一种潮流能和涡激振动能综合发电装置

摘要

本发明提供了一种潮流能和涡激振动能综合发电装置，包括潮流能水轮机和涡激振动能捕获装置；潮流能水轮机发电机舱内设有通过导线与叶轮依次相连的发电机、配电箱和整流稳压装置，涡激振动能捕获装置包括安装在单桩基础后侧的壳体、两端沿设置在壳体顶面和底面的导轨滑动的振子以及两端分别连接振子和壳体后端面的压电片，压电片与壳体后端面衔接的端头设有导电铜片，导电铜片通过导线依次连接位于发电机舱中的整流稳压装置和配电箱。水流遇到水轮机单桩基础后进入壳体，在桩基础的两侧产生交替脱落的漩涡，经过振子时形成涡激共振，由于尾流驰振效应，振子振动幅度比一般涡激共振引起的振动幅度更大，振子带动压电片沿着导轨左右摆动，将机械能转化为电能。

权利要求

1.一种潮流能和涡激振动能综合发电装置，其特征在于：包括潮流能水轮机和涡激振动能捕获装置；

所述潮流能水轮机包括圆柱体的单桩基础、固定在单桩基础顶端的发电机舱以及以安装在发电机舱端部的连接轴为中心旋转的叶轮，所述发电机舱内设有通过导线与叶轮依次相连的发电机、配电箱和整流稳压装置；

所述涡激振动能捕获装置包括安装在所述单桩基础后侧的壳体、两端沿设置在壳体顶面和底面的导轨滑动的振子以及两端分别连接振子和壳体后端面的压电片，所述压电片与壳体后端面衔接的端头设有导电铜片，所述导电铜片通过导线依次连接位于发电机舱中的整流稳压装置和配电箱。

2.根据权利要求1所述的潮流能和涡激振动能综合发电装置，其特征在于：所述发电机舱和壳体之间设有中空的连接杆，连接导电铜片和整流稳压装置的导线贯穿于连接杆中进行连接。

3.根据权利要求1所述的潮流能和涡激振动能综合发电装置，其特征在于：所述壳体的顶面和底面对应的开设有弧形滑道，所述导轨设置于滑道中，振子的两端设有环孔，导轨穿过环孔使振子沿导轨滑动。

4.根据权利要求3所述的潮流能和涡激振动能综合发电装置，其特征在于：所述振子环孔的两侧分别通过弹簧连接滑道两端。

5.根据权利要求1所述的潮流能和涡激振动能综合发电装置，其特征在于：所述压电片由压电陶瓷材料制成。

6.根据权利要求1或5所述的潮流能和涡激振动能综合发电装置，其特征在于：所述压电片表面包覆有密封弹性材料，所述导电铜片夹置在压电片和密封弹性材料之间。

7.根据权利要求1所述的潮流能和涡激振动能综合发电装置，其特征在于：所述壳体顶面和底面设有供单桩基础穿过的圆形孔，所述单桩基础与圆形孔配合的周向及圆形孔的侧壁对应开设有供滚珠滑动的凹槽。

说明书

一种潮流能和涡激振动能综合发电装置

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋能开发和利用领域，具体涉及一种海洋能发电装置。

背景技术

[0002] 海洋能是指利用海洋运动过程生产出来的能量，其与传统化石燃料不同，在产能过程中不产生废气、废水，对环境污染小，且海洋能蕴藏量丰富，成为潜力巨大的可再生能源。

[0003] 在所有形式的海洋能当中，潮流能是一种利用潮水水平运动提取的能量，因为潮流具有一定的周期性，能量密度大，可预测性高，在近些年来愈发的受到关注。目前，潮流能发电装置主要有三种形式，分别为水平轴式潮流能水轮机、垂直轴式潮流能水轮机和振荡式潮流能发电装置。水平轴式潮流能水轮机因为启动方便、输出效率高、结构简单等特点成为主要的潮流能利用形式。

[0004] 除了潮流能，涡激振动能近年来已经成为海洋能开发领域一个新的研究热点。海洋工程中，当水流流经物体表面时，会在物体两侧交替产生脱离结构物表面的漩涡，这种交替发放的漩涡会在物体表面生成横流向的脉冲压力，如果此时柱体是弹性支撑的，就能使物体产生周期性的横向振动。在涡激振动中，尾流驰振是一种较特殊的现象，其指当后排圆柱处于前排圆柱的尾流脱涡区时，由于前排圆柱脱涡的激励，后排圆柱的振动幅度一般会大于普通涡激振动；当脱涡频率和圆柱固有频率相同或相近时，此时振动幅度较大。

