CN107733285A - 一种用于水下全向位涡激振动发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于水下全向位涡激振动发电装置，包括压电发电模块、密封壳、圆柱杆、基座和可充电电池，所述的圆柱杆一端通过基座固定在海床上，另一端同轴连接密封壳；所述的密封壳中沿轴向分布若干压电发电模块，所述的压电发电模块中若干压电陶瓷片固定在密封壳内壁上，压电陶瓷片通过弹簧连接圆柱杆；所述压电陶瓷片的电能输出收集至可充电电池中。本发明结构简单，制造成本低，安全环保，对海流流速适用范围广，能量转换率高。

Description

一种用于水下全向位涡激振动发电装置

技术领域

本发明涉及一种海洋可再生能源开发与利用领域，具体是涉及一种水下发电装置。

背景技术

随着社会经济的持续高速发展，对能源的需求日益增长，而煤和石油等不可再生能源日趋枯竭，因此对新能源的开发与利用符合国家的长期发展战略。潮流能作为一种相对较容易开发的可再生清洁能源，近年来得到了较大的发展，主要是将潮汐引起海水往复运动产生的动能转换为电能。考虑到我国具体的海洋环境(较长的海岸线，但大部分海岸线的潮流流速较低)，存在较为丰富的潮流能储藏量，而目前潮流能的开发形式较为单一，一般采用水轮机进行潮流能能量转化，但水轮机对潮流的流速有一定的要求(水轮机在潮流流速大于2.0m/s时才具有较高的利用率)且水轮机制造成本较为昂贵，同时旋转的涡轮对海洋生物也会造成较大威胁。目前现有技术对潮流能利用率不足且实用性差，造成能源的浪费，阻碍了潮流能利用技术的大范围推广。

2008年，美国密歇根大学的Bernitsas教授及其团队成功研制出一种新型的低速水流发电装置----VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)，并成功申请了专利，这是第一个利用涡激振动效应的发电装置。但该发电装置存有一些缺陷：采用单振子发电，且要求每个振子配备一套传动、传电等设备，增加了发电装置的成本，因此实用性低。

2014年，天津大学的燕翔等人发明了一种基于多振子的对振式涡激振动发电装置，专利公开号为CN104005901A。该发明适用于低速流区，利用尾流驰振发电，发电效率高。但是其原理为利用尾流驰振，尾流驰振对流场的流速有一定的限制，通常适用的流速范围为0.5～1.5m/s，当流速过高或者过低均不宜获得尾流驰振的效果。同时，中国石油大学的章大海等人也发明了一种基于驰振效应的多圆柱串列曲轴式水流发电装置，专利公开号为CN105545582A。

涡激振动效应的基本原理为：非流线型结构在一定流场的作用下，流体会因阻流结构的存在而产生分离，流体分离后会在阻流结构的两侧或者后方产生交替泄放的漩涡，漩涡的交替泄放会使阻流结构表面的压力产生周期性变化，阻流结构会在这种周期性的压力作用下发生上下振动，阻流结构的上下振动又会反过来影响漩涡的泄放，这种流固耦合的现象就是涡激振动。

同时，利用微型陶瓷压电薄片的压电效应将机械能转化为电能。如果对压电材料施加应力，由于压电效应，压电片上下由于应力分布不均而产生电压差，这是正压电效应；如果对其施加电压，则会使压电片产生机械应力从而产生机械位移，这是逆压电效应。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于水下全向位涡激振动发电的装置，利用非流线型结构物的周期性涡激振动来捕获海洋中的潮流能，将潮流动能转化为机械能，利用压电陶瓷薄片的正压电效应来进行发电，且压电陶瓷具有优异的压电性能。本发明具有结构简单、制造成本低、安全环保、对海流流速适用范围广和能量转换率高等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于水下全向位涡激振动发电装置，包括压电发电模块、密封壳、圆柱杆、基座和可充电电池。

所述的圆柱杆一端通过基座固定在海床上，另一端同轴连接密封壳；所述的密封壳中沿轴向分布若干压电发电模块，所述的压电发电模块中若干压电陶瓷片固定在密封壳内壁上，压电陶瓷片通过弹簧连接圆柱杆；所述压电陶瓷片的电能输出收集至可充电电池中。

所述的压电发电模块包括8个弹簧和4个周向均匀分布的压电陶瓷片，弹簧的一端与圆柱杆连接，另一端与压电陶瓷片连接；平均每个压电陶瓷薄片通过2个弹簧与圆柱杆连接。

本发明的有益效果是：

1)发电装置结构简单，体积小，便于安装与维护；

2)无噪音、无污染，对海洋环境不会产生破坏；

3)造价低，具有规模上的可扩展性，可在海底形成空间阵列场；

4)实用性好，采用全向位涡激振动发电，可以从不同方向上捕获能量，对海流的来流方向没有限制；

5)能量利用率高，当海流流速达到0.25m/s时便可以提取高密度的能量，只要圆柱杆发生振动就可捕获能量，因此涡激振动发电技术捕获能量的能力非常强，提高了能量的利用率。

附图说明

图1是本发明全向位涡激振动发电装置的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为连接可充电电池的剖视图；

