CN110798016B - 一种模块化流致振动发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种模块化流致振动发电装置，包括从下到上依次设置的底座、下传动层、框架结构、上传动层和发电层，框架结构内设有与上传动层和下传动层连接的振子A和振子B并形成流道层，上传动层和下传动层内均设置有拉力弹簧、线性滑轨、传动滑块、从动滑块、移动滑块、固定挂钩、定滑轮、支撑杆和钢丝绳；传动滑块限位于线性滑轨之上；振子A与振子B通过支撑杆与上下传动层的传动滑块连接；传动滑块与从动滑块通过支撑杆连接；拉力弹簧两端分别连接有固定挂钩与移动滑块；设有移动滑块的一侧设有定滑轮，从动滑块通过钢丝绳绕过定滑轮与移动滑块相连；发电层内设置有固定支架、转动滑轮A‑F、传送带、齿轮A‑D和发电机。

Description

一种模块化流致振动发电装置
技术领域
本发明属于流体力学及新能源发电领域，特别是一种模块化流致振动发电装置。
背景技术
随着全球化石能源的日趋枯竭，可再生能源的开发利用已刻不容缓，海流能作为一种新型的可再生清洁能源正逐渐被人们熟知。我国幅员辽阔，其中海域包括渤海、黄河、东海和南海，据统计我国海流能单沿岸流的理论可开发量就可达14万MW，相当于70个三峡水电站的装机容量，可见其蕴藏量之庞大。海流发电装置多以桨叶式为主，但其启动流速较高，在多数低速海域内无法使用，从而造成海流能源利用不佳。然而，美国密歇根大学的Bernitsas团队开创性地研发出一种低速洋流发电装置：VIVACE(Vortex InducedVibration for Aquatic Clean Energy)，充分地将流致振动与海流能开发技术相结合，利用了绕流圆柱振子的流致振动产生的绕流物体的动能来获取低速水流中的能量并将能量最终转化为电能。
目前，许多学者对VIVACE的振动机理与发电能力评估进行了大量研究，但存在诸多技术难题未曾突破。首先，VIVACE在水下发电，发电装置势必完全淹没在水中，这对振子的振动、滑块的滑动、传动装置的运行及发电机等结构的水下工作提出了很大挑战。其次，系统在运行过程中尽可能处于封闭的环境当中，使得流态稳定，保证发电质量。因此，发电装置需要设置有效的可快速调节系统的参数的机构，以提高发电设施的应用范围。再次，系统在发电过程中振动幅度较大，需要具备良好的基础结构保证发电装置安全稳定。另外，如何有效布置发电设备的机构部件，使得空间占用率最低，尽可能将有限流场内的发电能力发挥到最大也是一个值得探究的问题。
为此，本发明提出了一种流致振动发电装置，该装置以模块化为基本思路，将发电层、传动层、流道层分开，保证发电稳定性的同时优化了机构的空间布局。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种模块化流致振动发电装置，该装置采用的振子为竖向振子，装置的流道层与传动层分离，振子既能有效的进行振动发电，又扩大了海流发电的适用范围，并减少了发电、传动等机械空间，保证空间利用的最大化。另外，且大大降低了自由表面和底部边界对发电装置的功率和效率的影响，增强了工程实用性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种模块化流致振动发电装置，包括从下到上依次设置的底座、下传动层、框架结构、上传动层和发电层，所述框架结构内设有与所述上传动层和下传动层连接的振子A和振子B并形成流道层；
所述上传动层和下传动层均设置有拉力弹簧、线性滑轨、传动滑块、从动滑块、移动滑块、固定挂钩、定滑轮、支撑杆和钢丝绳；所述线性滑轨通过端部卡扣固定在上传动层和下传动层内，每个线性滑轨上设置有传动滑块，传动滑块的一端通过所述支撑杆连接有所述从动滑块，传动滑块的另一端通过支撑杆与所述振子A或振子B连接；
