CN108331702B - 一种用于海上养殖场的涡激振动发电装置 - Google Patents

一种用于海上养殖场的涡激振动发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于海上养殖场的涡激振动发电装置，包括流线型壳体，所述流线型壳体设有首部入口和尾部出口，水流从首部入口流入流线型壳体内，流线型壳体内依次设有过滤网、导流罩、固定造涡杆和多级振动杆，水流通过固定造涡杆驱动多级振动杆运动，从而多级振动杆进行发电。本发明的用于海上养殖场的涡激振动发电装置，能够有效地将海流能转化为电能并加以利用，属于清洁能源转换装置，无污染，具有环境友好性；通过导向尾翼结构能够自动转向进行海流能的捕获，在寿命全周期内发电效率更高；在过滤网和导流罩等保护下，结构的可靠性更高，且通过缆绳进行固定，方便拆卸安装。

Description

一种用于海上养殖场的涡激振动发电装置
技术领域
本发明涉及用于海上养殖场的涡激振动发电装置，属于发电领域。
背景技术
随着各国对海洋资源的探索和对海洋养殖技术的不断发展，海产品的获取已经从捕猎向养殖不断转变。海上养殖场和深水养殖网箱等装置不断地被投入海洋使用，其用电问题和环保问题成了海洋养殖业的难题，也限制了海洋养殖场深水化、离岸独立化的发展。目前，海上养殖场和养殖网箱的电力供应主要通过海面电缆和小型电机提供，成本消耗大，电机所需的燃油等也会对海洋环境产生污染，而太阳能等新能源受可利用面积的影响无法有效开展。在这样的背景下，提出一种用于海上养殖场和养殖网箱的涡激振动发电装置，产生的电量直接用于养殖场和养殖网箱的使用。
涡激振动是流体通过钝形结构物后在后方产生规律的交替泻放的旋涡，由于旋涡脱落产生的压力变化进而引起钝形结构物发生往复振动的现象。近年来随着对新型能源的不断探索和研究，涡激振动产生的能量从有害能量逐渐成为一种可以被利用的机械能，成为学者研究的热点对象。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于海上养殖场的涡激振动发电装置，用于海上养殖场和养殖网箱，产生的电能直接被利用或进行储存。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于海上养殖场的涡激振动发电装置，包括流线型壳体，所述流线型壳体设有首部入口和尾部出口，水流从首部入口流入流线型壳体内，流线型壳体内依次设有过滤网、导流罩、固定造涡杆和多级振动杆，水流通过固定造涡杆驱动多级振动杆运动，从而多级振动杆进行发电。
作为优选，所述流线型壳体的顶部设有旋转吊盘，旋转吊盘与旋转轴承吊环连接，旋转吊盘通过旋转轴承吊环与养殖网箱连接，在流线型壳体的尾部设有导向尾翼，通过导向尾翼和旋转轴承吊环使得流线型壳体与来流方向保持一致。
作为优选，所述过滤网包括过滤网固定环和固定在过滤网固定环上的硬质的孔状结构，过滤网固定环通过螺丝固定在流线型壳体上。
作为优选，所述导流罩包括导流罩固定卡扣和固定在导流罩固定卡扣上的漏斗状的导流板，导流板上设有若干个导流孔。
作为优选，所述固定造涡杆包括卡环和造涡杆，卡环与流线型壳体固定连接，造涡杆固定在卡环内。
作为优选，所述多级振动杆包括三级振动杆，每级振动杆包括振动杆单元、直线电机和回复弹簧，振动杆单元两侧连接直线电机，当振动杆单元发生涡激振动往复运动时，推动直线电机来回运动产生电流，回复弹簧安装于直线电机内部，保证振动杆回复至初始振动位置进行下一次振动。
作为优选，所述旋转轴承吊环包括圆柱壳体、吊环和轴承套，吊环与缆绳，吊环安装在壳体外侧，轴承套位于圆柱壳体内，轴承套与旋转吊盘连接。
在本发明中，该装置针对海上养殖网箱和养殖场进行设计，主要用于浮式养殖网箱的水下发电和供电。同时，通过固定造涡杆放大涡激振动，以得到更高的电能转化效率。该装置解决了海洋养殖深水化、离岸独立化等问题，较传统的涡激振动发电装置更有益于海洋养殖业的发展和进步。本发明同时结合了鱼状仿生流线型外壳、能够根据水流方向自动旋转的导向尾翼和旋转轴承吊环、放大三级振动杆涡激振动的造涡杆。最后，根据现有研究成果，三级振动杆和造涡杆已经具备能够根据实际海域流速进行更换调节的依据，以达到最佳的发电效率。
