CN104038098B - 基于电场活化聚合物的涡激振动水流能发电装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电场活化聚合物的水流能发电装置，包括捕获发电装置、能量收集及存储装置以及发电组件保护装置。捕获发电装置为涡激振动能捕获装置和机械能向电能转换装置，实现涡激振动能捕获及机械能向电能转换的功能；所述的捕获发电装置连接能量收集及存储装置；捕获发电装置位于发电组件保护装置内部，发电组件保护装置对捕获发电装置和能量收集及存储装置起保护作用。所述的发电装置适用于海流能发电及河流的水力发电。

Description

基于电场活化聚合物的涡激振动水流能发电装置

技术领域

本发明涉及振动能发电技术领域，特别涉及一种基于电场活化聚合物的涡激振动水流能的发电装置。

背景技术

涡激振动(VIV)，是流体流经非流线形物体(称为钝体)、在其下游(尾流区)形成的漩涡交替脱落所引起、一种本质上非线性的、自控的、具有多自由度的现象。长久以来，人们只注意涡激振动VIV现象对热交换装置、海洋平台、大跨度桥梁或者高大建筑物造成的危害，并且致力于寻找抑制的措施。与此相背的研究探索，即利用涡激振动VIV作为一次能源的发电技术研究，进入21世纪才受到关注。

从机械能到电能的转换通常采用感应电机、铁磁流体发电机或直线电机等来实现。采用传统旋转发电机，首先必须把涡激振动导致的圆柱体的线性振动转换成旋转运动，这种发电机往往要求相对较高的转速，而涡激振动导致的圆柱体的频率相对较低，所以采用普通的机械传动机构时效率很低，尽管可以考虑采用高压液压储能系统和新型数字式液压马达的液压传动使效率得到改善，但液压系统的密封等问题构成了严峻的技术挑战。直线发电机能够回避传动系统的问题，可是因为在多个钝体的场合，每一个钝体的振动频率可能不同，输出电压就有差别，为发电单元组合时电力的变换带来困难。另一方面，也可采用压电效应或者静电效应的发电器件进行机电能量转换，压电器件对振动能的捕获尽管已经有了相当多的研究，但效率不尽人意。与压电材料相比，近年来，一种新型智能高分子材料-电场活化聚合物(ElectroActive Polymers-EAP)因其具有应变大、弹性能量密度和耦合效率高等优点，引起了世界各国的广泛关注。目前大量科研人员都在研究利用电场活化聚合物作为人造肌肉方面的工作，在发电领域尚未见到详细的应用。

发明内容

本发明的目的是克服涡激振动能发电过程中在低水流速的情况下由机械能到电能的转换过程中效率不高的问题，提出一种基于电场活化聚合物的涡激振动的水流能发电装置。本发明在低水流速、宽流速范围内仍能保持较高的发电效率，同时发电组件组合结构简单，可简化整个发电系统，减少占地面积、提高发电效率，可降低造价和维护成本。

本发明基于电场活化聚合物的涡激振动的水流能发电装置的核心是电场活化聚合物。所述的电场活化聚合物不仅作为机械能向电能的转换组件，同时也可作为弹性支撑组件。本发明利用所述的电场活化聚合物可变电容的原理，将其作为机械能向电能的转换组件，外力作用在具有预加电场的电场活化聚合物上使其变形，改变电容即可发电。由于电场活化聚合物本身密度低，韧性高，性能稳定，不产生磁干扰，价格低廉，材料来源丰富，因此适于进行大规模的水流能发电。

本发明基于电场活化聚合物的涡激振动的水流能发电装置，包括捕获发电装置、能量收集及存储装置以及发电组件保护装置。捕获发电装置为一体化的涡激振动能捕获装置和机械能向电能转换装置，可以统称为捕获发电装置。所述的捕获发电装置连接能量收集及存储装置，捕获发电装置的机械能向电能转换装置以及能量收集及存储装置位于发电组件保护装置内部，发电组件保护装置对捕获发电装置和能量收集及存储装置起保护作用。

