一种在水下悬浮状态的涡激振动发电装置

1.本发明属于海洋再生能源开发与利用技术领域，具体涉及一种在水下悬浮状态的涡激振动发电装置。


背景技术：

2.潜标是一种依靠缆绳与海底锚体相连并悬浮在海水中，是为了检测海水立体空间的海洋数据，通过在不同海水深度的缆绳位置安装水声、水压、水温、水质等检测设备来完成相应任务的装备。潜标通常要长期锚定在水下几百米甚至上千米深度的海域，安装的这些设备均需要电力来维持工作，这些设备的电力来源于潜标自带的电池，但电池受体积、质量、造价等因素的限制，因此潜标电池的容量有限，通常潜标在水下工作时间为8个月到20个月，当自带电池的电能耗尽后，那么潜标上携带的这些设备就会因电能耗尽而无法正常工作，由于潜标的投放成本非常高，因电池无法持续供电将会造成极大的损失。因此，关于如何使潜标具备长时间工作的电能，是当前急需解决的难题之一。
3.众所周知，在海洋中存在着多种可再生能源，像海流能、波浪能、潮汐能等。其中波浪能在水下近海面海域最为丰富，当水深超过10米后，海水的波动速度较慢，波浪产生的效果较小。另外，潮汐能的能量仅作用于海水表面区域。所以对于锚定在水底几百米甚至上千米的潜标而言，波浪能和潮汐能很难利用。而海流能是一种长期活跃于水下，在任何深度位置都存在的可再生能源，当潜标投放到特定海域后，时刻受海流作用，所以潜标利用海流能有着得天独厚的优势。
4.如专利号为cn 107733285 a的中国专利公开了一种用于水下全向位涡激振动发电装置，该装置利用圆柱杆的涡激振动效应来捕获潮流的动能，采用四个周向均匀分布的压电陶瓷通过圆柱杆挤压进行发电，当海流方向与四个周向方向平行时，此时圆柱杆对压电陶瓷是正向挤压，装置实现最优化发电效果，但实际上海流方向是具有不定向性，所以在大多数情况下，海流方向总是与压电陶瓷的正向挤压方向存在夹角，也即是圆柱杆的分力对压电陶瓷产生挤压作用，这个分力要比正向挤压力小，所以该装置对海流的利用率较低；如专利号为cn107834903a的中国专利公开了一种用于水下系留平台的涡激振动发电装置，该装置利用海流通过系留平台产生的交替旋涡，进而作用于轻质平板对压电陶瓷进行挤压发电，当海流方向平行于轻质平板时，装置实现最优化发电效果，但在大多数情况下，海流方向总是不平行于轻质平板，该装置也无法随海流方向变化而进行位置调整，所以，该装置对海流的利用率较低。诸如此类专利，目前都是提出将装置定点固定在海底进行能量回收，若将此类装置为各个不同水深段的检测设备进行供电，那么首先要解决电力长距离输送的问题，由于海底的工况条件比较复杂，对电缆要求特别高，所以解决起来非常困难，此外，对于深海而言，由于深海海底的水压很高，所以这对装置的抗压要求特别高，因此将装置安装在海底的这种方法存在突出的弊端，实施起来有明显的短板。
5.针对上述问题，提出一种在水下悬浮状态的涡激振动发电装置，该装置与潜标进行巧妙结合，可以嫁接在潜标缆绳的任何深度位置，另外，该装置可以根据海流方向进行位
置调整，相比于现有的其它发明装置，该装置的能量转化率和实际应用价值更高。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种在水下悬浮状态的涡激振动发电装置，本装置巧妙地与海洋潜标相结合，可以嫁接在潜标缆绳的任何深度位置，装置悬浮在水下，一端通过上部缆绳连接海洋潜标，另一端通过下部缆绳连接水底锚体，当海流流过装置的圆柱作用体时会产生涡激振动，出现交替作用的旋涡，进而使得圆柱作用体沿垂直于海流的方向来回移动，最终通过齿轮与齿条啮合传动产生电能。
7.本发明装置包括：上底座、下底座、支架、导轨连接板、导轨、圆柱作用体、上滑块、下滑块、发电机、轴封、齿轮、齿条、弹簧、上充气浮体、上阻尼板、上尾流板、下充气浮体、下阻尼板、下尾流板、转扣和转槽。
8.本装置的框架是由上底座和下底座通过三组支架连接组成；所述上底座和下底座均是具有一定厚度的圆柱体，上底座的厚度要大于下底座的厚度，上、下底座的直径相等且同轴心；所述支架有三组，均是采用轻质材料制成的圆杆，三组支架在上、下底座之间均匀分布且与底座外边缘相切。
