Извлечение пьезоэлектрической энергии из цилиндра, находящегося в вихре

Jul 08, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6924 (2023) Цитировать эту статью

584 доступа

Подробности о метриках

Предлагается новая концепция использования кинетической энергии океанских течений/ветра посредством внутреннего резонанса для удовлетворения растущего глобального спроса на энергию путем производства экологически чистой и устойчивой энергии. В этой работе нелинейный вращающийся гравитационный маятник используется для автопараметрического возбуждения упруго закрепленного цилиндра в широком диапазоне скоростей потока. Эта концепция принята для увеличения амплитуды колебаний цилиндра из-за вихревой вибрации (VIV) в десинхронизированной области для сбора энергии. В связи с этим предлагается устройство сбора энергии на основе VIV, которое состоит из цилиндра с прикрепленным к нему маятником, а энергия собирается с помощью пьезоэлектрических преобразователей, установленных снизу. Цилиндр подвергается воздействию VIV, когда он подвергается воздействию потока жидкости, и это автопараметрически возбуждает связанную систему жидкость-многотелый цилиндр-маятник. В десинхронизированной области, когда частота срыва вихрей становится в два раза больше собственной частоты маятника, возникает внутренний резонанс. Это помогает добиться более высокой амплитуды колебаний цилиндра, чего иначе не бывает. Это исследование сосредоточено на системе цилиндр-маятник с двумя степенями свободы (2-DoF), в которой цилиндр может свободно проявлять вибрации, вызванные вихрями поперечного потока, подвергающимися воздействию жидкости. Целью данной работы является численное исследование влияния нелинейного вращающегося гравитационного маятника (NRGP) на характеристики VIV и пьезоэлектрический КПД системы. Численная модель основана на модели следящего осциллятора в сочетании с пьезоэлектрическим определяющим уравнением. Также исследуется влияние соотношения частот, соотношения масс, коэффициента демпфирования кручения и отношения диаметра цилиндра к длине маятника устройства NRGP на характеристики отклика из-за VIV. Численно проведен детальный сравнительный анализ по электрическому напряжению и КПД для течений с широким диапазоном приведенных скоростей для цилиндра с НРГП и без него. Также сообщается о всестороннем исследовании влияния внутреннего резонанса между маятником и цилиндром, подвергающимся VIV, на создаваемое электрическое напряжение.

Вихревые вибрации (VIV) являются одним из наиболее распространенных гидродинамических явлений, имеющих практические последствия, которые можно наблюдать, когда конструкции подвергаются воздействию потока жидкости. VIV подробно изучался рядом исследователей, таких как Рошко1, Гриффин и Рамберг2, Бирман3; в обзорных статьях Уильямсона и Говардхана4, Сарпкая5 и в книгах Белвинса6, Шумера и Фредсе7. За последние несколько десятилетий многие исследователи сосредоточились на различных методах использования гидрокинетической энергии с использованием вихревого движения структур и преобразования ее в электрическую энергию8,9. VIV структурных компонентов можно преобразовать в электрическую энергию с помощью электростатических10, электромагнитных11 и пьезоэлектрических генераторов12, которые можно использовать для питания микроэлектромеханических систем или для зарядки аккумуляторов в отдаленных местах. Эти небольшие источники генерации энергии полезны для питания близлежащего электронного оборудования и устройств с автономным питанием13. Следует отметить, что в реальной задаче VIV электромеханические системы подвержены влиянию окружающего шума, т. е. колебаниям входящего потока или геометрическим несовершенствам системы, и это может существенно влиять на динамическое поведение. Поэтому для эффективного сбора энергии различные исследователи также исследуют влияние различных стохастических шумов14,15.

В последние годы появилось множество публикаций, посвященных эффективным способам извлечения энергии из ВИВ с использованием пьезоэлектрических преобразователей. Эти преобразователи обладают уникальной способностью преобразовывать энергию деформации в электрическую энергию. Самый распространенный и простой способ извлечения энергии — это прикрепление пьезоэлектрического материала к гибкой/упруго закрепленной конструкции. Труитт16 разработал сборщик энергии на основе ветра, закрепив пьезоэлектрический материал из поливинилиденфторида (ПВДФ) на флажковой мембране, и получил максимальную мощность 1,5 мВт. Сонг и др.17 предложили новую концепцию сбора энергии с использованием VIV и вибраций, вызванных следом (WIV) двух тандемных цилиндров, соединенных пьезоэлектрическими мембранами в качестве кантилеверов, и зарегистрировали максимальную выходную мощность 21 мкВт. Ван и Ко18 извлекли энергию из пьезоэлектрической пленки, закрепленной над каналом потока жидкости. Численные исследования были проведены Мехмудом и др.19 с использованием основных электромеханических уравнений, которые связывают колебания упруго закрепленного цилиндра, закрепленного пьезоэлектрическим материалом. Они заметили, что сопротивление нагрузки оказывает значительное влияние на ширину и амплитуду синхронизации. Францини и Бунцель20 провели численные исследования выходной мощности цилиндров, установленных на пьезоэлектрических комбайнах, подвергнутых ВИВ. В их исследовании были изучены две различные конфигурации, относящиеся к однонаправленному (поперечный поток) и двунаправленному (поперечный и линейный) VIV. В обеих конфигурациях выходная мощность и КПД были выше, когда частота срыва вихрей была близка к структурной частоте, т. е. в области синхронизации. Сообщалось, что максимальная выходная мощность составляет 2,6 мВт и 11 мВт для однонаправленного и двунаправленного VIV соответственно. Экспериментальные исследования были проведены Арионфардом и Ниши21 для вращающегося цилиндра, подвергнутого VIV для числа Рейнольдса (Re) в диапазоне от 2880 до 22300, и сообщили о максимальной выходной мощности 60 мВт. В последующем экспериментальном исследовании Ниши и др.22 предложили эффективный способ извлечения энергии путем размещения вторичного цилиндра между генератором и первичным цилиндром, подвергнутым воздействию ВИВ, что увеличило электрическое напряжение (напряжение) до 9 В. В численном исследовании Соти и др.23 сообщили, что прикрепление цилиндра к магниту может дать максимальную собранную безразмерную мощность до 0,13 при \(Re = 150\). Сбор энергии также был исследован на поперечно-вибрирующем круглом цилиндре с установленной на нем пружиной вторичной массы, образующей систему с двумя степенями свободы (2-DoF) в Лу и др.24 Были обнаружены две области «запирания». в этой системе соответствуют резонансам первого и второго порядка системы. Теоретический анализ был выполнен в работах Ху и др.25,26 на системе с 2 степенями свободы для оценки возможностей сбора энергии при галопе, а также одновременного аэроупругого и базового возбуждения. Эти исследования проводились с точки зрения аэроупругости, связанной с высокими отношениями масс. Однако эффекты, вызванные потоком, становится сложнее анализировать при низких соотношениях масс, которые обычно наблюдаются в морской и гидродинамической среде. Подробное обсуждение последних разработок различных устройств для сбора пьезоэлектрической энергии можно найти в обзорных статьях Элахи и др.27.