕流圆柱11时，前后母线将周期性的脱落形成旋转方向相反、且规律排列的双列线涡，并保持各自的涡流前行运动，它们在距离下绕流圆柱11较远的地方互相干扰和吸引，干扰逐渐增大而形成非线性涡街，卡门涡街16在非线性作用下产生的横向气流作用力驱动介电弹性体薄膜10形变产生横向作用力，介电弹性体薄膜10的形变带动一号永磁体9左右摆动，一号永磁体9带动与其对应的二号永磁体5运动，二号永磁体5固定在压电悬臂梁4上，压电悬臂梁4随之摆动发生形变，利用压电悬臂梁4产生的电压对拉伸状态下的介电弹性体材料充电，具体地来说，如图4所示，当压电悬臂梁4产生电量后，产生的电量给电容14充电，电容14电压不断升高，介电弹性体薄膜10形变后，三极管13打开，电容14给介电弹性体薄膜10充电，当一号永磁体9恢复原位，介电弹性体薄膜10随之恢复，同时因同性电荷靠近，异性电荷分离，麦克斯韦静电力做负功，电压增加。这样即形成一个基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置。
同样地，当波谷进入下腔体1内时，下腔体1内压强下降，外界空气经过上收缩气道7流入上腔体3的中腔室31，中腔室31与上收缩气道7的连接处设置有上绕流圆柱6，上方气流流经上绕流圆柱6，带动压电悬臂梁4以及介电弹性体薄膜10发电。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，其特征在于，包括自上而下依次相连的上收缩气道、上腔体、下收缩气道和下腔体，上收缩气道的上部开设有气体出入口，下腔体的下部开设有海水出入口，上腔体内设置有套筒，套筒的顶端面与上收缩气道的底端面相接，套筒的底端面与下收缩气道的顶端面相接，套筒将上腔体分隔为左腔室、中腔室和右腔室，所述上收缩气道、中腔室、下收缩气道及下腔体相互连通，所述套筒内设置有上绕流圆柱和下绕流圆柱，上绕流圆柱位于中腔室与上收缩气道的交界处，下绕流圆柱位于中腔室与下收缩气道的交界处，上、下绕流圆柱之间设置有多组依次排布的介电弹性体薄膜，各组介电弹性体薄膜的中间位置的两侧分别设置有一号永磁体，所述左、右腔室内分别设置有一列与一号永磁体一一对应的二号永磁铁，且左、右腔室内分别设置有一列与二号永磁体一一对应的压电悬臂梁，一个二号永磁体对应固定在一根压电悬臂梁上。
2.根据权利要求1所述的基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，其特征在于，所述上、下绕流圆柱的长度均为24cm～35cm。
3.根据权利要求1所述的基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，其特征在于，相邻两组所述介电弹性体薄膜之间的缝隙为3cm～5cm。
4.根据权利要求1所述的基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，其特征在于，各组所述介电弹性体薄膜的宽度均为4cm～6cm。
5.根据权利要求1所述的基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，其特征在于，所述一号永磁铁和与其对应的二号永磁体之间的缝隙为3cm～5cm。
6.根据权利要求1所述的基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，其特征在于，所述左腔室和右腔室均为封闭式腔室。
7.根据权利要求1所述的基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，其特征在于，所述上收缩气道为渐缩式结构，上收缩气道的顶部截面呈圆形、底部截面呈椭圆形，上收缩气道的内径从上到下依次减小。
8.根据权利要求1所述的基于卡门涡街效应的振荡水柱自激式波浪能复合发电装置，其特征在于，所述下收缩气道为渐缩式结构，下收缩气道的顶部截面呈椭圆形、底部截面呈圆形，下收缩气道的内径从下到上依次减小。
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