[0005] 实际应用中，水平轴式潮流能水轮机桩基础往往采用圆柱形断面。若利用涡激振动原理和尾流驰振效应，可提高涡激振动发电设备的振动幅度，增大桩基础后方水流能量的转化。而目前，对于提取潮流能水轮机桩基础后方流场的水流能量，尚无该方面的专利和研究报道。

发明内容

[0006] 发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种潮流能和涡激振动能综合发电装置，利用涡激振动原理和尾流驰振效应，最大化收集潮流能水轮机桩基础后方的水流能量，提高能源提取效率。

[0007] 技术方案：本发明提供了一种潮流能和涡激振动能综合发电装置，包括潮流能水轮机和涡激振动能捕获装置；

[0008] 所述潮流能水轮机包括圆柱体的单桩基础、固定在单桩基础顶端的发电机舱以及以安装在发电机舱端部的连接轴为中心旋转的叶轮，所述发电机舱内设有通过导线与叶轮依次相连的发电机、配电箱和整流稳压装置；

[0009] 所述涡激振动能捕获装置包括安装在所述单桩基础后侧的壳体、两端沿设置在壳体顶面和底面的导轨滑动的振子以及两端分别连接振子和壳体后端面的压电片，所述压电片与壳体后端面衔接的端头设有导电铜片，所述导电铜片通过导线依次连接位于发电机舱中的整流稳压装置和配电箱。

[0010] 发明原理：水流遇到水轮机单桩基础后进入壳体，在桩基础的两侧产生交替脱落的漩涡，这些交替脱落的漩涡经过涡激振动能捕获装置的振子时，形成涡激共振。由于尾流驰振效应，振子振动幅度比一般涡激共振引起的振动幅度更大。振子带动压电片沿着导轨左右摆动，由于压电效应现象，机械能转化为电能。通过导线，将潮流能水轮机装置和涡激振动能捕获装置产生的电能，连接至配电箱，可通过拉电线将配电箱中的电能输送到岸上电站。

[0011] 进一步，所述发电机舱和壳体之间设有中空的连接杆，连接导电铜片和整流稳压装置的导线贯穿于连接杆中进行连接，同时，连接杆使得涡激振动能捕获装置能随着潮流能水轮机装置而改变方向，保证涡激振动能装置布置在水流下游。

[0012] 进一步，所述壳体的顶面和地面对应的开设有弧形滑道，所述导轨设置于滑道中，振子的两端设有环孔，导轨穿过环孔使振子沿导轨滑动。

[0013] 进一步，所述振子环孔的两侧分别通过弹簧连接滑道两端。

[0014] 进一步，所述压电片由压电陶瓷材料制成。

[0015] 进一步，所述压电片表面包覆有密封弹性材料，保护压电片不会受到海水侵蚀的影响，所述导电铜片夹置在压电片和密封弹性材料之间。

[0016] 进一步，所述壳体顶面和底面设有供单桩基础穿过的圆形孔，所述单桩基础与圆形孔配合的周向及圆形孔的侧壁对应开设有供滚珠滑动的凹槽，使得壳体能以单桩基础为中心绕其摆动。

[0017] 有益效果：1、压电片自由端固定在同一个振动体上，使得压电片受力和振动幅度相同，产生电能的特性相一致；

[0018] 2、将涡激振动能捕获装置和潮流能水轮机发电机舱相连，利用了现有潮流能水轮机能够偏航的特点，使得涡激振动能捕获装置始终位于水流方向桩基础后方，提高了涡激振动能提取效率；

[0019] 3、在装置设计阶段，根据具体水流情况，通过选择合适的振动体直径、密度以及壳体上下壳面滑道内的弹簧弹性模量，可以改变振动体的振动频率，使其在特定的水流环境中能够和振动体的脱涡频率相一致或相近，增大振动幅度；

[0020] 4、将振动体布置在潮流能水轮机桩基础后方，充分利用涡激共振和尾流驰振效应，能带动压电片产生较强的振动，从而提高压电效率；

[0021] 5、能够提取潮流能水轮机桩基础后方的水流能量，提高水流能源提取效率；且直接将水流能量通过振动能形式转化为电能，效率高。

附图说明

[0022] 图1是本发明综合发电装置的结构示意图；

[0023] 图2是压电片安装示意图；

[0024] 图3是壳体上下壳面示意图；

[0025] 图4是壳体后端面示意图；

[0026] 图5是单桩基础和壳体连接部分示意图。

具体实施方式

[0027] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

[0028] 实施例：一种潮流能和涡激振动能综合发电装置，如图1所示，包括潮流能水轮机2和涡激振动能捕获装置1。

[0029] 潮流能水轮机2包括叶轮21、转动轴22、单桩基础24和发电机舱23，单桩基础24是一个竖直的圆柱体，单桩基础24的顶端固定有发电机舱23，发电机舱23里陈设有由导线6连接的水轮机刹车装置231、水轮机发电机232、整流稳压装置233和配电箱234。发电机舱23端部沿轴向安装有连接轴22，水轮机2的叶轮21以连接轴22为为中心旋转。

