CN110071600A - 基于定向水流管道的直线变旋转发电系统的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于定向水流管道的直线变旋转发电系统及方法，属于流体动力学领域。其特征在于：包括随动管、发电组件(永久磁铁/线圈/导线组)、摆动杆、弹簧结构、布置有安装孔的固定底座。本发明提供一种基于定向水流管道的直线变旋转发电系统以及发电方法，随动管由于水流流经障碍物，在障碍物后形成涡流，涡的扰动导致其随着下部的弹簧结构发生水平摆动，并且通过摆动杆将直线变旋转运动，使导线组旋转，使其内部的发电组件静止件与随动件之间发生相对运动，利用切割磁感线的原理进行发电。该基于定向水流管道的直线变旋转发电系统的优点在于改善了摆动件近固定端部分摆动幅度较小的问题，利用杆件连接摆动幅度最大的一端，使直线运动转变为旋转运动，增大了发电效率。

Description

基于定向水流管道的直线变旋转发电系统的方法
技术领域
本发明涉及一种基于定向水流管道的直线变旋转发电系统的方法，属于流体动力学领域。
背景技术
自然界中的水体在流动过程中产生的能量称为水能，水能的重要应用就是水力发电。水力发电是利用河流、湖泊中的水流经不同高度地形时产生的能量来发电，目前的水力发电是由水轮发电机组中的水轮机和发电机实现水的位能向机械能再向电能的二次转换实现的。按水电站装机容量的大小可分为大、中、小型水电站，而目前的小水电站由于小规模的电力生产造成单位装机容量成本较高。另外，一般水力发电是通过集中水头引导高速度水流冲击水轮机以带动发电机发电，由于运动部件的存在，因此必然避免不了整个系统定期的维护，所需成本较高。为此，本发明提出一种基于定向水流管道的直线变旋转发电系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于定向水流管道的直线变旋转发电系统的方法，其优点在于改善了摆动件靠近固定端部分摆动幅度较小的问题，利用杆件连接摆动幅度最大的一端，使直线运动转变为旋转运动，增大了机械能利用率，增大了发电效率。
所述一种基于定向水流管道的直线变旋转发电系统，其特征在于：从上向下依次包括顶盖、随动管、柔性半支撑管、刚性连接管、固定底座；上述随动管内安装第一发电模块，第一发电模块由若干永久磁铁、线圈、固定杆组成；其中永久磁铁通过杆件水平固定安装于随动管腔体内，线圈布置于每个永久磁铁周围，通过固定杆固定安装于固定底盘；随动管侧壁外表面具有不规则凹槽；上述刚性连接管内安装第二发电模块，第二发电模块由过摆动杆、导线组、C形永久磁铁、集电环、旋转轴固定杆组成；上述摆动杆呈倒置的T型结构，其上部与顶盖固定连接，下部为水平延伸臂；C形永久磁铁嵌于刚性连接管侧壁内圈；导线组呈环形，两侧由摆动杆的水平延伸臂卡箍固定；导线组通过旋转轴固定杆和摆动杆安装于刚性连接管内部，并与C形永久磁铁位于同一水平位置；导线组与集电环连接。
上述柔性半支撑管由弹簧结构和柔性防水密封套组成；柔性半支撑管一端连接随动管，一端连接刚性连接管。柔性防水密封套的材质可以是金属，也可以是非金属，须具有一定的柔性。若流体具有腐蚀性，则上述随动管、弹簧结构、柔性防水密封套以及刚性连接盘需采用耐腐蚀材料。C形永久磁铁安装于刚性连接盘内部，不与外流场接触。
所述一种基于定向水流管道的直线变旋转发电系统的发电方法，其特征在于以下过程：随动管由于流体流经障碍物，在障碍物后形成涡流，涡的扰动导致其随着下部的弹簧结构发生水平摆动；第一部分发电模块，由于随动管的摆动带动固定于其内壁的永久磁铁也发生水平摆动，线圈通过固定杆固定安装于固定底盘保持静止，利用线圈定向往复切割磁感线的原理进行发电；第二部分发电模块，导线组通过摆动杆与随动管顶盖的连接，由于随动管的摆动带动其发生一定角度的往复旋转，利用导线旋转往复切割磁感线的原理进行发电。
上述基于定向水流管道的直线变旋转发电系统，其特征在于：弹簧结构的弹簧倔强系数的选择，以及随动管上的不规则凹槽所占面积或凹槽数目的选择，根据管道内水流速度而定，以调整发电系统摆动频率，与涡脱频率达到共振。
上述基于定向水流管道的直线变旋转发电系统，其特征在于：集电环布置时为一个或两个；当为一个集电环时，集电环的一圈分两部分导电体，两部分导电体之间以绝缘体隔断，两部分导电体分别与导线组两端的碳刷接触；当为两个集电环时，两集电环之间以绝缘连接固定杆固定，不接触，两集电环分别与导线组两端的碳刷接触。
上述基于定向水流管道的直线变旋转发电系统，其特征在于：将系统应用于管道中使用时，其顶部远离相对管壁的低能流区域，即要求第一部分发电模块顶部与相对管壁的距离大于10mm，且第一部分发电模块底部与弹簧结构(10)顶部的水平高度间距应大于2mm，即保证弹簧结构(10)的自由摆动不受第一部分发电模块的影响。
附图说明
图1是定向水流管道的直线变旋转发电系统示意图；
图2是定向水流管道的直线变旋转发电系统导线组部分俯视图；
图3是定向水流管道的直线变旋转发电系统选取一个集电环方案示意图；
图4是定向水流管道的直线变旋转发电系统选取两个集电环方案示意图；
图中标号名称：1永久磁铁，2线圈，3固定杆，4随动管，5不规则凹槽，6摆动杆，7导线组，8C形永久磁铁，9集电环，10弹簧结构，11柔性防水密封套，12固定底盘，13刚性连接盘，14安装孔，15旋转轴固定杆，16旋转轴，17碳刷，18绝缘连接固定杆。
具体实施方式
将定向水流管道的直线变旋转发电系统通过固定底座的安装孔安装于管道中，其顶部与相对管壁的距离大于10mm使得远离相对管壁的低能流区域。
随动管由于水流流经障碍物，在障碍物后形成涡流，涡的扰动导致其随着下部的弹簧结构发生水平摆动；
第一部分发电模块，随动管的摆动带动固定于其内壁的永久磁铁也发生水平摆动，线圈通过固定杆固定安装于固定底盘保持静止，利用线圈定向往复切割磁感线的原理进行发电；
第二部分发电模块，随动管的摆动带动导线组发生一定角度的往复旋转，利用导线往复切割磁感线的原理进行发电；
发出的交流电经整流器转换为直流电，输入蓄电池蓄电或直接给用电器供电。

