CN109798229B - 驰振发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种驰振发电装置，包含振子机构、电磁感应机构以及分离盘机构；振子机构通过流体实现驰振，振子机构在驰振时相对电磁感应机构发生切割磁感线运动，使得电磁感应机构在产生感应电流；振子机构、分离盘机构在流体流动方向上依次布置。本发明通过在圆柱后加相对振动固定的刚性分离盘引发驰振，使得在海洋能够达到的流速下圆柱振动幅值大幅增长，这使得可用于提取的水动力能量大幅增加即可以高效利用水动力。
Description
技术领域
本发明涉及发电设备领域，具体地，涉及一种驰振发电装置，特别是一种流向自适应的利用刚性分离盘的驰振发电装置。
背景技术
流致振动是弹性支撑或允许发生弹性形变的钝体在一定来流情况下会发生振动的物理现象。这种现象会导致海洋工程比如石油管道(细长柔性体)等结构物的疲劳破坏。流致振动分为涡激振动和驰振，涡激振动特性为对于不同约化速度会出现初始分支，上端分支和衰减分支，经典涡激振动会随着约化速度的增大呈现先增大后衰减的一个过程。相比较而言，驰振的特点是其幅值会随着约化速度的增长一直增长直到结构破坏，其振动幅值超过经典涡激振动。在结构强度足够大的情况下，驰振现象显然更适合用于水动力发电。目前已经利用驰振发电的密歇根大学的Bernitsas提出VIVACE(Vortex InducedVibration Aquatic Clean Energy)(美国专利US7493759)的概念并制作了样机，经济效益显著。但是目前为止由于其结构设计限制未能实现在真实海洋立管所处的复杂海洋情况的有效工作。由于洋流的方向多变以及驰振机理本身的研究进度，该方向的开发利用尚待研究。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种驰振发电装置。
根据本发明提供的驰振发电装置，包含振子机构、电磁感应机构以及分离盘机构；
振子机构通过流体实现驰振，振子机构在驰振时相对电磁感应机构发生切割磁感线运动，使得电磁感应机构在产生感应电流；
振子机构、分离盘机构在流体流动方向上依次布置。
优选地，所述振子机构包含振子主体，振子主体包含激振件与柱芯；柱芯贯穿安装在激振件的轴向通孔中；
激振件与柱芯直接紧固连接；或者，激振件通过设置的封接板与柱芯间接紧固连接。
优选地，所述振子机构还包含传振板与导向杆；
振子主体连接至传振板上，所述传振板上设置有导向套筒，导向杆滑动安装在导向套筒中；
所述导向杆沿长度延伸方向的两端中，一端固接，另一端上设置有杆端帽，导向套筒与杆端帽之间设置有第一弹簧。
优选地，振子主体沿轴向方向的两端均配设有传振板，传振板与导向杆一一对应；
所述传振板与振子主体转动连接，所述电磁感应机构安装在传振板上。
优选地，所述分离盘机构包含分离盘本体、分离盘夹、滚珠以及舵盘；
分离盘本体沿长度延伸方向的两端分别依次通过分离盘夹、滚珠安装至舵盘的滑道中。
优选地，所述分离盘机构还包含曲臂轴与分离盘支撑板；
所述舵盘通过设置的轴承与曲臂轴转动连接，多个曲臂轴通过所述分离盘支撑板相连。
优选地，还包含振子支撑板与电路支撑板；
所述导向杆的一端通过固定夹固接在振子支撑板上；所述电路支撑板沿长度延伸方向的两端中，一端固定连接在振子支撑板上，另一端转动连接至曲臂轴上；
布置在振子主体沿长度延伸方向两端上的两个电路支撑板上均设置有电路隔离板，两个电路隔离板上分别安装有阳极板、阴极板。
优选地，所述柱芯配设有垂直矫正器，所述垂直矫正器包含柱芯滑道部与夹持部，夹持部安装在柱芯滑道部上；
所述柱芯滑动安装在柱芯滑道部上的滑道中；夹持部能够在夹持状态与打开状态这两种状态之间转换：
所述夹持状态下，夹持部包含的夹片形成对分离盘夹的夹持；所述打开状态下，夹持部形成对分离盘夹的释放。
