基本信息
- 項(xiàng)目名稱:
- 渦激振動(dòng)發(fā)電裝置
- 來(lái)源:
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類:
- 能源化工
- 大類:
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)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(jiàn)的渦激振動(dòng)原理,首先研究確定了適于進(jìn)行發(fā)電的渦激振動(dòng)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(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)體往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為單向轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置,帶動(dòng)發(fā)電機(jī)獲取電能。
- 詳細(xì)介紹:
- 一號(hào)樣機(jī): 當(dāng)水流沖擊振動(dòng)體時(shí),振動(dòng)體因?yàn)闇u激力的作用而上下振動(dòng),渦激頻率由流速以及振動(dòng)體直徑?jīng)Q定,當(dāng)振動(dòng)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(dòng)效果,發(fā)電機(jī)開始工作,振動(dòng)體帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng),滑塊由8個(gè)導(dǎo)向輪限制在導(dǎo)桿上?;瑝K上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)振動(dòng)門框以及其上的運(yùn)動(dòng)豎桿也上下運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)豎桿由三個(gè)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(gè)僅可單逆時(shí)針傳動(dòng)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(dòng)時(shí),左飛輪發(fā)力,右飛輪空轉(zhuǎn),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)豎直鏈條向下運(yùn)動(dòng)時(shí),右飛輪發(fā)力,左飛輪空轉(zhuǎn),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)也是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),這樣即將渦激振動(dòng)的上下運(yùn)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的單向轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)頻率與振動(dòng)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(dòng)部分重量以及彈簧彈性模量完成。裝置的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題在于盡量減小傳動(dòng)過(guò)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(dòng)摩擦取代滑動(dòng)摩擦。上部棘輪鏈條部分對(duì)于配合精度,潤(rùn)滑都有一定要求。 二號(hào)樣機(jī): 二號(hào)樣機(jī)可安裝500mm--1100mm長(zhǎng)的振動(dòng)體,框架可以繞支座旋轉(zhuǎn),從而可以測(cè)試不同長(zhǎng)度振動(dòng)體在不同振動(dòng)角度下的工作情況。裝置振動(dòng)框架采用上下兩組拉簧布局,將振動(dòng)框架和振動(dòng)體懸掛在中間,從而滿足彈性體渦激振動(dòng)狀態(tài)。 經(jīng)過(guò)測(cè)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(dòng)現(xiàn)象,通過(guò)KTC-275線位移傳感器將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),用數(shù)采儀記入電腦,用于進(jìn)一步分析。 三號(hào)樣機(jī): 在一、二號(hào)樣機(jī)的研究基礎(chǔ)之上,項(xiàng)目組進(jìn)一步提出了三號(hào)樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案,三號(hào)樣機(jī)較前兩部樣機(jī)主要的改進(jìn)在于將振動(dòng)體的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)改變?yōu)槔@一懸臂梁支座的往復(fù)擺動(dòng),通過(guò)同步帶將該往復(fù)擺動(dòng)傳遞至水面上,經(jīng)過(guò)齒輪組將往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整為單向轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 三號(hào)樣機(jī)的擺動(dòng)式設(shè)計(jì)方案為多振動(dòng)體并聯(lián)工作提供了一套可行的解決方案,通過(guò)研究并列布置振動(dòng)體的無(wú)量綱間距對(duì)振動(dòng)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(hào)樣機(jī)由于體積過(guò)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(cè)試工作。)
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(dòng)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(dòng)現(xiàn)象獲得電能的實(shí)驗(yàn)裝置,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,找到最適合用于渦激振動(dòng)發(fā)電的振動(dòng)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(dòng)原理,在垂直水流方向上設(shè)置一個(gè)振動(dòng)體,在一定流速下產(chǎn)生渦激振動(dòng),經(jīng)傳動(dòng)裝置將水下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳至水上并轉(zhuǎn)化為單向轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)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(dòng)獲取電能的設(shè)想,通過(guò)對(duì)不同型號(hào)及組合的振動(dòng)體振動(dòng)強(qiáng)度的測(cè)試,優(yōu)化出適應(yīng)于不同流速下渦激振動(dòng)發(fā)電的振動(dòng)體以及振動(dòng)形式;通過(guò)控制并列布置振動(dòng)體的無(wú)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(guò)搖臂機(jī)構(gòu)和單向離合器將振動(dòng)體的往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為單向轉(zhuǎn)動(dòng),便于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 技術(shù)關(guān)鍵:尋找引發(fā)渦激振動(dòng)最為強(qiáng)烈的型號(hào)及組合的振動(dòng)體;振動(dòng)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(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及發(fā)電機(jī)。 技術(shù)指標(biāo):(三號(hào)樣機(jī)) 裝置主尺寸:高1850mm,寬2000mm,流向長(zhǎng)度1210mm; 振動(dòng)體尺寸:直徑90~160mm,長(zhǎng)1100mm; 裝置總重量:150~200kg;單個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)重量:25~45kg; 搖臂半徑:650-950mm。 流速范圍(測(cè)試):0.4m/s--1.3m/s。 預(yù)計(jì)功率:?jiǎn)蝹€(gè)振動(dòng)體30-60w,系統(tǒng)整體:90-180w。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 當(dāng)流體流過(guò)一個(gè)非流線形物體時(shí),會(huì)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(huì)產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象,使漩渦發(fā)放對(duì)物體的作用力大幅增加。而如果能夠通過(guò)渦激振動(dòng)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(guò)水輪機(jī)獵取能量帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。但我國(guó)很大一部分內(nèi)河及沿海潮流流速無(wú)法達(dá)到水輪機(jī)啟動(dòng)速度。渦激振動(dòng)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(guò)模型試驗(yàn),裝置在0.5m/s流速下即進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài),開始工作。 **大學(xué)的陳*教授等在渦激振動(dòng)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(dòng)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(chǎng)中渦激振動(dòng)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(chǎng)中的渦激振動(dòng),哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),1998;
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 一號(hào)樣機(jī),二號(hào)樣機(jī)獲得教育部高教司舉辦的“2010年國(guó)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(hào)樣機(jī)申報(bào)中華環(huán)境保護(hù)基金會(huì)“綠動(dòng)未來(lái)·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(hào)樣機(jī)獲?!拔逅谋倍泉?jiǎng),校節(jié)能減排大賽二等獎(jiǎng),二號(hào)樣機(jī)獲?!叭凼⒈币坏泉?jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 知識(shí)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(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 裝置的振動(dòng)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(dòng),這樣,面對(duì)較低流速,裝置只要適度放大振動(dòng)體直徑,就能產(chǎn)生有效振動(dòng),這樣就不像常見(jiàn)水輪機(jī)那樣存在啟動(dòng)速度,可以利用低速水流發(fā)電。而且該裝置基本運(yùn)動(dòng)方式為上下簡(jiǎn)諧振動(dòng),不同于水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),不易纏繞水草、海藻以及漁網(wǎng)等雜物。而且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),水中魚類可以自由在其間穿行而不會(huì)被裝置擊傷,對(duì)水體生態(tài)影響較小??梢?jiàn),裝置對(duì)流速,空間要求都不高,而且不會(huì)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(duì)渦激振動(dòng)發(fā)電原理究的是美國(guó)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(dòng)水生清潔能源)裝置,進(jìn)過(guò)深入細(xì)致的研究,解決了諸多問(wèn)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(dòng)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?dòng)體表面粗糙度,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(guó)內(nèi)尚未檢索到類似研究項(xiàng)目以及產(chǎn)品。