大桥风力-压电混合发电装置模拟仿真实验研究

左露洁, 张 幔, 赵 博, 刘冬阳, 张蓓蓓

(中南大学 能源科学与工程学院,湖南 长沙 410083)

0 引言

我们此前提出了一种大桥风力-压电混合发电装置的设计，即利用桥洞处的风力推动挂载的风力发电机组叶片产生电力；同时添加压电储能模块作为对于风力发电系统输出的一种补充[1]。本文通过ANSYS仿真模拟以及实验验证这种混合发电装置设计的可行性，以实现节能减排，提高资源利用率。

1 风力发电

1.1 利用ANSYS软件对桥洞流场进行仿真模拟

为了证明设计装置的通用性，我们利用ANSYS软件对于桥洞处的流场进行了仿真模拟[2]。图1为在SolidWorks中建立的双曲拱桥三维模型图。

图1 双曲拱桥的三维模型

但在模拟分析中，我们简化了模型并进行合理的假设：江面的风以3.4～5.4 m/s(三级)的风速沿垂直于桥洞的方向吹来，温度为300 K，出口为自由出口。导入在Solid Works中绘制好的桥洞附近流场的几何数据文件，并在ANSYS Space Claim几何建模平台中做适当修改。划分好网格后的模型示意图如图2所示。

图2 划分网格之后的模型图

创建基于Fluent求解器的流体分析环境，对几何体各个端面进行命名，更新网格并设置计算维度、精度及处理器数量，同时检查最小体积是否出现负数，以免计算出现错误。根据流体的流动特性，结合大桥桥洞处空气流动的具体情况，选择相应的流体动力学分析模型进行模拟。设置几何属性时，将穿过桥洞的流体设置为空气，边界设置为水面及固体壁面。经过多次在橘子洲实地测量，设定江面风速为5 m/s，将迭代次数设定为500次，以便求得较为精确的理论结果。

理论上，空气在通过桥洞时会经历一个先收缩后膨胀的过程，经过桥洞时横截面积变小但通过桥洞前后的流量不变，故风速应该会增大[3]。由图3可明显看出，桥洞部分的压强骤减而风速增大。由此可知，桥洞处风速更大这一特点具有普适意义。

图3 ANSYS仿真模拟结果

1.2 模拟桥洞风力发电实验

利用制成的桥洞实物模型进行对比试验，即改变有无桥洞的条件，测量出不同条件下桥洞处的风速及发电机产生的有效电压，以验证桥洞处相比而言风速较大，有可以利用的价值。通过保持两者之间竖直方向上的位置不变，仅改变风源(叶片直径较大的电风扇提供)与模型之间的水平距离，或者仅改变风源的风速大小来改变桥洞处风速；测量该点的风速大小以及小型风力发电机的输出电压，分析实验数据，结果如图4所示。

图4 是否处于桥洞位置的风力发电对比实验数据

可以直观地看到，在相同条件下，位于桥洞位置的风力发电机相较未位于桥洞位置的风力发电机可产生更大的电压，证明了桥洞风力发电相较于普通风力发电形式的优越性。

2 压电装置的设计

2.1 PVDF压电薄膜悬臂梁结构理论分析

将PVDF压电薄膜本身视为悬臂梁结构，一端固定，另一端受到作用力而发生弯曲变形。建立PVDF压电悬臂梁结构的坐标系，设压电薄膜的长、宽、高分别为l、w、h。

定义压电常数[4]：

(1)

式中：dij为j方向上的单位应力作用下在i方向产生的电位移，C/N；Di为电位移矢量的分量，C/m2；Ti为方向的应力，N/m2。压电薄膜产生的电压与压电材料的5个压电系数相关，但由于其他4个压电系数相对于d31(即PVDF薄膜厚度方向(i=3)，在长度方向(j=3)上施加应力时的压电系数)而言可以忽略，因此本文仅需要考虑压电常数d31[5]。

在弹性形变中应力与应变存在关系：

(2)

式中：σ为应力，kPa；E为压电薄膜的弹性模量，MPa；ε为压电薄膜横截面的应变；ρ为压电薄膜中性层的曲率半径，m；y为中性层弯曲后的曲率半径距中性层距离，m。ρ还可以表示为：

(3)

式中：Iz为横截面对z轴的惯性矩，N·m；M是横截面z在轴方向上的弯矩，N·m。Iz可以表示为：

(4)

由式(2)及式(3)可得：

(5)

由第一类压电方程可得：

D=dijσ

(6)

在只考虑d31的情况下，压电薄膜产生的压电电荷为：

(7)

Q为压电电荷，C；A为受压面积，m2。由材料力学可得，参数σ可表示为：

(8)

将式(3)、式(4)代入到式(8)中可得：

(9)

由材料力学相关知识可知，力矩可以表示为：

M(x)=F(1-x)

(10)

式中：x为压电薄膜距悬臂梁水平方向的位移，m；F为x位置处的力矩，N·m。则压电薄膜产生的压电电荷为：

(11)

上述公式[6]给出了压电薄膜产生电荷与尺寸、压力及压电系数的关系，为最后确定合适的压电薄膜尺寸给出了重要依据。

2.2 带质量块的悬臂梁式结构压电实验

为了增强悬臂梁式压电薄膜的形变，本文采用带有质量块的悬臂梁式结构作为实验模型，在实际应用中可以使用带有弹簧的压电薄膜装置[7]。

实验器材：PVDF压电薄膜、带质量块的悬臂梁式压电结构、电荷放大器、示波器、可调节电源、导线。

实验原理：压电膜受到机械振动后，其两端会极化积累电荷产生电压[8]。由于压电薄膜的内阻抗很高，输出的信号十分微弱，不易直接采集和测量，所以我们利用了电荷放大器，使得压电膜输出的交流电压信号在检测时得到放大，以便于观察和后续的处理[9]。实验电路如图5所示。

图5 带质量块的悬臂梁式结构压电实验电路图

实验目的：研究轻微扰动对带有质量块的压电薄膜产生电压的影响。

实验步骤：

(1)将PVDF压电薄膜的正、负两端分别与电荷放大器的IN+端和GND端相连，电荷放大器四芯端子的VCC和GND连接可调节直流电压电源的正负两极，TTL和OUT连接示波器。

(2)将电源电压调至5 V，对PVDF压电薄膜施加不同程度的扰动，在示波器上观察其产生的电压信号，如图6所示。

图6 带质量块的悬臂梁式结构压电实验图

实验结果及分析：

(1)普通压电薄膜轻拨产生的电压信号非常小，不易采集和测量，而带质量块的悬臂梁式压电结构所输出的电压信号相比普通压电薄膜有所增大。

(2)对PVDF压电薄膜施加的扰动越大，产生的电压峰值越大。在加放大器的情况下，对PVDF压电薄膜施加不同程度的扰动，在示波器上显示的电压峰值也不同，且在一定的范围内，施加的扰动越大，产生的电压峰值越大。

3 结语

本文通过ANSYS软件对大桥桥洞处的流场进行了仿真模拟，可以直观地看到，与其他位置比较，桥洞部分的压强减小而风速增大。对比试验证明，在桥洞处配置适量的风力发电机以利用桥洞处的风能具有一定优势和可行性，悬臂梁式压电结构相比普通的PVDF压电膜可以有更大的电压输出。混合发电装置可以将二者结合起来，因地制宜，为大桥的照明等供电，减小沿程损耗，合理利用资源。