CN104564492A - 一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置 - Google Patents

一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置，包括圆柱和发电机系统，所述圆柱下方设置有双层透空箱型支座，所述双层透空箱型支座由上平台、中平台、下平台及带有通孔的弹性连接板构成，弹性连接板通过交错布置的螺栓相对应地固接于上平台和中平台的两侧，形成上层透空箱型支座；弹性连接板通过交错布置的螺栓相对应地固接于中平台和下平台的另外两侧，形成下层透空箱型支座；下平台固接有贯入海床的支撑桩，所述发电机系统包括两组永磁直线发电机和插入永磁直线发电机线圈内部的直线磁棒。本发明具有能量转换系数高、结构简单、可靠性强、无滑/转动节点、低成本、高效能、长寿命等优点，并且对来流方向没有限制。

Description

一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置
技术领域
本发明涉及新能源发电设备及流体力学领域，更具体的说，是涉及一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置。
背景技术
现在随着全球经济快速发展，矿物燃料资源日益枯竭，其所造成的环境污染日趋严重，对清洁可再生能源的开发和利用成为当今世界上各个国家的战略性选择。在众多的清洁能源中，海流能因其规模庞大、流动稳定、分布广泛等优势，对其高效开发利用越来越受到科学界和工程界的重视。据统计，全球可利用海流能高达500万兆瓦。中国的海流能也很丰富，近岸分布着台湾暖流、黄海暖流、中国沿岸流等海流。其中，仅中国沿岸流的理论功率就为14万兆瓦，相当于70个三峡电站的装机容量。传统的海流能利用装置对流速的要求较高，如涡轮机的起动流速为2.5～3.6m/s，水下风车的为2.0m/s。然而，在世界范围内，超过90％的海流速度低于1.5m/s，这极大限制了以上传统海流能利用装置的适用海域范围。因此，开发低流速海流能高效利用装置已成为亟待解决的重要问题。
此方面，美国密歇根大学的Bernitsas教授及其研究团队利用水流经过圆柱(群)所激发的圆柱流致振动，于2008年开发了一种低流速海流能的高效利用装置——VIVACE(Vortex Induced VibrationAquatic Clean Energy)，经济效益显著，发展潜力巨大。由流固耦合知识可知，当水流经过具有陡峭后缘的结构(如圆柱)时，会在结构的背流侧发生交替的漩涡生成与泻放。与之相联系，圆柱会受到顺流向(沿着来流方向)和横流向(垂直于来流方向)周期性的流体力作用。此周期性的流体力将激发圆柱的两自由度振动，而圆柱的振动反过来又改变了圆柱的泻涡模式。这种流体与结构物之间的耦合问题被称为涡激振动。此外，对于串列圆柱(两个或多个)，若圆柱间距适当，下游圆柱将处于上游圆柱的尾流中。从上游圆柱脱落的漩涡不断“撞击”下游圆柱，并与下游圆柱脱落的漩涡发生极为复杂的相互作用，导致下游圆柱发生比涡激振动更大幅度的振动，称为尾流驰振。VIVACE海流能利用装置就是通过圆柱的涡激振动和尾流驰振(统称为流致振动)来捕获海流能，并通过链条、连杆和电机等装置将圆柱振动机械能转换为电能，输送到岸上。VIVACE海流能利用装置的特点为：1)起动流速低，在大于0.25m/s的流速下即可起动；2)能量密度高，占地面积小，布置灵活；3)隐蔽性好，完全处于水下，不影响通航，不破坏岸线资源；4)对海洋生物友好。此外，VIVACE海流能利用装置也可以应用在内河水力发电领域。然而，VIVACE海流能利用装置的缺点也非常明显：1)机械传动部件太多，由于海洋生物残骸附着在机械传动部件上，造成传动部件的摩擦阻力增大，降低了VIVACE海流能利用装置的能量转换系数；2)水下防腐难度较大，由于采用机械传动，在部件滑/转动连接节点，无法采用简单的防腐涂层保护；3)对海流方向的适应性差，仅适用于来流方向固定的海流和往复型潮流；4)额外的支撑结构，VIVACE海流能利用装置模块中需要额外两个立柱来支撑悬挂在其上的圆柱，因此造价较高，并且立柱对海流有阻碍影响，降低了VIVACE海流能利用装置的能量转换系数；5)无法利用圆柱顺流向振动对横流向振动的增强效应，根据圆柱涡激振动理论可知，圆柱的顺流向振动对其横流向振动具有增强效应，最大增幅可达50％，VIVACE海流能利用装置由于安装方式的限制，圆柱仅能发生横流向振动，造成了圆柱振幅较小，能量转换系数较低。