CN104005901B - 一种基于多振子的对振式涡激振动发电装置 - Google Patents

Abstract

一种基于多振子的对振式涡激振动发电装置，包括振子、支撑杆、连接杆、轴承、扭转弹簧、线性导轨、下部传动杆、上部传动杆和直线发电机，支撑杆固定于水流底部；连接杆中部通过轴承与支撑杆顶部铰接，连接杆中部设扭转弹簧并固定于轴承外侧，连接杆两端分别连接线性导轨，线性导轨外端分别与振子连接；下部传动杆的底部与连接杆中部固接，顶部设有线性导轨；上部传动杆通过轴承与下部传动杆连接，构成整体振动系统；上部传动杆与直线发电机连接。本发明的优点是：该装置实现了多个振子能量的统一搜集，提高了振子群的发电效率；以少数大容量发电机代替多数小容量发电机，降低了制造与安装成本，提高工程实用性；该装置结构简单，易于实施。

Description

一种基于多振子的对振式涡激振动发电装置

所属技术领域

本发明涉及流体力学及新能源发电领域，特别是一种基于多振子的对振式涡激振动发电装置。

背景技术

近年来，能源储备已经成为影响各国发展的关键问题。由此，新型能源的开发与利用已成为各国能源开发的热门话题。在诸多新型能源类型中，海洋洋流能源以其规模庞大、分布广泛、蕴藏量丰富等优势备受各国能源开发者青睐。据统计，全球可利用海流能高达5×10⁶MW。在我国，单沿岸流的理论可开发量就可达1.4×10⁵MW，相当于70个三峡水电站的装机容量，可见其蕴藏量之庞大。除此之外，与洋流类似的水电站尾水中也蕴含相当丰富的余能。如若将尾水余能转化为厂用电能，则可有效提高水电站厂房的运行效率，降低厂用电设备的建设成本；同时，因尾水能量的利用，尾水流速得以大幅降低，从而在一定程度上降低了水垫塘及边坡失稳的风险程度。可见，水电站尾水余能的利用乃一举两得之效。然而，上述两种能源都具有一个典型的特点，即低流速，其流速范围一般不超过2m/s。对于传统的螺旋桨叶式(轴流、贯流)发电机而言，其启动流速均大于2m/s，显然无法有效利用这些丰富的能源。因此，有效的低速水流发电装置的研发已成为该领域亟待解决的重要问题。

2008年，美国密歇根大学的Bernitsas教授及其团队成功研制了一种新型的低速水流发电装置——VIVACE(VortexInducedVibrationAquaticCleanEnergy)，并成功申请专利。根据流体力学相关知识，在一定流速下，弹性支撑的绕流钝体后侧会产生交替脱落的漩涡，并引起钝体周期性振动；而钝体振动亦造成流体尾涡形态改变，此即涡激振动现象。VIVACE发电装置就是从涡激振动原理出发，利用振动机械能，有效的转化为电能。该装置的主要特点在于：1)启动流速低，0.25m/s时即可启动，故可有效的利用洋流能与水电站尾水余能；2)不影响通航，不破坏海岸线；3)不影响水生生物。然而，VIVACE装置具有显著缺陷：VIVACE涡激振动发电装置采用单振子振动发电，振子间相互独立，故每个振子均须配备一套传动、发电、传电及变频设备；同时，由于振动一致性差，导致变频成本高，不利于上网流通。根据现有研究成果可知：对于低速水流(流速不超过2m/s)，VIVACE的振子直径不宜超过10cm，长度不宜超过1m，故一个振子的最大理论发电功率仅为90W。那么，对于一个360MW的发电场而言，其需配备的传动、发电及变频设备需达到4×10⁶套，实际工程中制造如此之多的发电机显然是不经济也不实用的。可见，上述缺陷极大的降低了VIVACE涡激振动发电装置的工程经济性与实用性。

