一種時均流發電裝置及方法

2023-08-01 20:32:46 2

專利名稱：一種時均流發電裝置及方法
技術領域：
本發明涉及發電裝置及方法，尤其涉及一種時均流發電裝置及方法。
背景技術：
時均流，也稱平均流(Mean flow)，是指具有顯著動能的單向流動流體，包括自然風、管道內氣流、水流等。在日常生活中就有時均流激聲的例子當對著豎直放置的瓶口水平吹氣時，可以聽到瓶內傳出的嗡嗡聲，這說明口中吹出的氣流(時均流)在瓶內引起了聲振蕩(自激振蕩)。從氣動聲學角度看，該現象可概括為具有一定動能的時均流誘導出有規律的具有交變流特性的空氣聲場，其背後有著複雜的能量傳遞過程，首先，當氣流掠過時，不穩定粘性邊界層在瓶口脫離；其次，脫離的邊界層在瓶口又以漩渦的形式捲起形成渦結構，並向瓶內的聲場傳遞能量；再次，能量的傳遞和聲場的存在又反過來影響了隨後的漩渦的形成。整個過程形成一個能量反饋迴路，具有高度的諧振特性。如果把口中吹出的氣流換成高速管道氣流或自然風，瓶子換成特製的單端開口密閉腔體，高速氣流會向腔體內傳遞大的多的能量，從而誘導出一個具有大聲能密度的駐波聲場，即時均流在特殊的管道裝置下誘導出穩定的聲場，這種效應稱為時均流激聲效應。德國Karlsru大學的Naudascher和美國Lehigh大學的Rockwell根據形成機理把時均流激聲分成三大類1)流體-動力振蕩型，特徵是振蕩源於流體流動的固有不穩定性，純的流體-動力振蕩只發生於腔體深度與振蕩波長相比很小的情況；2)流體-諧振振蕩型，特徵是流體振蕩受諧振波動(駐波聲場)效應影響顯著，頻率較高，腔體的深度與波長處於同一量級；3)流體-彈性振蕩型，特徵是流體振蕩與固體邊界的運動耦合在一起，此類振蕩發生於當腔體的一個或多個壁面經歷較大位移，且足夠對時均流的剪切邊界層擾動施加反作用。上世紀七十年代以來，針對流體-諧振振蕩的研究逐漸增多，這類研究的對象都可以抽象成一個主流管道和一個截面尺寸相當的單端開口密閉支路，二者內的流體相互連通，主流管道內是時均流場，密閉支路內建立的是駐波聲場。典型的十字形結構示意圖如圖1所示，該類振蕩中的支路腔體為1/4波長諧振器(λ = 4L)，曲線表示駐波聲場的壓力振幅分布。大部分前期研究的目的是消除流體輸送管道中自激強振蕩引起的結構振動、疲勞破壞和噪音。事實上，時均流激聲效應也衍生出一種有效的能量利用方式，已有實驗研究表明，自然風等時均流在密閉腔體內誘導出具有高能量密度和穩定頻率特性的駐波聲場，其壓力振幅能夠達到15%。如圖1、2所示，諧振管內的駐波聲場以正弦規律變化，可表示為
p(i) = Pp Sm(M)(1)
(1)式中&為壓力振幅， 是聲場的角速度，則作用於壓電換能器的力也以正弦規律變化
F(￡) = Fp Sin(OK)(2)此時，壓電換能器的輸出電壓為 (3)式中％是電壓振幅，爐是相位差，由此可以得到輸出電功率為
(4)式中Γ=2Λ"/ 為波動周期，R1為等效電路負載。本專利將時均流激聲效應和壓電效應通過流固耦合作用構成一個獨立的發電裝置。

發明內容