所述从动滑块的两侧分别设有所述拉力弹簧，所述拉力弹簧两端分别连接有固定挂钩与移动滑块；设有移动滑块的一侧设有所述定滑轮，所述从动滑块通过钢丝绳绕过定滑轮与移动滑块相连；
所述上传动层的从动滑块同时与发电层中转动滑轮A、F之间的传送带相连接。
发电层内设置有固定支架、转动滑轮A-F、传送带、齿轮A-D和发电机，所述转动滑轮A与转动滑轮F通过传送带连接上传动层的从动滑块，所述转动滑轮E与转动滑轮F使用同一轴承连接，同时同向转动；所述转动滑轮B与转动滑轮A使用同一轴承连接，同时同向转动；所述转动滑轮B与转动滑轮C使用传送带连接，转动滑轮D与转动滑轮E使用传送带连接；所述齿轮A配有单向离合器，并与转动滑轮C连接，齿轮A与转动滑轮C同时向顺时针方向转动时齿轮A锁止；所述齿轮D配有单向离合器，并与转动滑轮D连接，齿轮D与转动滑轮D同时向逆时针方向转动时齿轮D锁止；所述齿轮A、齿轮B、齿轮C和齿轮D依次相互啮合，所述齿轮C与发电机转子连接。
进一步的，所述振子A和振子B间隔三到五倍直径距离在水流来流方向上一前一后布置在流道层中部。
进一步的，所述固定支架上均布置有销钉，便于拼接固定，形成阵列发电。
进一步的，所述振子A和振子B截面形状为三棱柱、六棱柱或圆柱形。
进一步的，所述振子A与振子B各自连接的上、下传动层均对称布置，工作机制完全相同。
进一步的，所述振子A、振子B由直径为0.1m碳纤维材料制成。
进一步的，齿轮A和齿轮D均配有单向离合器。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明发电装置采用竖向布置振子，且仅有振子裸露在流道层内，使得本装置在半淹没和完全淹没工况下均可实现能量的高效利用；另外，一个模块内一前一后布置一对振子可进一步利用两振子的相互扰动作用提高能量利用率，节省空间、保证各设备合理布局。
2.本装置的流道层与传动层、发电层分离，传动层和发电层均为封闭结构，防止海水的侵蚀，延长装置的工作寿命；同时采用可拆卸式顶部、底部双传动层，方便调节系统刚度，更加保证了装置运行的稳定性。
3.本装置将单项离合器应用在传动层，实现了直流电的持续输出。
4.本装置的整体框架结构和四棱台底座固定在相应的流道内，大大加强了装置的稳定性，保证了发电装置的安全与稳定。
5.本装置在安装与检修方面也具有突出的优势，本装置采用模块化安装，可前后拼接，在流道里形成阵列发电；单个模块具有空间占用小且功能全面的特点，各个模块在工作和检修过程中相互扰动小，同时使得装置的初始安装和后续保养检修更加方便高效，模块安装完成之后更便于整场的电能输送，增强了工程实用性。
6.该装置整体框架结构，流道层、传动层和发电层结构设计简单，易于制造，便于拆卸更替，降低了制造与安装成本，具有良好的经济适用性。
附图说明
图1为本发明发电装置的立体结构示意图；
图2为本发明发电装置发电层、上传动层立体示意图
图3为本发明发电装置下传动层立体示意图
附图标记：1-发电层；2-上传动层；3-框架结构；4-下传动层；5-底座；6-振子A；7-振子B；8-固定支架；9A-9F-转动滑轮；10-传送带；11A-11D-齿轮；12-发电机；13-拉力弹簧；14-线性滑轨；15-传动滑块；16-从动滑块；17-移动滑块；18-固定挂钩；19-销钉；20-定滑轮；21-支撑杆；22-钢丝绳。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种模块化流致振动直流发电装置是由发电层1、上传动层2、框架结构3、下传动层4、底座5、振子A6、振子B7、固定支架8、转动滑轮9A-9F、传送带10、齿轮11A-11D、发电机12、拉力弹簧13、线性滑轨14、传动滑块15、从动滑块16、移动滑块17、固定挂钩18、销钉19、定滑轮20、支撑杆21、钢丝绳22组成。
