CN113898518B - 一种涡激振动水流能发电装置 - Google Patents

Abstract

一种涡激振动水流能发电装置，属于可再生能源技术领域。这种涡激振动水流能发电装置包括海底基座、支撑架、能量捕获传递装置和发电装置。整个装置通过海底基座底部的钩爪固定在水流流域内，俘获来流中的水流能将其转化为可利用的电能。该装置基于流体力学中经典的涡激振动现象为原理，将水流能转化为圆柱振子的动能，并通过连接装置带动电磁发电机发电，可稳定俘获低速流域内的水流能。另外，这种涡激振动水流能发电装置采用对称式设计可一次带动两台发电机，提高发电效率，且整体结构简单，维护管理便捷，不影响生态环境，符合清洁新能源的标准。

Description

一种涡激振动水流能发电装置

技术领域

本发明涉及一种涡激振动水流能发电装置，属于清洁新能源开发领域。

背景技术

近年来，随着化石能源的逐渐枯竭，开发新型环保可再生能源成为当务之急。其中潮流能以其“可持续性，高能量密度，蕴含量丰富”等特点，在一众绿色可持续能源中脱颖而出，成为时下能源领域研究的热点问题。相比于风能，水流能的获取更加稳定且不用处理谐波问题。目前我国拥有5000多公里的海岸线，同时拥有种类繁多的河流湖泊，这也就意味着拥有相当丰富的水流能储量。因此具备广泛的研究前景。

目前主流的对水流能的开发利用主要依靠桨叶式水流能发电机来实现，即通过水轮机装置将水流的流体动能转化为机械能带动电磁发电机发电，从而完成将水流能转化为电能的过程。整体装置主要依靠叶轮来捕获水流能，但想要叶轮稳定旋转就需要水流为其提供足够的动力，也就是对于工作环境的流速具有严格的要求。通常情况下只有至于水流流速高于1m/s的流域内，整套装置才能稳定运行。这就导致我们无法有效捕获低速流域内的水流能，造成不必要的浪费。因此，一部分科学家将“涡激振动”引入到潮流能发电装置中，制造出一种适用于低流速的低成本海流能发电装置，从而更好的对能源进行收集利用。涡激振动，是一种广泛的存在于自然流域中的现象。当流体流过规则或不规则的固体物质时会在其后方形成两列交替脱落的漩涡，对固体表面施加交替变换的流体力，迫使固体发生周期性的往复运动。过去的研究方向往往都集中于如何抑制这种现象以防止对海洋立管，处在强风场中的塔筒等工程上的结构物造成振动疲劳损坏。但其本身也蕴含着丰富的能量，部分研究人员以此为基础开发出了多种涡激振动俘能装置，大体分为压电式及电磁式，相比之下电磁式可以成规模的俘获和收集水流能，更具有研究的价值。但目前所研制的装置多以齿轮机构作为转换机构，对零件精度要求高，能量转换率不高；或使用往复式发电机作为发电设备，对后续电能的收集和使用造成困难。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析和存在的问题，提供一种涡激振动水流能发电装置。该发电装置可以同时带动两台发电机，提高涡激振动发电装置的获能效率，构造简单，易于维护，减少制造成本，提高发电质量，可更有效的俘获低速流域内的水流能，对生态环境基本无影响。

本发明采用的技术方案是：一种涡激振动水流能发电装置包括海底基座、支撑架、能量捕获传递装置和发电装置，所述发电装置包含两个设在包覆式外壳内部的电磁发电机，包覆式外壳通过支撑架固定在海底基座上；

所述能量捕获传递装置包含两个立柱、振子、第一连接杆、第二连接杆和两个飞轮，两个立柱设在海底基座的前端，圆柱形的振子的两端分别采用沿立柱上下滑动的结构连接两个立柱，第一连接杆的一端和振子的两端固定，另一端转动连接第二连接杆的一端，两个飞轮固定在两个电磁发电机之间，飞轮采用两个上宽下窄的轮片通过轮轴连接的结构，第二连接杆的另一端穿过包覆式外壳的底部与两个飞轮内侧的轮片固定连接，飞轮外侧的轮片通过连接孔和转子连接杆连接电磁发电机的电磁转子。

所述立柱采用中空的圆柱体结构，立柱的内部设置竖直导轨，柱壁上开设条形槽，条形槽处的内壁上设置限位板，振子端部的振子连杆依次穿过条形槽、限位板连接套在竖直导轨上的可移动滑块，第一连接杆和振子两端的振子连杆固定连接。

所述第一连接杆包含两个L型杆、横杆和水平杆，水平杆的一端转动连接第二连接杆的下端，另一端连接横杆的中部，横杆的两端对称的连接两个L型杆的上端部，两个L型杆的下端部分别固定在振子两端的振子连杆上。

