一種新型利用渦激振蕩的發(fā)電裝置設(shè)計＊

張志偉，季龍濤，鄧崔瓊

（嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興314000）

渦激振動不僅僅發(fā)生在水體中，在開發(fā)江、河、湖、海的渦激振動能源的時候，也要向更加容易利用渦激振動的區(qū)域發(fā)展，比如摩天大樓的高空氣流，范圍更大，更加多方向化。

通過實驗室的研究，利用渦激振動開發(fā)出更多的綠色能源，促進該項技術(shù)的發(fā)展，促進海洋能這種可持續(xù)、清潔的能源的開發(fā)利用，進一步促進低碳社會的發(fā)展，這對未來補充能源具有重大的意義。

1 國內(nèi)外發(fā)展狀況

總體來講，渦激振動原理的理論研究還在起步階段，但是這并不影響人們對該原理的利用。現(xiàn)在已經(jīng)有許多利用渦激振動原理的研究性裝置問世。

渦激振動發(fā)電裝置是由美國海洋可再生能源實驗室（MRELab）和密歇根大學(xué)首先提出的，它充分利用海洋、潮汐、溪流等的流體性能，使用被動湍流控制，并利用流致運動形式將流體能量轉(zhuǎn)化為電能。經(jīng)過數(shù)10年對渦激振動的研究，學(xué)術(shù)界雖然還未把握渦激振動的機理，但仍取得了許多階段性的成果，構(gòu)成了當今渦激振動的研究基石。從研究方法上分，渦激振動的研究主要有模型試驗研究、經(jīng)驗?zāi)Ｐ脱芯亢陀嬎懔黧w力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬研究。

在國內(nèi)該類裝置的設(shè)計研發(fā)也在如火如茶地進行，在第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽上出現(xiàn)了一個較為成功的作品。

2 渦激振動發(fā)電裝置研究

渦激振動發(fā)電裝置的研究，實際上是研究利用流體中發(fā)生渦激振動時產(chǎn)生的動能，即如何控制發(fā)生渦激振動，并有效利用這種能量達到最好的效果。

2.1 原理簡述

2.1.1 渦激振動的發(fā)生與雷諾數(shù)Re有關(guān)

雷諾數(shù)Re的計算公式為：

式（1）中：ρ為雷諾數(shù)與流體的密度；V為流體的流速；d為物體的相對長度；μ為流體的粘性系數(shù)有關(guān)。在流體中流體的密度和流體的粘性系數(shù)相對保持不變，對于同一個物體發(fā)生渦激振動的雷諾數(shù)值保持不變（如圓柱體發(fā)生渦激振動的雷諾數(shù)范圍為150～300），所以只需要根據(jù)當?shù)氐乃馁Y料來確定水的流速，就可以確定裝置的相對長度，從而保證裝置發(fā)生渦激振動的可能性。

2.1.2 壓電效應(yīng)及壓電材料

壓電效應(yīng)示意圖如圖1所示。

圖1 壓電效應(yīng)示意圖

壓電效應(yīng)：當晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

壓電材料可分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電晶體一般指壓電單晶體；壓電陶瓷則泛指壓電多晶體。壓電陶瓷指用必要成份的原料進行混合、成型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體。具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷，實際上也是鐵電陶瓷。

2.2 發(fā)電裝置

振蕩裝置如圖2所示。

圖2 振蕩裝置示意圖

在圖2中，發(fā)電裝置分別由復(fù)合材料保護殼、電能轉(zhuǎn)化裝置、振動翼片和壓電陶瓷組成。

裝置主體如圖3所示。

圖3 裝置整體示意圖

裝置主要由發(fā)電裝置、轉(zhuǎn)向裝置、固定底座組成，轉(zhuǎn)向裝置和固定底座利用軸承連接，正是因為底座的軸承連接，轉(zhuǎn)向裝置就可以繞著底盤中心軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向裝置上有一個管狀轉(zhuǎn)向器，且轉(zhuǎn)向器的軸向方向和發(fā)電裝置的縱向方向保持平行，當水流和轉(zhuǎn)向器有夾角時，水流就會沖擊轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器就會帶動裝盤發(fā)生轉(zhuǎn)動，直至發(fā)電裝置與水流保持平行，從而保證發(fā)電裝置的發(fā)電效率。

3 結(jié)束語

對渦激振動發(fā)電裝置的研究，實際上是利用流體中發(fā)生渦激振動時產(chǎn)生的動能的問題，即如何控制發(fā)生渦激振動，并有效利用這種能量達到最好效果。這種新型的發(fā)電裝置與其他的發(fā)電裝置相比結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于維護；且可以單元化設(shè)計，將多個裝置陣列排布，提高能源利用率；同時該裝置自帶轉(zhuǎn)向裝置，可適應(yīng)不同方向的水流和不同的海域。裝置產(chǎn)生的電能可以通過以下幾種途徑利用：直接輸入國家電網(wǎng)、為遠離大陸的海島提供電能、為海洋航行器直接提供能量、為海上結(jié)構(gòu)物提供電力保障。