振子A6、振子B7选用直径为0.1m的碳纤维材料制作，振子A6和振子B7间隔五倍直径距离在水流方向上一前一后布置在流道层中部。流道层上部为上传动层2，流道层下部为下传动层4。上、下传动层尺寸均为1m×1m×0.3m，采用厚度为0.01m的耐腐蚀材料制作，上、下传动层内的拉力弹簧13、线性滑轨14、传动滑块15、从动滑块16、移动滑块17、固定挂钩18、定滑轮20、钢丝绳22均可根据振动需求进行匹配选购，支撑杆21选用直径为0.05m的刚性碳纤维材料制作，上、下传动层均为封闭结构。上传动层2的上层为发电层1，发电层1包括固定支架8、转动滑轮9A-9F、传送带10、齿轮11A-11D，发电机12选配直流发电机；转动滑轮9A与转动滑轮9F通过传送带10连接从动滑块16；转动滑轮9E与转动滑轮9F使用同一轴承连接，同时同向转动；转动滑轮9B与转动滑轮9A使用同一轴承连接，同时同向转动；转动滑轮9B与转动滑轮9C使用传送带10连接，转动滑轮9D与转动滑轮9E使用传送带10连接；齿轮11A与转动滑轮9C使用轴承连接，齿轮11A配有单向离合器，齿轮11A与转动滑轮9C同时顺时针转动齿轮11A锁止；齿轮11D与转动滑轮9D使用轴承连接，齿轮11D配有单向离合器，齿轮11D与转动滑轮9D同时逆时针转动齿轮11D锁止；齿轮11A带动齿轮11B转动，齿轮11B与齿轮11D带动齿轮11C转动；齿轮11C与发电机转子连接。通过如图2的传动装置实现了无论振子向哪个方向旋转，都能实现发电机12的单向转动工作，从而实现直流发电。
本实施例中，如图3所示，线性滑轨14两端通过卡扣固定在上传动层和下传动层内。
上传动层2中，如图2所示，由两个相互平行的线性滑轨14组成，线性滑轨14上设置有传动滑块15；传动滑块15顶部与从动滑块16通过支撑杆21相互连接，传动滑块15底部通过所述支撑杆21与所述振子B7连接；所述拉力弹簧13两端分别连接有固定挂钩18与移动滑块17；设有移动滑块17的一侧设有所述定滑轮20，所述从动滑块16通过钢丝绳22绕过定滑轮20与移动滑块17相连；从动滑块16同时与发电层中转动滑轮9A、9F之间的传送带相连接。
下传动层中，如图3所示，由两个相互平行的线性滑轨14组成，线性滑轨14上设置有传动滑块15；传动滑块15底部与从动滑块16通过支撑杆21相互连接，传动滑块15顶部通过所述支撑杆21与所述振子A6连接；所述拉力弹簧13两端分别连接有固定挂钩18与移动滑块17；设有移动滑块17的一侧设有所述定滑轮20，所述从动滑块16通过钢丝绳22绕过定滑轮20与移动滑块17相连。
上、下传动层前、后两侧边壁上均布置如图3所示的销钉19方便装置的拼接固定，形成阵列发电。A6和振子B7截面形状可选三棱柱、六棱柱、圆柱等，材料可选用碳纤维等耐腐蚀材料，减少水体对振子的腐蚀，从而延长振子的使用寿命；拉力弹簧13可更换为不同刚度的拉力弹簧，以满足不同工况下不同系统刚度的需求；装置的框架结构3考虑系统强度的要求可选用为钢材，固定支架8可考虑选用铝合金材料制作。发电机12可根据需求选择相应型号参数。
振子A6与振子B7各自连接的上、下传动层都按如图1对称布置，工作机制完全相同。下面就以振子B7为例进行详细阐述。
水流流过流道层，水流导致振子B7发生流致振动。振子B7发生沿线性滑轨14方向的单自由度振动。当振子B7振动时，带动上、下传动层中传动滑块15滑动。传动层中：传动滑块15带动从动滑块16滑动，与此同时与从动滑块16通过钢丝绳22绕过定滑轮20连接的移动滑块17滑动，拉力弹簧13受到拉伸，传送带10由从动滑块16带动移动，通过齿轮组带动发电机发电。