所述飞轮通过飞轮固定杆固定在两个电磁发电机之间，飞轮固定杆的一端固定在轮轴的外侧，另一端固定在包覆式外壳后部壳板上开设的U型槽上，轮片采用上宽下窄的梨形结构。

所述海底基座的底部设置个固定钩爪，两个电磁发电机对称设置，两个飞轮对称设置。

这种涡激振动水流能发电装置的整套装置分为水上和水下两部分。水下部分包含海底基座、支撑架和能量捕获传递装置。海底基座底部四角处伸出四个爪式结构，固定在海床或河床之上，起固定作用。海底基座的前端固定两根中空的立柱，圆柱形的振子通过振子连杆固定在两立柱之间，约束其只做垂直于来流方向的往复运动。水上部分为发电装置。包覆式外壳通过支撑架固定在海底基座之上，并探出水面。两个电磁发电机平行放置在包覆式外壳的内部，两个飞轮固定杆一端固定在包覆式外壳上，另一端分别将两个飞轮固定于两个电磁发电机之间，两个飞轮与圆柱形振子的两侧伸出的连杆固定相连，与电磁发电机的电磁转子转动连接，从而实现将振子的往复运动转化为电磁转子单方向的旋转运动。将两个电磁发电机和两个飞轮设在包覆式外壳内，能够防止内部结构受到外界因素的影响。

采用上述的技术方案，整个装置垂直于水流流向放置，水流流过圆柱形的振子在其后方形成交替脱落的漩涡，迫使圆柱振子发生上下的往复振动。这种水流能转化系统可在两个飞轮的两侧各连接一个电磁发电机，将潮流能转化为电能。当水流流过该发电装置时，圆柱振子受到升力作用做往复运动，通过连杆带动飞轮进行单方向的旋转，带动发电机内部电磁转子转动，从而将潮流能转化为电能。

本发明的有益效果是：这种涡激振动水流能发电装置包括海底基座、支撑架、能量捕获传递装置和发电装置。该装置通过圆柱形振子约束于两个垂直海底基座放置的中空圆柱之间，两侧通过连杆与梨形结构的飞轮内侧相连，飞轮可绕固定的旋转轴旋转。飞轮外侧与电磁转子相连，驱动两侧平行放置的电磁发电机。圆柱振子基于涡激振动原理可以在来流流速不高的情况下进行稳定的往复运动，通过连连杆-飞轮机构驱使飞轮单方向转动，带动电磁发电机进行发电；左右两侧均可连接一台电磁发电机，很大程度的提高了能量转换效率；基于涡激振动的圆柱振子动力装置也保证了整套系统可以在低流速流域内稳定运行，进而使该发电装置能够以更高的效率完成对低速流域内水流能的回收利用，相比于其他振子发电装置本装置整体结构更加清晰简洁，便于后续的维护管理水下部分在稳定，持续收集能量的同时不会对周围的生态环境产生影响。飞轮采用上宽下窄的梨形结构的设计，较重的一头起到储能的作用，将多余的动能收集起来，依靠惯性帮助连杆机构越过死点位置，和能量传递系统相辅相成，保证整体系统能量高效稳定的传递。

附图说明

图1是一种涡激振动水流能发电装置的立体图。

图2是一种涡激振动水流能发电装置的主视图。

图3是一种涡激振动水流能发电装置的左视图。

图4是一种涡激振动水流能发电装置的俯视图。

图5是一种涡激振动水流能发电装置的后视图。

图6是图1中B的局部放大图。

图7是图1中立柱的A-A剖面图。

图8是图1中立柱的B-B剖面图。

图9是图1中立柱的C-C剖面图。

图10是图1中立柱的D-D剖面图。

图中：1、海底基座，2、固定钩爪，3、立柱， 3a、竖直导轨，3b、条形槽，3c、限位板，3d、可移动滑块，4、振子，4a、振子连杆，5、支撑架， 6、第二连接杆，7、飞轮固定杆， 8、第一连接杆，8a、L型杆，8b、横杆，8c、水平杆，9、电磁发电机，9a、转子连接杆，10、飞轮，10a、轮片，10b、轮轴， 11、包覆式外壳。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体的实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1-4示出了一种涡激振动水流能发电装置的结构图。图中，这种涡激振动水流能发电装置包括海底基座1、支撑架5、能量捕获传递装置和发电装置，发电装置包含两个设在包覆式外壳12内部的电磁发电机9，包覆式外壳12通过支撑架5固定在海底基座1上；

能量捕获传递装置包含两个立柱3、振子4、第一连接杆8、第二连接杆6和两个飞轮10，两个立柱3设在海底基座1的前端，圆柱形的振子4的两端分别采用沿立柱3上下滑动的结构连接两个立柱3，第一连接杆8的一端和振子4的两端固定，另一端转动连接第二连接杆6的一端，两个飞轮10固定在两个电磁发电机9之间，飞轮10采用两个上宽下窄的轮片10a通过轮轴10b连接的结构，第二连接杆6的另一端穿过包覆式外壳11的底部与两个飞轮10内侧的轮片10a（两个飞轮10相对的两个轮片）固定连接，飞轮10外侧的轮片10a(靠近电磁发电机一侧的轮片)通过连接孔（设在轮片10a上）和转子连接杆9a连接电磁发电机9的电磁转子。

