本發(fā)明涉及海洋能開發(fā)和利用領(lǐng)域，具體涉及一種海洋能發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

海洋能是指利用海洋運(yùn)動(dòng)過程生產(chǎn)出來的能量，其與傳統(tǒng)化石燃料不同，在產(chǎn)能過程中不產(chǎn)生廢氣、廢水，對(duì)環(huán)境污染小，且海洋能蘊(yùn)藏量豐富，成為潛力巨大的可再生能源。

在所有形式的海洋能當(dāng)中，潮流能是一種利用潮水水平運(yùn)動(dòng)提取的能量，因?yàn)槌绷骶哂幸欢ǖ闹芷谛裕芰棵芏却?，可預(yù)測(cè)性高，在近些年來愈發(fā)的受到關(guān)注。目前，潮流能發(fā)電裝置主要有三種形式，分別為水平軸式潮流能水輪機(jī)、垂直軸式潮流能水輪機(jī)和振蕩式潮流能發(fā)電裝置。水平軸式潮流能水輪機(jī)因?yàn)閱?dòng)方便、輸出效率高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)成為主要的潮流能利用形式。

除了潮流能，渦激振動(dòng)能近年來已經(jīng)成為海洋能開發(fā)領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。海洋工程中，當(dāng)水流流經(jīng)物體表面時(shí)，會(huì)在物體兩側(cè)交替產(chǎn)生脫離結(jié)構(gòu)物表面的漩渦，這種交替發(fā)放的漩渦會(huì)在物體表面生成橫流向的脈沖壓力，如果此時(shí)柱體是彈性支撐的，就能使物體產(chǎn)生周期性的橫向振動(dòng)。在渦激振動(dòng)中，尾流馳振是一種較特殊的現(xiàn)象，其指當(dāng)后排圓柱處于前排圓柱的尾流脫渦區(qū)時(shí)，由于前排圓柱脫渦的激勵(lì)，后排圓柱的振動(dòng)幅度一般會(huì)大于普通渦激振動(dòng)；當(dāng)脫渦頻率和圓柱固有頻率相同或相近時(shí)，此時(shí)振動(dòng)幅度較大。

實(shí)際應(yīng)用中，水平軸式潮流能水輪機(jī)樁基礎(chǔ)往往采用圓柱形斷面。若利用渦激振動(dòng)原理和尾流馳振效應(yīng)，可提高渦激振動(dòng)發(fā)電設(shè)備的振動(dòng)幅度，增大樁基礎(chǔ)后方水流能量的轉(zhuǎn)化。而目前，對(duì)于提取潮流能水輪機(jī)樁基礎(chǔ)后方流場的水流能量，尚無該方面的專利和研究報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種潮流能和渦激振動(dòng)能綜合發(fā)電裝置，利用渦激振動(dòng)原理和尾流馳振效應(yīng)，最大化收集潮流能水輪機(jī)樁基礎(chǔ)后方的水流能量，提高能源提取效率。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種潮流能和渦激振動(dòng)能綜合發(fā)電裝置，包括潮流能水輪機(jī)和渦激振動(dòng)能捕獲裝置；

所述潮流能水輪機(jī)包括圓柱體的單樁基礎(chǔ)、固定在單樁基礎(chǔ)頂端的發(fā)電機(jī)艙以及以安裝在發(fā)電機(jī)艙端部的連接軸為中心旋轉(zhuǎn)的葉輪，所述發(fā)電機(jī)艙內(nèi)設(shè)有通過導(dǎo)線與葉輪依次相連的發(fā)電機(jī)、配電箱和整流穩(wěn)壓裝置；

所述渦激振動(dòng)能捕獲裝置包括安裝在所述單樁基礎(chǔ)后側(cè)的殼體、兩端沿設(shè)置在殼體頂面和底面的導(dǎo)軌滑動(dòng)的振子以及兩端分別連接振子和殼體后端面的壓電片，所述壓電片與殼體后端面銜接的端頭設(shè)有導(dǎo)電銅片，所述導(dǎo)電銅片通過導(dǎo)線依次連接位于發(fā)電機(jī)艙中的整流穩(wěn)壓裝置和配電箱。