9.所述导轨连接板共四个，其中两个导轨连接板相对安装在上底座的下平面边缘处，另外两个导轨连接板相对安装在下底座的上平面边缘处；所述导轨为圆柱杆，共有两个，一个固定在上底座的两个导轨连接板之间，另一个固定在下底座的两个导轨连接板之间。
10.所述发电机安装在上底座内部，在上底座的底部预设通孔，使发电机输出轴恰好通过，在发电机输出轴上装有齿轮；所述轴封设置在上底座的预设通孔处。
11.所述圆柱作用体采用密度和海水相同的轻质材料制成的圆柱体；所述上滑块是矩形块结构，在上滑块上开设与导轨直径相等的通孔，将上滑块固定在圆柱作用体的上底面；所述下滑块与上滑块相同，固定在圆柱作用体的下底面。在安装时，将上底座上的导轨穿过上滑块的通孔，将下底座上的导轨穿过下滑块的通孔，从而使得圆柱作用体可以沿着导轨来回移动。
12.所述弹簧用于连接滑块和导轨连接板，在上滑块需要用到两个弹簧分别与上底座的两个导轨连接板连接，下滑块需要用到两个弹簧分别与下底座的两个导轨连接板连接。
13.所述齿条安装圆柱作用体的上底面，齿条的模数、压力角与齿轮的模数、压力角相同，在安装齿条时与齿轮啮合。
14.所述上充气浮体设置在上底座的上平面，将上充气浮体顶面做成倾斜程度在2
°
～5
°
之间的斜面；所述下充气浮体设置在下底座的下平面，将下充气浮体底面做成倾斜程度在2
°
～5
°
之间的斜面，上充气浮体顶面与下充气浮体底面保持平行，在上充气浮体和下充气浮体中充满空气，下充气浮体中气体体积要多于上充气浮体中气体体积，在上充气浮体顶面和下充气浮体底面分别固定转扣；所述转槽分别设置在上部缆绳底端和下部缆绳顶端，上充气浮体中的转扣与上部缆绳中的转槽配合，可以实现相互转动，同理，下充气浮体中的转扣与下部缆绳中的转槽也可以相互转动。在设计上充气浮体顶面与下充气浮体底面时应保证：上部缆绳和下部缆绳在张紧时保持在同一直线上。
15.所述上尾流板通过连接杆与上底座刚性焊接；所述下尾流板通过连接杆与下底座
刚性焊接。
16.所述上阻尼板设置在上底座上平面中间位置，在结构设计之初使其与上充气浮体巧妙结合；所述下阻尼板设置在下底座下平面中间位置，在结构设计之初使其与下充气浮体巧妙结合。上、下阻尼板的板面与上、下尾流板的板面在同一平面上。
17.当有海流流过本装置时，海流会对圆柱作用体产生涡激振动效应，在圆柱作用体两侧出现交替作用的旋涡，进而使得圆柱作用体沿导轨来回移动，从而带动齿条与齿轮啮合传动，最终通过发电机发电；若海流方向与装置尾流板不平行，则在海流的作用下会推动尾流板转动，进而使装置上、下充气浮体上的转扣相对于缆绳上的转槽发生转动，直到尾流板转动至平行于水流方向时，则停止转动。
18.本发明有益效果：
19.1.本发明巧妙地与海洋潜标相结合，装置悬浮在水中，当海流流过的时候，装置可以自适应于海流方向进行位置调整，保证圆柱作用体始终有最大的振荡幅度，从而提高了装置对海流能的利用效率。
20.2.本装置可以嫁接在潜标缆绳的任何深度位置，相比于现有发电装置而言，本装置无需安装在海底，因此，装置不需要有过高的承压能力和长距离电力输送问题。
21.3.本装置也可以在多个不同深度缆绳的位置分别嫁接一组装置，产生的电能可直接传输给就近缆绳所安装的设备，此外，装置产生的电能还可以储存起来为途经的潜水器或水下航行器供电。
附图说明
22.图1本发明的示意图；
23.图2本发明框架的组成示意图；
24.图3本发明导轨连接板与导轨的连接示意图；
25.图4本发明发电机安装位置示意图；
26.图5本发明圆柱作用体与滑块的连接示意图；
27.图6本发明弹簧的安装位置示意图；
28.图7本发明齿条的安装位置示意图；
29.图8本发明齿轮和齿条啮合示意图；
30.图9本发明上、下充气浮体的示意图；
31.图10本发明转扣、转槽的安装位置示意图；
32.图11本发明阻尼板安装位置示意图；
