海洋波浪能頻率低（0.3～1 Hz）,海浪進(jìn)入振蕩水柱氣室壓縮空氣形成高速氣流。在高速氣流通道內(nèi)放置繞流圓柱鈍體,采用卡門渦街效應(yīng)提高波浪能振蕩水柱采集氣室氣壓激振頻率,實(shí)現(xiàn)高頻驅(qū)動(dòng)壓電發(fā)電,提高海洋能量轉(zhuǎn)換效率。推導(dǎo)波浪進(jìn)入氣室形成振蕩的水氣動(dòng)力轉(zhuǎn)換理論,計(jì)算了氣室初級壓強(qiáng)和流速。分析了低頻高壓氣流經(jīng)鈍體形成卡門渦街高頻渦流激振提頻過程,計(jì)算出氣壓作用于鈸型壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)輸出的電量。研究氣體流速、鈍體等系統(tǒng)參數(shù)與輸出能量的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明,周期為0.65～1.1 s的海浪進(jìn)入氣室經(jīng)提頻作用于鈸型壓電發(fā)電結(jié)構(gòu),穩(wěn)定輸出電能可達(dá)70～80 mW,為新型波浪能采集技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。 

【文章來源】：壓電與聲光. 2019,41(04)北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

渦街提頻振蕩水柱驅(qū)動(dòng)壓電發(fā)電

能損耗。圖２渦街提頻空氣壓力頻率與ＴＷ關(guān)系高頻氣壓通過壓力收集管道（Ｌ＝１７０ｍｍ、ｄｏ＝６ｍｍ）進(jìn)入壓電能量轉(zhuǎn)換氣室并驅(qū)動(dòng)鈸型壓電振子發(fā)電，鈸型振子外徑ｄａ＝２９ｍｍ，ｄｃ＝１７ｍｍ，ｄｂ＝５ｍｍ。氣壓驅(qū)動(dòng)鈸型壓電振子發(fā)電功率與激振頻率關(guān)系如圖３所示。由式（３２）～（３５）計(jì)算可得渦街激振頻率為０～７００Ｈｚ，壓電振子的電能量隨壓力頻率的增大快速提高，激振壓力頻率提高能量轉(zhuǎn)換效率和輸出功率較明顯。圖３發(fā)電功率與激振頻率關(guān)系壓電發(fā)電功率與涌入氣室的ＴＷ存在密切關(guān)系，ＴＷ＝０．６５～１．１ｓ時(shí)，由式（２２）～（３１）可得ＴＷ與鈸型壓電振子發(fā)電輸出功率的關(guān)系如圖４所示，輸出電能穩(wěn)定在６５～８０ｍＷ。圖４發(fā)電功率與ＴＷ的關(guān)系卡門渦街產(chǎn)生的壓電換能氣室的壓力頻率與氣室出口處鈍體直徑有關(guān)，隨鈍體直徑的增大而降低，由式（２８）～（３１）計(jì)算鈸型壓電振子產(chǎn)生的能量隨鈍體結(jié)構(gòu)變化如圖５所示。氣室出口流速提高，壓力頻率增大，因此，鈸型壓電振子產(chǎn)生的電能隨之提升，如圖６所示。圖５發(fā)電量與鈍體直徑關(guān)系圖６發(fā)電量與氣室氣體流速的關(guān)系５結(jié)束語振蕩水柱收集波浪能在氣室內(nèi)產(chǎn)生高壓、高速空氣動(dòng)能并作用于圓柱形鈍體，基于卡門渦街效應(yīng)獲得高頻空氣壓力進(jìn)入壓電換能氣室驅(qū)動(dòng)鈸型壓電振子發(fā)電，解決低頻海浪驅(qū)動(dòng)壓電發(fā)電中能量轉(zhuǎn)換率低的問題。分析波浪與空氣相互作用的水動(dòng)力學(xué)特性、利用壓電能量轉(zhuǎn)換理論、卡門渦街效應(yīng)理論推導(dǎo)計(jì)算得出，氣室前墻入

能損耗。圖２渦街提頻空氣壓力頻率與ＴＷ關(guān)系高頻氣壓通過壓力收集管道（Ｌ＝１７０ｍｍ、ｄｏ＝６ｍｍ）進(jìn)入壓電能量轉(zhuǎn)換氣室并驅(qū)動(dòng)鈸型壓電振子發(fā)電，鈸型振子外徑ｄａ＝２９ｍｍ，ｄｃ＝１７ｍｍ，ｄｂ＝５ｍｍ。氣壓驅(qū)動(dòng)鈸型壓電振子發(fā)電功率與激振頻率關(guān)系如圖３所示。由式（３２）～（３５）計(jì)算可得渦街激振頻率為０～７００Ｈｚ，壓電振子的電能量隨壓力頻率的增大快速提高，激振壓力頻率提高能量轉(zhuǎn)換效率和輸出功率較明顯。圖３發(fā)電功率與激振頻率關(guān)系壓電發(fā)電功率與涌入氣室的ＴＷ存在密切關(guān)系，ＴＷ＝０．６５～１．１ｓ時(shí)，由式（２２）～（３１）可得ＴＷ與鈸型壓電振子發(fā)電輸出功率的關(guān)系如圖４所示，輸出電能穩(wěn)定在６５～８０ｍＷ。圖４發(fā)電功率與ＴＷ的關(guān)系卡門渦街產(chǎn)生的壓電換能氣室的壓力頻率與氣室出口處鈍體直徑有關(guān)，隨鈍體直徑的增大而降低，由式（２８）～（３１）計(jì)算鈸型壓電振子產(chǎn)生的能量隨鈍體結(jié)構(gòu)變化如圖５所示。氣室出口流速提高，壓力頻率增大，因此，鈸型壓電振子產(chǎn)生的電能隨之提升，如圖６所示。圖５發(fā)電量與鈍體直徑關(guān)系圖６發(fā)電量與氣室氣體流速的關(guān)系５結(jié)束語振蕩水柱收集波浪能在氣室內(nèi)產(chǎn)生高壓、高速空氣動(dòng)能并作用于圓柱形鈍體，基于卡門渦街效應(yīng)獲得高頻空氣壓力進(jìn)入壓電換能氣室驅(qū)動(dòng)鈸型壓電振子發(fā)電，解決低頻海浪驅(qū)動(dòng)壓電發(fā)電中能量轉(zhuǎn)換率低的問題。分析波浪與空氣相互作用的水動(dòng)力學(xué)特性、利用壓電能量轉(zhuǎn)換理論、卡門渦街效應(yīng)理論推導(dǎo)計(jì)算得出，氣室前墻入

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于卡門渦街原理的諧振型風(fēng)力壓電俘能器研究[J]. 文晟,張鐵民,盧玉華,楊秀麗,曹飛.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2013(09)

博士論文
[1]機(jī)械增頻式波浪壓電發(fā)電裝置特性的研究[D]. 林政.清華大學(xué) 2015
[2]應(yīng)用時(shí)域格林函數(shù)方法模擬有限水深中波浪對結(jié)構(gòu)物的作用[D]. 韓凌.大連理工大學(xué) 2005

碩士論文
[1]基于壓電效應(yīng)的振蕩水柱式波能發(fā)電數(shù)值模擬分析[D]. 張燕.山東科技大學(xué) 2017
[2]振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換器效率分析及改進(jìn)方案研究[D]. 耿楠.湖南大學(xué) 2012



本文編號：3454977