所述的捕获发电装置主要由钝体组件、弹性支撑组件和固定底座组成，其中钝体组件的主要功能是捕获涡激振动能。所述的弹性支撑组件由电场活化聚合物组成。弹性支撑组件既是机械能向电能转换装置，同时也对钝体组件起支撑作用。所述的固定底座位于整个发电装置的最底层，一般情况下与水底的河床相固定，以保证整个发电装置的稳固。所述的钝体组件横向放置在来流中，钝体组件两侧，在与来流垂直的方向上连接有弹性支撑组件。每个钝体组件一侧连接两个弹性支撑组件，连接的两个弹性支撑组件与来流的方向垂直。弹性支撑组件上下运动，且两个弹性支撑组件运动方向相反。为提高发电量，钝体组件之间可以上下平行排列，上下平行排列的钝体组件之间通过弹性支撑组件连接；钝体组件之间也可以前后平行排列，但前后平行排列时钝体组件之间需要间隔适当的距离，避免相互影响；钝体组件之间也可以左右并行排列。定底座通过弹性支撑组件与钝体组件相连接。所述的钝体组件为刚性圆柱体，假设水流的方向为x方向，刚性圆柱体为y方向，则涡激振动的方向为垂直于x、y平面的z方向，产生的涡激振动为非线性自激振动，振动频带宽，能量捕获效率高。刚性圆柱体的直径定义为D，长度定义为L，则选取的刚性圆柱体的直径与长度的比例L/D的比值一般为7-20。

为了提高发电量，由多个钝体组件和多个弹性支撑组件并联或串联组成阵列形式的捕获发电装置。所述的串联组成方式描述如下，钝体组件之间上下平行排列，自固定底座向上依次为固定底座、弹性支撑组件、钝体组件，钝体组件与弹性支撑组件垂直布置，以此类推组成串联连接方式，具体连接方式为固定底座的两端分别连接有弹性支撑组件，两个弹性支撑组件分别连接在一个钝体组件的两端，多个钝体组件之间相互平行，上下排列。钝体组件和弹性支撑组件所在的平面与水流的平面垂直，为保证钝体组件的第一弹性支撑组件的稳定，钝体组件的两端在垂直水流的平面内分别连接两个弹性支撑组件，弹性支撑组件上下垂直布置，依次类推组成一个串联的捕获发电阵列。并联方式则是由若干多个串联的捕获发电阵列并列组成，多个并联的捕获发电阵列组成捕获发电装置。

组成所述的弹性支撑组件的电场活化聚合物为薄膜状。多片电场活化聚合物薄膜首先叠加起来再卷绕，形成弹性支撑组件，以提高韧度和发电量。所述的电场活化聚合物叠加方式为：在一层电场活化聚合物上叠加一层绝缘层，再在绝缘层上叠加一层电场活化聚合物，叠加后沿着电场活化聚合物的一边进行卷绕，卷绕成一个柱状体，即为弹性支撑组件。每一片电场活化聚合物有两对电极：一对激励电极和一对接收电极。激励电极用来加载活化电压，接收电极用于接收发电量。激励电极和接收电极并列放置，位于卷绕成的柱状体两侧。两对电极可以是石墨电极或金属电极。电场活化聚合物利用石墨或者导电膏作为两对电极的耦合剂。每一片电场活化聚合物的接收电极通过串联或并联等方式提高发电效率。

所述的能量收集及存储装置将电场活化聚合物获取的高压小电流脉冲电能转换成直流电，并通过电池存储。能量收集及存储装置主要包括高压小电流脉冲信号的整流电路、buck降压电路、稳压电路和能量管理电路四个部分。高压小电流脉冲信号的整流电路连接buck降压电路，buck降压电路的输出端连接稳压电路的输入端，稳压电路的输出端连接能量管理电路。首先通过整流桥进行整流，整流电路可以采用工频高压全桥或者四个整流二极管组成整流桥，整流后的信号经过buck降压电路进行降压，使电压降到40V左右，然后通过稳压电路稳压后，通过能量管理电路对电池进行充电管理，完成整个能量的收集和存储。