如图2所示，若从动滑块16向转动滑轮9A方向移动，转动滑轮9A与转动滑轮9F发生逆时针转动；从而带动转动滑轮9B与转动滑轮9E同样发生逆时针转动；转动滑轮9C与转动滑轮9D也随之发生逆时针转动；此工况下，配有单向离合器的齿轮11D发生逆时针转动锁止，带动与发电机转子12相连接的齿轮11C发生顺时针转动，进而带动齿轮11B逆时针转动，则单向离合器的齿轮11A发生顺时针转动，此时齿轮11A的单向离合器发生作用，齿轮11A的顺时针转动与转动滑轮9D的逆时针转动转向相反，但不发生锁止。
若从动滑块16向转动滑轮9F方向移动，转动滑轮9A与转动滑轮9F发生顺时针针转动；从而带动转动滑轮9B与转动滑轮9E同样发生顺时针转动；转动滑轮9C与转动滑轮9D也随之发生顺时针转动；此工况下，配有单向离合器的齿轮11A发生顺时针转动锁止，带动齿轮11B逆时针转动，则带动与发电机转子12相连接的齿轮11C发生顺时针转动，则单向离合器的齿轮11D发生逆时针转动，此时与齿轮11D的单向离合器发生作用，齿轮11D的逆时针转动与转动滑轮9D的顺时针转动转向相反，但不发生锁止。
不论振子在沿线性滑轨14方向上向哪个方向发生移动，与发电机转子相连的齿轮都沿顺时针方向转动，电机输出的电压信号为直流电压信号。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模块化流致振动发电装置，其特征在于，包括从下到上依次设置的底座、下传动层、框架结构、上传动层和发电层，所述框架结构内设有与所述上传动层和下传动层连接的振子A和振子B并形成流道层；
所述上传动层和下传动层均设置有拉力弹簧、线性滑轨、传动滑块、从动滑块、移动滑块、固定挂钩、定滑轮、支撑杆和钢丝绳；所述线性滑轨通过端部卡扣固定在上传动层和下传动层内，每个线性滑轨上设置有传动滑块，传动滑块的一端通过所述支撑杆连接有所述从动滑块，传动滑块的另一端通过支撑杆与所述振子A或振子B连接；
所述从动滑块的两侧分别设有所述拉力弹簧，所述拉力弹簧两端分别连接有固定挂钩与移动滑块；设有移动滑块的一侧设有所述定滑轮，所述从动滑块通过钢丝绳绕过定滑轮与移动滑块相连；
所述上传动层的从动滑块同时与发电层中转动滑轮A、F之间的传送带相连接；
发电层内设置有固定支架、转动滑轮A-F、传送带、齿轮A-D和发电机，所述转动滑轮A与转动滑轮F通过传送带连接上传动层的从动滑块，所述转动滑轮E与转动滑轮F使用同一轴承连接，同时同向转动；所述转动滑轮B与转动滑轮A使用同一轴承连接，同时同向转动；所述转动滑轮B与转动滑轮C使用传送带连接，转动滑轮D与转动滑轮E使用传送带连接；所述齿轮A配有单向离合器，并与转动滑轮C连接，齿轮A与转动滑轮C同时向顺时针方向转动时齿轮A锁止；所述齿轮D配有单向离合器，并与转动滑轮D连接，齿轮D与转动滑轮D同时向逆时针方向转动时齿轮D锁止；所述齿轮A、齿轮B、齿轮C和齿轮D依次相互啮合，所述齿轮C与发电机转子连接。
2.根据权利要求1所述一种模块化流致振动发电装置，其特征在于，所述振子A和振子B间隔三到五倍直径距离在水流来流方向上一前一后布置在流道层中部。
3.根据权利要求1所述一种模块化流致振动发电装置，其特征在于，所述固定支架上均布置有销钉，便于拼接固定，形成阵列发电。
4.根据权利要求1所述一种模块化流致振动发电装置，其特征在于，所述振子A和振子B截面形状为三棱柱、六棱柱或圆柱形。
5.根据权利要求1所述一种模块化流致振动发电装置，其特征在于，所述振子A与振子B各自连接的上、下传动层均对称布置，工作机制完全相同。
6.根据权利要求1所述一种模块化流致振动发电装置，其特征在于，所述振子A、振子B由直径为0.1m碳纤维材料制成。
7.根据权利要求1所述一种模块化流致振动发电装置，其特征在于，齿轮A和齿轮D均配有单向离合器。
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