有益效果：本发明的用于海上养殖场的涡激振动发电装置，具有以下优点：
1.该装置能够有效地将海流能转化为电能并加以利用，属于清洁能源转换装置，无污染，具有环境友好性。
2.通过导向尾翼结构能够自动转向进行海流能的捕获，在寿命全周期内发电效率更高。
3.在过滤网和导流罩等保护下，结构的可靠性更高，且通过缆绳进行固定，方便拆卸安装。
附图说明
图1是本发明的整体结构爆炸示意图；
图2是本发明的过滤网示意图；
图3是本发明的导流罩示意图；
图4是本发明的固定造涡杆示意图；
图5是本发明的多级振动杆示意图；
图6是本发明的振动杆示意图；
图7是本发明的旋转轴承吊环示意图；
图8是本发明的布置安装方式示意图；
图9是本发明对振动杆在不同速度和阻尼比条件下发电效率的示意曲线。
具体实施方式
如图1至图8所示，本发明的一种用于海上养殖场的涡激振动发电装置，包括流线型壳体1、过滤网2、导流罩3、固定造涡杆4、多级振动杆5和旋转轴承吊环6。流线型壳体1包括首部入口11、尾部出口12、导向尾翼13和旋转吊盘14。当该发电装置布置在水下时，水流通过首部入口11进入流线型壳体1内部，通过水流驱动多级振动杆5进行发电，之后水流通过尾部出口12流出发电装置。当水流方向发生改变时，水流作用在导向尾翼13上的作用力产生变化，导致导向尾翼13左右侧存在压力差，进而驱动发电装置绕着旋转轴承吊环6产生转动，进一步产生舵效应使得装置的首部入口11与来流方向保持一致。旋转吊盘14与旋转轴承吊环6固定在一起，通过缆绳将整个发电装置悬挂在养殖网箱或海上养殖场的水面以下进行发电。
在本发明中，如图2所示，所述的过滤网2包括过滤网固定环21和硬质的孔状结构22，过滤网固定环21通过螺丝固定在流线型壳体1上，方便拆卸与清洗。由于海上养殖场和养殖网箱内主要用于养殖鱼类和各类海产品，包括动物和植物，过滤网2主要用于防止较大的动物和植物进入发电装置导致死亡并损坏装置。
在发明中，如图3所示，导流罩3包括导流罩固定卡扣31和漏斗状导流孔32。涡激振动发电系统对流速比较敏感，需要比较稳定且均匀的来流以达到较高的能量捕获效率，通过漏斗状导流孔32将经过过滤网2的水流进行导流限速，使通过导流罩3的水流变成均匀且稳定的来流，有益于固定造涡杆4的旋涡产生。
在发明中，如图4所示，固定造涡杆4包括卡环41和造涡杆42，卡环41与流线型壳体固定，造涡杆42用于产生有利于后方多级振动杆5振动的旋涡，根据所使用海域的平均流速和密度，可以更换为不同表面粗糙度、不同直径的造涡杆42。
在发明中，如图5所示，多级振动杆5包括三级振动杆，具体包括振动杆单元51、直线电机52和回复弹簧53。所述振动杆单元51的直径、相对质量比、表面粗糙度和所述直线电机52与回复弹簧53的阻尼比共同决定该发电装置的发电效率，结合使用海域的平均流速和密度等因素进行调节，该装置的发电效率为振动杆能量捕获效率与直线电机电能转化效率的乘积，振动杆的能量捕获效率为：
其中η为单个振动杆的能量捕获效率，St为该振动杆在当地流速下的斯特劳哈尔数，ξsys为系统的阻尼比，m*和Ca为质量比和附加质量，x为振幅以及Ur为无量纲约化速度。对于同一个振动杆而言，无量纲约化速度与当地流速有着直接关系，当流速发生改变时，振幅和约化速度均发生改变，进而影响单个振动杆的发电效率，图9选取了一种阻尼比在不同振动杆质量、不同约化速度条件下的发电效率变化曲线，结合现有研究的图谱，可以获取在平均流速条件下的最佳振动杆质量、粗糙度、阻尼比等参数，以达到最佳发电效率。。所述多级振动杆5的振动杆单元51在来流和固定造涡杆4产生的旋涡共同作用下，会发生往复的上下运动，该运动将海流能转化为机械能，进而推动直线电机产生往复的周期性运动产生电流。通过所述的回复弹簧53将振动杆单元51回复至最佳振动位置，有利于下次振动的捕能。
在发明中，如图7所示，旋转轴承吊环6包括吊环61和轴承套62，吊环61与缆绳相连，将发电装置悬挂于海上养殖场或养殖网箱的浮体上。轴承套62和旋转吊盘14配合，用于发电装置的旋转，保持首部入口11与来流方向保持一致。