涡激振动的形成机理较多，其中尾流驰振是一种较为特殊的涡激振动现象。所谓尾流驰振，即后排圆柱由于处于前排圆柱的尾流脱涡区而产生的涡激振动现象。由于受到前排圆柱脱涡的激励，后排圆柱的升力系数与振动幅度一般会大于普通涡激振动。可见，如若利用尾流驰振效应，可增大涡激振动发电设备的振动幅度，从而增大涡激振动发电能量的转化。为此，针对VIVACE单振子涡激振动发电设备的根本问题，并结合涡激振动与尾流驰振效应，本发明提出一种基于涡激振动与尾流驰振的多振子联合振动低速水流发电装置。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种基于多振子的对振式涡激振动发电装置，该装置能有效利用涡激振动与尾流驰振效应，并解决单振子涡激振动发电装置存在的明显缺陷，降低制造成本，提高发电效率与发电质量，增强涡激振动发电的经济性与工程适用性。

本发明的技术方案：

一种基于多振子的对振式涡激振动发电装置，包括振子、支撑杆、连接杆、轴承、扭转弹簧、线性导轨、下部传动杆、上部传动杆和直线发电机，支撑杆固定于水流底部；连接杆中部通过轴承与支撑杆顶部铰接以使连接杆可绕支撑杆顶部旋转，连接杆中部设扭转弹簧以使连接杆在运动过程中受回复力作用并具备往复扭转运动能力，扭转弹簧固定于轴承外侧，连接杆两端分别连接线性导轨，两个线性导轨外端分别与一个振子连接以使连接杆作往复扭转运动时振子做上下线性运动；下部传动杆的底部与连接杆中部固定连接以使下部传动杆可随连接杆共同做往复扭转运动，下部传动杆顶部设置线性导轨，线性导轨外端通过轴承与上部传动杆连接，下部传动杆每隔对振子间设置一个；上部传动杆通过轴承与所有下部传动杆连接，构成整体振动系统；上部传动杆一端与直线发电机连接。

所述发电装置中的振子数量为4-16个，适用湍流度较低的水流环境，流速范围为0.5-1.5m/s。

本发明的工作机理：

该装置基于涡激振动与尾流驰振效应，将多个振子串联成一排整体振子群，使各振子的振动同步而不独立，然后将振子群整体运动转化为同一方向的线形运动，最后使用少数大容量发电机将上述能量进行集中搜集；振子群的整体振动形式为对振，即前后振子在振动过程中振幅相同但振动方向相反。该装置利用了涡激振动与尾流驰振效应，在保证原有VIVACE单振子涡激振动发电装置优势的同时，解决了其显著缺陷，提高了能量转化效率，降低了该类电厂的建设成本，增强了原有涡激振动发电装置的适用范围与工程实用性。

本发明的有益效果是：

该发电装置在充分利用涡激振动的前提下有效地利用了尾流驰振效应，实现了多个振子能量的统一搜集，规范了振子的运动轨迹，提高了振子群的发电效率，保证了发电质量，为该类型电能的上网运行提供了良好的前提条件；该装置实现了以少数大容量发电机代替多数小容量发电机的目的，从而降低了制造与安装成本，提高工程实用性；该装置所对应的连接与传力结构设计简单，易于制造，便于拆卸更替，具有良好的经济适用性，可广泛的运用于海流及水电站尾水的涡激振动发电工程中。

附图说明

图1为基于多振子的对振式涡激振动发电装置主视结构示意图。

图2为基于多振子的对振式涡激振动发电装置侧视结构示意图。

图3为基于多振子的对振式涡激振动发电装置运行原理示意图。

图中1.振子2.支撑杆3.连接杆4.轴承5.扭转弹簧6.线性导轨7.下部传动杆8.上部传动杆9.直线发电机10A-10I.脱落漩涡。

具体实施方式

实施例：

一种基于多振子的对振式涡激振动发电装置，如图1、2所示，包括振子1、支撑杆2、连接杆3、轴承4、扭转弹簧5、线性导轨6、下部传动杆7、上部传动杆8及直线发电机9组成，支撑杆2固定于水流底部；连接杆3中部通过轴承4与支撑杆2顶部铰接，连接杆3中部设扭转弹簧5，扭转弹簧位于轴承外部，连接杆3两端分别连接线性导轨6，两个线性导轨6外端分别连接一个振子1，连接杆3中部与下部传动杆7底部固接；下部传动杆7顶部设置线性导轨6，线性导轨6外端通过轴承4与上部传动杆8连接；下部传动杆7每隔1对振子1间设置一个；上部传动杆与所有下部传动杆7连接；通过上述方式，将所有振子1串联成排，形成整体振动系统；上部传动杆8一端与直线发电机9连接。

