CN104968930B - 能量转换器和能量转换系统 - Google Patents

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Abstract

一种通过横向驰振将来自液体的主体的动能进行转换的能量转换器(12)，其包括支撑件(11)、用于横向驰振的在第一端与第二端之间延伸并且具有合适横截面的细长的驰振主体(2)、布置在液体的主体的外部用于引导驰振主体的第一端的大体上水平的引导件(4)、大体上水平布置并且连接在驰振主体(2)与支撑件(11)之间的一个或多个弹性装置(5)，以及包括静态发电机部件和动态发电机部件的发电机(6)，并且其中驰振主体(2)大体上竖直悬挂使得该主体的第二端延伸到液体的主体中，并且动态发电机部件可操作地连接到驰振主体(2)。进一步公开的是包括多个能量转换器的能量转换系统和用于能量转换的方法。

Description

能量转换器和能量转换系统
技术领域
本公开涉及能量转换器和能量转换系统。本公开更具体地涉及用于使用“横向驰振”将流体流动的动量转换为电力的能量转换器和系统。
背景技术
流致振动(FIV)在技术与工程的许多领域中具有高的关注度。主要原因在于它们对结构能够具有危险影响。它们能够在结构中潜在地生成不可接受的振荡水平，这种振荡水平可以使结构的完整性和/或功能性处于危险中。从历史观点上说，工程师和科学家已经因此试图防止FIV和/或最小化它们的影响。然而，近来已经证明，能够使用一些FIV从流动中提取能量。
本发明的示例基于通常被称为横向驰振(TG)的流致振动现象的使用。其他流致振动，诸如，例如，涡致振动(VIV)或颤动的现象，在过去已经被认为用于能量转换和电力产生。
涡致振动：
当弹性阻流体处于稳定的流体流动的作用下时，对于足够高的雷诺数(例如，高于50)，流动从主体表面分离，从而生成不稳定的宽尾流。通常，流动型态的特征在于在主体的每一侧上的两个剪切层，所述两个剪切层不稳定并且卷起形成漩涡。这些漩涡以与无扰乱流速度成比例的频率周期性脱落到尾流。存在涡旋脱落的频率在其中接近于主体的固有振荡频率的流速，并且对于足够低的质量值和机械性质，在主体中能够引起显著的振荡。当主体正振荡时，在振荡主体和围绕振荡主体的流场之间发展出复杂的相互作用。这种非线性共振现象被称为涡致振动(VIV)。理论上，通过电力转换器的使用，振荡的动能能够转化成电力。在US 7,208,845、WO 2012/066550和US 6,424,079中已经描述了部分或完全基于涡致振动的能量转换设备的示例。
与基于涡致振动的能量转换器相关的至少一个缺点在于，仅在相对窄范围的流体流动速度中才发生共振。因此，仅在非常窄范围的流体流动速度中才能够达到相对良好的能量转换效率。此外，振荡的峰值振幅(其直接或间接驱动电力产生)内在受限。
颤动：
颤动为影响流线型柔性体的流致振动。其为流致不稳定性(而非如同VIV的共振)并且通常涉及在两个自由度中的振荡，例如，横向于入射流以及扭转(俯仰)。颤动通常为相对小振幅的高频振荡现象。例如，US 2009/0121489和US 7,986,051描述了采用颤动的能量转换器。
与基于颤动现象的能量转换器相关的一个缺点在于，其为引起小振幅振荡的高频现象。就其本身而言，其能够使得电力产生复杂。此外，雷诺数(雷诺数指示在流动中的惯性力与黏性力的比值)在振荡中的影响非常显著。这意味着仅特定的流动状况才能够达到相对良好的能量转换效率。
驰振与横向驰振：
驰振为在土木工程领域中众所周知的现象。通常，当在电线上的积冰更改了传输线的原始大体上圆形横截面时，能够在高压电力传输线中观察到驰振现象。由第一传输线造成的尾流可以使下游的传输线开始驰振。这种现象通常称为“尾流驰振”。
当入射流的速度超过某一临界值时，在具有相对低质量、低阻尼系数并且具有合适形状或横截面(诸如，例如矩形、三角形或开口的半圆形(C形)或D形)的细长结构中会发生横向驰振。在流动速度高于该临界值的情况下，通过流体力的失稳效应克服了结构(机械)阻尼的稳定效应，并且主体的小的横向位移在趋向增大振动幅度的运动方向上产生流体力。一旦超过不稳定阈值，就发展具有渐增幅度的振荡运动(其主要横向于流)，直到通过机械阻尼耗散的每个循环的能量使来自流动的每个循环的能量输入平衡。