所述的发电组件保护装置为圆筒形或立方体形，最好采用圆筒形，其材质为非金属材料，具有防水功能。所述的捕获发电装置的机械能向电能转换装置和能量收集及存储装置位于发电组件保护装置的内部，发电组件保护装置对捕获发电装置的机械能向电能转换装置和能量收集及存储装置起保护作用。

本发明基于电场活化聚合物的涡激振动水流能发电装置，不仅适用于海流能的发电，同样适用于河流的水力发电，包括任何地形地貌及地质条件下的小型河流发电装置。

本发明基于电场活化聚合物的涡激振动的水流能发电装置的发电过程描述如下：

捕获发电装置的一组或者多组钝体组件置于一定速度的水流中，水流的速度范围为0-10m/s，尤其在0-3m/s的低流速范围下，所述的基于电场活化聚合物的水流能发电装置仍能正常工作。在水流的冲击下，所述的钝体组件受涡激振动产生非线性自激振动，弹性支撑组件的电场活化聚合物组件在预加电场的情况下，自激振动导致电场活化聚合物组件收缩和拉伸，在收缩和拉伸的过程中，在电场活化聚合物的电极上产生高压脉冲电能，预加电场的电压一般在1kV～5kV，预加电场通过激励电极加载到到电场活化聚合物上，电场活化聚合物上产生的高压小电流脉冲能量信号，通过接收电极输送到能量收集及存储装置，转换成可利用的直流电，并通过能量管理模块对电池进行充电管理，完成能量的收集和存储。

附图说明

图1单排组件串联方式的捕获发电装置示意图；

图2多排组件串并联方式的捕获发电装置示意图；

图3电场活化聚合物叠加方式示意图；

图4整流电路原理图；

图中：01第一钝体组件1，011第二钝体组件，021第一弹性支撑组件，022第二弹性支撑组件，023第三弹性支撑组件，024第四弹性支撑组件，025第五弹性支撑组件，026第六弹性支撑组件，04固定底座，05发电组件保护装置，a1、a3、a5电场活化聚合薄膜，a2、a4绝缘层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明基于电场活化聚合物的涡激振动的水流能发电装置，包括捕获发电装置、能量收集及存储装置以及发电组件保护装置。捕获发电装置为一体化的涡激振动能捕获装置和机械能向电能转换装置，统称为捕获发电装置。所述的捕获发电装置连接能量收集及存储装置，捕获发电装置位于发电组件保护装置内部，发电组件保护装置对捕获发电装置和能量收集及存储装置起保护作用。所述的捕获发电装置主要由钝体组件、弹性支撑组件和固定底座组成，其中钝体组件主要完成涡激振动能的捕获，所述的弹性支撑组件主要组成为电场活化聚合物。弹性支撑组件既是机械能向电能转换装置，同时也对钝体组件起支撑作用。所述的固定底座位于整个发电装置的最底层，一般情况下与水底的河床相固定，保证整个发电装置的稳固。所述的钝体组件横向放置在来流中，钝体组件两侧的与来流垂直的方向上连接有弹性支撑组件，每个钝体组件一侧连接两个弹性支撑组件，连接的两个弹性支撑组件与来流的方向垂直，且两个弹性支撑组件运动方向相反，为提高发电量，为提高发电量，钝体组件之间可以上下平行排列，上下平行排列的钝体组件之间通过弹性支撑组件连接；钝体组件之间也可以前后平行排列，但前后平行排列时钝体组件之间需要间隔适当的距离，避免相互影响；钝体组件之间也可以左右并行排列。固定底座通过弹性支撑组件与钝体组件相连接。