这些缺陷限制了VIVACE海流能利用装置的经济性与实用性。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置，该装置具有能量转换系数高、结构简单、可靠性强、无滑/转动节点、低成本、高效能、长寿命的特点，并且对来流方向没有限制，增强了流致振动发电装置的经济性和工程适用性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置，包括圆柱和发电机系统，所述圆柱下方设置有双层透空箱型支座，所述双层透空箱型支座由上平台、中平台、下平台及带有通孔的弹性连接板构成，所述弹性连接板通过交错布置的螺栓相对应地固接于上平台和中平台的两侧，形成上层透空箱型支座；所述弹性连接板通过交错布置的螺栓相对应地固接于中平台和下平台的另外两侧，形成下层透空箱型支座；所述下平台固接有贯入海床的支撑桩，所述发电机系统包括两组永磁直线发电机和插入永磁直线发电机线圈内部的直线磁棒，其中一组直线磁棒和永磁直线发电机通过连接杆分别与上平台和中平台的侧面相连接；另一组直线磁棒和永磁直线发电机通过连接杆分别与中平台和下平台的侧面相连接。
所述弹性连接板由钢板制成。
所述圆柱为内部中空密闭的圆柱。
所述圆柱下端和上平台采用嵌固方式连接。
所述整个装置表面均涂敷有防腐层。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.该装置中没有滑/转动节点，不存在由于摩擦力引起的能量损耗，并且利用了圆柱顺流向振动对横流向振动的增强效应，以及圆柱顺流向振动本身的振动机械能，因此装置的能量转换系数较高。
2.该装置对来流方向没有限制，适用于来流方向多变的海流。
3.该装置结构简单，没有复杂的连接节点和传动部件，性能可靠，制造和施工方便，经济性好，实用性强。
4.该装置中没有滑/转动节点，因此装置中所有部件可涂敷简单的防腐涂层进行防腐处理。
5.该装置结构简单，部件之间没有磨损，装置寿命主要由弹性连接板疲劳寿命决定，故障率极低，整体寿命远高于传统发电装置。
6.该装置中的弹性连接板上设有通孔，可以减小装置受到的流体阻力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的使用状态结构示意图。
图3是本发明的使用状态结构示意图。
图4是本发明的使用状态结构示意图。
图5是本发明的使用状态结构示意图。
图6是本发明中弹性连接板通过螺栓固定的结构示意图。
附图标记：1-支撑桩  2-下平台  3-弹性连接板  4-中平台  5-上平台  6-圆柱  7-直线磁棒  8-永磁直线发电机  9-引出导线  10-连接杆11-螺栓  12-线圈  13-磁力线
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1至图6所示，一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置，包括圆柱6和发电机系统，所述圆柱下方设置有可变形的透空箱型支座，可变形双层透空箱型支座由上平台5、中平台4、下平台2以及弹性连接板3构成，弹性连接板3由带有通孔的钢板制成，所述弹性连接板3通过交错布置的螺栓11相对应地固接于上平台5和中平台4的两侧，形成可变形的上层透空箱型支座，所述弹性连接板3通过交错布置的螺栓11相对应地固接于中平台4和下平台2的另外两侧，形成可变形的下层透空箱型支座，两层可变形透空箱型支座的变形方向相互垂直；圆柱6为内部中空密闭的圆柱，圆柱6下端与上平台5嵌固连接，下平台2与支撑桩1的上端嵌固连接，支撑桩1的下端贯入海床，构成整个装置的基础；所述发电机系统包括两组永磁直线发电机8和插入永磁直线发电机线圈12内部的直线磁棒7，其中一组直线磁棒7和永磁直线发电机8通过连接杆10分别与上平台5和中平台4的侧面(与可变形上层透空箱型支座变形方向平行)相连接，另一组直线磁棒7和永磁直线发电机8通过连接杆10分别与中平台4和下平台2的侧面(与可变形下层透空箱型支座变形方向平行)相连接，所述直线磁棒7与永磁直线发电机线圈12之间留有一定的空间，此外整个装置表面均涂敷有防腐层。