33.图12本发明在海流的作用下的示意图；
34.图13本发明圆柱作用体在交替旋涡作用下的示意图；
35.图14本发明圆柱作用体在交替旋涡作用下左右移动的示意图；
36.图15本发明圆柱作用体向左移动的示意图；
37.图16本发明嫁接在潜标缆绳的任何深度位置的示意图；
38.附图中：1.上底座；2.下底座；3.支架；4.导轨连接板5.导轨；6.圆柱作用体；7.上滑块；8.下滑块；9.发电机；10.轴封；11.齿轮；12.齿条；13.弹簧 14.上充气浮体；15.上阻尼板；16.上尾流板；17.下充气浮体；18.下阻尼板；19.下尾流板；20.转扣；21.转槽。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
40.一种在水下悬浮状态的涡激振动发电装置，该装置的整体示意图如图1所示，该装置各个组成部分的安装位置及连接方式示意图如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11所示，该装置包括：上底座1、下底座2、支架3、导轨连接板4、导轨5、圆柱作用体6、上滑块7、下滑块8、发电机9、轴封10、齿轮11、齿条12、弹簧13、上充气浮体14、上阻尼板15、上尾流板16、下充气浮体17、下阻尼板18、下尾流板19、转扣20和转槽21。
41.本装置的框架是由上底座1和下底座2通过三组支架连接组成，如图2所示，所述上底座1和下底座2均是具有一定厚度的圆柱体，上底座1的厚度要大于下底座2的厚度，上、下底座的直径相等且同轴心；所述支架3有三组，均是采用轻质材料制成的圆杆，三组支架在上、下底座之间均匀分布且与底座外边缘相切。
42.如图3所示，所述导轨连接板4共四个，其中两个导轨连接板相对安装在上底座1的下平面边缘处，另外两个导轨连接板相对安装在下底座2的上平面边缘处；所述导轨5为圆柱杆，共有两个，一个固定在上底座1的两个导轨连接板之间，另一个固定在下底座2的两个导轨连接板之间。
43.如图4所示，所述发电机9安装在上底座1内部，在上底座1的底部预设通孔，使发电机9输出轴恰好通过，在发电机9输出轴上装有齿轮11；所述轴封10设置在上底座1的预设通孔处，以防止海水从通孔处进入上底座1内部。
44.如图5所示，所述圆柱作用体6采用密度和海水相同的轻质材料制成的圆柱体；所述上滑块7是矩形块结构，在上滑块7上开设与导轨5直径相等的通孔，将上滑块7固定在圆柱作用体6的上底面；所述下滑块8与上滑块7相同，固定在圆柱作用体6的下底面。在安装时，将固定在上底座1的导轨5穿过上滑块7的通孔，将固定在下底座2的导轨5穿过下滑块8的通孔，这就使得圆柱作用体6可以沿着导轨5来回移动。
45.如图6所示，所述弹簧13用于连接滑块和导轨连接板4，在上滑块7需要用到两个弹簧分别与上底座1的两个导轨连接板连接，下滑块8需要用到两个弹簧分别与下底座2的两个导轨连接板连接。设置弹簧13的目的是：防止上、下滑块在移动过程中碰撞到导轨连接板4。如图7和图8所示，所述齿条12安装圆柱作用体6的上底面，齿条12的模数、压力角与齿轮11的模数、压力角相同，在安装齿条12时与齿轮11啮合。
46.如图9和图10所示，所述上充气浮体14设置在上底座1的上平面，将上充气浮体14顶面做成倾斜程度在2
°
～5
°
之间的斜面；所述下充气浮体17设置在下底座2的下平面，将下充气浮体17底面做成倾斜程度在2
°
～5
°
之间的斜面；上充气浮体14顶面与下充气浮体17底面保持平行，在上充气浮体14顶面和下充气浮体17底面分别固定转扣20；所述转槽21分别设置在上部缆绳底端和下部缆绳顶端，上充气浮体14中的转扣20与上部缆绳中的转槽21配合，可以实现相互转动，同理，下充气浮体17中的转扣20与下部缆绳中的转槽21也可以相互转动。在设计上充气浮体14顶面与下充气浮体17底面时应保证：上部缆绳和下部缆绳在张紧时保持在同一直线上。在上充气浮体14和下充气浮体17中充满空气，上充气浮体14中气体体积要多于下充气浮体17中气体体积，这样就能保证装置悬浮在水中时，上充气浮体14与下充气浮体17会产生浮力差，上充气浮体14始终在上方，下充气浮体17始终在下方，避免
