CN106677972B - 一种利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电装置及方法，装置由摆动组件、集电组件和浮体构成。摆动组件由弧形孔板、柔性压电片、绕流外柱、套箍和弹簧组成，弧形孔板用于构造不均匀来流，绕流外柱后方生成周期性脱落的旋涡，柔性压电片通过变形产生电荷。集电组件由导线、导电内柱和集电箱组成，导线从压电片上收集电荷，传递至内嵌于绕流外柱的导电内柱，再由导电内柱传递至浮体上的集电箱收集。浮体为船形结构，底板设外柱固定孔，用于固定绕流外柱。压电片在波流作用下持续不断变形，产生源源不断的电流。
Description
技术领域
本发明属于海洋新能源开发利用技术领域，具体涉及一种利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电装置及方法。
背景技术
当前全球能源需求量日益增长，供需矛盾尖锐。已探明化石资源的减少，环境污染问题的白热化，是摆在人类面前的紧迫问题。如何开发和利用新能源及可再生资源是人类社会可持续发展的关键，多元化的能源转化形式越来越受到人们的关注。海洋能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，包括海上风能、潮汐能、波浪能、海流能等，其显著的特征是存在大规模的流体流动。常规海洋能源利用即是将流体的动能有效转化为机械能、电能等人类擅长利用的能源。涉及的发电装置有海上浮式风机、水轮机等，能量转换过程分能量俘获、传递、发电系统转换三级，转换效率偏低。压电材料是一种在外力作用下发生变形并产生电荷的材料，将其置于流动的水体中，能够在水流冲击下变形，从而产生电荷，避免了能量形式的多次转化，可有效减少能量损失，提高能量转化率。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对现有海洋能发电装置能耗大、效率低的不足，提供一种安装简便、成本低廉的利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电装置由摆动组件、集电组件和浮体构成。摆动组件由左右两块对称的弧形孔板、四块外涂防水绝缘层的矩形片状柔性压电片、一根绕流外柱、两个套箍和十根弹簧组成。两块弧形孔板一侧端壁通过铰链连接固定，弧形孔板可绕铰链旋转，弧形孔板上自铰链端向另一端开设有半径依次减小的圆形过流孔。每块弧形孔板远离铰链的另一端壁上、下开有两个弹簧固定孔，各连接一根弹簧，两根弹簧的另一端连接一块压电片，对应的压电片一侧端壁上、下也开有两个弹簧固定孔，用于弹簧的固定安装。每块弧形孔板远离铰链的一端内壁上部开有弹簧固定孔，连接一根弹簧，弹簧的另一端连接至套箍上的弹簧固定孔。绕流外柱为下端封闭、上端开口的中空圆柱体，上部开有外螺纹，两个圆环形套箍分别套装于绕流外柱外壁的上、下端，其上端套箍低于绕流外柱上端的外螺纹。圆环形套箍上开有四个弹簧固定孔，其中两个弹簧固定孔位于套箍的同一直径上，剩下两个弹簧固定孔位于背离弧形板孔的一侧。上套箍位于同一直径上的两个弹簧固定孔用于固定连接弧形孔板的弹簧。在上、下套箍弹簧固定孔上方的绕流外柱壁面上各开有对应的四个导线通孔。上、下套箍背离弧形孔板的四个弹簧固定孔各连接一根弹簧，弹簧的另一端连接压电片，且每对上、下平行弹簧连接一块压电片，压电片的端壁上开有对应的弹簧固定孔，用于弹簧的固定安装。
集电组件由导线、导电内柱和集电箱组成，导线由压电片引出，每块压电片与弹簧相连的一端壁上、下各引出一根导线，导线从弹簧中轴穿过，到达绕流外柱后，从绕流外柱壁面的导线通孔穿过，连接至插装于绕流外柱中空的导电内柱上，其与绕流外柱同轴且高于绕流外柱。导电内柱上端由导线连至布置于浮体上的集电箱，以收集压电片生成的电荷。