發(fā)明原理：水流遇到水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)后進(jìn)入殼體，在樁基礎(chǔ)的兩側(cè)產(chǎn)生交替脫落的漩渦，這些交替脫落的漩渦經(jīng)過渦激振動(dòng)能捕獲裝置的振子時(shí)，形成渦激共振。由于尾流馳振效應(yīng)，振子振動(dòng)幅度比一般渦激共振引起的振動(dòng)幅度更大。振子帶動(dòng)壓電片沿著導(dǎo)軌左右擺動(dòng)，由于壓電效應(yīng)現(xiàn)象，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。通過導(dǎo)線，將潮流能水輪機(jī)裝置和渦激振動(dòng)能捕獲裝置產(chǎn)生的電能，連接至配電箱，可通過拉電線將配電箱中的電能輸送到岸上電站。

進(jìn)一步，所述發(fā)電機(jī)艙和殼體之間設(shè)有中空的連接桿，連接導(dǎo)電銅片和整流穩(wěn)壓裝置的導(dǎo)線貫穿于連接桿中進(jìn)行連接，同時(shí)，連接桿使得渦激振動(dòng)能捕獲裝置能隨著潮流能水輪機(jī)裝置而改變方向，保證渦激振動(dòng)能裝置布置在水流下游。

進(jìn)一步，所述殼體的頂面和地面對(duì)應(yīng)的開設(shè)有弧形滑道，所述導(dǎo)軌設(shè)置于滑道中，振子的兩端設(shè)有環(huán)孔，導(dǎo)軌穿過環(huán)孔使振子沿導(dǎo)軌滑動(dòng)。

進(jìn)一步，所述振子環(huán)孔的兩側(cè)分別通過彈簧連接滑道兩端。

進(jìn)一步，所述壓電片由壓電陶瓷材料制成。

進(jìn)一步，所述壓電片表面包覆有密封彈性材料，保護(hù)壓電片不會(huì)受到海水侵蝕的影響，所述導(dǎo)電銅片夾置在壓電片和密封彈性材料之間。

進(jìn)一步，所述殼體頂面和底面設(shè)有供單樁基礎(chǔ)穿過的圓形孔，所述單樁基礎(chǔ)與圓形孔配合的周向及圓形孔的側(cè)壁對(duì)應(yīng)開設(shè)有供滾珠滑動(dòng)的凹槽，使得殼體能以單樁基礎(chǔ)為中心繞其擺動(dòng)。

有益效果：1、壓電片自由端固定在同一個(gè)振動(dòng)體上，使得壓電片受力和振動(dòng)幅度相同，產(chǎn)生電能的特性相一致；

2、將渦激振動(dòng)能捕獲裝置和潮流能水輪機(jī)發(fā)電機(jī)艙相連，利用了現(xiàn)有潮流能水輪機(jī)能夠偏航的特點(diǎn)，使得渦激振動(dòng)能捕獲裝置始終位于水流方向樁基礎(chǔ)后方，提高了渦激振動(dòng)能提取效率；

3、在裝置設(shè)計(jì)階段，根據(jù)具體水流情況，通過選擇合適的振動(dòng)體直徑、密度以及殼體上下殼面滑道內(nèi)的彈簧彈性模量，可以改變振動(dòng)體的振動(dòng)頻率，使其在特定的水流環(huán)境中能夠和振動(dòng)體的脫渦頻率相一致或相近，增大振動(dòng)幅度；

4、將振動(dòng)體布置在潮流能水輪機(jī)樁基礎(chǔ)后方，充分利用渦激共振和尾流馳振效應(yīng)，能帶動(dòng)壓電片產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)，從而提高壓電效率；