本發明的目的在於採用新型的能源利用方式，提供一種時均流發電裝置及方法。時均流發電裝置包括驅動管上遊段、驅動管下遊段、諧振管、夾持裝置和壓電換能器；在諧振管中部兩側分別與驅動管上遊段、驅動管下遊段相通，諧振管兩端封閉，諧振管的兩個封閉端設有夾持裝置或諧振管的側壁設有一個或多個夾持裝置，諧振管的兩個封閉端內側設有壓電換能器並與夾持裝置相連，或諧振管的側壁內設有一個或多個壓電換能器並分別與一個或多個夾持裝置相連。所述的驅動管上遊段、驅動管下遊段的截面為圓形、四邊形，其外形輪廓可以是等
截面管、變徑管。所述的諧振管的截面為圓形或四邊形，諧振管的外形輪廓為等截面管、變徑管或一端具有多個分支的分叉型管。所述的壓電換能器為平板壓電陶瓷換能器、鈸型換能器或懸臂梁換能器。時均流發電方法是時均流在驅動管中流經驅動管上遊段和諧振管連接處的幾何突變，使驅動管上遊段的邊界層流體脫落，並在諧振管的開口處形成漩渦，漩渦與諧振管內的流體交換能量，引起諧振管內流體的自激振蕩，自激振蕩產生的壓力波作用在諧振管內布設的壓電換能器上產生電能，從而完成了時均流能量一聲場能一電能的轉化過程。所述的時均流為具有顯著動能的單向流體。所述的具有顯著動能的單向流體為風或管道流體。本發明提出的時均流發電裝置完全不同於現有方式驅動的發電裝置。首先該裝置基於空氣聲學，將時均流轉化為一個頻率穩定的、具有較高能流密度的駐波聲場。其次，根據壓電換能器的響應特性和布置需要，可以改變管道的尺寸、截面形狀以及諧振管的數量，以獲得最佳的匹配性能。特別地，這種能量轉化裝置結構簡單、壽命長、免維護，為利用廣泛存在的管道流體能和風能等提供了一種高效、可靠的方法。


圖1是時均流發電裝置原理示意圖；圖2是電能收集原理示意圖3是本發明提供的時均流發電裝置實施例的結構示意圖；圖4是鈸型換能器安裝方式示意4圖5是懸臂梁換能器安裝方式示意圖中驅動管上遊段1、驅動管下遊段2、諧振管3、夾持裝置4、壓電換能器5。
具體實施例方式時均流發電裝置包括驅動管上遊段1、驅動管下遊段2、諧振管3、夾持裝置4和壓電換能器5 ；在諧振管3中部兩側分別與驅動管上遊段1、驅動管下遊段2相通，諧振管3兩端封閉，諧振管3的兩個封閉端設有夾持裝置4或諧振管3的側壁設有一個或多個夾持裝置4，諧振管3的兩個封閉端內側設有壓電換能器5並與夾持裝置4相連，或諧振管3的側壁內設有一個或多個壓電換能器5並分別與一個或多個夾持裝置4相連。所述的驅動管上遊段1和驅動管下遊段2的截面為圓形或四邊形，驅動管上遊段1和驅動管下遊段2的外形輪廓為等截面管或變徑管。所述的諧振管3的截面為圓形或四邊形，諧振管3的外形輪廓為等截面管、變徑管或一端具有多個分支的分叉型管。時均流發電方法是時均流在驅動管中流經驅動管上遊段1和諧振管3連接處的幾何突變，使驅動管上遊段1的邊界層流體脫落，並在諧振管3的開口處形成漩渦，漩渦與諧振管3內的流體交換能量，引起諧振管3內流體的自激振蕩，自激振蕩產生的壓力波作用在諧振管3內布設的壓電換能器5上產生電能，從而完成了時均流能量一聲場能一電能的轉化過程。所述的時均流為具有顯著動能的單向流體。所述的具有顯著動能的單向流體為風或管道流體。如圖3所示，壓電換能器5為平板壓電陶瓷換能器。如圖4所示，壓電換能器5可以採用為鈸型換能器。鈸型換能器可以布置在諧振管內，優先考慮布設在諧振管的兩端，可以達到最佳的效果。如圖5所示，壓電換能器5可以採用為懸臂梁換能器布設在諧振管內。需要說明的是根據壓電換能器的響應特性和布置需要，可以改變時均流發電裝置中管道的尺寸、截面形狀以及諧振管的數量，以獲得最佳的匹配性能。諧振管與驅動管上遊段和驅動管下遊段的連接形式可以是直角或圓角型式，只是在同一時均流速下激發的聲場強度有所不同。另外諧振管可以在不影響內部聲場和不引起較大耗散的情況下任意彎曲，也不必與驅動管垂直，可以成任意的角度，只要能夠激發出穩定的聲場就可以驅動發電裝置工作。