浮体为船形结构，其底板中部开有外柱固定孔，孔内壁开设母螺纹，与绕流外柱上端外螺纹啮合，以连接固定绕流外柱。外柱固定孔旁的浮体底板上安有集电箱，与导电内柱通过导线相连。
由所述的利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电装置可以提供一种利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电方法。海水冲击在弧形孔板上时，由于开孔孔径不一样，使得过流能力不同，构造非均匀流速剖面作用于绕流外柱上。海水绕过绕流外柱后产生周期性脱落的旋涡，引发柱后压电片的变形和摆动，使压电片产生电荷，由导线将电流传至导电内柱，并最终传至浮体上的集电箱进行收集。水流冲击弧形孔板，会引起弧形孔板旋转，压缩连接绕流外柱的弹簧，使弧形孔板及其尾端连接的压电片位置发生改变。由于非均匀流速剖面的作用，使得不同位置的压电片摆动幅度不一样，反过来影响流场，使绕流外柱的尾流流动更为复杂，引起压电片持续不断变形，产生源源不断的电流。另外，波浪使浮体上下运动，激励弹簧伸缩，增加了压电片的变形和摆动，产生更多的电流。
本发明由于采取以上方案，其具有以下优点：
1、本发明装置的弧形孔板、绕流外柱均采用塑料加工而成，既节约了成本，又耐腐蚀，还为整个装置提供了一定的浮力。
2、本发明装置既适用于单一波浪发电，又适用于单一海流的发电，更适用于波流同存时的发电。
附图说明
图1为本发明装置的立体结构示意图
图2为本发明摆动组件结构示意图
图3为本发明弧形孔板结构示意图
图4为本发明绕流外柱与导电内柱结构示意图
图5为本发明压电片连接示意图
图6为本发明导线连接示意图
图7为本发明绕流外柱与浮体连接示意图
其中：1.浮体；2.弧形孔板；3.铰链；4.绕流外柱；5.弹簧；6.压电片；7.套箍；8.过流孔；9.导电内柱；10.弹簧固定孔；11.导线通孔；12.导线；13.外柱固定孔；14.集电箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。
如图1所示，一种利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电装置由摆动组件、集电组件和浮体构成。如图2所示，摆动组件由左右两块对称的弧形孔板2、四块外涂防水绝缘层的矩形片状柔性压电片6、一根绕流外柱4、两个套箍7和十根弹簧5组成。如图3所示，两块弧形孔板2一侧端壁通过铰链3连接固定，弧形孔板2可绕铰链3旋转，弧形孔板2上自铰链3端向另一端开设有半径依次减小的圆形过流孔8。每块弧形孔板2远离铰链3的另一端壁上、下开有两个弹簧固定孔10，各连接一根弹簧5，两根弹簧5的另一端连接一块压电片6，对应的压电片6一侧端壁上、下也开有两个弹簧固定孔10，用于弹簧5的固定安装。每块弧形孔板2远离铰链3的一端内壁上部开有弹簧固定孔10，连接一根弹簧5，如图5所示，弹簧5的另一端连接至套箍7上的弹簧固定孔10。如图4所示，绕流外柱4为下端封闭、上端开口的中空圆柱体，上部开有外螺纹，两个圆环形套箍7分别套装于绕流外柱4外壁的上、下端，其上端套箍7低于绕流外柱4上端的外螺纹。圆环形套箍7上开有四个弹簧固定孔10，其中两个弹簧固定孔10位于套箍7的同一直径上，剩下两个弹簧固定孔10位于背离弧形板孔的一侧。上套箍7位于同一直径上的两个弹簧固定孔10用于固定连接弧形孔板2的弹簧5。在上、下套箍7弹簧固定孔10上方的绕流外柱4壁面上各开有对应的四个导线通孔11。上、下套箍7背离弧形孔板2的四个弹簧固定孔10各连接一根弹簧5，弹簧5的另一端连接压电片6，且每对上、下平行弹簧5连接一块压电片6，压电片6的端壁上开有对应的弹簧固定孔10，用于弹簧5的固定安装。
