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

【文章來源】：壓電與聲光. 2019,41(04)北大核心

【文章頁數】：6 頁

【部分圖文】：

渦街提頻振蕩水柱驅動壓電發(fā)電

能損耗。圖２渦街提頻空氣壓力頻率與ＴＷ關系高頻氣壓通過壓力收集管道（Ｌ＝１７０ｍｍ、ｄｏ＝６ｍｍ）進入壓電能量轉換氣室并驅動鈸型壓電振子發(fā)電，鈸型振子外徑ｄａ＝２９ｍｍ，ｄｃ＝１７ｍｍ，ｄｂ＝５ｍｍ。氣壓驅動鈸型壓電振子發(fā)電功率與激振頻率關系如圖３所示。由式（３２）～（３５）計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換效率和輸出功率較明顯。圖３發(fā)電功率與激振頻率關系壓電發(fā)電功率與涌入氣室的ＴＷ存在密切關系，ＴＷ＝０．６５～１．１ｓ時，由式（２２）～（３１）可得ＴＷ與鈸型壓電振子發(fā)電輸出功率的關系如圖４所示，輸出電能穩(wěn)定在６５～８０ｍＷ。圖４發(fā)電功率與ＴＷ的關系卡門渦街產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，隨鈍體直徑的增大而降低，由式（２８）～（３１）計算鈸型壓電振子產生的能量隨鈍體結構變化如圖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)電量與鈍體直徑關系圖６發(fā)電量與氣室氣體流速的關系５結束語振蕩水柱收集波浪能在氣室內產生高壓、高速空氣動能并作用于圓柱形鈍體，基于卡門渦街效應獲得高頻空氣壓力進入壓電換能氣室驅動鈸型壓電振子發(fā)電，解決低頻海浪驅動壓電發(fā)電中能量轉換率低的問題。分析波浪與空氣相互作用的水動力學特性、利用壓電能量轉換理論、卡門渦街效應理論推導計算得出，氣室前墻入

能損耗。圖２渦街提頻空氣壓力頻率與ＴＷ關系高頻氣壓通過壓力收集管道（Ｌ＝１７０ｍｍ、ｄｏ＝６ｍｍ）進入壓電能量轉換氣室并驅動鈸型壓電振子發(fā)電，鈸型振子外徑ｄａ＝２９ｍｍ，ｄｃ＝１７ｍｍ，ｄｂ＝５ｍｍ。氣壓驅動鈸型壓電振子發(fā)電功率與激振頻率關系如圖３所示。由式（３２）～（３５）計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換效率和輸出功率較明顯。圖３發(fā)電功率與激振頻率關系壓電發(fā)電功率與涌入氣室的ＴＷ存在密切關系，ＴＷ＝０．６５～１．１ｓ時，由式（２２）～（３１）可得ＴＷ與鈸型壓電振子發(fā)電輸出功率的關系如圖４所示，輸出電能穩(wěn)定在６５～８０ｍＷ。圖４發(fā)電功率與ＴＷ的關系卡門渦街產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，隨鈍體直徑的增大而降低，由式（２８）～（３１）計算鈸型壓電振子產生的能量隨鈍體結構變化如圖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)電量與鈍體直徑關系圖６發(fā)電量與氣室氣體流速的關系５結束語振蕩水柱收集波浪能在氣室內產生高壓、高速空氣動能并作用于圓柱形鈍體，基于卡門渦街效應獲得高頻空氣壓力進入壓電換能氣室驅動鈸型壓電振子發(fā)電，解決低頻海浪驅動壓電發(fā)電中能量轉換率低的問題。分析波浪與空氣相互作用的水動力學特性、利用壓電能量轉換理論、卡門渦街效應理論推導計算得出，氣室前墻入

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

博士論文
[1]機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 2015
[2]應用時域格林函數方法模擬有限水深中波浪對結構物的作用[D]. 韓凌.大連理工大學 2005

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



本文編號：3454977