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基本信息

項(xiàng)目名稱：
渦激振動發(fā)電裝置
小類：
能源化工
簡介：
本裝置是一種新型水流發(fā)電裝置，它借助的是流體力學(xué)中常見的渦激振動原理，首先研究確定了適于進(jìn)行發(fā)電的渦激振動參數(shù)狀態(tài)，確定了模型機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了將渦激振動導(dǎo)致的振動體往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為單向轉(zhuǎn)動的傳動裝置，帶動發(fā)電機(jī)獲取電能。
詳細(xì)介紹：
一號樣機(jī)： 當(dāng)水流沖擊振動體時(shí)，振動體因?yàn)闇u激力的作用而上下振動，渦激頻率由流速以及振動體直徑?jīng)Q定，當(dāng)振動系統(tǒng)固有頻率與之相吻合時(shí)，形成自鎖，達(dá)到最大振動效果，發(fā)電機(jī)開始工作，振動體帶動滑塊運(yùn)動，滑塊由8個導(dǎo)向輪限制在導(dǎo)桿上?；瑝K上下運(yùn)動帶動振動門框以及其上的運(yùn)動豎桿也上下運(yùn)動。運(yùn)動豎桿由三個部分組成，兩片夾板以及中間的豎直鏈條，豎直鏈條左右各一個僅可單逆時(shí)針傳動的飛輪，順時(shí)針時(shí)兩飛輪都空轉(zhuǎn)，這樣，當(dāng)豎直鏈條向上運(yùn)動時(shí)，左飛輪發(fā)力，右飛輪空轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，當(dāng)豎直鏈條向下運(yùn)動時(shí)，右飛輪發(fā)力，左飛輪空轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)也是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，這樣即將渦激振動的上下運(yùn)動能量轉(zhuǎn)化為帶動發(fā)電機(jī)的單向轉(zhuǎn)動能量，可以使發(fā)電機(jī)順利工作獲取電能。 裝置有效運(yùn)行，核心在于渦激振動頻率與振動體固有頻率的匹配，只有這樣才能發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象，即“自鎖”，使振幅達(dá)到最大。這主要依靠調(diào)節(jié)振動部分重量以及彈簧彈性模量完成。裝置的另一個關(guān)鍵問題在于盡量減小傳動過程中的能量損耗，需要減少滑塊與導(dǎo)桿間的摩擦，主要方式為加裝滾輪，以滾動摩擦取代滑動摩擦。上部棘輪鏈條部分對于配合精度，潤滑都有一定要求。 二號樣機(jī)： 二號樣機(jī)可安裝500mm--1100mm長的振動體，框架可以繞支座旋轉(zhuǎn)，從而可以測試不同長度振動體在不同振動角度下的工作情況。裝置振動框架采用上下兩組拉簧布局，將振動框架和振動體懸掛在中間，從而滿足彈性體渦激振動狀態(tài)。 經(jīng)過測試，裝套裝置可以在0.5--1.2m/s流速下有效產(chǎn)生渦激振動現(xiàn)象，通過KTC-275線位移傳感器將位移信號轉(zhuǎn)化為電信號，用數(shù)采儀記入電腦，用于進(jìn)一步分析。 三號樣機(jī)： 在一、二號樣機(jī)的研究基礎(chǔ)之上，項(xiàng)目組進(jìn)一步提出了三號樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案，三號樣機(jī)較前兩部樣機(jī)主要的改進(jìn)在于將振動體的線性往復(fù)運(yùn)動改變?yōu)槔@一懸臂梁支座的往復(fù)擺動，通過同步帶將該往復(fù)擺動傳遞至水面上，經(jīng)過齒輪組將往復(fù)轉(zhuǎn)動調(diào)整為單向轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 三號樣機(jī)的擺動式設(shè)計(jì)方案為多振動體并聯(lián)工作提供了一套可行的解決方案，通過研究并列布置振動體的無量綱間距對振動體工作狀態(tài)的影響，可以為裝置在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的規(guī)模化布置形式提供重要依據(jù)。（注：三號樣機(jī)由于體積過大，目前已經(jīng)完成方案設(shè)計(jì)以及1:3靜態(tài)模型制作，1:1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼诩庸ぃA(yù)計(jì)在挑戰(zhàn)杯決賽時(shí)可以完成組裝以及實(shí)驗(yàn)測試工作。）