平稳振荡的振幅和频率取决于主体的几何形状和机械性质(横截面形状、质量、固有振荡频率和机械阻尼)以及入射流速。在流速渐增的情况下，振荡的振幅增加保持增加，并且至少在理论上无上限。
例如，关于涡致振动的用于能量转换和电力产生的驰振的一个显著优点在于，振荡不仅仅在流速的限定范围内发生，反而相反地，它们发生在高于临界流动速度的任何流动速度处。此外，在驰振中的振荡的振幅可以相对大，而在涡致振动中，它们可以相对小。驰振主体的振幅/特征长度的比值可以达到3或5或10。主体的特征长度可以为，例如，主体的横截面的宽度。对于涡致振动，对于这个比值可以给出的最大可能振幅大约为1。
另一个相关方面为横向驰振在其中发生的流动速度强烈依赖于驰振主体的机械性质。一般来说，质量和机械阻尼越低，用于驰振的临界流动速度就越低。为能量效率的目的，由于在某种程度上一个人能够控制(例如，通过恰当选择机械性质)驰振将要在其中发生的流动速度，所以这是非常有利的。
此外，横向驰振比在此描述的其他流致振动更少取决于雷诺数。这意味着基于横向驰振的能量转换器在规模上可以更容易地增加。
由发明者Barrero-Gil(Barrero-Gil等人，来自驰振的横向能量收集(TransverseEnergy harvesting from Galloping)，声音与振动杂志(Journal of Sound andVibration)329.14(2010)，2873-2883)发展的先前的理论研究已经强调，原则上，将能量从流体流动有效转换到棱柱是可能的。
JP 2006-226221公开了基于横向驰振的能量转换器。振动主体为安装的悬臂并且电力产生基于压电电气材料的形成。与这种布置相关的至少一个缺点在于，达到大规模能量转化将是困难和/或昂贵的。
先前，1975年多伦多大学的Denis N.Bouclin的“方柱的水力弹性振荡(Hydroelastic Oscillations of square cylinders)”研究了在涡旋脱落与浸入水流中的方柱的驰振类型振荡之间的相互作用。Bouclin并未认识到使用横向驰振从流体流动中提取能量的可能性。相反，在Bouclin的研究背后的理念将要检验这一现象以便能够避免横向驰振的负面影响。即使已经认识到能量收集的可能性，但试验装置很难用于该目的。在Bouclin进行的试验中，振荡方柱使用具有相对较低机械阻尼系数的空气轴承沿着引导件被引导。柱体的方格设计也并非对横向驰振最优化。此外，密度比值m*＝ρ驰振体/ρ流体也不适合于该目的。
本公开涉及用于基于横向驰振振动改善能量转换(和电力产生)的各种方法和系统。
发明内容
在第一方面，提供了用于通过横向驰振将来自液体主体的动能进行转换的能量转换器。能量转换器包括支撑件、用于横向驰振的在第一端与第二端之间延伸并且具有合适横截面的细长的驰振主体、布置在液体主体外部以用于引导驰振主体的第一端的大体上水平的引导件、大体上水平布置并且连接在驰振主体与支撑件之间的一个或多个弹性装置，以及包括静态发电机部件和动态发电机部件的发电机。驰振主体大体上竖直悬挂使得该主体的第二端延伸到液体主体中，并且动态发电机部件可操作地连接到驰振主体。
根据该方面，可以实现驰振主体的大体上线性的振荡运动。这种线性振荡可以具有相对大的振幅，由于可以使用常规发电机类型，所以这能够有助于能量转换成电力。由于驰振主体竖直悬挂，并且执行水平运动，发电机和其他关键部件可以布置在液体主体的外部。液体主体通常可以为大海、海洋或河流。通过将关键部件布置在液体(例如，咸海水)外部，可以避免或降低此类部件的磨损(例如，腐蚀)。
使用液体(例如，水)流动代替空气流动的优点在于，液体流动可以较小的随时间可变并且更易预测。因此，对于特定的液体流动和位置，可以可靠地调谐驰振主体。另一个优点在于，液体的密度可以通常远高于空气的密度，从而使横向驰振更明显，并且另外地，液体(水)流动的能含量高于处于相同流动速度的气流的能含量。
基于线性化的(即，简化的)分析，在这方面用于驰振的合适的横截面(或合适的形状)可以简化为产生满足“Den Hartog”准则的形状的横截面：其中CL为升力系数，CD为阻力系数，以及α为冲角。
在一些实施例中，弹性装置可以为弹簧装置。例如，一个或多个弹簧可以在弹簧的一端上附接到驰振主体的一部分，而在弹簧的另一端处附接到支撑结构。弹性装置也可以通过(例如)在运动期间可以拉伸的合适弹性材料形成。
驰振主体通常可以为或通常包括棱柱。