Claims (5)

1.一种用于海上养殖场的涡激振动发电装置，其特征在于：包括流线型壳体，所述流线型壳体设有首部入口和尾部出口，水流从首部入口流入流线型壳体内，流线型壳体内依次设有过滤网、导流罩、固定造涡杆和多级振动杆，水流通过固定造涡杆驱动多级振动杆运动，从而多级振动杆进行发电；
所述流线型壳体的顶部设有旋转吊盘，旋转吊盘与旋转轴承吊环连接，旋转吊盘通过旋转轴承吊环与养殖网箱连接，在流线型壳体的尾部设有导向尾翼，通过导向尾翼和旋转轴承吊环使得流线型壳体与来流方向保持一致；
所述多级振动杆包括三级振动杆，每级振动杆包括振动杆单元、直线电机和回复弹簧，振动杆单元两侧连接直线电机，当振动杆单元发生涡激振动往复运动时，推动直线电机来回运动产生电流，回复弹簧安装于直线电机内部；
振动杆的能量捕获效率为：
其中η为单个振动杆的能量捕获效率，St为该振动杆在当地流速下的斯特劳哈尔数，ξsys为系统的阻尼比，m*和Ca为质量比和附加质量，x为振幅以及Ur为无量纲约化速度；通过获取在平均流速条件下的最佳振动杆质量、粗糙度、阻尼比，以达到最佳发电效率。
2.根据权利要求1所述的用于海上养殖场的涡激振动发电装置，其特征在于：所述过滤网包括过滤网固定环和固定在过滤网固定环上的硬质的孔状结构，过滤网固定环通过螺丝固定在流线型壳体上。
3.根据权利要求1所述的用于海上养殖场的涡激振动发电装置，其特征在于：所述导流罩包括导流罩固定卡扣和固定在导流罩固定卡扣上的漏斗状的导流板，导流板上设有若干个导流孔。
4.根据权利要求1所述的用于海上养殖场的涡激振动发电装置，其特征在于：所述固定造涡杆包括卡环和造涡杆，卡环与流线型壳体固定连接，造涡杆固定在卡环内。
5.根据权利要求1所述的用于海上养殖场的涡激振动发电装置，其特征在于：所述旋转轴承吊环包括圆柱壳体、吊环和轴承套，吊环与缆绳，吊环安装在壳体外侧，轴承套位于圆柱壳体内，轴承套与旋转吊盘连接。
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