一种用于水下系留平台的涡激振动发电装置的制作方法

本发明涉及海洋可再生能源开发与利用领域，具体涉及一种涡激振动发电装置。

背景技术：

水下系留平台是一种依靠锚链与海底直接相连并悬浮在海水中的平台，如锚雷、海洋潜标、深海探测节点等。水下系留平台通过安装水声监测、水声通信、压力、水温和水质监测等传感器来完成相应的任务功能，其在军民两方面均具有广泛的应用。为了完成指定任务，水下系留平台必须具备水下长时间连续工作的能力，水下工作时间是衡量水下系留平台性能的重要指标。水下系留平台由于受自身重量和体积尺寸的约束，从而不能携带充足的能源段。而如果通过回收打捞的方式来进行能源补给，会带来较高的成本。

2008年，美国密歇根大学的bernitsas教授基于涡激振动效应成功研制出一种新型的海流发电装置—vivace(vortexinducedvibrationaquaticcleanenergy)，并成功申请了专利，这是第一个利用涡激振动效应的发电装置。2014年，中国海洋大学的王树杰等人发明了一种涡激振动潮流能的发电装置，其利用非流线型圆柱体结构的涡激振动效应来将潮流能转化为圆柱结构的振动机械能，再进行转化发电，专利公开号为cn104481784a。上述发明均利用非流线型结构自身的振动来进行海流能利用，但对于水下系留平台，由于其要保持系留稳定性而导致不能直接利用平台本身的振动进行海流能收集。

2014年，西北工业大学的宋保维教授及其团队发明了一种用于水下航行器的垂直轴海流发电装置，利用垂直轴风机对海流能进行利用发电，从而达到对水下平台进行能源补给的目的，专利公开号为cn104533692a。该装置结构较为复杂，占用航行器的空间大，风机叶轮的重量较重且风机叶轮的旋转会对水下系留平台的稳定性造成严重破坏。

为此，必须进一步探索研究一种适合水下系留平台的能源收集技术。海流能的能量密度大、蕴藏量丰富，如果能够将水下系留平台所处环境中的海流能收集利用起来进行能源补给，从而可以解决水下系留平台能源补给难的问题，延长其水下滞留时间。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于水下系留平台的涡激振动发电装置，通过涡激振动效应从海洋中获取能量来进行能源补给，从而延长水下系留平台在水下的工作时间，结构简单，清洁，能量利用率高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于水下系留平台的涡激振动发电装置，包括平板、悬臂梁、轴套、轴承、可充电电池和压电陶瓷片。

所述的轴套通过轴承安装在水下系留平台内，轴套轴线平行于水下系留平台的轴线；所述的平板位于水下系留平台一侧，连接悬臂梁一端，悬臂梁的另一端穿过水下系留平台壳体的周向开口连接轴套；所述的压电陶瓷片紧贴在悬臂梁上，压电陶瓷片的电能输出收集至可充电电池。

所述的可充电电池安装在水下系留平台内部。

所述的轴套两端分别被一个轴承限位，只能绕轴线转动。

所述平板的厚度不超过3mm。

本发明的有益效果是：

1)发电装置结构简单，便于安装与维护；

2)适用性好，对海流流速没有限制，在流速为0.25m/s时便可以提取较高的能量；

3)造价低，利用非流线型结构的涡激振动效应和压电陶瓷的压电特性来发电，发电原理简单，装置成本低；

4)无噪音、无污染，不会对海洋环境产生破坏；

5)能量利用率高，理论上只要轻质平板有轻微振动，便能够进行电量收集。

附图说明

图1是本发明水下系留平台整体外观结构示意图；

图2是本发明发电装置内部结构示意图；

图3是本发明悬臂梁结构示意图；

图4是本发明轴套结构示意图；

图5是本发明内舱结构示意图；

图6是本发明涡激振动过程简图。

图中：1--水下系留平台；2--轻质平板；3--悬臂梁；4--轴套；5--内舱；6--轴承；7--可充电电池；8--压电陶瓷薄片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的基本原理如下：