优选地，所述夹持部还包含带槽弹簧固结支架、夹片弹簧、扣接接头、弧形槽道、活栓、槽道栓以及栓接弹簧，多个夹片中包含有第一夹片与第二夹片；
第一夹片、第二夹片分别通过槽道栓安装在弧形槽道中，第一夹片的一端、第二夹片的一端分别通过夹片弹簧与扣接接头扣在弧形槽道的边缘，第一夹片的另一端与第二夹片的另一端通过活栓连接；
弧形槽道安装在带槽弹簧固结支架上，栓接弹簧沿轴向方向的两端分别连接至活栓、带槽弹簧固结支架；
所述栓接弹簧在释放状态下，夹持部处于打开状态。
优选地，所述电磁感应机构包含绝缘套筒、铁柱、接线柱、导线、电阻、导线桩以及蓄电池；
绝缘套筒安装在振子机构上，绝缘套筒内套置铁柱，铁柱两头的接线柱上缠绕的导线上连接有电阻与导线桩；所述导线还连接至所述蓄电池上。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过在圆柱后加相对振动固定的刚性分离盘引发驰振，使得在海洋能够达到的流速下圆柱振动幅值大幅增长，这使得可用于提取的水动力能量大幅增加即可以高效利用水动力；
2、本发明实现对复杂海洋来流不同流向的自适应以及远程自锁功能，这意味着本装置完全不需要人工调整装置；
3、本发明可以到达海洋远处或应用于远洋探索传感器上。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为驰振发电装置的正视图；
图2为驰振发电装置正视图在B-B向的剖视图；
图3为垂直矫正模块的三视图；
图4为图3中的A-A向带有扣接接头局部放大图的剖视图；
图5为弹触式锁定机制原理图。
图中示出
激振件1 轴承15 绝缘套筒28
柱芯2 曲臂轴16 铁柱29
封接板3 分离盘支撑板17 接线柱30
杆端帽4 柱芯滑道部18 导线31
传振板5 带槽弹簧固结支架19 电阻32
第一弹簧6 第一夹片20 导线桩33
导向套筒7 夹片弹簧21 蓄电池34
导向杆8 扣接接头22 电路隔离板35
固定夹9 弧形槽道23 阳极板36
振子支撑板10 活栓24 阴极板37
分离盘本体11 槽道栓25 垂直矫正器38
分离盘夹12 栓接弹簧26 分离盘夹运动内轮廓线39
滚珠13 第二夹片27 电路支撑板40
舵盘14
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1、图2所示，本发明提供的驰振发电装置，包含振子机构、电磁感应机构以及分离盘机构；振子机构通过流体实现驰振，振子机构在驰振时相对电磁感应机构发生切割磁感线运动，使得电磁感应机构在产生感应电流；振子机构、分离盘机构在流体流动方向上依次布置。
所述振子机构包含振子主体，振子主体包含激振件1与柱芯2；柱芯2贯穿安装在激振件1的轴向通孔中；激振件1与柱芯2直接紧固连接；或者，激振件1通过设置的封接板3与柱芯2间接紧固连接。实施例中，所述激振件1为圆柱形的振子，例如透明树脂镂空圆柱件，优选例中，激振件1还可以是例如横截面为多边形的其他形状的柱体结构，激振件1的制成材料也可以根据实际应用环境进行选择。
所述振子机构还包含传振板5与导向杆8；振子主体连接至传振板5上，所述传振板5上设置有导向套筒7，导向杆8滑动安装在导向套筒7中；所述导向杆8沿长度延伸方向的两端中，一端固接，另一端上设置有杆端帽4，导向套筒7与杆端帽4之间设置有第一弹簧6。通过上述结构的设置，使得整个振子机构组成弹性振子部分。优选地，传振板5上设置有多个导向套筒7，防止导向杆8相对导向套筒7发生径向的摆动，当存在多个导向套筒7时，所述第一弹簧6的轴向的一端接触至离杆端帽4最近的导向套筒7上。