上充气浮体14的上部缆绳拉力在过小情况下，出现装置倾斜过大，造成装置回收海流能效果变差。在浮体设计时还需保证：上、下充气浮体产生的总浮力大于装置的重力，从而使得装置在水下一直处于悬浮状态。
47.如图11所示，所述上尾流板16通过连接杆与上底座1刚性焊接；所述下尾流板19通过连接杆与下底座2刚性焊接。尾流板用于捕获水流方向，当水流方向与尾流板有夹角时，就会推动尾流板从而使装置发生转动，使尾流板平行于水流方向。装置在转动过程中上、下充气浮体上的转扣20相对于缆绳上的转槽21发生转动，这就避免了缆绳发生扭转过度而损坏。
48.所述上阻尼板15设置在上底座1上平面中间位置，在结构设计之初使其与上充气浮体14巧妙结合；所述下阻尼板18设置在下底座2下平面中间位置，在结构设计之初使其与下充气浮体17巧妙结合。设置阻尼板目的如下：其一，阻尼板在圆柱作用体6左右移动的过程中增大了装置框架左右移动的阻力，避免了圆柱作用体6移动过程中带动框架做同向运动，造成圆柱作用体6实际位移减少，导致装置发电效果变差；其二，当海流流过装置时，阻尼板可以对海流起到导向作用，增大了圆柱作用体6的振荡幅度，从而提高了装置对海流能的利用效率。
49.如图12所示，当有海流流过装置时，潜标浮体和装置浮体会沿海流方向移动，在水下锚体的牵制下，与装置连接的上部缆绳与下部缆绳发生倾斜，根据经验可知缆绳倾斜角约在2
°
～5
°
之间，这与上充气浮体14顶面与下充气浮体17底面的倾斜程度相同，所以圆柱作用体6几乎垂直于海平面，从而保证圆柱作用体6始终有最大振荡幅度，装置对海流能的利用率高，如图13所示，海流会对圆柱作用体6产生涡激振动效应，在圆柱作用体6两侧出现交替作用的旋涡，进而使得圆柱作用体6沿导轨5来回移动，从而使得齿条12与齿轮11啮合传动，进而通过发电机9发电；若海流方向与装置尾流板有夹角，则在海流的作用下推动尾流板转动，进而使装置发生转动，当尾流板转动至平行于海流方向时停止转动。装置在转动过程中，装置上、下充气浮体上的转扣20相对于缆绳上的转槽21发生转动，从而实现装置对海流能最优化利用。
50.如图14和图15所示，当圆柱作用体6在涡激振动的作用下向左移动时，圆柱作用体6带动齿条12向左移动，从而使得齿条12与齿轮11啮合传动，进而通过发电机9发电，在圆柱作用体6左移的过程中，左侧弹簧被压缩，右侧弹簧被拉长。同理，当圆柱作用体6在涡激振动的作用下向左移动时，圆柱作用体6带动齿条12向左移动，从而使得齿条12与齿轮11啮合传动，进而通过发电机9发电，在圆柱作用体6左移的过程中，左侧弹簧被压缩，右侧弹簧被拉长。
51.由于涡激振动效应是产生交替旋涡，所以圆柱作用体6在交替旋涡的作用下会来回移动，进而带动齿条12与齿轮11来回啮合传动，从而使得发电机9产生稳定的电力输出，产生的电能可以直接传输给潜标。
52.海洋潜标与水下锚体之间通过缆绳相连，通常在缆绳上不同的水深段安装许多用于检测水温、水压、水质的设备，由于缆绳总长度可达几百米乃至上千米，而这些设备在缆绳上分布不集中，往往间隔较远的距离，传统的潜标装备仅通过自带的电池为这些携带设备供电，既要克服传输电缆线长度过长难以布置的问题，还要面临电池电能耗尽后潜标回收的问题，基于此，如图16所示，本装置可以嫁接在潜标缆绳的任何深度位置，也可以在a
处、b处、c处或d处等不同深度位置分别嫁接一组装置，产生的电能传输给就近缆绳所安装的设备，保证了潜标具备长时间工作的电能，解决了传统潜标电缆线过长难以布置的问题。通过将装置悬浮在水中的这种方法对装置的抗压要求较低。此外，装置产生的电能还可以储存起来为途经的潜水器或水下航行器供电。
53.以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。