电磁式风力振动能量采集装置振动与发电特性研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:cdma00100
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近年来,研究者对流体引起的振动能量(FIV,Flow-induced vibrations)采集技术进行了广泛研究。流致振动是指流体流经特定形状的阻流钝体时,在钝体表面产生对称作用的流体力,使钝体发生往复运动进而又改变流体流态的自然现象。根据不同的振动机制,用于能量收集的流致振动主要可分为四类:涡激振动(Vortex-induced Vibration),驰振(galloping),颤振(flutter)和抖振(buffeting)。其中比较典型的且拥有能量利用先例的两种现象为涡激振动与驰振。其振动特点使传统振动能量采集器走出微机电领域,规格更大,功率更高,其中风力振动能量采集技术是研究的一大主流。当前,各类振动能量采集器正迅速发展,成为当前广泛研究的重要微能源器件之一。其中,电磁式振动能量收集器具有质量轻、输出电压大,结构简单、易于维护且制造加工方便等优点,在该领域中得到了较广泛的应用。本文研究了一种基于空气流体涡激振动的电磁式振动能量采集器,对其振动特性及电压输出特性进行了理论分析与有限元数值模拟,并搭建模仿采集器工况的振动实验平台,基于原型样机进行了实验验证。论文的主要研究工作如下。(1)建立了采集器模型并对其振动结构进行模态分析及静力学分析,得到了其等效刚度,等效质量及固有频率等振动参数;基于CFD模型及重叠网格技术建立了两自由度弹性支撑柱体涡激振动模型,分别对直径为50、60、70、80mm柱体的涡激振动特性进行了分析,其中70mm直径钝体在1.5-3m/s左右的锁定风速下产生振幅最大的稳定振动,振动频率约等于其固有频率,约为4.6Hz,最大稳定振幅比达到了±0.6左右。(2)对不同钝体直径的采集器进行了自由衰减实验和风致振动实验。得到了采集器振动结构的固有频率等参数并将其与模态分析进行了对比,结果接近;得到了采集器在不同风速下的振动幅度与频率,与流固耦合仿真得到的采集器涡致振动特性进行了对比,实验结果与仿真结果呈现相似的变化规律。分析了电磁阻尼对振动特性的影响,分别进行了电磁端开路和短路实验,以70mm直径钝体采集器为例,在电磁端短路时,由于产生了较大电磁阻尼,系统阻尼比由0.0176增大到0.0278,共振状态下振幅比下降到了±0.33左右,但是振动频率并未发生明显变化,证明了利用模态分析及流固耦合所得频率数据,进行电磁仿真的可行性。(3)对振动能量采集器的电磁结构进行建模和优化,分析了振动悬臂梁的运动规律,优化了发电结构,利用Ansoft maxwell软件对装置振动产生的电磁感应电动势进行了仿真计算并针对钝体直径为70mm的采集器进行了实验,理想工作情况下,电磁结构产生的电压峰峰值的仿真值与实验值分别为约为2.2v,1.7v,电压频率大约为振动频率的两倍,且电压波形规律与钝体振动位移相对应;进一步改进了采集器结构,加入碳纤维柔性杆和谐振磁环,进行了初步实验,发现采集器工作性能得到了有效提升。
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