在一些示例中，支撑件可以浮在液体主体中。支撑件(例如，平台)可以锚固在/用链拴在海床或河床或者以其他方式连接到在，例如，河岸处的合适的点。在另一些示例中，支撑结构可以是固定的。通过使用(例如)在河床或海床中的地基上的单桩结构或其他桩结构，支撑结构可以固定在河床或海床。在另一个示例中，支撑结构可以包括放置在河流任一侧上的腿/支柱。
在一些示例中，动态发电机部件与驰振主体一体形成或者附接到驰振主体。因此，驰振主体可以直接驱动发电机(或在发电机与驰振主体之间的传动装置)。例如，小车(kart)可以附接在驰振主体的第一端，因此，该小车可以沿着水平引导件被引导。
在另一些示例中，动态发电机部件可以为通过一个或多个弹性装置连接到支撑件的第二主体。这些弹性装置可以再一次为弹簧或其他物体。众所周知，通过将另一个主体弹性连接到一个主体，能够降低一个主体的振荡。例如，使用调谐质量阻尼器的系统基于该原理。通过恰当选择第二主体的连接的质量和刚度(弹性)，可以减少或避免不需要的振荡。然而，当恰当设计时，第二主体(或第二质量)也能够用于关于单个主体系统改善能量转换(而不是减少振荡)。在这些示例中，第二主体可以用于驱动发电机。通过正确匹配第二主体的质量以及在驰振主体与第二主体之间的弹性连接，可以达到改善的能量转换效率。
在能量转换器中可以类似地达到能量转换效率的改善，其中驰振主体本身驱动发电机(或者在驰振主体与发电机之间的传动装置)，并且其中此类第二主体弹性联接到驰振主体。通过包括第二主体(第二质量)可以实现的增益再次取决于第二主体的质量(与第一主体的质量相比)，和在第一主体与第二主体之间的弹性连接。
在一些实施例中，驰振主体(例如，棱柱)的至少一部分可以围绕驰振主体的纵向轴线旋转，并且能量转换器进一步包括用于使可旋转部分旋转的致动器。任选地，驰振主体可以包括上部和下部，并且其中下部关于上部可旋转地安装。在标准驰振振荡期间，驰振主体的冲角关于入射流连续变化(以及沿着振荡方向的流体力)。存在对于其沿着振荡方向的流体力最大并且在流体力与振荡主体之间的能量传输也最大的冲角。发明者已经发现，通过大体上连续调整驰振主体下部(即，与流体接触的驰振主体的部分)的俯仰角，使得在增加的时间期间或大体上在任何时间均可以确保最优冲角，可以增强能量转换。
而且，在这些实施例中，驰振主体可以相对容易地适应流动方向(例如，潮汐流)的变化。在另一些实施例中，支撑结构可以是可旋转的或可适应的以调节改变的流动状况。
在一些实施例中，能量转换器可以包括用于发送命令到致动器的俯仰控制系统，其中所述命令基于驰振主体的位置和/或速度以及液体主体的流速的测量。在一个示例中，能量转换器可以包括测量驰振主体的位移和/或速度的传感器。这些传感器可以为基于激光的传感器，或者也可以使用合适的加速计。在一些示例中，可分开测量位置和速度。在另一些示例中，可以直接测量这些(位置或速度)中的其中一者，而另一者(速度或位置)可以从该测量中推断出。
另外，可以使用合适的传感器(例如，流量计)来测量液体流动速度。在替代的示例中，可以假设液体流动速度为已知常量。微处理器可以处理来自(一个或多个)传感器的数据并且发送合适的命令到致动器，例如，伺服电机。
在一些实施例中，驰振主体可以大体上为中空。驰振主体的质量/密度对驰振运动具有显著影响。基于液体流动领域的知识，可以确定合适的质量/密度。根据期望的质量/密度，可以决定使驰振主体大体上中空。
在一些实施例中，驰振主体进一步包括在其第二端的端板，端板大体上可以是平坦的。此类(平坦的)端板可以减少围绕驰振主体底部的有害流体动力影响。
在一些实施例中，驰振主体的横截面在第一端与第二端之间可以是可变的。在一些示例中，驰振主体的横截面的形状在第一端与第二端之间大体上是恒定的，但横截面具有可变的尺寸。根据驰振主体在其中悬挂的液体主体，可以发生速度剪切(即，液体的速度根据深度而变化)的影响。为补偿此类剪切影响，驰振主体的横截面可以被调整为使得每个区段均有助于以大体相同量的驰振。
在一些实施例中，驰振主体的横截面可以大体上具有C形。在发明者进行的实验室试验中，意外地发现当液体流动冲击C形的开放端时，C形驰振主体导致非常有利的结果。
在一些实施例中，发电机的电阻可以是可变的。驰振运动和转换效率受驰振结构的阻尼系数的影响。通过改变电阻(发电机直接或间接施加给驰振主体的电磁力)，可以影响转换效率。