水下系留平台在一定流场的作用下，流体会因系留平台的阻流作用而产生分离，流体分离后会在系留平台的两侧或者后方产生交替泄放的漩涡。系留平台会泄放一对压力中心值为正负关系(正压和负压)的漩涡。如果在平台后方放置一块质量较轻的平板，当正压漩涡和负压漩涡释放后作用在其上下表面，平板就会产生振动，将海流能转换为轻质平板的机械能。脱落的漩涡具有高能量密度和周期性的特点。

同时，利用陶瓷压电薄片的压电效应将机械能转化为电能。如果对压电材料施加应力，由于压电效应，压电片上下由于应力分布不均而产生电压差，这是正压电效应；如果对其施加电压，则会使压电片产生机械应力从而产生机械位移，这是逆压电效应。本发明主要利用压电陶瓷薄片的正压电效应来进行发电，且压电陶瓷具有优异的压电性能。

本发明的技术方案如下：

一种用于水下系留平台的涡激振动发电装置，包括水下系留平台、平板(厚度不超过3mm)、悬臂梁、轴套、内舱、轴承、可充电电池、压电陶瓷薄片。水下系留平台的主体为圆柱体结构，在海流作用下会产生脱落的漩涡；发电装置位于水下系留平台的中部，只有平板位于系留平台外部(系留平台一侧)，平板通过悬臂梁与系留平台内部的发电装置的其余部件连接。平板的主要作用是捕获水下系留平台在海流作用下脱落的漩涡，其在漩涡的作用下会发生振动。悬臂梁一端固定在轴套上，另一端与轻质平板连接。悬臂梁的上下表面贴有压电陶瓷薄片，当平板振动会导致悬臂梁发生振动，悬臂梁的振动会导致压电陶瓷薄片发生弹性变形。轴套在内舱的内部，轴套被两个轴承限位，只能转动，便于旋转调整轻质平板和悬臂梁的位置。悬臂梁上下表面附属的压电陶瓷薄片用于将悬臂梁振动的机械能转换为电能。可充电电池位于内舱的内部。

本发明的实施例如图1和图2所示，包括水下系留平台1、轻质平板2、悬臂梁3、轴套4、内舱5、轴承6、可充电电池7、压电陶瓷薄片8。水下系留平台1的主体结构为圆柱体结构，可系留在海底某一固定深度处，发电装置位于其中部，只有轻质平板2位于系留平台外部1(系留平台一侧)，轻质平板2通过悬臂梁3与系留平台1内部发电装置的其余部件连接。轻质平板2通过4个螺栓与悬臂梁3的一端固连，其主要作用是捕获水下系留平台1发生涡激振动效应后脱落的漩涡。如图3所示的悬臂梁3，悬臂梁3的一端与轻质平板2固连，另一端嵌入轴套4上预留的槽中。如图4所示的轴套4，轴套4上预留有一个凹形槽，用于连接悬臂梁3的一端，轴套4位于内舱5中，轴套4的两端轴肩装有轴承6，轴承6将轴套4限位在内舱5中。内舱5装有可充电电池7和轴套4。内舱5装有轴套4的一段留有月牙形槽，悬臂梁3通过月牙形槽伸出，同时便于轴套4旋转调整位置。可充电电池7用于收集电能，密封在内舱5的一段中。如图3所示，压电陶瓷薄片8贴附在悬臂梁的上下两面上，主要利用压电陶瓷材料的压电效应，将悬臂梁3振动的机械能转化为电能。

实施时，海流作用于水下系留平台1，由于涡激振动效应而在其一侧产生脱落的漩涡，漩涡成对脱落，一个漩涡的压力中心值为正，一个漩涡的压力中心值为负。脱落的漩涡作用于轻质平板2，轻质平板2两侧分别受到正压漩涡和负压漩涡的作用会产生上下振动；轻质平板2振动导致悬臂梁3也发生上下振动；悬臂梁3上附属的压电陶瓷薄片8由于受到振动的作用而发生形变，利用压电陶瓷材料的压电效应将机械能转换为电能；通过电回路，电能最终被可充电电池7收集。图6是涡激振动过程的简图，4个箭头表示海流方向，弧形双向指示箭头为轻质平板2和悬臂梁3的振动方向。