[發明專利]一種用于水下全向位渦激振動發電裝置

在審

• 申請號: 201711154715.2
• 申請日: 2017-11-20
• 公開（公告）號: CN107733285A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 田文龍;毛昭勇;宋保維;張克涵;胡欲立
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明涉及一種海洋可再生能源開發與利用領域，具體是涉及一種水下發電裝置。

背景技術

隨著社會經濟的持續高速發展，對能源的需求日益增長，而煤和石油等不可再生能源日趨枯竭，因此對新能源的開發與利用符合國家的長期發展戰略。潮流能作為一種相對較容易開發的可再生清潔能源，近年來得到了較大的發展，主要是將潮汐引起海水往復運動產生的動能轉換為電能。考慮到我國具體的海洋環境(較長的海岸線，但大部分海岸線的潮流流速較低)，存在較為豐富的潮流能儲藏量，而目前潮流能的開發形式較為單一，一般采用水輪機進行潮流能能量轉化，但水輪機對潮流的流速有一定的要求(水輪機在潮流流速大于2.0m/s時才具有較高的利用率)且水輪機制造成本較為昂貴，同時旋轉的渦輪對海洋生物也會造成較大威脅。目前現有技術對潮流能利用率不足且實用性差，造成能源的浪費，阻礙了潮流能利用技術的大范圍推廣。

2008年，美國密歇根大學的Bernitsas教授及其團隊成功研制出一種新型的低速水流發電裝置----VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy)，并成功申請了專利，這是第一個利用渦激振動效應的發電裝置。但該發電裝置存有一些缺陷：采用單振子發電，且要求每個振子配備一套傳動、傳電等設備，增加了發電裝置的成本，因此實用性低。

2014年，天津大學的燕翔等人發明了一種基于多振子的對振式渦激振動發電裝置，專利公開號為CN104005901A。該發明適用于低速流區，利用尾流馳振發電，發電效率高。但是其原理為利用尾流馳振，尾流馳振對流場的流速有一定的限制，通常適用的流速范圍為0.5～1.5m/s，當流速過高或者過低均不宜獲得尾流馳振的效果。同時，中國石油大學的章大海等人也發明了一種基于馳振效應的多圓柱串列曲軸式水流發電裝置，專利公開號為CN105545582A。

渦激振動效應的基本原理為：非流線型結構在一定流場的作用下，流體會因阻流結構的存在而產生分離，流體分離后會在阻流結構的兩側或者后方產生交替泄放的漩渦，漩渦的交替泄放會使阻流結構表面的壓力產生周期性變化，阻流結構會在這種周期性的壓力作用下發生上下振動，阻流結構的上下振動又會反過來影響漩渦的泄放，這種流固耦合的現象就是渦激振動。

同時，利用微型陶瓷壓電薄片的壓電效應將機械能轉化為電能。如果對壓電材料施加應力，由于壓電效應，壓電片上下由于應力分布不均而產生電壓差，這是正壓電效應；如果對其施加電壓，則會使壓電片產生機械應力從而產生機械位移，這是逆壓電效應。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種用于水下全向位渦激振動發電的裝置，利用非流線型結構物的周期性渦激振動來捕獲海洋中的潮流能，將潮流動能轉化為機械能，利用壓電陶瓷薄片的正壓電效應來進行發電，且壓電陶瓷具有優異的壓電性能。本發明具有結構簡單、制造成本低、安全環保、對海流流速適用范圍廣和能量轉換率高等優點。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種用于水下全向位渦激振動發電裝置，包括壓電發電模塊、密封殼、圓柱桿、基座和可充電電池。

所述的圓柱桿一端通過基座固定在海床上，另一端同軸連接密封殼；所述的密封殼中沿軸向分布若干壓電發電模塊，所述的壓電發電模塊中若干壓電陶瓷片固定在密封殼內壁上，壓電陶瓷片通過彈簧連接圓柱桿；所述壓電陶瓷片的電能輸出收集至可充電電池中。

所述的壓電發電模塊包括8個彈簧和4個周向均勻分布的壓電陶瓷片，彈簧的一端與圓柱桿連接，另一端與壓電陶瓷片連接；平均每個壓電陶瓷薄片通過2個彈簧與圓柱桿連接。

本發明的有益效果是：

1)發電裝置結構簡單，體積小，便于安裝與維護；

2)無噪音、無污染，對海洋環境不會產生破壞；

3)造價低，具有規模上的可擴展性，可在海底形成空間陣列場；

4)實用性好，采用全向位渦激振動發電，可以從不同方向上捕獲能量，對海流的來流方向沒有限制；

5)能量利用率高，當海流流速達到0.25m/s時便可以提取高密度的能量，只要圓柱桿發生振動就可捕獲能量，因此渦激振動發電技術捕獲能量的能力非常強，提高了能量的利用率。

附圖說明

圖1是本發明全向位渦激振動發電裝置的結構示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為連接可充電電池的剖視圖；

圖2是本發明壓電發電模塊的結構示意圖；

圖3是本發明圓柱桿發生渦激振動的振動過程示意圖；