權利要求
1.一種時均流發電裝置，其特徵在於包括驅動管上遊段(1)、驅動管下遊段(2)、諧振管(3)、夾持裝置(4)和壓電換能器(5);在諧振管(3)中部兩側分別與驅動管上遊段(1)、驅動管下遊段(2)相通，諧振管(3)兩端封閉，諧振管(3)的兩個封閉端設有夾持裝置(4)或諧振管(3)的側壁設有一個或多個夾持裝置(4)，諧振管(3)的兩個封閉端內側設有壓電換能器(5 )並與夾持裝置(4 )相連，或諧振管(3 )的側壁內設有一個或多個壓電換能器(5 )並分別與一個或多個夾持裝置(4)相連。
2.根據權利要求1所述的一種時均流發電裝置，其特徵在於所述的驅動管上遊段(1)和驅動管下遊段(2)的截面為圓形或四邊形，驅動管上遊段(1)和驅動管下遊段(2)的外形輪廓為等截面管或變徑管。
3.根據權利要求1所述的一種時均流發電裝置，其特徵在於所述的諧振管(3)的截面為圓形或四邊形，諧振管(3)的外形輪廓為等截面管、變徑管或一端具有多個分支的分叉型管。
4.根據權利要求1所述的一種時均流發電裝置，其特徵在於所述的壓電換能器(5)為平板壓電陶瓷換能器、鈸型換能器或懸臂梁換能器。
5.—種使用如權利要求1所述裝置的時均流發電方法，其特徵在於時均流在驅動管中流經驅動管上遊段(1)和諧振管(3)連接處的幾何突變，使驅動管上遊段(1)的邊界層流體脫落，並在諧振管(3)的開口處形成漩渦，漩渦與諧振管(3)內的流體交換能量，引起諧振管(3)內流體的自激振蕩，自激振蕩產生的壓力波作用在諧振管(3)內布設的壓電換能器(5)上產生電能，從而完成了時均流能量一聲場能一電能的轉化過程。
6.根據權利要求5所述的一種時均流發電方法，其特徵在於所述的時均流為具有顯著動能的單向流體。
7.根據權利要求6所述的一種時均流發電方法，其特徵在於所述的具有顯著動能的單向流體為風或管道流體。
全文摘要
本發明公開了一種時均流發電裝置及方法。它包括驅動管上遊段、驅動管下遊段、諧振管、夾持裝置和壓電換能器；在諧振管中部兩側分別與驅動管上遊段、驅動管下遊段相通，諧振管兩端封閉，諧振管的兩個封閉端設有夾持裝置或諧振管的側壁設有一個或多個夾持裝置，諧振管的兩個封閉端內側設有壓電換能器並與夾持裝置相連，或諧振管的側壁內設有一個或多個壓電換能器並分別與一個或多個夾持裝置相連。時均流是具有顯著動能的單向流體，時均流進入驅動管並誘導諧振管內產生聲場，從而驅動壓電換能器發電。本發明提出的時均流發電裝置結構簡單、壽命長、免維護，為利用廣泛存在的管道流體能和風能等提供了一種高效、可靠的方法。
文檔編號H02N2/18GK102394558SQ20111028287
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月22日 優先權日2011年9月22日
發明者孫大明, 徐雅, 沈愜, 鍾會球, 陳海俊 申請人:浙江大學