所述的钝体组件为刚性圆柱体，假设水流的方向为x方向，刚性圆柱体为y方向，则涡激振动的方向为垂直于x，y平面的z方向，产生的涡激振动为非线性自激振动，振动频带宽，能量捕获效率高。刚性圆柱体的直径定义为D，长度定义为L，则选取的刚性圆柱体的直径与长度的比例L/D的比值一般为7-20。所述的弹性支撑组件与钝体组件的两侧的上下两端连接，弹性支撑组件主要组成为电场活化聚合物，在整个发电装置中既起到弹簧作用，同时又是机械能向电能转换装置的核心部件。为了提高发电量，需要由多个钝体组件和弹性支撑组件并联或串联组成阵列形式，串联的组成方式如图1所示，从底层向上依次为：固定底座04的两端分别连接第三弹性支撑组件023和第六弹性支撑组件026；第二钝体组件011的一端连接第三弹性支撑组件023和第二弹性支撑组件022，第二钝体组件011的另一端连接第六弹性支撑组件026和第五弹性支撑组件025；第一钝体组件01的一端连接第一弹性支撑组件021和第二弹性支撑组件022，第一钝体组件01的另一端连接第四弹性支撑组件024和第五弹性支撑组件025，弹性支撑组件垂直上下布置，依次类推形成一个串联的捕获发电阵列。并联方式则是由若干个串联的捕获发电阵列并列组成，如图2所示，所有并联的捕获发电阵列组成捕获发电装置。

组成所述的弹性支撑组件的电场活化聚合物为薄膜状，多片电场活化聚合物薄膜首先进行叠加再进行卷绕，形成弹性支撑组件，以提高韧度和发电量。所述的电场活化聚合物叠加方式为：在一层电场活化聚合物上叠加一层绝缘层，再在绝缘层上叠加一层电场活化聚合物，叠加后沿着电场活化聚合物的一边进行卷绕，卷绕成一个柱状体，即为弹性支撑组件。每一片电场活化聚合物有两对电极：一对激励电极和一对接收电极。激励电极用来加载活化电压，接收电极用于接收发电量。激励电极和接收电极并列放置。两对电极位于卷绕成的柱状体两侧，两对电极都可以是石墨电极或金属电极。电场活化聚合物利用石墨或者导电膏作为两对电极的耦合剂。每一片电场活化聚合物的接收电极过串联或并联等方式提高发电效率。

图3所示为3层电场活化聚合物薄膜的叠加提高发电效率的方式，a1、a3、a5为电场活化聚合薄膜，a2、a4为绝缘层，并在与拉伸方向垂直的边沿布放电极对，在每一层电场活化聚合物薄膜上都要放置激励电极和接收电极，布置好电极对后沿着拉伸方向的一边进行卷绕，卷绕成柱状体后则为弹性支承组件。

所述的能量收集及存储装置将电场活化聚合物获取的高压小电流脉冲电能转换成直流电，并通过电池存储能量。能量收集及存储装置主要包括高压小电流脉冲信号的整流电路、降压电路、稳压电路和能量管理电路四个部分，首先通过整流桥进行整流，整流可以采用工频高压全桥或者四个整流二极管组成整流桥进行整流，整流后的信号再经过buck降压电路进行降压使电压降到40V左右，然后通过稳压电路进行稳压后再通过能量管理模块对电池进行充电管理完成整个能量的收集和存储。高压小电流脉冲信号的整流电路连接buck降压电路，buck降压电路的输出端连接稳压电路的输入端，稳压电路的输出端连接能量管理模块。图4所示为高压小电流脉冲信号的全桥整流电路，图4中的电路结构是由D1、D2、D3和D4四个二极管连接的单相桥式整流电路，选择桥式整流电路的整流二极管应满足二极管的最大整流电路大于每个二极管的平均电流，整流电桥可以采用全桥，或者四个二极管组成全桥，例如全桥可选用的芯片为工频高压全桥QL20KV/20mA，二极管可以选取的型号为2CL20KV/20mA，但不限于这两个型号，整流后的信号经过电阻R和电感L组成的滤波电路滤波后进行降压，降压电路采用典型的buck降压电路使KV量级的高压信号降低到范围在40V左右后再经过稳压电路进行稳压，稳压后的电路再连接充电管理电路实现对锂离子电池的充电。

所述的发电组件保护装置为圆筒形或立方体形，最好采用圆筒形，其材质为非金属材料，具有防水功能。所述的捕获发电的机械能向电能转换装置和能量收集及存储装置位于发电组件保护装置的内部，发电组件保护装置对机械能向电能转换装置和能量收集及存储装置起保护作用。