图2是本发明压电发电模块的结构示意图；

图3是本发明圆柱杆发生涡激振动的振动过程示意图；

图4是全向位涡激振动发电装置海底阵列简图；

图中，1--基座；2--密封壳；3--圆柱杆；4--压电发电模块；5--可充电电池；6--压电陶瓷薄片；7--弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种用于水下全向位涡激振动发电装置，包括压电发电模块、密封壳、圆柱杆、基座、可充电电池。压电发电模块包括8个弹簧和4个周向均匀分布的压电陶瓷薄片，弹簧的一端与圆柱杆连接，另一端与压电陶瓷薄片连接；平均每个压电陶瓷薄片通过2个弹簧与圆柱杆连接，压电陶瓷薄片固定在密封壳的内壁上，其作用是利用压电效应将弹簧的机械能转换为电能。圆柱杆上半部装有多个压电发电模块，其下半部与基座连接，本发明装置主要就是利用圆柱杆的涡激振动效应来捕获潮流的动能。基座用于将发电装置固定在海床上。所有压电发电模块通过电回路与可充电电池连接。密封壳用于封装压电模块，位于圆柱杆件的上半部。

本发明的工作机理如下：

该装置基于非流线型结构的涡激振动效应，将多个压电发电模块串列环绕在圆柱杆的周围，压电薄片与圆柱杆通过弹簧连接。当圆柱杆件受到海流作用时，会产生振动，振动引起弹簧发生形变；弹簧形变引起压电材料发生弹性变形；压电材料发生变形时，会有电流的产生；再通过连接在压电陶瓷薄片上的电回路进行电量收集。能量的转化路径为：利用涡激振动原理将海流能转换为振动体的机械能-----弹簧将机械能传递到压电陶瓷薄片-----压电陶瓷薄片再将机械能转化为电能-----充电装置收集电能。

本发明的实施例提供一种用于水下全向位涡激振动发电装置，如图1所示，包括基座1、密封壳2、圆柱杆3、压电发电模块4、可充电电池5、压电陶瓷薄片6和弹簧7。基座1用于将发电装置固定在海床上。圆柱杆3下部固定在基座1上，本发明利用圆柱杆3的涡激振动效应将潮流能的动能转化为圆柱杆3的机械能。如图3所示，当海流流经圆柱杆3时，圆柱杆3沿来流方向的侧后方会产生脱落的漩涡，脱落的漩涡会引起圆柱杆3周围出现压差分布不均，从而引起圆柱杆3产生振动。密封壳2固定在圆柱杆3的上部，用于封装压电模块4，密封壳2的内壁上串列排布多个压电发电模块4。

如图2所示，压电发电模块4由4个压电陶瓷薄片6和8个弹簧7构成，弹簧6的一端固定在圆柱杆3上，另一端与压电陶瓷薄片6连接，压电陶瓷薄片6固定在密封壳2的内部壁面上。圆柱杆3振动带动弹簧7拉伸或者压缩，弹簧7的拉伸或压缩引起压电陶瓷薄片6发生形变，依据压电陶瓷薄片6的压电发电特性将机械能最终转化为电能。

该实施例中，每根圆柱杆3上部串列的压电模块数为10个；每个压电发电模块4中包括8根弹簧7(弹性系数一致)和4个压电陶瓷薄片6。不一定每个全向位涡激振动的发电装置均配有一个可充电电池5，当在海底大规模阵列布置该发电装置时，可以由多个发电装置配备一个可充电电池5。

该实施例中，如图3所示，当圆柱杆3受到海流作用时(三个箭头表示海流方向)，其侧后方两侧会有脱落的漩涡形成，漩涡的脱落导致圆柱杆3发生纵向振动(双向箭头表示振动方向)，圆柱杆3振动引起弹簧7发生压缩或拉伸，弹簧7对压电陶瓷薄片6产生力的作用，从而导致陶瓷薄片6有电流的产生，电流最终通过回路流入可充电电池5中。如图4所示，由于本发明装置具有制造成本低、体积小等优点，有空间上的可扩展性，图4即为海床上阵列分布的全向位涡激振动发电装置的示意图，通过大规模的阵列布置本发明装置，便可以充分的捕获潮流能，可带来较大的经济效益。

Claims (2)

1.一种用于水下全向位涡激振动发电装置，包括压电发电模块、密封壳、圆柱杆、基座和可充电电池，其特征在于：所述的圆柱杆一端通过基座固定在海床上，另一端同轴连接密封壳；所述的密封壳中沿轴向分布若干压电发电模块，所述的压电发电模块中若干压电陶瓷片固定在密封壳内壁上，压电陶瓷片通过弹簧连接圆柱杆；所述压电陶瓷片的电能输出收集至可充电电池中。

2.根据权利要求1所述的用于水下全向位涡激振动发电装置，其特征在于：所述的压电发电模块包括8个弹簧和4个周向均匀分布的压电陶瓷片，弹簧的一端与圆柱杆连接，另一端与压电陶瓷片连接；平均每个压电陶瓷薄片通过2个弹簧与圆柱杆连接。