一种采用主动流动控制的流致振动发电装置的制作方法

本发明涉及新能源发电设备及流体力学领域，具体的说，是涉及一种通过采用主动流动控制提高能量利用效率的流致振动发电装置。

背景技术：

随着全球经济快速发展，矿物燃料资源日益枯竭，其所造成的环境污染日趋严重，对清洁可再生能源的开发和利用成为当今世界上各个国家的战略性选择。在众多的清洁能源中，海流能因其规模庞大、流动稳定、分布广泛等优势，其高效开发利用越来越受到科学界和工程界的重视。据统计，全球可利用海流能高达500万兆瓦。中国的海流能也很丰富，近岸分布着台湾暖流、黄海暖流、中国沿岸流等海流。其中，仅中国沿岸流的理论功率就为14万兆瓦，相当于70个三峡电站的装机容量。传统的海流能利用装置对流速的要求较高，如涡轮机的起动流速为2.5～3.6m/s，水下风车的为2.0m/s。然而，在世界范围内，超过90％的海流速度低于1.5m/s，这极大限制了以上传统海流能利用装置的适用海域范围。因此，开发低流速海流能高效利用装置已成为亟待解决的重要问题。

此方面，美国密歇根大学的Bernitsas教授及其研究团队利用水流经过圆柱(群)所激发的圆柱流致振动，于2008年开发了一种低流速海流能的高效利用装置——VIVACE(Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy，美国专利：US7493759)，经济效益显著，发展潜力巨大。由流体力学知识可知，当水流经过具有陡峭后缘的结构(如圆柱)时，会在结构的背流侧发生交替的漩涡生成与泻放。与之相联系，结构会受到顺流向(沿着来流方向)和横流向(垂直于来流方向)周期性的流体力作用。此周期性的流体力将激发结构在顺流向和横流向发生两自由度振动，而结构的振动反过来又改变了尾流的泻涡模式。这种流体与结构之间的耦合问题被称为涡激振动。此外，对于串列圆柱(两个或多个)，若圆柱间距适当，下游圆柱将处于上游圆柱的尾流中。从上游圆柱脱落的漩涡不断“撞击”下游圆柱，并与下游圆柱脱落的漩涡发生极为复杂的相互作用，导致下游圆柱发生比涡激振动更大幅度的振动，称为尾流驰振。VIVACE海流能利用装置就是通过圆柱的涡激振动和尾流驰振(统称为流致振动)来捕获海流能，并通过皮带、连杆和电机等装置将圆柱振动机械能转换为电能，输送到岸上。VIVACE海流能利用装置的特点为：1)起动流速低，在大于0.25m/s的流速下即可起动；2)能量密度高，占地面积小，布置灵活；3)隐蔽性好，完全处于水下，不影响通航，不破坏岸线资源；4)对水生生物友好。此外，VIVACE海流能利用装置也可以应用在内河水力发电领域。然而，VIVACE海流能利用装置的缺点也非常明显。如：机械传动部件太多，水下防腐难度较大，对海流方向的适应性差，额外的支撑结构，无法利用圆柱顺流向振动对横流向振动的增强效应等。这些缺陷限制了VIVACE海流能利用装置的经济性与实用性。为此，中国天津大学的及春宁教授及其研究团队提出了一种基于可变形支座的流致振动发电装置(中国专利：CN201410830582.6)和一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置(中国专利：CN201410847792.6)，克服了VIVACE海流能利用装置的不足之处。

目前较低的能量转换效率是限制柱体流致振动类海流能发电装置商业化应用的主要原因。更大的柱体振幅和更快的振动速度意味着更多的振动机械能，即更高能量利用效率。此外，增大激发柱体大幅振动的流速区间，降低柱体涡激振动的起动流速，触发柱体尾流驰振，也是提高柱体流致振动类海流能利用装置经济适用性的关键问题。美国密歇根大学的Bernitsas教授及其研究团队应用表面粗糙控制(Surface Roughness Control)技术(美国专利：US8042232)，显著增大了圆柱的振动振幅，提高了VIVACE海流能利用装置的能量利用效率。然而，表面粗糙控制技术属于被动流动控制，无法根据海流能利用装置所处的水动力环境实时地调节表面粗糙的糙率和分布等参数，使得海流能利用装置不能时刻处于最优的状态。

参考文献:

[1].Bernitsas M.M.,Raghavan K.,Converter of Current,Tide,or Wave Energy,United States Patent and Trademark Office,Patent#7,493,759,February 24,2009.

[2].Bernitsas,M.M.and Raghavan,K.,Enhancement of Vortex Induced Forces&Motion through Surface Roughness Control,United States Patent and Trademark Office,Patent#8,042,232,November 1,2011.

[3].及春宁，许栋，张金凤，一种基于可变形支座的流致振动发电装置，中国发明专利，201410830582.6.

[4].及春宁，张金凤，许栋，一种基于可变形双层透空箱型支座的流致振动发电装置，中国发明专利，201410847792.6.

