涡街提频振荡水柱驱动压电发电理论分析

发布时间：2021-10-24 08:51

　　海洋波浪能频率低（0.3～1 Hz）,海浪进入振荡水柱气室压缩空气形成高速气流。在高速气流通道内放置绕流圆柱钝体,采用卡门涡街效应提高波浪能振荡水柱采集气室气压激振频率,实现高频驱动压电发电,提高海洋能量转换效率。推导波浪进入气室形成振荡的水气动力转换理论,计算了气室初级压强和流速。分析了低频高压气流经钝体形成卡门涡街高频涡流激振提频过程,计算出气压作用于钹型压电发电结构输出的电量。研究气体流速、钝体等系统参数与输出能量的关系。计算结果表明,周期为0.65～1.1 s的海浪进入气室经提频作用于钹型压电发电结构,稳定输出电能可达70～80 mW,为新型波浪能采集技术提供了理论基础。 

【文章来源】：压电与声光. 2019,41(04)北大核心

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

涡街提频振荡水柱驱动压电发电

能损耗。图２涡街提频空气压力频率与ＴＷ关系高频气压通过压力收集管道（Ｌ＝１７０ｍｍ、ｄｏ＝６ｍｍ）进入压电能量转换气室并驱动钹型压电振子发电，钹型振子外径ｄａ＝２９ｍｍ，ｄｃ＝１７ｍｍ，ｄｂ＝５ｍｍ。气压驱动钹型压电振子发电功率与激振频率关系如图３所示。由式（３２）～（３５）计算可得涡街激振频率为０～７００Ｈｚ，压电振子的电能量随压力频率的增大快速提高，激振压力频率提高能量转换效率和输出功率较明显。图３发电功率与激振频率关系压电发电功率与涌入气室的ＴＷ存在密切关系，ＴＷ＝０．６５～１．１ｓ时，由式（２２）～（３１）可得ＴＷ与钹型压电振子发电输出功率的关系如图４所示，输出电能稳定在６５～８０ｍＷ。图４发电功率与ＴＷ的关系卡门涡街产生的压电换能气室的压力频率与气室出口处钝体直径有关，随钝体直径的增大而降低，由式（２８）～（３１）计算钹型压电振子产生的能量随钝体结构变化如图５所示。气室出口流速提高，压力频率增大，因此，钹型压电振子产生的电能随之提升，如图６所示。图５发电量与钝体直径关系图６发电量与气室气体流速的关系５结束语振荡水柱收集波浪能在气室内产生高压、高速空气动能并作用于圆柱形钝体，基于卡门涡街效应获得高频空气压力进入压电换能气室驱动钹型压电振子发电，解决低频海浪驱动压电发电中能量转换率低的问题。分析波浪与空气相互作用的水动力学特性、利用压电能量转换理论、卡门涡街效应理论推导计算得出，气室前墙入

能损耗。图２涡街提频空气压力频率与ＴＷ关系高频气压通过压力收集管道（Ｌ＝１７０ｍｍ、ｄｏ＝６ｍｍ）进入压电能量转换气室并驱动钹型压电振子发电，钹型振子外径ｄａ＝２９ｍｍ，ｄｃ＝１７ｍｍ，ｄｂ＝５ｍｍ。气压驱动钹型压电振子发电功率与激振频率关系如图３所示。由式（３２）～（３５）计算可得涡街激振频率为０～７００Ｈｚ，压电振子的电能量随压力频率的增大快速提高，激振压力频率提高能量转换效率和输出功率较明显。图３发电功率与激振频率关系压电发电功率与涌入气室的ＴＷ存在密切关系，ＴＷ＝０．６５～１．１ｓ时，由式（２２）～（３１）可得ＴＷ与钹型压电振子发电输出功率的关系如图４所示，输出电能稳定在６５～８０ｍＷ。图４发电功率与ＴＷ的关系卡门涡街产生的压电换能气室的压力频率与气室出口处钝体直径有关，随钝体直径的增大而降低，由式（２８）～（３１）计算钹型压电振子产生的能量随钝体结构变化如图５所示。气室出口流速提高，压力频率增大，因此，钹型压电振子产生的电能随之提升，如图６所示。图５发电量与钝体直径关系图６发电量与气室气体流速的关系５结束语振荡水柱收集波浪能在气室内产生高压、高速空气动能并作用于圆柱形钝体，基于卡门涡街效应获得高频空气压力进入压电换能气室驱动钹型压电振子发电，解决低频海浪驱动压电发电中能量转换率低的问题。分析波浪与空气相互作用的水动力学特性、利用压电能量转换理论、卡门涡街效应理论推导计算得出，气室前墙入

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于卡门涡街原理的谐振型风力压电俘能器研究[J]. 文晟,张铁民,卢玉华,杨秀丽,曹飞.  传感技术学报. 2013(09)

博士论文
[1]机械增频式波浪压电发电装置特性的研究[D]. 林政.清华大学 2015
[2]应用时域格林函数方法模拟有限水深中波浪对结构物的作用[D]. 韩凌.大连理工大学 2005

硕士论文
[1]基于压电效应的振荡水柱式波能发电数值模拟分析[D]. 张燕.山东科技大学 2017
[2]振荡水柱波能转换器效率分析及改进方案研究[D]. 耿楠.湖南大学 2012



本文编号：3454977