[发明专利]基于电场活化聚合物的涡激振动水流能发电装置

说明书

技术领域

本发明涉及振动能发电技术领域，特别涉及一种基于电场活化聚合物的涡激振动水流能的发电装置。

背景技术

涡激振动(VIV)，是流体流经非流线形物体(称为钝体)、在其下游(尾流区)形成的漩涡交替脱落所引起、一种本质上非线性的、自控的、具有多自由度的现象。长久以来，人们只注意涡激振动VIV现象对热交换装置、海洋平台、大跨度桥梁或者高大建筑物造成的危害，并且致力于寻找抑制的措施。与此相背的研究探索，即利用涡激振动VIV作为一次能源的发电技术研究，进入21世纪才受到关注。

从机械能到电能的转换通常采用感应电机、铁磁流体发电机或直线电机等来实现。采用传统旋转发电机，首先必须把涡激振动导致的圆柱体的线性振动转换成旋转运动，这种发电机往往要求相对较高的转速，而涡激振动导致的圆柱体的频率相对较低，所以采用普通的机械传动机构时效率很低，尽管可以考虑采用高压液压储能系统和新型数字式液压马达的液压传动使效率得到改善，但液压系统的密封等问题构成了严峻的技术挑战。直线发电机能够回避传动系统的问题，可是因为在多个钝体的场合，每一个钝体的振动频率可能不同，输出电压就有差别，为发电单元组合时电力的变换带来困难。另一方面，也可采用压电效应或者静电效应的发电器件进行机电能量转换，压电器件对振动能的捕获尽管已经有了相当多的研究，但效率不尽人意。与压电材料相比，近年来，一种新型智能高分子材料-电场活化聚合物(ElectroActive Polymers-EAP)因其具有应变大、弹性能量密度和耦合效率高等优点，引起了世界各国的广泛关注。目前大量科研人员都在研究利用电场活化聚合物作为人造肌肉方面的工作，在发电领域尚未见到详细的应用。

发明内容

本发明的目的是克服涡激振动能发电过程中在低水流速的情况下由机械能到电能的转换过程中效率不高的问题，提出一种基于电场活化聚合物的涡激振动的水流能发电装置。本发明在低水流速、宽流速范围内仍能保持较高的发电效率，同时发电组件组合结构简单，可简化整个发电系统，减少占地面积、提高发电效率，可降低造价和维护成本。

本发明基于电场活化聚合物的涡激振动的水流能发电装置的核心是电场活化聚合物。所述的电场活化聚合物不仅作为机械能向电能的转换组件，同时也可作为弹性支撑组件。本发明利用所述的电场活化聚合物可变电容的原理，将其作为机械能向电能的转换组件，外力作用在具有预加电场的电场活化聚合物上使其变形，改变电容即可发电。由于电场活化聚合物本身密度低，韧性高，性能稳定，不产生磁干扰，价格低廉，材料来源丰富，因此适于进行大规模的水流能发电。

本发明基于电场活化聚合物的涡激振动的水流能发电装置，包括捕获发电装置、能量收集及存储装置以及发电组件保护装置。捕获发电装置为一体化的涡激振动能捕获装置和机械能向电能转换装置，可以统称为捕获发电装置。所述的捕获发电装置连接能量收集及存储装置，捕获发电装置的机械能向电能转换装置以及能量收集及存储装置位于发电组件保护装置内部，发电组件保护装置对捕获发电装置和能量收集及存储装置起保护作用。

所述的捕获发电装置主要由钝体组件、弹性支撑组件和固定底座组成，其中钝体组件的主要功能是捕获涡激振动能。所述的弹性支撑组件由电场活化聚合物组成。弹性支撑组件既是机械能向电能转换装置，同时也对钝体组件起支撑作用。所述的固定底座位于整个发电装置的最底层，一般情况下与水底的河床相固定，以保证整个发电装置的稳固。所述的钝体组件横向放置在来流中，钝体组件两侧，在与来流垂直的方向上连接有弹性支撑组件。每个钝体组件一侧连接两个弹性支撑组件，连接的两个弹性支撑组件与来流的方向垂直。弹性支撑组件上下运动，且两个弹性支撑组件运动方向相反。为提高发电量，钝体组件之间可以上下平行排列，上下平行排列的钝体组件之间通过弹性支撑组件连接；钝体组件之间也可以前后平行排列，但前后平行排列时钝体组件之间需要间隔适当的距离，避免相互影响；钝体组件之间也可以左右并行排列。定底座通过弹性支撑组件与钝体组件相连接。所述的钝体组件为刚性圆柱体，假设水流的方向为x方向，刚性圆柱体为y方向，则涡激振动的方向为垂直于x、y平面的z方向，产生的涡激振动为非线性自激振动，振动频带宽，能量捕获效率高。刚性圆柱体的直径定义为D，长度定义为L，则选取的刚性圆柱体的直径与长度的比例L/D的比值一般为7-20。