实施例中，振子主体沿轴向方向的两端均配设有传振板5，传振板5与导向杆8一一对应；所述传振板5与振子主体转动连接，所述电磁感应机构安装在传振板5上。也就是说，所述振子主体沿长度方向的两端上的结构可以是对称布置的，该对称不一定是几何意义上的对称，而是指两端连接的部件与装配方式是一致的，以便于振子主体上产生的振动能够有效被导向至切割磁感线的方向上，提高发电效率。
分离盘机构用于引发激振件1驰振从而增强激振件1的振动幅值，所述分离盘机构包含分离盘本体11、分离盘夹12、滚珠13以及舵盘14；分离盘本体11沿长度延伸方向的两端分别依次通过分离盘夹12、滚珠13安装至舵盘14的滑道中。如图2所示，图中坐标中x轴方向为分离盘本体11的短轴方向，y轴方向为分离盘本体11的长轴方向。为适应不同方向来流，所述分离盘机构还包含曲臂轴16与分离盘支撑板17；所述舵盘14通过设置的轴承15与曲臂轴16转动连接，多个曲臂轴16通过所述分离盘支撑板17相连。此外，驰振发电装置还包含振子支撑板10与电路支撑板40；所述导向杆8的一端通过固定夹9固接在振子支撑板10上；所述电路支撑板40沿长度延伸方向的两端中，一端固定连接在振子支撑板10上，另一端转动连接至曲臂轴16上。通过上述结构的设计，振子机构与分离盘机构均能够绕曲臂轴16转动；由于传振板5与振子主体之间转动连接，也使得导向杆8、振子支撑板10等结构也能相对柱芯2转动，进而为振子机构适应来流方向，以及让分离盘本体11始终位于振子主体沿来流方向的后方，提供了实现平台。优选地，所述传振板5与振子机构所包含的封接板3转动连接，进一步优选地，所述封接板3为方形板，当然，封接板3也可以是其他多边形板或者圆形等形状的板材，根据实际需求进行选择。
所述柱芯2配设有垂直矫正器38，通过垂直矫正器38来使得分离盘本体11始终位于振子主体沿来流方向的后方。具体地，如图3、图4所示，所述垂直矫正器38包含柱芯滑道部18与夹持部，夹持部安装在柱芯滑道部18上；所述柱芯2滑动安装在柱芯滑道部18上的滑道中；夹持部能够在夹持状态与打开状态这两种状态之间转换：所述夹持状态下，夹持部包含的夹片形成对分离盘夹12的夹持；所述打开状态下，夹持部形成对分离盘夹12的释放。所述夹持部还包含带槽弹簧固结支架19、夹片弹簧21、扣接接头22、弧形槽道23、活栓24、槽道栓25以及栓接弹簧26，多个夹片中包含有第一夹片20与第二夹片27；第一夹片20、第二夹片27分别通过槽道栓25安装在弧形槽道23中，第一夹片20的一端、第二夹片27的一端分别通过夹片弹簧21与扣接接头22扣在弧形槽道23的边缘，第一夹片20的另一端与第二夹片27的另一端通过活栓24连接；弧形槽道23安装在带槽弹簧固结支架19上，栓接弹簧26沿y轴向方向的两端分别连接至活栓24、带槽弹簧固结支架19；所述栓接弹簧26在释放状态下，夹持部处于打开状态。优选地，所述垂直矫正器38连接在传振板5上。
如图5所示，分离盘夹12绕曲臂轴16转动，弧形槽道23外缘与分离盘夹运动内轮廓线39部分重合，当分离盘夹12在流体作用下带有一定速度冲向夹片时，触到第一夹片20/第二夹片27，产生微小冲击，使得扣在弧形槽道23外缘上的夹片弹簧21与扣接接头22弹开，第一夹片20与第二夹片27绕着槽道栓25转动，直端被拉下去，圆端闭合，从而合拢夹住分离盘夹12。进而当激振件1振动时，垂直矫正器38能保证分离盘本体11始终在振子主体初始位置的正后方。进一步地，所述舵盘14由于也能绕着曲臂轴16转动，进一步保证了分离盘本体11始终在振子主体初始位置的正后方的技术效果的实现。
实施例中，所述电磁感应机构包含绝缘套筒28、铁柱29、接线柱30、导线31、电阻32、导线桩33以及蓄电池34；绝缘套筒28安装在振子机构所包含的传振板5上，绝缘套筒28内套置铁柱29，铁柱29两头的接线柱30上缠绕的导线31上连接有电阻32与导线桩33；所述导线31还连接至所述蓄电池34上。上述结构也使得运动过程中导线31的长短变化能够得到及时的调整。布置在振子主体沿长度延伸方向两端上的两个电路支撑板40上均设置有电路隔离板35，两个电路隔离板35上分别安装有阳极板36、阴极板37。