另一方面，提供了一种能量转换系统，其包括根据大体上如前所述的实施例中的任何一个的多个能量转换器。
基于对该说明书的检查，该发明实施例的附加目的、优点和特征对本领域的技术人员而言将变得显而易见，或者可从该发明的实践中被获悉。
附图说明
本发明的特定实施例将参考附图借助于非限制性示例在以下进行描述，其中：
图1示出根据本发明的不同示例的用于驰振主体的各种合适的横截面；
图2示出根据本发明的示例的能量转换器；
图3示意性地示出可以在本发明的一些示例中使用的发电机的可变电阻；
图4用于示出根据本发明的示例的控制驰振主体的冲角的方法；
图5示出根据本发明的能量转换器的进一步的示例；
图6示意性地示出根据本发明的能量转换器的进一步的示例；
图7为示出由发明者测量的效率试验结果的曲线图；
图8为示出试验结果的曲线图，该曲线图提供了关于能量转换效率的在驰振主体中的俯仰的有效控制效果的说明；
图9示出根据本发明的实施例的具有可变横截面的驰振主体的示例；以及
图10示出根据本发明的示例的能量转换系统。
具体实施方式
图1仅示意性地示出了适合于横向驰振的一些形状示例。在图1中所示的示例包括C形、矩形、(闭合)半圆形和三角形。参考符号U指示流动方向，沿该流动方向驰振主体可以被悬挂，而参考符号D指示在横向方向(正交于流动)上的驰振主体(或棱柱)的尺寸。
图2示意性地示出了根据本发明的能量转换器的第一示例。能量转换器12包括支撑结构11，支撑结构11可以浮动并且可以锚固/用链栓到，例如，海床或河床。在另一个示例中，支撑结构可以是固定的。
呈棱柱形状的驰振主体2可以从支撑件被竖直地悬挂。驰振主体2通过合适的弹簧5在任一侧上连接到支撑结构。在另一些示例中，可以使用可替代的弹性装置。在进一步的替代中，也可以使用单个弹簧(即，仅在驰振主体一侧上的弹簧结构)。驰振主体可以具有任何合适的横截面，以用于驰振，具体地，其可以具有前述的任何形状。
在驰振主体的第一端(在液体主体的外部)处，连接小车3，小车3沿着水平引导件4被引导。水平引导件可以通过两个支撑腿被支撑在支撑件12上，如图2示意性所示，每个腿处于每一端。在该示例中，即使支撑件12浮在液体主体中，但水平引导件仍可以被布置在液体主体的外部。
所产生的驰振运动大体上可以为水平振荡运动。在所示示例中，弹簧连接到小车3。
此外，提供了发电机。发电机可以采取任何合适的形式并且可以为，例如，线性的或旋转的。动态发电机部件(例如，转子)可以由小车3驱动。在发电机的旋转运动的情况下，可以提供用于将水平振荡运动转化成圆周运动的合适的传动装置。例如，可以使用曲轴和飞轮以便采用常规的旋转发电机。在图2的所示示例中，小车3支撑一个或多个线圈8，并且部件的静态部分为永磁体9。线圈关于磁场的相对运动可以在线圈中感应出电流。在另一有利的示例中，线圈可以为发电机的静态部件，因此，驰振主体2(或者在该情况下，为小车3)承载永磁体。
在一些实施例中，发电机可以替换为用于能量转换的其他装置，诸如，例如压缩机。
图2进一步示意性地示出了控制单元7。控制单元7可以包括微处理器，其接收来自传感器的关于液体流速和/或振荡运动的输入。基于该输入，发电机的控制可以适合于改变电磁电阻。在旋转发电机的情况下，可以使用已知的电子部件(诸如转换器)调整发电机转矩。
注意，仅驰振主体和平台11的一部分与液体主体接触。发电机6和其他关键部件，诸如水平引导件4或控制单元7处于液体主体的外部。因此，可以更容易地使水平引导件的摩擦最小化。并且敏感(电气)部件被更加保护免受(例如)腐蚀。
从具有速度U的液体流动传输到振荡驰振主体的平均功率由下式给出：
P＝ρU3DLη/2， (公式1.1)
其中，η为能量传输效率，D为驰振主体的特征横向尺寸(例如，宽度)，ρ为液体密度，以及L为驰振主体的沉潜长度。
如在Barrero-Gil等人(“在低雷诺数下的横向驰振”(“Transverse Galloping atlow Reynolds numbers”)，流体与结构杂志(Journal of Fluids and Structures)25，7(2009)，1236-1242)、Barrero-Gil等人(“在横向驰振中的磁滞现象：拐点的作用”(“Hysteresis in Transverse Galloping:The role of inflection points.”)，流体与结构杂志(Journal of Fluids and Structures)25，6(2009)，1007-1020)的出版物中所进一步解释，以及如在Barrero-Gil等人(“来自驰振的横向能量收集”(“Transverse Energyharvesting from Galloping”)，声音与振动杂志(Journal of Sound and Vibration)329.14(2010)，2873-2883)中所解释，在稳态操作中的驰振运动的归一化振幅由下式给出：