[0030] 涡激振动能捕获装置1包括壳体11、振子121以及压电片13，壳体11由上下壳面111和后端面112组成，安装在单桩基础24的后侧。后端面112是由一个位于中间位置且竖直连接上下壳面111的竖梁4构成，竖梁4的两侧为不封闭的缺口5，供水流穿过，保证水流速度不会降低。壳体11上下壳111的前部设有与单桩基础24直径相同的圆形孔可供单桩基础24竖直穿过，单桩基础24与圆形孔113配合的一周设有凹槽241，圆形孔的侧壁同样设有凹槽113，两个凹槽结合可供滚珠7在其内部滚动，利用滚珠7将壳体11和单桩基础24活性连接使壳体11绕桩基础圆周运动进行摆动，如图5所示。

[0031] 壳体11的上下壳面111设有对应的弧形滑道14，滑道14内设置导轨141。振子121的上下两端为嵌入滑道14中的滑块122，滑块122中开有环孔123，位于上下壳面11的导轨141分别对应穿过振子121的上下环孔123，环孔123在导轨141上的滑动带动振子121的两端沿滑道14运动，如图3所示。在每个滑道14中，滑块122的两侧分别通过弹簧连接至滑道14的两端，一方面可通过调整弹簧的弹性模量，调整振动体的固有频率，使其更接近脱涡频率，更有利于产生尾流驰振效应；另一方面，在振动过程中振动体可以复位。

[0032] 压电片13是由压电陶瓷材料制成的，在其表面包覆有密封弹性材料131。如图2所示，压电片13的两端分别连接振子121和壳体11后端面112的竖梁4，通过嵌入振子121和竖梁4上开设的定位槽41进行固定，如图4所示。与竖梁4连接的一端在密封弹性材料131和压电片13之间夹置有导电铜片132，导电铜片132通过导线6依次连接位于发电机舱23中的整流稳压装置233和配电箱234。发电机舱23的底面和壳体114的上壳面之间设有中空的连接杆3，杆的端头连接处设有预留孔，导电铜片132与整流稳压装置233相连的导线6沿着竖梁4和上壳面中设置的供导线6穿过的通孔以及连接杆3、预留孔贯穿进行相互连接。当潮流能水轮机2带有偏航功能，即它的叶轮21随着水流方向改变，转动方向，连接杆3的设置能保证涡激振动能捕获装置1时刻布置在水流下游，跟随发电机舱23摆动。

[0033] 当水流从潮流能和涡激振动能综合发电装置左端过来时，水流会带动水轮机叶轮21转动，水轮机发电机将232将叶轮转动机械能转化为电能，并通过导线6将电能输送到配电箱234。当水流经过潮流能水轮机桩基础时，形成固定频率的交替泄放的漩涡，该漩涡流经单桩基础24进入壳体11内，引起振子121的涡激共振，由于尾流驰振效应，振子121的振动幅度会进一步得到加强。通过调节振子121直径、密度和壳体11滑道内弹簧的弹性模量，可以调节振子121的固有频率，当振子121的固有频率和脱涡频率相等时，此时振子121振动幅度最大。振子121带动压电片13沿着滑道14摆动，由于压电效应，使机械能直接转换为电能，连接导电铜片132的导线6将该部分电能输送到整流稳压装置233，将该部分电能的电流形式转换为直流电在输送到配电箱234；配电箱234可通过拉线，将电能输送到岸上。

[0034] 在装置设计阶段，可根据具体的应用情况，考虑包括水流流速流向、潮流能水轮机桩基础直径等参数，通过仿真模拟，选择合适的振动体直径、密度和弹簧的弹性模量，以使得振动体振动幅度能保持在较大范围内，提高发电量。

[0035] 当水流来流方向发生改变时，涡激振动能捕获装置1由于通过连接杆3和潮流能水轮机发电机舱23相连接，随着潮流能水轮机偏航，涡激振动能捕获装置壳体11前部和水轮机桩基础23活性连接，涡激振动能捕获装置能绕着桩基础运动，使得涡激振动能捕获装置始终位于水流方向正下游，提高涡激振动能捕获效率。

[0036] 本发明可根据实际情况，在涡激振动能捕获装置内连接多个压电片13，在竖梁4上开设相应数目的定位槽41，并将压电片13两端分别嵌于振子121和竖梁4内定位槽41；沿着潮流能水轮机桩基础纵向，同理可设置多个涡激振动能捕获装置；可将这些涡激振动能捕获装置通过导线6连接至同一个整流稳压装置233和配电箱234。