工作原理：
当流体从某一方向流过来时，流体使可旋转的分离盘本体11旋转至其短轴方向与来流方向平行；此时触发垂直矫正器38的弹触式锁定机构锁定分离盘本体11位置。流场流经圆柱及分离盘会产生涡脱，引发振子主体振动，带动铁棒29振动并切割阳极板36与阴极板37之间的磁感线，从而进行发电。电能既可以被蓄电池34所储存，也可以直接送入到功能性的电路中。当流场方向再次发生改变时，由于弹簧振子系统的可旋转性可使得整个系统再次垂直来流方向，由于垂直矫正器38的存在，分离盘本体11会绕轴转动但其短轴依然平行于来流方向。
优选实施方式：
驰振发电装置采用圆柱形的激振件1，相比其他形状的激振件1，圆柱形本身在真实海况下物理形状等特征比较稳定，而且相对不对称截面来说，具有更优秀的抵抗海水剥蚀以及防止微生物附着的性能；此外，在加工工艺方面，圆柱形也比其他截面形状的激振件1更加简单经济。驰振发电装置主要分为四个部分，即可旋转的弹性振子部分、二重可旋转的分离盘机构、垂直矫正器38以及电磁感应机构。弹性振子部分与分离盘机构的设置，将水动力转化为激振件1的振动动能，进而带动电磁感应机构中的铁柱29切割磁感线，再上接修正电路给蓄电池34充电。
为使振子主体稳定发生驰振、进而使电磁感应机构高效发电，一方面，圆柱形的激振件1应具有应对各个方向来流的适应性，另一方面，还应使得分离盘本体11的长轴对应侧面式中垂直于激振件1的振动方向。来流如果在某一时刻流向改变，圆柱形的激振件1瞬态振动型态发生改变，横向升力发生改变。分离盘机构是双轴可转，由于垂直矫正器38其内部轴锁定保证其柱芯2始终垂直圆柱形的激振件1横向振动方向，但是分离盘夹又可保证其始终平行于来流方向。同时随着垂直矫正器38和分离盘本体11的整体调整，弹性振子部分也将旋转从而始终保持其与流体垂直。通过对刚性的分离盘本体11的长短轴长度进行优化，在实验条件下能够在约化速度5以后振动幅值能够达到不加刚性分离盘本体11的幅值的3倍以上。这对于依靠切割磁感线的，对通量敏感的发电方式十分有意义。
弹性振子部分的可旋转是通过传振板5可绕圆柱形的激振件1的柱芯2自由转动来实现的。在分离盘本体11上下各布置两个圆截面分离盘夹12，分离盘夹12顶端接滚珠13(优选为钢珠)在圆形舵盘14的两条滑道内滚动，实现第一层转动自由度；圆形舵盘14与曲臂轴16通过轴承15连接，进而可绕轴承15转动实现第二层转动自由度。垂直矫正器38搭接而并非焊接在弹性振子部分的柱芯2上，依据分离盘夹12的圆截面杆的运动轨迹布置垂直矫正器38。使用弹触式锁定分离盘机构。当海水从某一方向流过来，将可旋转的分离盘本体11的短轴冲至与海水流向平行，此时分离盘夹12的圆截面杆由于在海水作用力下有一个速度使其接触到垂直矫正器38的弹触式锁夹结构的夹持部的其中一个夹片上，夹持部切换至夹持状态，并使得分离盘机构被锁定从而相对圆柱形的激振件1固定。铁棒29会切割磁感线产生电流，铁棒29经由接线柱30、导线31上接一个承接板，承接板端部固结在曲臂轴16竖直部分，由于导线31可能会有长度变化，进而还设置有导线桩33，电路中还接有用于调节电压的电阻32和用于储电的蓄电池34。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种驰振发电装置，其特征在于，包含振子机构、电磁感应机构以及分离盘机构；
振子机构通过流体实现驰振，振子机构在驰振时相对电磁感应机构发生切割磁感线运动，使得电磁感应机构在产生感应电流；
振子机构、分离盘机构在流体流动方向上依次布置；