本发明所述的基于电场活化聚合物的涡激振动水流能发电装置，不仅适用于海流能的发电，同样适用于河流的水力发电，同时适用于任何地形地貌及地质条件下的小型河流发电装置。本发明所述的基于电场活化聚合物的水流能发电装置的发电过程描述如下：

捕获发电装置的一组或者多组钝体组件置于一定速度的水流中，水流的速度范围为0-10m/s，尤其在0-3m/s的低流速范围下，本发明基于电场活化聚合物的水流能发电装置仍能正常工作。在水流的冲击下，所述的钝体组件受涡激振动产生非线性自激振动，弹性支撑组件的电场活化聚合物在预加电场的情况下，自激振动导致其收缩和拉伸，在电场活化聚合物收缩和拉伸的过程中，在电场活化聚合物的电极上产生高压脉冲电能。预加电场的电压一般在1kV～5kV，预加电场通过激励电极加载到到电场活化聚合物上，电场活化聚合物上产生的高压小电流脉冲能量信号，通过接收电极输送到能量收集及存储装置，转换成可利用的直流电，并通过能量管理模块对电池进行充电管理，完成能量的收集和存储。

Claims (3)

1.一种基于电场活化聚合物的涡激振动水流能发电装置，其特征在于，所述的发电装置包括捕获发电装置、能量收集及存储装置以及发电组件保护装置；捕获发电装置包括涡激振动能捕获装置和机械能向电能转换装置，实现涡激振动能捕获及机械能向电能转换的功能；所述的捕获发电装置连接能量收集及存储装置；捕获发电装置的机械能向电能转换装置位于发电组件保护装置内部，发电组件保护装置对捕获发电装置的机械能向电能转换装置和能量收集及存储装置起保护作用；

所述的捕获发电装置由钝体组件、弹性支撑组件和固定底座组成；所述的钝体组件的主要功能是捕获涡激振动能；所述的弹性支撑组件由电场活化聚合物组成，弹性支撑组件既是机械能向电能转换装置，同时对钝体组件起支撑作用；所述的固定底座位于所述发电装置的最底层，与水底的河床相固定；所述的钝体组件横向放置在来流中；所述钝体组件两侧，在与来流垂直的方向上连接有弹性支撑组件；每个钝体组件一侧连接两个弹性支撑组件，连接的两个弹性支撑组件与来流的方向垂直；弹性支撑组件上下运动，且两个弹性支撑组件运动方向相反；

所述的能量收集及存储装置将电场活化聚合物获取的高压小电流脉冲电能转换成直流电，并通过电池存储能量；能量收集及存储装置包括高压小电流脉冲信号的整流电路、降压电路、稳压电路和能量管理电路，首先通过整流电路整流，采用工频高压全桥或者四个整流二极管组成整流桥进行整流；整流后的信号再经过buck降压电路降压，然后通过稳压电路稳压后再通过能量管理模块对电池进行充电管理，完成能量的收集和存储；所述高压小电流脉冲信号的整流电路连接buck降压电路，buck降压电路的输出端连接稳压电路的输入端，稳压电路的输出端连接能量管理模块。

2.根据权利要求1所述的基于电场活化聚合物的涡激振动水流能发电装置，其特征在于，所述的钝体组件(01)为刚性圆柱体；刚性圆柱体的直径为D，长度为L，刚性圆柱体的直径与长度的比值为7-20。

3.根据权利要求1所述的基于电场活化聚合物的涡激振动水流能发电装置，其特征在于，由固定底座、多个钝体组件和多个弹性支撑组件组成捕获发电阵列；自固定底座向上依次为固定底座、弹性支撑组件、钝体组件，钝体组件与弹性支撑组件垂直布置；固定底座的两端分别连接有弹性支撑组件，两个弹性支撑组件分别连接在一个钝体组件的两端，多个钝体组件之间上下平行排列，钝体组件和弹性支撑组件所在的平面与水流的平面垂直，钝体组件的两端在垂直水流的平面内分别连接两个弹性支撑组件，弹性支撑组件上下垂直布置，组成一个捕获发电阵列，多个捕获发电阵列组成捕获发电装置；不同的捕获发电阵列中，多个钝体组件前后平行排列。