(公式1.2)
并且，能量的传输效率由下式给出：
(公式1.3)
在此，a1＞0并且a3＜0为常量，它们表示围绕驰振主体的取决于驰振主体形状的液体流量；m*为在液体密度与驰振主体的密度之间的比值，ξ为驰振主体的无量纲机械阻尼系数，以及U*(“减少的速度”)由以下公式给出：
其中ωn为驰振主体的固有振荡频率(静止并且处于空气中)。
注意，对于值横向驰振发生(A*＞0并且η＞0)。U*在此可以被认为是引起横向驰振的液体流动的临界速度。
公式1.3根据驰振主体的机械性质和几何形状性质以及入射液体流动的速度确定能量传输效率。基于公式1.3，可以由下式得出能够达到的最大效率：
(公式1.4)
在下文中，给出了关于设计和控制的一些注意事项，以最大化能量转换。如果发电机的效率为ηE，那么所产生的电功率由下式给出：
PE＝ρU3DLηηE/2 (公式1.5)
在带有长度为H的线圈的线性电磁发电的情况下，其中该线性电磁发电具有N转、磁场为B、电阻为Rc、负载电阻为RL(也参见图3，其中示意性地示出了表示电磁发电机的电路)，并且其中角频率小(其意味着电感Lc的效果可以被忽略)，则电功率由下式给出：
(公式1.6)
其中，T为求平均的时间段，以及i为流过负载电阻的电流。
电流由下式给出：
(公式1.7)
其中，为线圈相对于磁体的振荡速度(或反之亦然)。如果假设在线圈和磁体之间的相对速度等于驰振速度那么
(公式1.8)，并且
(公式1.9)
驰振主体的振荡速度取决于驰振主体的机械性质(质量、刚度和阻尼)和驰振主体的横截面形状、取决于发动机引入的阻尼以及入射液体流动的速度(参见公式1.2)。
应该注意，系统的总阻尼ξT对应未连接发电机的系统的阻尼ξ加上发电机引入的阻尼ξG，发电机引入的阻尼ξG由下式给出：
以上公式1.8和公式1.9示出了控制发电机电阻(负载)的意义所在，以便改善能量转换器的性能。
在优选的实施例中，控制系统可以被并入以用于控制RL以普遍改善电力的产生，特别是在可变入射液体流动的情况下。此类控制系统可以包括用于测量入射液体流动速度的至少一个传感器。这种传感器可以为任何合适类型并且可以为，例如，螺旋桨式流量计。
公式1.8导致以下公式：
(公式1.10)
其中，A*能够由公式1.2确定，其中应该考虑到阻尼系数为总阻尼ξT＝ξ+ξG。因此，公式1.10给出了允许链接发电机电阻(负载)的数学表达式，从而对于给定的驰振主体的机械性质与几何形状性质以及入射液体流动速度，改善/优化电力产生。(注意，为此，通过关于RL对PE微分可以发现PE的最大值，并且通过使用零将微分函数等化可以发现最优化的RL)。
另外，通过恰当选择驰振主体的机械性质和几何形状性质以及发电机的特征，前述公式1.2、1.3和1.4给出了用于确定针对给定液体流量(其可以为与潮汐流或河流相关的海洋流)的能量转换器的设计基础，以便实现高的能量转换。
还要注意，在一些实施例中，代替改变发动机负载(电阻)或者除改变发动机负载(电阻)之外，也可以调整弹性装置的刚度。在这些实施例中，将驰振主体连接到支撑件的弹性装置可以包括，例如，电流变或磁流变系统，从而能够调整弹性装置的刚度。
图4用来示意性地示出根据本发明的示例的控制驰振主体的冲角的方法。在一些实施例中，可以并入驰振主体的一部分的有效姿态(俯仰)控制。
基于再循环水通道中的大量测试，发明者已经发现，通过大体上连续改变驰振主体(例如，棱柱)的冲角，可以使驰振显著增强。已经发现，振荡可以在振幅和频率两方面增加。
改变冲角的最优定律为棱柱振荡的函数，其由下式给出：
(公式1.11)
所以，有效冲角由下式给出：
(公式1.12)
对于U*＜1.3，c1＝0.5以及对于较大值U*c1＝0.3，为棱柱的振荡速度，以及U为入射流动速度。αc＝0代表无致动的情形。