如图6所示，集电组件由导线12、导电内柱9及集电箱14组成，导线12由压电片6引出，每块压电片6与弹簧5相连的一端壁上、下各引出一根导线12，导线12从弹簧5中轴穿过，到达绕流外柱4后，从绕流外柱4壁面的导线通孔11穿过，连接至插装于绕流外柱4中空的导电内柱9上，其与绕流外柱4同轴且高于绕流外柱4。导电内柱9上端由导线12连至布置于浮体1上的集电箱14，以收集压电片6生成的电荷。
如图7所示，浮体1为船形结构，其底板中部开有外柱固定孔13，孔内壁开设母螺纹，与绕流外柱4上端外螺纹啮合，以连接固定绕流外柱4。外柱固定孔13旁的浮体1底板上安有集电箱14，与导电内柱9通过导线12相连。
由所述的利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电装置可以提供一种利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电方法。海水冲击在弧形孔板2上时，由于开孔孔径不一样，使得过流能力不同，构造非均匀流速剖面作用于绕流外柱4上。海水绕过绕流外柱4后产生周期性脱落的旋涡，引发柱后压电片6的变形和摆动，使压电片6产生电荷，由导线12将电流传至导电内柱9，并最终传至浮体1上的集电箱14进行收集。水流冲击弧形孔板2，会引起弧形孔板2旋转，压缩连接绕流外柱4的弹簧5，使弧形孔板2及其尾端连接的压电片6位置发生改变。由于非均匀流速剖面的作用，使得不同位置的压电片6摆动幅度不一样，反过来影响流场，使绕流外柱4的尾流流动更为复杂，引起压电片6持续不断变形，产生源源不断的电流。另外，波浪使浮体1上下运动，激励弹簧5伸缩，增加了压电片6的变形和摆动，产生更多的电流。
实施例：
实际安装时，首先将导电内柱9插装于绕流外柱4的中空内，再将绕流外柱4上端螺纹与浮体1底板中部外柱固定孔13的母螺纹啮合，使绕流外柱4固定。接着，将两个圆环形套箍7分别套装于绕流外柱4外壁的上、下端，其中上套箍7位于浮体1底板下部。其次，将两块弧形孔板2一侧端壁通过铰链3连接固定，并使两块弧形孔板2关于铰链3左右两块对称。在每块弧形孔板2远离铰链3的一端内壁上部的弹簧固定孔10中连接一根弹簧5，弹簧5的另一端连接至套箍7上位于同一直径的弹簧固定孔10中。在每块弧形孔板2远离铰链3的另一端壁的两个弹簧固定孔10中各连接一根弹簧5，两根弹簧5的另一端连接一块压电片6。在上、下套箍7背离弧形孔板2的四个弹簧固定孔10各连接一根弹簧5，且每对上、下平行弹簧5连接一块压电片6。从压电片6与弹簧5相连的一端壁上、下各引出一根导线12，导线12从弹簧5中轴穿过，到达绕流外柱4后，从绕流外柱4壁面的导线通孔11穿过，连接至插装于绕流外柱4中空的导电内柱9上。导电内柱9上端由导线12连至布置于浮体1上的集电箱14。
装置安装好后，将浮体1放置于海水中。海水冲击在弧形孔板2上时，由于开孔孔径不一样，使得过流能力不同，构造非均匀流速剖面作用于绕流外柱4上。海水绕过绕流外柱4后产生周期性脱落的旋涡，引发柱后压电片6的变形和摆动，使压电片6产生电荷，由导线12将电流传至导电内柱9，并最终传至浮体1上的集电箱14进行收集。水流冲击弧形孔板2，会引起弧形孔板2旋转，压缩连接绕流外柱4的弹簧5，使弧形孔板2及其尾端连接的压电片6位置发生改变。由于非均匀流速剖面的作用，使得不同位置的压电片6摆动幅度不一样，反过来影响流场，使绕流外柱4的尾流流动更为复杂，引起压电片6持续不断变形，产生源源不断的电流。另外，波浪使浮体1上下运动，激励弹簧5伸缩，增加了压电片6的变形和摆动，产生更多的电流。
Claims (2)