作品圖片

  • 渦激振動發(fā)電裝置
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計(jì)目的:研究利用渦激振動原理發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作出可以利用渦激振動現(xiàn)象獲得電能的實(shí)驗(yàn)裝置，通過實(shí)驗(yàn)測試，找到最適合用于渦激振動發(fā)電的振動體，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及可行性分析。 基本思路:利用渦激振動原理，在垂直水流方向上設(shè)置一個振動體，在一定流速下產(chǎn)生渦激振動，經(jīng)傳動裝置將水下的往復(fù)運(yùn)動傳至水上并轉(zhuǎn)化為單向轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。 創(chuàng)新點(diǎn)：開創(chuàng)性地提出了利用渦激振動獲取電能的設(shè)想,通過對不同型號及組合的振動體振動強(qiáng)度的測試，優(yōu)化出適應(yīng)于不同流速下渦激振動發(fā)電的振動體以及振動形式；通過控制并列布置振動體的無量綱間距，調(diào)節(jié)渦街發(fā)放，確定裝置的最佳工作狀態(tài)；通過搖臂機(jī)構(gòu)和單向離合器將振動體的往復(fù)線性運(yùn)動轉(zhuǎn)化為單向轉(zhuǎn)動，便于驅(qū)動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 技術(shù)關(guān)鍵：尋找引發(fā)渦激振動最為強(qiáng)烈的型號及組合的振動體；振動系統(tǒng)固有頻率與渦街發(fā)放頻率的匹配；設(shè)計(jì)確定將渦激振動的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的傳動機(jī)構(gòu)及發(fā)電機(jī)。 技術(shù)指標(biāo)：(三號樣機(jī)） 裝置主尺寸：高1850mm，寬2000mm，流向長度1210mm； 振動體尺寸：直徑90～160mm，長1100mm； 裝置總重量：150～200kg；單個振動系統(tǒng)重量：25～45kg； 搖臂半徑：650-950mm。 流速范圍（測試）：0.4m/s--1.3m/s。 預(yù)計(jì)功率：單個振動體30-60w，系統(tǒng)整體：90-180w。

科學(xué)性、先進(jìn)性

當(dāng)流體流過一個非流線形物體時(shí)，會產(chǎn)生交替脫落的漩渦，當(dāng)系統(tǒng)雷諾數(shù)達(dá)到一定范圍會產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，使漩渦發(fā)放對物體的作用力大幅增加。而如果能夠通過渦激振動原理獲取水中能量，則將提供一種全新的水流發(fā)電形式。 目前水流發(fā)電主要是通過水輪機(jī)獵取能量帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。但我國很大一部分內(nèi)河及沿海潮流流速無法達(dá)到水輪機(jī)啟動速度。渦激振動發(fā)電裝置則是一種適于在較低流速工作的低成本水流發(fā)電裝置。通過模型試驗(yàn)，裝置在0.5m/s流速下即進(jìn)入振動狀態(tài)，開始工作。 **大學(xué)的陳*教授等在渦激振動研究方面取得了豐碩成果，為項(xiàng)目開展提供了重要指導(dǎo)。**大學(xué)的船模水池以及循環(huán)水槽等設(shè)備為實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行奠定了重要的基礎(chǔ)支撐。 參考文獻(xiàn)： [1]蔡洪斌，圓柱體的渦激升力研究及其動力響應(yīng)分析，學(xué)位論文，2006； [2]姚熊亮，陳起富，串列雙圓柱在均勻流場中渦激振動綜述，哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1994； [3]張大中，并列雙柱圓柱體在均勻流場中的渦激振動，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998；

獲獎情況及鑒定結(jié)果

一號樣機(jī)，二號樣機(jī)獲得教育部高教司舉辦的“2010年國家大學(xué)生創(chuàng)新性試驗(yàn)計(jì)劃”項(xiàng)目立項(xiàng)，驗(yàn)收合格； 三號樣機(jī)申報(bào)中華環(huán)境保護(hù)基金會“綠動未來·2010年高校環(huán)?？蒲袘?yīng)用技術(shù)項(xiàng)目支持計(jì)劃”，成為優(yōu)秀培育項(xiàng)目； 一號樣機(jī)獲?！拔逅谋倍泉?，校節(jié)能減排大賽二等獎，二號樣機(jī)獲?！叭凼⒈币坏泉劇?/dd>

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓或技術(shù)授權(quán)。

作品可展示的形式

模型 圖紙 圖片 錄像 樣品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

裝置的振動效果與雷諾數(shù)有關(guān)，只要滿足一定范圍，就能產(chǎn)生有效的振動，這樣，面對較低流速，裝置只要適度放大振動體直徑，就能產(chǎn)生有效振動，這樣就不像常見水輪機(jī)那樣存在啟動速度，可以利用低速水流發(fā)電。而且該裝置基本運(yùn)動方式為上下簡諧振動，不同于水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，不易纏繞水草、海藻以及漁網(wǎng)等雜物。而且運(yùn)動平穩(wěn)，水中魚類可以自由在其間穿行而不會被裝置擊傷，對水體生態(tài)影響較小?？梢姡b置對流速，空間要求都不高，而且不會破壞水體生態(tài)環(huán)境，所以裝置不僅適用于海洋潮流能發(fā)電，還適用于在水流平緩的河流中獲取電能，這樣，可以進(jìn)行大規(guī)模布置，形成規(guī)?；?yīng)，在獲得大量電能的基礎(chǔ)上有效降低成本。

同類課題研究水平概述

目前已知展開對渦激振動發(fā)電原理究的是美國密歇根大學(xué)的Michael Bernitsas教授，他提出了VIVACE（Vortex Induced Vibration Aquatic Clean Energy，渦激振動水生清潔能源）裝置，進(jìn)過深入細(xì)致的研究，解決了諸多問題，收集到許多數(shù)據(jù)，取得了卓有成效的成果，他得出的結(jié)論是渦激振動發(fā)電裝置在低速水流下仍能有效產(chǎn)生電能，而且成本低廉，性價(jià)比較高，具有較好發(fā)展前景。 Michael教授現(xiàn)在主要研究方向?yàn)楦淖冋駝芋w表面粗糙度，使其可以適應(yīng)更廣的流速區(qū)間，并提高能量利用效率。 國內(nèi)尚未檢索到類似研究項(xiàng)目以及產(chǎn)品。
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