基本信息
- 项目名称：
- 涡激振动发电装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本装置是一种新型水流发电装置，它借助的是流体力学中常见的涡激振动原理，首先研究确定了适于进行发电的涡激振动参数状态，确定了模型机构，设计了将涡激振动导致的振动体往复运动转化为单向转动的传动装置，带动发电机获取电能。
- 详细介绍：
- 一号样机： 当水流冲击振动体时，振动体因为涡激力的作用而上下振动，涡激频率由流速以及振动体直径决定，当振动系统固有频率与之相吻合时，形成自锁，达到最大振动效果，发电机开始工作，振动体带动滑块运动，滑块由8个导向轮限制在导杆上。滑块上下运动带动振动门框以及其上的运动竖杆也上下运动。运动竖杆由三个部分组成，两片夹板以及中间的竖直链条，竖直链条左右各一个仅可单逆时针传动的飞轮，顺时针时两飞轮都空转，这样，当竖直链条向上运动时，左飞轮发力，右飞轮空转，带动发电机逆时针转动，当竖直链条向下运动时，右飞轮发力，左飞轮空转，带动发电机也是逆时针转动，这样即将涡激振动的上下运动能量转化为带动发电机的单向转动能量，可以使发电机顺利工作获取电能。 装置有效运行，核心在于涡激振动频率与振动体固有频率的匹配，只有这样才能发生频率锁定现象，即“自锁”，使振幅达到最大。这主要依靠调节振动部分重量以及弹簧弹性模量完成。装置的另一个关键问题在于尽量减小传动过程中的能量损耗，需要减少滑块与导杆间的摩擦，主要方式为加装滚轮，以滚动摩擦取代滑动摩擦。上部棘轮链条部分对于配合精度，润滑都有一定要求。 二号样机： 二号样机可安装500mm--1100mm长的振动体，框架可以绕支座旋转，从而可以测试不同长度振动体在不同振动角度下的工作情况。装置振动框架采用上下两组拉簧布局，将振动框架和振动体悬挂在中间，从而满足弹性体涡激振动状态。 经过测试，装套装置可以在0.5--1.2m/s流速下有效产生涡激振动现象，通过KTC-275线位移传感器将位移信号转化为电信号，用数采仪记入电脑，用于进一步分析。 三号样机： 在一、二号样机的研究基础之上，项目组进一步提出了三号样机的设计方案，三号样机较前两部样机主要的改进在于将振动体的线性往复运动改变为绕一悬臂梁支座的往复摆动，通过同步带将该往复摆动传递至水面上，经过齿轮组将往复转动调整为单向转动，带动发电机运转。 三号样机的摆动式设计方案为多振动体并联工作提供了一套可行的解决方案，通过研究并列布置振动体的无量纲间距对振动体工作状态的影响，可以为装置在实际应用时的规模化布置形式提供重要依据。（注：三号样机由于体积过大，目前已经完成方案设计以及1:3静态模型制作，1:1实验模型正在加工，预计在挑战杯决赛时可以完成组装以及实验测试工作。）
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的:研究利用涡激振动原理发电的能量转换机构，设计制作出可以利用涡激振动现象获得电能的实验装置，通过实验测试，找到最适合用于涡激振动发电的振动体，得出实验数据以及可行性分析。 基本思路:利用涡激振动原理，在垂直水流方向上设置一个振动体，在一定流速下产生涡激振动，经传动装置将水下的往复运动传至水上并转化为单向转动，带动发电机发电。 创新点：开创性地提出了利用涡激振动获取电能的设想,通过对不同型号及组合的振动体振动强度的测试，优化出适应于不同流速下涡激振动发电的振动体以及振动形式；通过控制并列布置振动体的无量纲间距，调节涡街发放，确定装置的最佳工作状态；通过摇臂机构和单向离合器将振动体的往复线性运动转化为单向转动，便于驱动发电机运转。 技术关键：寻找引发涡激振动最为强烈的型号及组合的振动体；振动系统固有频率与涡街发放频率的匹配；设计确定将涡激振动的机械能转化为电能的传动机构及发电机。 技术指标：(三号样机） 装置主尺寸：高1850mm，宽2000mm，流向长度1210mm； 振动体尺寸：直径90～160mm，长1100mm； 装置总重量：150～200kg；单个振动系统重量：25～45kg； 摇臂半径：650-950mm。 流速范围（测试）：0.4m/s--1.3m/s。 预计功率：单个振动体30-60w，系统整体：90-180w。
科学性、先进性
- 当流体流过一个非流线形物体时，会产生交替脱落的漩涡，当系统雷诺数达到一定范围会产生自锁现象，使漩涡发放对物体的作用力大幅增加。而如果能够通过涡激振动原理获取水中能量，则将提供一种全新的水流发电形式。 目前水流发电主要是通过水轮机猎取能量带动发电机运转。但我国很大一部分内河及沿海潮流流速无法达到水轮机启动速度。涡激振动发电装置则是一种适于在较低流速工作的低成本水流发电装置。通过模型试验，装置在0.5m/s流速下即进入振动状态，开始工作。 **大学的陈*教授等在涡激振动研究方面取得了丰硕成果，为项目开展提供了重要指导。**大学的船模水池以及循环水槽等设备为实验的进行奠定了重要的基础支撑。 参考文献： [1]蔡洪斌，圆柱体的涡激升力研究及其动力响应分析，学位论文，2006； [2]姚熊亮，陈起富，串列双圆柱在均匀流场中涡激振动综述，哈尔滨船舶工程学院学报，1994； [3]张大中，并列双柱圆柱体在均匀流场中的涡激振动，哈尔滨理工大学学报，1998；
获奖情况及鉴定结果
- 一号样机，二号样机获得教育部高教司举办的“2010年国家大学生创新性试验计划”项目立项，验收合格； 三号样机申报中华环境保护基金会“绿动未来·2010年高校环保科研应用技术项目支持计划”，成为优秀培育项目； 一号样机获校“五四杯”二等奖，校节能减排大赛二等奖，二号样机获校“熔盛杯”一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 知识产权转让或技术授权。
作品可展示的形式
- 模型 图纸 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 装置的振动效果与雷诺数有关，只要满足一定范围，就能产生有效的振动，这样，面对较低流速，装置只要适度放大振动体直径，就能产生有效振动，这样就不像常见水轮机那样存在启动速度，可以利用低速水流发电。而且该装置基本运动方式为上下简谐振动，不同于水轮机的旋转运动，不易缠绕水草、海藻以及渔网等杂物。而且运动平稳，水中鱼类可以自由在其间穿行而不会被装置击伤，对水体生态影响较小。可见，装置对流速，空间要求都不高，而且不会破坏水体生态环境，所以装置不仅适用于海洋潮流能发电，还适用于在水流平缓的河流中获取电能，这样，可以进行大规模布置，形成规模化效应，在获得大量电能的基础上有效降低成本。
同类课题研究水平概述
- 目前已知展开对涡激振动发电原理究的是美国密歇根大学的Michael Bernitsas教授，他提出了VIVACE（Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy，涡激振动水生清洁能源）装置，进过深入细致的研究，解决了诸多问题，收集到许多数据，取得了卓有成效的成果，他得出的结论是涡激振动发电装置在低速水流下仍能有效产生电能，而且成本低廉，性价比较高，具有较好发展前景。 Michael教授现在主要研究方向为改变振动体表面粗糙度，使其可以适应更广的流速区间，并提高能量利用效率。 国内尚未检索到类似研究项目以及产品。
