CN104061111B - 一种基于多振子的同振式涡激振动发电装置 - Google Patents

Abstract

一种基于多振子的同振式涡激振动发电装置，包括振子、支撑杆、连接杆、线性导轨、线性弹簧、传动杆和直线发电机，支撑固定于水流底部，支撑杆中部设有线性导轨，线性导轨沿竖直方向线性运动；连接杆将所有振子连接成为整体振子群，连接杆前后两端与线性导轨固定，线性导轨上下两端分别设有线性弹簧以使振子与连接杆整体作上下往复线性运动，连接杆中部与传动杆固定连接以使传动杆可随连接杆共同运动；传动杆顶部与直线发电机连接。本发明的有优点是：该装置利用了尾流驰振效应，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，降低了成本；该装置结构简单，易于实施，可广泛运用于海流及水电站尾水的涡激振动发电工程中。

Description

一种基于多振子的同振式涡激振动发电装置

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同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（Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy），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同振式涡激振动发电装置，该装置能有效提高涡激振动发电效率，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：

一种基于多振子的同振式涡激振动发电装置，包括振子、支撑杆、连接杆、线性导轨、线性弹簧、传动杆和直线发电机，支撑固定于水流底部，支撑杆中部设有线性导轨，线性导轨沿竖直方向线性运动；连接杆将所有振子连接成为整体振子群，连接杆前后两端与线性导轨固定，线性导轨上下两端分别设有线性弹簧以使振子与连接杆整体作上下往复线性运动，连接杆中部与传动杆固定连接以使传动杆可随连接杆共同运动；传动杆顶部与直线发电机连接。

所述发电装置中的振子数量为3-6个，适用于湍流度较高的水流环境，流速范围0.3-2.0m/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同振，即前后振子在振动过程中振幅相同且振动方向相同。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为基于多振子的同振式涡激振动发电装置主视结构示意图。

图2为基于多振子的同振式涡激振动发电装置侧视结构示意图。

图3为基于多振子的同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.线性导轨 5.线性弹簧

6.传动杆 7.直线发电机 8A-8I.脱落漩涡。

具体实施方式

实施例：

一种基于多振子的同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、线性导轨4、线性弹簧5、传动杆6和直线发电机7，支撑2固定于水流底部，支撑杆2中部设有线性导轨4，线性导轨4沿竖直方向线性运动；连接杆3将所有振子1连接成为整体振子群，连接杆3前后两端与线性导轨4固定，线性导轨4上下两端分别设有线性弹簧5以使振子1与连接杆3整体作上下往复线性运动，连接杆3中部与传动杆6固定连接以使传动杆6可随连接杆3共同运动；传动杆6顶部与直线发电机7连接。

该实施例中：振子1为圆柱体，数量3个，直径10cm，长度1m，单个质量7.8kg；支撑2数量2对，高度1m；连接杆3数量1对，长度2.0m；传动杆6个数1对，长度1m；线性导轨4数量2对，可伸缩长度0.6m；线性弹簧5个数4个，刚度1800N/m；直线发电机7功率450W。

该实施例振子运动过程见图3所示，图中：1A-1C代表三个振子，8A-8I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、1C的位移大小、方向及运动方向均相同；

2）振子1A、1B和1C由正向最大位移向负向运动时，其后侧分别产生脱落漩涡8A、8B和8C；

3）振子1A、1B和1C由负向最大位移向正向运动时，其后侧分别产生脱落漩涡8D、8E和8F；

4）振子1A、1B和1C回到正向最大以为时，漩涡8A运动到1B前端，漩涡8B运动到1C前端；此时，振子1A因自身脱落漩涡8G作用而向下运动，振子1B因自身脱落漩涡8H及前端漩涡8A的共同作用而向下运动，振子1C因自身脱落漩涡8I及前端漩涡8B的共同作用而向下运动；

5）振子1A、1B和1C回到负向最大以为时，漩涡8D运动到1B前端，漩涡8E运动到1C前端；此时，振子1A因自身脱落漩涡8J作用而向上运动，振子1B因自身脱落漩涡8K及前端漩涡8D的共同作用而向上运动，振子1C因自身脱落漩涡8L及前端漩涡8E的共同作用而向上运动；

6）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1的共同振动带动传动杆6线性上下往复运动；随后，由传动杆6带动直线发电机7进行电能转换，最终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同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、线性导轨、线性弹簧、传动杆和直线发电机，支撑杆固定于水流底部，支撑杆中部设有线性导轨，线性导轨沿竖直方向线性运动；连接杆将所有振子连接成为整体振子群，连接杆前后两端与线性导轨固定，线性导轨上下两端分别设有线性弹簧以使振子与连接杆整体作上下往复线性运动，连接杆中部与传动杆固定连接以使传动杆可随连接杆共同运动；传动杆顶部与直线发电机连接。

2.根据权利要求1所述基于多振子的同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3-6个，适用于湍流度较高的水流环境，流速范围0.3-2.0m/s。