本发明的工作原理如下：
如图2至图5所示，弹性连接板3由于其截面特性沿各轴上的差异，只能发生垂直于其平面方向上的弯曲，弹性连接板3与上平台5和中平台3以及与中平台4和下平台2通过交错的螺栓11固接，使得弹性连接板3只能发生S形弯曲，上层和下层透空箱型支座发生垂直于各自弹性连接板3平面方向上的变形，圆柱6的质量小于其排开海水的质量，受到向上的浮力作用，保证了弹性连接板3受拉，而不发生压屈破坏，弹性连接板3提供圆柱6流致振动所需的弹性回复力，将本装置置于任意方向来流中，圆柱6背流侧表面交替泻涡，圆柱受到顺流向和横流向的周期流体力作用，圆柱6同时发生顺流向和横流向的振动，使上层和下层透空箱型支座发生相互正交、互不影响的变形，并带动上平台5相对于中平台4以及中平台4相对于下平台2发生相对平动，分别与上平台5和中平台4以及与中平台4和下平台2通过连接杆10固接的直线磁棒7和永磁直线发电机8发生相对往复直线运动，永磁直线发电机8内部的电感线圈12切割磁力线13，产生交变电流，并通过引出导线9输出。
针对典型海流情况(流速1.5m/s)，额定功率100MW的大型电站的具体实施方案为：密闭中空圆柱6直径1.0m，壁厚0.01m，柱高20.0m，穿孔弹性钢板高度3.0m，上、中、下平台由混凝土浇筑而成，长度和宽度均为2.0m，高度0.4m。装置的综合能量转化系数约为0.33(考虑顺流向振动对横流向振动的增强效应)，单个装置的功率为11.2kW，年发电量87900kWh(按90％的可利用时间计算)。电站由多个发电装置按照矩阵形式排列构成，装置在顺流向和横流向的间距均为6.0m，按照95X 95布置，共9025个。电站的额定功率为101.8MW，年发电量为7.9亿kWh，电站尺度为570m X 570m,占地面积约为0.32平方公里。
针对典型海流情况(流速1.5m/s)，额定功率10MW的中型电站的具体实施方案为：密闭中空圆柱6直径0.5m，壁厚0.005m，柱高10.0m，穿孔弹性钢板高度1.5m，上、中、下平台由混凝土浇筑而成，长度和宽度均为1.0m，高度0.2m。装置的综合能量转化系数约为0.33(考虑顺流向振动对横流向振动的增强效应)，单个装置的功率为2.79kW，年发电量22000kWh(按90％的可利用时间计算)。电站由多个发电装置按照矩阵形式排列构成，装置在顺流向和横流向的间距均为3.0m，按照60X 60布置，共3600个。电站的额定功率为10.0MW，年发电量为0.79亿kWh，电站尺度为180m X 180m,占地面积约为0.03平方公里。

Claims (5)

1.一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置，包括圆柱和发电机系统，其特征在于，所述圆柱下方设置有双层透空箱型支座，所述双层透空箱型支座由上平台、中平台、下平台及带有通孔的弹性连接板构成，所述弹性连接板通过交错布置的螺栓相对应地固接于上平台和中平台的两侧，形成上层透空箱型支座；所述弹性连接板通过交错布置的螺栓相对应地固接于中平台和下平台的另外两侧，形成下层透空箱型支座；所述下平台固接有贯入海床的支撑桩，所述发电机系统包括两组永磁直线发电机和插入永磁直线发电机线圈内部的直线磁棒，其中一组直线磁棒和永磁直线发电机通过连接杆分别与上平台和中平台的侧面相连接；另一组直线磁棒和永磁直线发电机通过连接杆分别与中平台和下平台的侧面相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置，其特征在于，所述弹性连接板由钢板制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置，其特征在于，所述圆柱为内部中空密闭的圆柱。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置，其特征在于，所述圆柱下端和上平台采用嵌固方式连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置，其特征在于，所述整个装置表面均涂敷有防腐层。
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