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种采用主动流动控制的流致振动发电装置，该装置可实时地、自动地调整附加圆柱的转动，以控制主圆柱周围的流态，使流致振动发电装置的整体海流能利用效率和经济适用性得到显著提高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种采用主动流动控制的流致振动发电装置，包括主圆柱和发电机系统，圆柱的内部为中空密闭结构，圆柱的下方设置有通过弹性连接板相互连接的上平台和下平台，圆柱下端和上平台嵌固连接，弹性连接板通过交错布置的螺栓固接于上平台和下平台的两侧形成可变形透空箱型支座，下平台与贯入海床的支撑桩固定连接；发电机系统包括永磁直线发电机和插入永磁直线发电机线圈内部的直线磁棒，直线磁棒和永磁直线发电机通过连接杆分别与上平台和下平台的侧面相连接，还设置有附加圆柱和机电控制系统，所述机电控制系统包括可编程步进电机、轴承和连接线缆，所述连接线缆与可编程步进电机相连；所述主圆柱的上下两端安装有卡环，上端的卡环连接有轴承，下端的卡环与所述编程步进电机的外壳相连；所述附加圆柱的一端与所述编程步进电机的转子相连，另一端与所述轴承套接；所述直线磁棒与永磁直线发电机的线圈之间留有间隙，所述弹性连接板上设有通孔。

所述附加圆柱设置有至少两个。

所述卡环与轴承和编程步进电机的外壳均通过螺栓相连接。

整个装置表面均涂敷有防腐层。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明装置中，主圆柱表面附近有两个(或多个)小直径附加圆柱，通过附加圆柱的自转改变主圆柱周围的流场，主动控制主圆柱表面的边界层分离点的位置和漩涡脱落的时机，进而达到增大主圆柱振幅和扩展主圆柱大振幅响应流速区间的目的。应用主动控制算法，根据海流能利用装置所处的水动力环境，实时地、自动地调整附加圆柱旋转的速度和方向，改变主圆柱附近的流场，使得流致振动发电装置时刻处于最优的参数状态，可显著提高装置的能量转换效率，提高其整体海流能利用效率和经济适用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的使用状态结构示意图。

图3是本发明的使用状态结构示意图。

附图标记：1‐支撑桩，2‐下平台，3‐弹性连接板，4‐上平台，5‐主圆柱，6‐直线磁棒，7‐永磁直线发电机，8‐引出导线，9‐连接杆，10‐螺栓，11‐附加圆柱，12‐可编程步进电机，13‐轴承，14‐卡环，15‐连接线缆，16‐连接螺栓，17‐线圈，18‐磁力线

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1至图3所示，一种采用主动流动控制的流致振动发电装置，包括可变形透空箱型支座、主圆柱5、附加圆柱11、机电控制系统和发电机系统，可变形透空箱型支座由上平台4和下平台2以及弹性连接板3构成，弹性连接板3由带有通孔的钢板制成，弹性连接板3通过交错布置的螺栓10固接于上平台4和下平台2的两侧，形成可变形透空箱型支座，主圆柱5为内部中空密闭的圆柱，主圆柱5下端固接于上平台4，下平台2固接有贯入海床的支撑桩1，机电控制系统包括可编程步进电机12、轴承13和连接线缆15，连接线缆15与可编程步进电机12相连，发电机系统包括永磁直线发电机7和插入永磁直线发电机线圈17内部的直线磁棒6，直线磁棒6和永磁直线发电机7通过连接杆9分别与上平台4和下平台2的侧面(与可变形透空箱型支座变形方向平行)相连接，永磁直线发电机7上设引出导线8，图2和图3中还显示出了直线磁棒6形成的磁力线18。主圆柱5的上下两端紧箍有卡环14，主圆柱5下端的卡环14与可编程步进电机12的外壳通过连接螺栓16固接，可编程步进电机12的转子与附加圆柱11固接；主圆柱5的上端卡环14与轴承13通过连接螺栓16固接，附加圆柱11与轴承13套接，直线磁棒6与永磁直线发电机线圈17之间留有一定的空间，此外整个装置表面均涂敷有防腐层。

针对典型海流情况(流速1.5m/s)，额定功率10MW的中型电站的具体实施方案为：密闭中空圆柱5直径0.5m，壁厚0.005m，柱高10.0m，弹性连接板3高度1.5m，上平台4和下平台2由混凝土浇筑而成，长度和宽度均为1.0m，高度0.2m，两个小圆柱直径0.05m，柱高10.0m。装置的综合能量转化系数约为0.3，单个装置的功率为2.54kW，年发电量20000kWh(按90％的可利用时间计算)。电站由多个发电装置按照矩阵形式排列构成，装置在顺流向和横流向的间距均为3.0m，按照65X65布置，共4225个。电站的额定功率为10.7MW，年发电量为0.845亿kWh，电站尺度为195m X 195m,占地面积约为0.038平方公里。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。