Claims (5)

1.一种基于定向水流管道的直线变旋转发电系统，其特征在于：
从上向下依次包括顶盖、随动管(4)、柔性半支撑管、刚性连接管(13)、固定底座(12)；
上述随动管(4)内安装第一发电模块，第一发电模块由若干永久磁铁(1)、线圈(2)、固定杆(3)组成；其中永久磁铁(1)通过杆件水平固定安装于随动管(4)腔体内，线圈(2)布置于每个永久磁铁周围，通过固定杆(3)固定安装于固定底盘(12)；随动管(4)侧壁外表面具有不规则凹槽(5)；
上述刚性连接管(13)内安装第二发电模块，第二发电模块由过摆动杆(6)、导线组(7)、C形永久磁铁(8)、集电环(9)、旋转轴固定杆(15)组成；上述摆动杆(6)呈倒置的T型结构，其上部与顶盖固定连接，下部为水平延伸臂；C形永久磁铁(8)嵌于刚性连接管(13)侧壁内圈；导线组(7)呈环形，两侧由摆动杆(6)的水平延伸臂卡箍固定；导线组(7)通过旋转轴固定杆(15)和摆动杆(6)安装于刚性连接管(13)内部，并与C形永久磁铁位于同一水平位置；导线组(7)与集电环(9)连接；
上述柔性半支撑管由弹簧结构(10)和柔性防水密封套(11)组成；柔性半支撑管一端连接随动管(4)，一端连接刚性连接管(13)。
2.根据权利要求1所述的基于定向水流管道的直线变旋转发电系统，其特征在于：
上述弹簧结构(10)的弹簧倔强系数的选择，以及随动管(4)上的不规则凹槽(5)所占面积或凹槽数目的选择，根据管道内水流速度而定，以调整发电系统摆动频率，与涡脱频率达到共振。
3.根据权利要求1所述的基于定向水流管道的直线变旋转发电系统，其特征在于：
上述集电环(9)布置时为一个或两个；
当为一个集电环时，集电环的一圈分两部分导电体，两部分导电体之间以绝缘体隔断，两部分导电体分别与导线组两端的碳刷(17)接触；
当为两个集电环时，两集电环之间以绝缘连接固定杆(18)固定，不接触，两集电环分别与导线组两端的碳刷(17)接触。
4.根据权利要求1~3所述的基于定向水流管道的直线变旋转发电系统的方法，其特征在于以下过程：
随动管(4)由于流体流经障碍物，在障碍物后形成涡流，涡的扰动导致其随着下部的弹簧结构(10)发生水平摆动；
第一部分发电模块，由于随动管(4)的摆动带动固定于其内壁的永久磁铁(1)也发生水平摆动，线圈(2)通过固定杆(3)固定安装于固定底盘(12)保持静止，利用线圈定向往复切割磁感线的原理进行发电；
第二部分发电模块，导线组(7)通过摆动杆(6)与随动管(4)顶盖的连接，由于随动管(4)的摆动带动其发生一定角度的往复旋转，利用导线旋转往复切割磁感线的原理进行发电；
发出的交流电经整流器转换为直流电，输入蓄电池蓄电或者直接给用电器供电。
5.根据权利要求1所述的基于定向水流管道的直线变旋转发电系统的方法，其特征在于：
将系统应用于管道中使用时，其顶部远离相对管壁的低能流区域，即要求第一部分发电模块顶部与相对管壁的距离大于10mm，且第一部分发电模块底部与弹簧结构(10)顶部的水平高度间距应大于2mm。
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