1.一种利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电装置，其特征是：由摆动组件、集电组件和浮体构成；摆动组件由左右两块对称的弧形孔板（2）、四块外涂防水绝缘层的矩形片状柔性压电片（6）、一根绕流外柱（4）、两个套箍（7）和十根弹簧（5）组成；两块弧形孔板（2）一侧端壁通过铰链（3）连接固定，弧形孔板（2）可绕铰链（3）旋转，弧形孔板（2）上自铰链（3）端向另一端开设有半径依次减小的圆形过流孔（8）；每块弧形孔板（2）远离铰链（3）的另一端壁上、下开有两个弹簧固定孔（10），两个弹簧固定孔（10）各连接一根弹簧（5），两根弹簧（5）的另一端连接同一块压电片（6），对应的压电片（6）一侧端壁上、下也开有两个弹簧固定孔（10），用于弹簧（5）的固定安装；每块弧形孔板（2）远离铰链（3）的一端内壁上部开有弹簧固定孔（10），弹簧固定孔（10）连接一根弹簧（5），弹簧（5）的另一端连接至套箍（7）上的弹簧固定孔（10）；绕流外柱（4）为下端封闭、上端开口的中空圆柱体，上部开有外螺纹，两个套箍（7）分别套装于绕流外柱（4）外壁的上、下端，其上端套箍低于绕流外柱（4）上端的外螺纹；套箍（7）上开有四个弹簧固定孔（10），其中两个弹簧固定孔（10）位于套箍（7）的同一直径上，剩下两个弹簧固定孔（10）位于背离弧形孔板（2）的一侧；上端套箍位于同一直径上的两个弹簧固定孔（10）用于固定连接弧形孔板（2）的弹簧（5）；在上、下端套箍弹簧固定孔（10）上方的绕流外柱（4）壁面上各开有对应的四个导线通孔（11）；上、下端套箍背离弧形孔板（2）的四个弹簧固定孔（10）各连接一根弹簧（5），弹簧（5）的另一端连接压电片（6），且每对上、下平行弹簧（5）连接同一块压电片（6），压电片（6）的端壁上开有对应的弹簧固定孔（10），用于弹簧（5）的固定安装；集电组件由导线（12）、导电内柱（9）及集电箱（14）组成，导线（12）由压电片（6）引出，每块压电片（6）与弹簧（5）相连的一端壁上、下各引出一根导线（12），导线（12）从弹簧（5）中轴穿过，到达绕流外柱（4）后，从绕流外柱（4）壁面的导线通孔（11）穿过，连接至插装于绕流外柱（4）中空的导电内柱（9）上，导电内柱（9）与绕流外柱（4）同轴且高于绕流外柱（4）；导电内柱（9）上端由导线（12）连至布置于浮体（1）上的集电箱（14），以收集压电片（6）生成的电荷；浮体（1）为船形结构，其底板中部开有外柱固定孔（13），孔内壁开设母螺纹，与绕流外柱（4）上端外螺纹啮合，以连接固定绕流外柱（4）；外柱固定孔（13）旁的浮体（1）底板上安有集电箱（14），与导电内柱（9）通过导线（12）相连。
2.一种利用如权利要求1所述的利用柱体尾流泄涡的墨鱼形波流发电装置的发电方法，其特征是：海水冲击在弧形孔板（2）上时，由于开孔孔径不一样，使得过流能力不同，构造非均匀流速剖面作用于绕流外柱（4）上；海水绕过绕流外柱（4）后产生周期性脱落的旋涡，引发柱后压电片（6）的变形和摆动，使压电片（6）产生电荷，由导线（12）将电流传至导电内柱（9），并最终传至浮体（1）上的集电箱（14）进行收集；水流冲击弧形孔板（2），会引起弧形孔板（2）旋转，压缩连接绕流外柱（4）的弹簧（5），使弧形孔板（2）及其尾端连接的压电片（6）位置发生改变；由于非均匀流速剖面的作用，使得不同位置的压电片（6）摆动幅度不一样，反过来影响流场，使绕流外柱（4）的尾流流动更为复杂，引起压电片（6）持续不断变形，产生源源不断的电流；另外，波浪使浮体（1）上下运动，激励弹簧（5）伸缩，增加了压电片（6）的变形和摆动，产生更多的电流。
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