立柱3采用中空的圆柱体结构，立柱3的内部设置竖直导轨3a，柱壁上开设条形槽3b，条形槽3b处的内壁上设置限位板3c，振子4端部的振子连杆4a依次穿过条形槽3b、限位板3c连接套在竖直导轨15上的可移动滑块3d，第一连接杆8和振子4两端的振子连杆4a固定连接，振子连杆4a可在限位板3c中部开设的条形孔中上、下移动。

第一连接杆8包含两个L型杆8a、横杆8b和水平杆8c，水平杆8c的一端转动连接第二连接杆6的下端，另一端连接横杆8b的中部，横杆8c的两端对称的连接两个L型杆8a的上端部，两个L型杆8a的下端部分别固定在振子4两端的振子连杆4a上。

飞轮10通过飞轮固定杆7固定在两个电磁发电机9之间，飞轮固定杆7的一端固定在轮轴10b的外侧，另一端固定在包覆式外壳11后部壳板上开设的U型槽上，轮片10a采用上宽下窄的梨形结构，飞轮固定杆7与轮轴10b的外壁固定连接，轮片10a绕轮轴10b转动时，飞轮固定杆7固定不动。

海底基座1的底部设置4个固定钩爪2，两个电磁发电机9对称设置，两个飞轮10对称设置。

采用上述方案的工作原理是：该涡激振动水流能发电装置通过固定钩爪2固定在海/河底，整体装置沿来流方向垂直放置，水流流过圆柱形的振子4在其下游形成交替脱落的漩涡，达到共振频率后迫使振子在竖直方向上稳定的往复运动，振子4通过连接杆驱动上部的飞轮10，将上下的往复运动转化为飞轮的单方向转动，两个飞轮10的外侧与发电机的电磁转子相连，带动电磁发电机进行发电。完成将水流能-机械-电能的转化过程。飞轮固定杆7的一端固定在包覆式外壳11壳壁上开设的凹槽上，另一端与飞轮10轴承外壁的上端固定连接，使两个飞轮10固定于两个发电机之间，飞轮绕轴承旋转，从而带动发电机发电。

Claims (3)

1.一种涡激振动水流能发电装置，它包括海底基座（1）和支撑架（5），其特征在于，它还包括能量捕获传递装置和发电装置，所述发电装置包含两个设在包覆式外壳内部的电磁发电机（9），包覆式外壳通过支撑架（5）固定在海底基座（1）上；

所述能量捕获传递装置包含两个立柱（3）、振子（4）、第一连接杆（8）、第二连接杆（6）和两个飞轮（10），两个立柱（3）设在海底基座（1）的前端，圆柱形的振子（4）的两端分别采用沿立柱（3）上下滑动的结构连接两个立柱（3），第一连接杆（8）的一端和振子（4）的两端固定，另一端转动连接第二连接杆（6）的一端，两个飞轮（10）固定在两个电磁发电机（9）之间，飞轮（10）采用两个上宽下窄的轮片（10a）通过轮轴（10b）连接的结构，第二连接杆（6）的另一端穿过包覆式外壳（11）的底部与两个飞轮（10）内侧的轮片（10a）固定连接，飞轮（10）外侧的轮片（10a）通过连接孔和转子连接杆（9a）连接电磁发电机（9）的电磁转子；

所述立柱（3）采用中空的圆柱体结构，立柱（3）的内部设置竖直导轨（3a），柱壁上开设条形槽（3b），条形槽（3b）处的内壁上设置限位板（3c），振子（4）端部的振子连杆（4a）依次穿过条形槽（3b）、限位板（3c）连接套在竖直导轨上的可移动滑块（3d），第一连接杆（8）和振子（4）两端的振子连杆（4a）固定连接；

所述第一连接杆（8）包含两个L型杆（8a）、横杆（8b）和水平杆（8c），水平杆（8c）的一端转动连接第二连接杆（6）的下端，另一端连接横杆（8b）的中部，横杆的两端对称的连接两个L型杆（8a）的上端部，两个L型杆（8a）的下端部分别固定在振子（4）两端的振子连杆（4a）上。

2.根据权利要求1所述的一种涡激振动水流能发电装置，其特征是：飞轮（10）通过飞轮固定杆（7）固定在两个电磁发电机（9）之间，飞轮固定杆（7）的一端固定在轮轴（10b）的外侧，另一端固定在包覆式外壳（11）后部壳板上开设的U型槽上，轮片（10a）采用上宽下窄的梨形结构。

3.根据权利要求1所述的一种涡激振动水流能发电装置，其特征是：所述海底基座（1）的底部设置4个固定钩爪（2），两个电磁发电机（9）对称设置，两个飞轮（10）对称设置。

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