图5示意性地示出能量转换器的进一步示例。在该示例中，并入驰振主体的俯仰控制。在图5中，参考标记U指的是入射液体流动。驰振主体(棱柱)22大体上竖直布置并且在该示例中包括上部22a和下部22b。上部22a可以大体上布置在液体主体的外部并且可以沿着水平引导件被引导。下部22b必要地延伸到液体主体中。下部22b可旋转地安装在上部22a上。
俯仰控制被并入该示例，从而在任何给定时刻均有效地控制驰振主体的冲角。俯仰控制可以包括伺服电机26(有或无合适的减速齿轮)以驱动致动器27。致动器27可以为小齿轮，其与布置在驰振主体的下部22b上的环形齿轮啮合。通过驱动小齿轮，下部22b围绕上部22a旋转并且入射液体流动的冲角可以被有效地控制。在另一个示例中，能够通过其他合适的技术，诸如，例如液压致动器，来实现旋转致动。
此类俯仰控制系统的另一方面在于，其可以调节驰振主体以改变流动方向(例如，潮汐流)。
参考标记24指的是示意性地示出的引导驰振主体22的大体上水平的引导件，而参考标记29指的是并入引导件24的能量转换器的支撑件的一部分。
图6示意性地示出能量转换器的进一步示例。具有“开放的C”横截面的呈棱柱形状的驰振主体2可以从支撑件1的部分大体上被竖直地悬挂，使得至少驰振主体的底部延伸到液体主体中。参考符号10指示入射液体流动。参考符号11指示平均液体水平。在海洋中的能量转换器的情况下，参考符号11可以被理解为平均海平面(MSL)。
水平引导件4布置在液体主体的外部。如在先前所示的示例中，小车3可以沿着水平引导件被引导，并且可以通过第一弹簧5被连接到支撑结构。如在先前示例中，可以并入控制系统7，控制系统7可以在合适的测量的基础上控制，例如，发电机6的电阻(负载)和/或一个或多个各种弹簧(5、13和14)的刚度和/或驰振主体2的冲角。图6恰好示意性地示出了能够使驰振主体2旋转的俯仰控制19。
控制可以基于入射液流流动的测量以及驰振主体的位置和/或速度。
与先前所示示例相反，小车3不直接驱动发电机。相反，通过弹簧13的可操作连接被提供有第二主体15。第二主体15可以承载永磁体18。第二主体15的运动导致永磁体18关于属于发电机6的线圈9的移位。在可替代的布置中，永磁体和线圈的位置可以被互换，即，第二主体可以承载一个或多个线圈，而发电机定子可以包括永磁体。
参考符号y1和y2分别指的是驰振主体2(随小车3一起)和第二主体15的水平振荡。根据该示例的这两种振荡均可以沿着相同的水平引导件4。
同样在该图中，发电机仅被恰好示意性地示出，并且应该清楚也在该示例中，发电机可以为，例如，线性发电机或旋转发电机。在旋转发电机的情况下，可以包括用于将振荡运动转换到旋转的合适的传动装置。
同样在该示例中，与液体主体接触的能量转换器的部分仅为驰振主体2和支撑件1。发电机6、第二主体15、小车3、水平引导件4以及弹性装置3、14和15无需与液体接触。这可以延长能量转换器的寿命并且减少操作费用，也可以减少磨损。这也可以有助于这些部件的维护。
同样在该示例中，棱柱(驰振主体)的内部可以为中空的并且在棱柱的第二端处可以提供大体上平坦的端板。
在水通道中的测试期间，发明者已经发现：通过恰当选择第二主体的质量和弹簧5、13和14的刚度，可以改善电力产生。此外，通过并入第二主体，可以增加合适液体流速的带宽，在该带宽下效率是显著的。
不同设计的测试：
已经在具有装有弹簧的棱柱的再循环水通道中进行了试验。实施了有效控制以便及时作用于棱柱的振幅。效率η可以定义为穿过棱柱的横向尺寸的流动的能量通量：η＝2P/(ρU3DL)，其中P为提取到流动的功率，ρ为液体流动的密度，U为液体流动的速度，D为棱柱的横向尺寸，以及L为棱柱的沉潜长度。
图7为示出由作者测量的根据减小的速度U*的效率的试验结果的曲线图。
在最优状况下，已经测量出η值大约为1.2(注意，η关于尺寸D定义并且因此能够取比1更高的值)。
如果考虑穿过由棱柱在其振荡期间覆盖的横向尺寸的流动的能量通量时的效率，则必须引入CP＝η/(1+2A*)，其中A*＝ymax/D。
在最优状况下，已经测量出值CP＝0.43(当伺服电机的能量使用被减去时，可以使用数字0.39)。
此外，特别是当并入第二主体时，可以增加合适流速的带宽，并且可以在大范围的流速内有效地操作设备。
