[发明专利]一种采用主动流动控制的流致振动发电装置

说明书

技术领域

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.