所述电磁感应机构包含绝缘套筒(28)、铁柱(29)、接线柱(30)、导线(31)、电阻(32)、导线桩(33)以及蓄电池(34)；
绝缘套筒(28)安装在振子机构上，绝缘套筒(28)内套置铁柱(29)，铁柱(29)两头的接线柱(30)上缠绕的导线(31)上连接有电阻(32)与导线桩(33)；所述导线(31)还连接至所述蓄电池(34)上。
2.根据权利要求1所述的驰振发电装置，其特征在于，所述振子机构包含振子主体，振子主体包含激振件(1)与柱芯(2)；柱芯(2)贯穿安装在激振件(1)的轴向通孔中；
激振件(1)与柱芯(2)直接紧固连接；或者，激振件(1)通过设置的封接板(3)与柱芯(2)间接紧固连接。
3.根据权利要求2所述的驰振发电装置，其特征在于，所述振子机构还包含传振板(5)与导向杆(8)；
振子主体连接至传振板(5)上，所述传振板(5)上设置有导向套筒(7)，导向杆(8)滑动安装在导向套筒(7)中；
所述导向杆(8)沿长度延伸方向的两端中，一端固接，另一端上设置有杆端帽(4)，导向套筒(7)与杆端帽(4)之间设置有第一弹簧(6)。
4.根据权利要求3所述的驰振发电装置，其特征在于，振子主体沿轴向方向的两端均配设有传振板(5)，传振板(5)与导向杆(8)一一对应；
所述传振板(5)与振子主体转动连接，所述电磁感应机构安装在传振板(5)上。
5.根据权利要求3所述的驰振发电装置，其特征在于，所述分离盘机构包含分离盘本体(11)、分离盘夹(12)、滚珠(13)以及舵盘(14)；
分离盘本体(11)沿长度延伸方向的两端分别依次通过分离盘夹(12)、滚珠(13)安装至舵盘(14)的滑道中。
6.根据权利要求5所述的驰振发电装置，其特征在于，所述分离盘机构还包含曲臂轴(16)与分离盘支撑板(17)；
所述舵盘(14)通过设置的轴承(15)与曲臂轴(16)转动连接，多个曲臂轴(16)通过所述分离盘支撑板(17)相连。
7.根据权利要求6所述的驰振发电装置，其特征在于，还包含振子支撑板(10)与电路支撑板(40)；
所述导向杆(8)的一端通过固定夹(9)固接在振子支撑板(10)上；所述电路支撑板(40)沿长度延伸方向的两端中，一端固定连接在振子支撑板(10)上，另一端转动连接至曲臂轴(16)上；
布置在振子主体沿长度延伸方向两端上的两个电路支撑板(40)上均设置有电路隔离板(35)，两个电路隔离板(35)上分别安装有阳极板(36)、阴极板(37)。
8.根据权利要求5所述的驰振发电装置，其特征在于，所述柱芯(2)配设有垂直矫正器(38)，所述垂直矫正器(38)包含柱芯滑道部(18)与夹持部，夹持部安装在柱芯滑道部(18)上；
所述柱芯(2)滑动安装在柱芯滑道部(18)上的滑道中；夹持部能够在夹持状态与打开状态这两种状态之间转换：
所述夹持状态下，夹持部包含的夹片形成对分离盘夹(12)的夹持；所述打开状态下，夹持部形成对分离盘夹(12)的释放。
9.根据权利要求8所述的驰振发电装置，其特征在于，所述夹持部还包含带槽弹簧固结支架(19)、夹片弹簧(21)、扣接接头(22)、弧形槽道(23)、活栓(24)、槽道栓(25)以及栓接弹簧(26)，多个夹片中包含有第一夹片(20)与第二夹片(27)；
第一夹片(20)、第二夹片(27)分别通过槽道栓(25)安装在弧形槽道(23)中，第一夹片(20)的一端、第二夹片(27)的一端分别通过夹片弹簧(21)与扣接接头(22)扣在弧形槽道(23)的边缘，第一夹片(20)的另一端与第二夹片(27)的另一端通过活栓(24)连接；
弧形槽道(23)安装在带槽弹簧固结支架(19)上，栓接弹簧(26)沿轴向方向的两端分别连接至活栓(24)、带槽弹簧固结支架(19)；
所述栓接弹簧(26)在释放状态下，夹持部处于打开状态。
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