在试验中，测试了棱柱的不同形状/横截面，诸如，例如三角形、矩形、闭合的半圆形和开口的半圆形(“C形”)。在试验中，棱柱的沉潜长度为87cm，并且该棱柱由钢制成。驰振主体使用具有170N/m刚度的螺旋弹簧在每一侧上连接到支撑结构。驰振主体的第一端经布置以使用滚动组件轴承沿着水平引导件被引导。
在试验期间，参数m*.ξ受控。m*为在液体密度与驰振主体的密度之间的比值，以及ξ为驰振主体的无量纲机械阻尼系数。
现在参考图8，其提供了具有由发明者获得的试验结果的曲线图，该试验结果展示了在驰振主体(棱柱)中的关于振荡的有效姿态控制(俯仰)的效果。其给出了来自Bouclin的经典试验(方柱的水弹性振荡(Hydroelastic oscillations of square cylinders)，Bouclin，英属哥伦比亚大学1977)的数据(参考符号30，加号)以及由发明者在他们的水通道中独立测量的数据(参考符号31，小圆圈)。在该情况下，由发明者测试的试验数据也指方柱，正如由Bouclin进行的试验。
图8示出了振荡A*根据减小的速度U*的归一化振幅。对那些数据进行叠加，也给出了为开口的半圆形横截面(类型C)获得的不控制俯仰(参考符号32)与控制俯仰(参考符号33)的试验结果。由于A*与从流动到驰振主体的能量转换密切相关，因此能够观察到开口的半圆形横截面从流动“捕获”较多的能量，当使用恰当的定律控制进行有效控制时，甚至“捕获”更多的能量(在该情况下，所观察到的振荡频率也更高)。
在这些试验中，使用了与前述相同的设置。对于方柱(参考符号31)，参数m*.ξ等于0.04。对于具有“开放的C”横截面的驰振主体的测试，相同的参数具有大约为0.6的值。本发明的示例的其他特征已经进一步改善了以各种方式进行的来自横向驰振的能量提取。
例如，以下表1示出了在小/中/大尺寸能量转换器的示例中使用的单个棱柱的特征尺寸，以及在2m/s的水流中的最优设计点处的期望的能量捕获。包括小棱柱尺寸的设计主要考虑与具有少深度的小河口或河流一起设计。中尺寸设备主要可以为近岸海洋潮汐流或河流而设计。根据大棱柱尺寸的能量转换器可以为稳定的海洋流而设计。
其中，K指弹簧刚度，以及ξ指通过联接到发电机引入的阻尼。最后，M为棱镜的每单位长度的质量。
应该清楚，根据局部状况(深度、气流、波动等)，可以使用驰振主体的可替代尺寸。
同样还已经发现对驰振主体的冲角的适当控制可以导致转换效率和用于转动翼转换系统(即，海洋气流涡轮机)的效率一样高。然而，应该注意，根据本发明的示例的能量转换器在制造方面(与扭转叶片的形状相比，能量捕获的机械元件的形状显著更简单，类型C(半管或“开放的半圆”))和使用方面(由于除驰振主体以外的所有机械和电子部分均安装在水面上方，所以维护费用可以被降低)显著更便宜。
能量转换器可以根据在每个位置的状况(包括，例如水深测量、波动、流速等)进行设计，从而最优化比率费用/生产。
支撑结构(例如，平台)和驰振主体可以使用钢进行制造，但与水平轴线水流涡轮机相比可以具有相对低的钢消耗。这允许减少资本支出(CAPEX)。用于根据该发明的各种示例制造能量转换器的制造技术均众所周知(“已证明的技术”)，并且可以预见无需特殊的造船厂、船坞或任何其他特殊设施。也没必要使用特殊船舶用于调试和/或解除操作。
功率部件可以便利地位于水面上方并且可以相对容易地受到保护以便减少腐蚀。因此，当需要维护时，相对容易地接近主要部件。无需水下操作，并且也无需特殊船舶或高素质人员。因此，这允许最小化维护费用。支撑结构可以被制作的足够稳定以确保易于操作。稳定性还将改善对考虑天气状况的维护操作可用的时间窗口。
在性能方面，在试验中的能量产生超过通过利用其它流致振动获得的结果，所述其它流致振动诸如，例如涡致振动(VIV)或颤动。还已经发现以W/m3表达的能量密度与常规水平轴线气流涡轮机竞争力相当。
考虑预见的费用和设备性能，由本发明的示例生成的电力的最终费用可以足够低以与在目前技术领域中的任何其他近海可再生技术竞争。
图9示出了根据本发明的实施例的具有可变横截面的驰振主体的示例。图9用来示出在液体主体(例如，海洋或河流)内，沿着高度z(或沿着延伸到液体主体中的一部分驰振主体的长度L)的流动速度可以不一致。
当流速根据z变化时，驰振主体的横截面也可以改变。横截面沿着驰振主体的长度可以大体上具有相同的形式/形状，但尺寸可以改变。在一些示例中，尺寸可以线性地变化。通过适当改变尺寸，驰振主体每个区段对驰振运动(和能量转换)的贡献可以大体上相同。