5、能夠提取潮流能水輪機(jī)樁基礎(chǔ)后方的水流能量，提高水流能源提取效率；且直接將水流能量通過振動(dòng)能形式轉(zhuǎn)化為電能，效率高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明綜合發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是壓電片安裝示意圖；

圖3是殼體上下殼面示意圖；

圖4是殼體后端面示意圖；

圖5是單樁基礎(chǔ)和殼體連接部分示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。

實(shí)施例：一種潮流能和渦激振動(dòng)能綜合發(fā)電裝置，如圖1所示，包括潮流能水輪機(jī)2和渦激振動(dòng)能捕獲裝置1。

潮流能水輪機(jī)2包括葉輪21、轉(zhuǎn)動(dòng)軸22、單樁基礎(chǔ)24和發(fā)電機(jī)艙23，單樁基礎(chǔ)24是一個(gè)豎直的圓柱體，單樁基礎(chǔ)24的頂端固定有發(fā)電機(jī)艙23，發(fā)電機(jī)艙23里陳設(shè)有由導(dǎo)線6連接的水輪機(jī)剎車裝置231、水輪機(jī)發(fā)電機(jī)232、整流穩(wěn)壓裝置233和配電箱234。發(fā)電機(jī)艙23端部沿軸向安裝有連接軸22，水輪機(jī)2的葉輪21以連接軸22為為中心旋轉(zhuǎn)。

渦激振動(dòng)能捕獲裝置1包括殼體11、振子121以及壓電片13，殼體11由上下殼面111和后端面112組成，安裝在單樁基礎(chǔ)24的后側(cè)。后端面112是由一個(gè)位于中間位置且豎直連接上下殼面111的豎梁4構(gòu)成，豎梁4的兩側(cè)為不封閉的缺口5，供水流穿過，保證水流速度不會(huì)降低。殼體11上下殼111的前部設(shè)有與單樁基礎(chǔ)24直徑相同的圓形孔可供單樁基礎(chǔ)24豎直穿過，單樁基礎(chǔ)24與圓形孔113配合的一周設(shè)有凹槽241，圓形孔的側(cè)壁同樣設(shè)有凹槽113，兩個(gè)凹槽結(jié)合可供滾珠7在其內(nèi)部滾動(dòng)，利用滾珠7將殼體11和單樁基礎(chǔ)24活性連接使殼體11繞樁基礎(chǔ)圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行擺動(dòng)，如圖5所示。

殼體11的上下殼面111設(shè)有對(duì)應(yīng)的弧形滑道14，滑道14內(nèi)設(shè)置導(dǎo)軌141。振子121的上下兩端為嵌入滑道14中的滑塊122，滑塊122中開有環(huán)孔123，位于上下殼面11的導(dǎo)軌141分別對(duì)應(yīng)穿過振子121的上下環(huán)孔123，環(huán)孔123在導(dǎo)軌141上的滑動(dòng)帶動(dòng)振子121的兩端沿滑道14運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。在每個(gè)滑道14中，滑塊122的兩側(cè)分別通過彈簧連接至滑道14的兩端，一方面可通過調(diào)整彈簧的彈性模量，調(diào)整振動(dòng)體的固有頻率，使其更接近脫渦頻率，更有利于產(chǎn)生尾流馳振效應(yīng)；另一方面，在振動(dòng)過程中振動(dòng)體可以復(fù)位。

