本发明涉及一种定水流方向的管道水力发电模块和系统及发电方法，属于流体动力学领域。
背景技术：
自然界中的水体在流动过程中产生的能量称为水能，水能的重要应用就是水力发电。水力发电是利用河流、湖泊中的水流经不同高度地形时产生的能量来发电，目前的水力发电是由水轮发电机组中的水轮机和发电机实现水的位能向机械能再向电能的二次转换实现的。按水电站装机容量的大小可分为大、中、小型水电站，而目前的小水电站由于小规模的电力生产造成单位装机容量成本较高。另外，一般水力发电是通过集中水头引导高速度水流冲击水轮机以带动发电机发电，由于运动部件的存在，因此必然避免不了整个系统定期的维护，所需成本较高。为此，本发明提出一种定水流方向的管道水力发电模块和系统及发电方法。
技术实现要素：
本发明的目的就是提供一种定水流方向的管道水力发电模块和系统及发电方法，其优点在于整个系统无需润滑和保养，无运动部件，寿命长，免维护，且无旋转部件的密封问题。
所述一种定水流方向的管道水力发电模块，其特征在于：该管道水力发电模块自上而下依次包括随摆管、半柔性支撑件、布置有安装孔的固定底座；
还包括发电组件，其中发电组件由相互匹配的第一组发电元件和第二组发电元件组成；第一组发电元件固定安装于随摆管内壁；第二组发电元件通过固定杆固定安装于固定底座；
上述发电组件至少有以下两种方式：
第一种方式：第一组发电元件为沿随摆管轴线方向排列布置的永久磁铁；第二组发电元件为布置于每个永久磁铁周围的线圈；
第二种方式：第一组发电元件为按压杆；第二组发电元件为压电模块。
所述一种定水流方向的管道水力发电模块的发电方法，其特征在于包括以下过程：
随摆管由于水流流经障碍物，在障碍物后形成涡流，涡的扰动导致其随着下部的半柔性支撑件发生左右摆动；
随摆管的摆动带动固定于其内壁的第一组发电元件也发生左右摆动，第二组发电元件通过固定杆固定于固定底座上是不动的，从而进行发电；其中第一种发电组件，是利用线圈定向往复切割磁感线原理发电；其中第二种发电组件，是利用按压杆按压压电模块进行发电；输电线从固定底座的中心孔底部引出，并在此孔处做好静态密封措施；
发出的交流电经整流器转换为直流电，输入蓄电池蓄电或者直接给用电器供电。
上述的定水流方向的管道水力发电模块，其特征在于：
上述半柔性支撑件至少有以下三种方式：第一种方式：为弹性波纹管；第二种方式：为弹簧结构，且弹簧外围布置有柔性防水密封套；第三种方式：为相同极性上下布置的环形双磁铁结构，且环形双磁铁结构外围布置有柔性防水密封套。后两种方式外围布置有柔性防水密封套，使其在随圆柱体摆动发生位移的同时以避免电路进水。柔性防水密封套的材质可以是金属，也可以是非金属。若流体具有腐蚀性，则上述随摆管，半柔性支撑件或柔性防水密封套，连接盘需采用耐腐蚀材料。
上述的定水流方向的管道水力发电模块，其特征在于：上述第二种方式、第三种方式中弹簧倔强系数、环形双磁铁的磁场强度的选择需根据水流速度而定，达到共振所需频率。
上述的定水流方向的管道水力发电模块，其特征在于：上述半柔性支撑件与固定底座之间通过连接盘相连。
上述的定水流方向的管道水力发电模块，其特征在于：上述随摆管为多面体、或圆锥体、或圆柱体之一或几种的组合体；且随摆管的中上部设置一对或多对便于成涡的不规则凹槽，使得流体在流经障碍物前后迎水面积由小变大，导致更为显著的压差，从而增加扰动，利于发电。在其中上部设置凹槽是因为中上部圆柱体摆动的振幅较大，增加扰动的效果显著。
上述任一定水流方向的管道水力发电模块组成的发电系统，其特征在于：包括若干个定水流方向的管道水力发电模块或顺排或叉排于同一个固定底座，每个发电模块之间距离以摆动不相互干扰为准，且须大于脱涡距离，通常大于涡直径的2~3倍。上述一个固定底座上布置发电模块的数目及尺寸以及每个发电模块内布置发电组件的数目视发电需求而定。
上述的定水流方向的管道水力发电模块或由多个发电模块组成的发电系统，其特征在于：将上述发电模块或由多个发电模块组成的系统安装于管道中时，其顶部应远离相对管壁的低能流区域，一般要求发电模块顶部与相对管壁的距离大于10mm。
附图说明
图1是一种定水流方向的管道水力发电系统示意图（弹性波纹管）及不规则凹槽俯视图；
图2是一种定水流方向的管道水力发电系统示意图（弹簧）；
图3是一种定水流方向的管道水力发电系统示意图（环形双磁铁）；
图4是一种定水流方向的管道水力发电系统示意图（压电模块/按压杆）；
图5是同一固定底座上的多个水力发电杆模块的布置形式图及其俯视图；
图6是水力发电系统在管道中的安装示意图。
图中标号名称：1永久磁铁，2线圈，3固定杆，4圆柱体，5不规则凹槽，6弹性波纹管，7连接盘，8固定底盘，9安装孔，10柔性防水密封套，11弹簧，12环形双磁铁，13压电模块，14按压杆，15管道。
具体实施方式
下面结合图1~5对一种定水流方向的管道水力发电模块及系统运行过程作详细说明。
将管道水力发电模块或由多个发电模块组成的系统通过固定底座的安装孔安装于管道中，其顶部与相对管壁的距离大于10mm使得远离相对管壁的低能流区域。
随摆管由于水流流经障碍物，在障碍物后形成涡流，涡的扰动导致其随着下部的半柔性支撑件发生左右摆动；
随摆管的摆动带动固定于其内壁的第一组发电元件也发生左右摆动，第二组发电元件通过固定杆固定于固定底座上是不动的，从而进行发电；其中第一种发电组件，是利用线圈定向往复切割磁感线原理发电；其中第二种发电组件，是利用按压杆按压压电模块进行发电；输电线从固定底座的中心孔底部引出，并在此孔处做好静态密封措施；
发出的交流电经整流器转换为直流电，输入蓄电池蓄电或者直接给用电器供电。