在示例中，可以等于常量。
图10示意性地示出能量转换系统，该能量转换系统包括单个支撑件、并入了多个能量转换器(诸如关于图6所述的能量转换器)。由作者进行的试验表明将在驰振主体之间的横向距离维持在至少2×D(D为驰振主体的特征尺寸，例如，宽度)，并且将同轴距离(即，在流动方向上的两个驰振主体之间的距离)维持在至少2×D可以是有利的。
图10也用来示出根据本发明的不同示例的能量转换系统可以相对容易地成规模。在图10中，所示个体能量转换器中的每个大体上相同。然而，在单个能量转换系统中，需要具有完全相同的能量转换器。根据局部流体流动，在能量转换系统内的不同位置采用不同的能量转换器可以是有利的，例如，在下游行采用与上游行不同的能量转换器。可替代地，可更靠近液体主体(例如，河流)的边缘的能量转换器可以与位与更中心的能量转换器不同。
对于每个驰振主体，根据其与其他驰振主体的相对位置采用不同的横截面形状和尺寸可以是有利的。另外，每个驰振主体的质量也能够不同，并且对于每个驰振主体在俯仰方面应用个性化的控制定律可以是有利的。
在图10中，示意性地示出的能量转换器中的每个包括个体控制系统。然而，在可替代的实施方式中，可以采用控制多个能量转换器或所有能量转换器的控制系统。
尽管已经在此公开了该发明的仅数个特定实施例和示例，但本领域的技术人员应该理解，该发明的其他可替代实施例和/或使用以及其显而易见的修改和等效是可能的。此外，本发明覆盖所述的特定实施例的所有可能组合。因此，本发明的范围不应由特定实施例限制，而应仅由所附权利要求的合理阅读来确定。

Claims (15)

1.一种用于通过横向驰振将来自在液体的主体中的流动的动能进行转换的能量转换器，其特征在于包括：
支撑件(1)，
细长的驰振主体(2；22)，其在第一端与第二端之间延伸并且具有满足Den Hartog准则的横截面，适用于横向驰振，
大体上水平的引导件(4)，其布置在液体的所述主体的外部，用于引导所述驰振主体的所述第一端，
一个或多个弹性元件(5)，其大体上水平布置并且连接在所述驰振主体与所述支撑件之间，以及
发电机(6)，其包括静态发电机部件(9)和动态发电机部件(8；18)，并且其中
所述驰振主体(2；22)大体上竖直悬挂，使得所述主体的所述第二端延伸到液体的所述主体中，以及
所述动态发电机部件(18)可操作地连接到所述驰振主体。
2.根据权利要求1所述的能量转换器，其中所述支撑件(1)在液体的所述主体中浮动。
3.根据权利要求1所述的能量转换器，其中所述支撑件(1)是固定的。
4.根据权利要求1所述的能量转换器，其中所述动态发电机部件(8；18)与所述驰振主体(2；22)一体形成或者附接到所述驰振主体(2；22)。
5.根据权利要求1所述的能量转换器，其中所述动态发电机部件(8；18)与第二主体(15)一体形成或附接到所述第二主体(15)，所述第二主体(15)通过一个或多个弹性元件(14)连接到所述支撑件。
6.根据权利要求1所述的能量转换器，其中所述驰振主体的至少一部分围绕所述驰振主体的纵向轴线可旋转，并且所述能量转换器进一步包括用于使可旋转部分旋转的致动器。
7.根据权利要求6所述的能量转换器，其中所述驰振主体包括上部(22a)和下部(22b)，并且其中所述下部(22b)关于所述上部可旋转地安装。
8.根据权利要求6所述的能量转换器，其进一步包括用于发送命令到所述致动器(27)的俯仰控制系统，其中所述命令基于所述驰振主体的位置和/或速度与所述流动的速度的测量。
9.根据权利要求1所述的能量转换器，其中所述驰振主体大体上是中空的。
10.根据权利要求1所述的能量转换器，其中所述驰振主体进一步包括在其第二端的端板。
11.根据权利要求1所述的能量转换器，其中所述驰振主体的在所述第一端与所述第二端之间的横截面是变化的。
12.根据权利要求11所述的能量转换器，其中所述驰振主体的所述横截面的形状在所述第一端与所述第二端之间大体上恒定，但是所述横截面具有可变的尺寸。
13.根据权利要求1所述的能量转换器，其中所述驰振主体的所述横截面大体上具有C形。
14.根据权利要求1所述的能量转换器，其中所述发电机的电阻是可调整的。
15.一种能量转换系统，其包括多个根据权利要求1所述的能量转换器。
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