壓電片13是由壓電陶瓷材料制成的，在其表面包覆有密封彈性材料131。如圖2所示，壓電片13的兩端分別連接振子121和殼體11后端面112的豎梁4，通過嵌入振子121和豎梁4上開設(shè)的定位槽41進(jìn)行固定，如圖4所示。與豎梁4連接的一端在密封彈性材料131和壓電片13之間夾置有導(dǎo)電銅片132，導(dǎo)電銅片132通過導(dǎo)線6依次連接位于發(fā)電機(jī)艙23中的整流穩(wěn)壓裝置233和配電箱234。發(fā)電機(jī)艙23的底面和殼體114的上殼面之間設(shè)有中空的連接桿3，桿的端頭連接處設(shè)有預(yù)留孔，導(dǎo)電銅片132與整流穩(wěn)壓裝置233相連的導(dǎo)線6沿著豎梁4和上殼面中設(shè)置的供導(dǎo)線6穿過的通孔以及連接桿3、預(yù)留孔貫穿進(jìn)行相互連接。當(dāng)潮流能水輪機(jī)2帶有偏航功能，即它的葉輪21隨著水流方向改變，轉(zhuǎn)動(dòng)方向，連接桿3的設(shè)置能保證渦激振動(dòng)能捕獲裝置1時(shí)刻布置在水流下游，跟隨發(fā)電機(jī)艙23擺動(dòng)。

當(dāng)水流從潮流能和渦激振動(dòng)能綜合發(fā)電裝置左端過來時(shí)，水流會(huì)帶動(dòng)水輪機(jī)葉輪21轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪機(jī)發(fā)電機(jī)將232將葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并通過導(dǎo)線6將電能輸送到配電箱234。當(dāng)水流經(jīng)過潮流能水輪機(jī)樁基礎(chǔ)時(shí)，形成固定頻率的交替泄放的漩渦，該漩渦流經(jīng)單樁基礎(chǔ)24進(jìn)入殼體11內(nèi)，引起振子121的渦激共振，由于尾流馳振效應(yīng)，振子121的振動(dòng)幅度會(huì)進(jìn)一步得到加強(qiáng)。通過調(diào)節(jié)振子121直徑、密度和殼體11滑道內(nèi)彈簧的彈性模量，可以調(diào)節(jié)振子121的固有頻率，當(dāng)振子121的固有頻率和脫渦頻率相等時(shí)，此時(shí)振子121振動(dòng)幅度最大。振子121帶動(dòng)壓電片13沿著滑道14擺動(dòng)，由于壓電效應(yīng)，使機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為電能，連接導(dǎo)電銅片132的導(dǎo)線6將該部分電能輸送到整流穩(wěn)壓裝置233，將該部分電能的電流形式轉(zhuǎn)換為直流電在輸送到配電箱234；配電箱234可通過拉線，將電能輸送到岸上。

在裝置設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)具體的應(yīng)用情況，考慮包括水流流速流向、潮流能水輪機(jī)樁基礎(chǔ)直徑等參數(shù)，通過仿真模擬，選擇合適的振動(dòng)體直徑、密度和彈簧的彈性模量，以使得振動(dòng)體振動(dòng)幅度能保持在較大范圍內(nèi)，提高發(fā)電量。

當(dāng)水流來流方向發(fā)生改變時(shí)，渦激振動(dòng)能捕獲裝置1由于通過連接桿3和潮流能水輪機(jī)發(fā)電機(jī)艙23相連接，隨著潮流能水輪機(jī)偏航，渦激振動(dòng)能捕獲裝置殼體11前部和水輪機(jī)樁基礎(chǔ)23活性連接，渦激振動(dòng)能捕獲裝置能繞著樁基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)，使得渦激振動(dòng)能捕獲裝置始終位于水流方向正下游，提高渦激振動(dòng)能捕獲效率。

本發(fā)明可根據(jù)實(shí)際情況，在渦激振動(dòng)能捕獲裝置內(nèi)連接多個(gè)壓電片13，在豎梁4上開設(shè)相應(yīng)數(shù)目的定位槽41，并將壓電片13兩端分別嵌于振子121和豎梁4內(nèi)定位槽41；沿著潮流能水輪機(jī)樁基礎(chǔ)縱向，同理可設(shè)置多個(gè)渦激振動(dòng)能捕獲裝置；可將這些渦激振動(dòng)能捕獲裝置通過導(dǎo)線6連接至同一個(gè)整流穩(wěn)壓裝置233和配電箱234。