[发明专利]直立压电式海洋立管流致振动能量采集与转化装置

说明书

本发明适用于流体力学及清洁新能源发电技术领域，提供了直立压电式海洋立管流致振动能量采集与转化装置，包括能量采集单元、发电转化单元和安装架，所述能量采集单元包括用于能量采集的立管振子、扰流管柱和连接接头；所述发电转化单元包括压电悬臂梁、连接件和压电层。连接接头和套管上均设有与立管振子截面形状适配的安装孔，本发明整体简单可靠，支持对较大长细比立管结构进行能量收集，更贴近实际工程结构；考虑单根振子或多布局工况下立管群振子的流致振动能量采集与转化，能够提高能量的采集效率；同时采用垂向布局，有效降低了重力对立管振子流致振动的影响；并适用于不同截面形状立管振子，有效拓宽了能量采集与转化装置的适用范围。

技术领域

本发明属于流体力学及清洁新能源发电技术领域，尤其涉及直立压电式海洋立管流致振动能量采集与转化装置。

背景技术

随着各国对能源开发和环境保护的双重需求，开发利用新型环保可再生能源成为瞩目热点。其中海洋资源以其“资源丰富、可持续性开发利用”等优点受到越来越多的关注，我国海洋能资源较为丰富，具备广泛的开发利用前景。

海洋立管对深水油气资源的勘探与开采起着至关重要的作用，在实际工程中，海洋立管不止以独立状态存在，在服役期间较多以立管群的形式广泛应用，而复杂的海洋环境以及特殊的管内输送介质使得海洋立管面临着疲劳损伤以及失效的风险。流致振动是诱发海洋工程结构物疲劳损伤等工程问题的重要因素，常用措施为添加抑振转置从而预防其发生损伤失效。随着对流致振动现象认识的加深，大量的实验和研究证明，在产生振幅的同时，结构也会吸收部分流体能量，流致振动产生的能量是具有利用前景的，目前的工作集中在研究开发能够俘获流致振动能量的发电装置。

常见的流致振动主要包括涡激振动和驰振。涡激振动在“共振区间”振动幅值较大，但具有一定的区间限制性。驰振具有高振幅低频率的特性，且随着流速的增大，振幅会持续增加直至结构破坏，较适合于能量收集。通常认为单个光滑的圆形立管振子不会发生驰振，但在某些多圆柱布局下能够发生驰振响应，又称为尾流驰振响应，适合于能量收集；对于非圆形截面立管振子(三角形、正方形等)，由于其存在攻角导致瞬时来流不对称从而诱发驰振响应。

相较于波浪发电和传统的涡轮机发电，流致振动俘能具有显著优势：适用流速范围较广，在低流速海域也能产生较大的振幅；所俘获的能量是完全清洁可再生的；俘能装置较为小巧，不会对海洋生物或作业产生影响。

目前小型能源设备等低能耗电产品在医疗、遥感、监测等领域的大范围应用，其拥有适应性强、较为方便等优点让研究学者们认为小型能源设备是较为适合流致振动俘能装置。其中流致振动能量收集的主要方式包括：压电式、电磁式与静电式。压电式发电装置与其他方式相比，结构较为简单，不受体积限制；且无需向电容施加初始电压作为初始条件，压电换能器能将环境机械的振动能量转换为电能，由于其功率密度高、无电磁干扰、绿色、高电压输出等特点，引起了许多研究者的关注。压电式能量收集装置的基本原理是压电效应，压电陶瓷在某个方向受到作用力而发生变形时，其内部会产生极化现象，并在其表面出现电荷量相等但正负相反的电荷，正负电荷移动的过程就形成了电流。本文的发明基于压电材料的压电效应，能够将振动能转化为电能，是一种很有实用性能的小型能源设备。

目前针对流致振动俘能的研究主要是单个圆柱振子，需要进行处理方能诱发驰振响应，但操作相对复杂和繁琐；国内外也有对多个圆形振子展开研究的，如天津大学燕翔等人发明了一种基于多振子的同振式涡激振动发电装置，专利公开号为CN104061111A，该专利利用涡激振动与尾流驰振的多个振子联合发电，实用性能较高。目前对于流致振动发电装置的研究多集中于弹簧振子结构，而这种结构较为复杂，且限制振子的长细比，尚不支持较大长细比的振子形式。对于非圆形截面振子，目前研究的发电装置较少。本发明提出的直立压电式海洋立管流致振动能量采集与转化装置能够满足大长细比立管结构的不同布局下的流致振动能量收集或非圆形截面振子流致振动能量收集。

发明内容