该实施例中，振子1为圆柱体，数量6个，直径10cm、长度1m，单个质量7.8kg；支撑2数量5对，高度0.5m；连接杆3数量5对，长度0.5m；下部传动杆7个数3对，长度0.5m；线性导轨6数量9对，可伸缩长度0.2m；上部传动杆6长度6m；扭转弹簧5个数5个，刚度400N/rad；直线发电机9功率800W。

该实施例振子运动过程如图3所示，图中：1A-1C代表三个振子，10A-10I表示脱落漩涡，具体分析如下：

1)因约束作用，各时刻振子1A、1B的位移大小相同，但位移方向与运动方向相反；同理，各时刻1B、1C的位移大小相同，但位移方向与运动方向相反；

2)振子1A由正向最大位移向负向运动时，振子1B则由负向最大位移向正向运动，1C则由正向最大位移向负向运动；此时，振子1A、1B和1C后侧分别产生脱落漩涡10A、10B和10C；

3)振子1A运动到负向最大位移时，振子1B和1C分别运动到正向最大位移和负向最大位移处；漩涡10A和10B分别运动到振子1B和1C的前端；振子1A因自身脱落漩涡10D作用向上运动；振子1B则受到自身脱落漩涡10E及漩涡10A的共同作用向下运动；同理，振子1C受到自身脱落漩涡10F及漩涡10B的共同作用向上运动；

4)振子1A回到正向最大位移，振子1B和1C分别回到负向最大位移和正向最大位移处；漩涡10D和10E分别运动到振子1B和1C的前端；振子1A因自身脱落漩涡10G作用向下运动；振子1B则受到自身脱落漩涡10H及漩涡10D的共同作用向下运动；同理，振子1C受到自身脱落漩涡10I及漩涡10E的共同作用向上运动；

5)振子1A、1B和1C按照上述方式持续做线性上下往复运动。

装置传力过程：由振子(群)1的共同振动带动下部传动杆7往复扭摆运动；随后，由下部传动杆7带动上部传动杆8做线性水平往复运动；最后，由上部传动杆8带动直线发电机9进行电能转换，完成多振子能量的集中搜集。

由于多振子整体振动方式多样，因此，凡涉及涡激振动与尾流驰振的多振子联合发电的其他形式也均属于本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于多振子的对振式涡激振动发电装置，其特征在于：包括振子、支撑杆、连接杆、轴承、扭转弹簧、线性导轨、下部传动杆、上部传动杆和直线发电机，支撑杆固定于水流底部；连接杆中部通过轴承与支撑杆顶部铰接以使连接杆可绕支撑杆顶部旋转，连接杆中部设扭转弹簧以使连接杆在运动过程中受回复力作用并具备往复扭转运动能力，扭转弹簧固定于轴承外侧，连接杆两端分别连接线性导轨，两个线性导轨外端分别与一个振子连接以使连接杆作往复扭转运动时振子做上下线性运动；下部传动杆的底部与连接杆中部固定连接以使下部传动杆可随连接杆共同做往复扭转运动，下部传动杆顶部设置线性导轨，线性导轨外端通过轴承与上部传动杆连接；下部传动杆每隔一对振子间设置一个；上部传动杆通过轴承与所有下部传动杆连接，构成整体振动系统；上部传动杆一端与直线发电机连接。

2.根据权利要求1所述基于多振子的对振式涡激振动发电装置，其特征在于：所述发电装置中的振子数量为4-16个，适用湍流度较低的水流环境，流速范围为0.5-1.5m/s。