一种基于涡激效应的流体动能收集装置

本发明涉及新能源设备技术领域，尤其是涉及一种基于涡激效应的流体动能收集装置。

背景技术：

当前，发展新能源已经成为转变能源发展方式、优化能源结构的重要手段，新能源的开发利用引人瞩目。自然界中广泛存在的流体动能(如河流、洋流、潮汐、风等等)为人类提供了清洁的可再生能源。以水力发电为例，传统水力发电的基本原理的收集方式主要是利用水位落差，借助水轮机将流体势能转化为水轮机动能，再推动电机产生电能。传统水力发电需要建大坝等设施，成本较高，而且会改变当地的地貌和生态体系。

因此，科学家提出利用流体动能来进行发电的技术，即充分利用风、河流、洋流和潮汐的自然流动的发电技术。大自然中的风、江河的水流、潮汐以及洋流都携带者巨大的能量，主要是流体流动的动能，然而现有的流体动能收集装置存在结构复杂，成本高，运行效率低的问题。以水轮机为例，在使用过程中，流体冲向水轮机的水斗，使水轮机旋转，只有水斗正对来流，才能最有效地收集流体的动能。而自然界中的风、江河的水流、潮汐以及洋流的方向是不确定的，因此现有的流体动能收集装置并不能高效利用各个方向来流的能量。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于涡激效应的流体动能收集装置，结构简单，成本低，易于生产、安装和维护，可以收集各个方向的来流的动能，能量吸收率高，装置运行效率高，在江、河流、湖、潮汐、洋流、风等各种流体动能的收集方面具有较好的应用前景。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于涡激效应的流体动能收集装置，包括支架、转子和发电装置，所述转子为刚性柱体，转子与支架配合连接，转子具有绕转子的转轴旋转的一维自由度，所述发电装置与转子连接；

当流体作用于转子时，基于涡激效应，转子发生旋转，转子的旋转带动发电装置发电，将流体动能转化为转子的旋转动能，进而通过发电装置转化为电能输出。

优选的，所述转子的转轴可以沿任意方向布置，根据地形、流体状态及安装需求调整转轴方向，使流体动能收集装置的运行效率更高或安装成本更低。

优选的，所述转子的转轴可以设置在转子的截面中心，也可以设置成偏心轴形式。

优选的，所述转子为刚性柱体，其截面可以设置为椭圆，或者三角形、矩形等凸多边形，也可以设置为类似于五角星、六角星等的凹多边形。

优选的，所述转子可以设置为等截面柱体，也可设置成不同高度采用不同截面大小或者形状的非等截面柱体。

优选的，所述转子的材料可以选用刚度较大的金属材料并做好防锈等处理；也可以使用成本较低的塑料等材料。

优选的，所述转子可以设置为空心壳体，空心壳体可以减少转子的转动惯量，只要有较为微弱的流动就可由于涡激效应使转子旋转，尽可能充分地吸收流体的动能，同时，可以减小转子的重量，使转子的重力与浮力相当，减小转动组件的支撑压力，也降低了制造成本。

优选的，所述支架可以通过刚性固定支座固定在安装位置，也可以通过锚和锚链固定在安装位置。

优选的，所述流体动能收集装置可以单独使用，也可以将多个流体动能收集装置排成阵列，转子之间相互耦合作用，共同进行能量收集。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)结构简单，成本低，易于生产、安装和维护，通过转子的转动收集各个方向的来流的动能，能量吸收率高，装置运行效率高，在江、河流、湖、潮汐、洋流、风等各种流体动能的收集方面具有较好的应用前景。

(2)考虑到流体的流速或者物性在高度上不同，转子可以为不同高度采用不同截面大小或者截面形状的非等截面柱体，提升了能量收集效率。

(3)转子可以设置为空心壳体，可以减少转子的转动惯量，只要有较为微弱的流动就可由于涡激效应使转子旋转，尽可能充分地吸收流体的动能，同时可以减小转动组件的支撑压力，也降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为模拟实验中周期振荡型的转子旋转角度曲线图；

图3为模拟实验中随机振荡型的转子旋转角度曲线图；

图4为模拟实验中持续旋转型的转子旋转角度曲线图；

附图标记：1、支架，2、转子，3、发电装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件。

实施例1：

一种基于涡激效应的流体动能收集装置，如图1所示，包括支架1、转子2和发电装置3，转子2为刚性柱体，转子2的两端与支架1旋转配合，支架1与转子2可以通过轴承相连，也可以通过其他连接件相连，转子2具有绕转子2的转轴旋转的一维自由度，支架1起到固定转子2的转轴的作用。在其他实施方式中，可以改变支架1的结构。

发电装置3与转子2连接，转子2的旋转带动发电装置3发电。发电装置3的结构为现有技术，其选型、安装和使用已为同行普通技术人员所掌握，转子2与发电装置3的连接可以为齿轮、传动轮等连接方式，在此不再进行介绍。转子2的大小、高度、安装位置以及材料等的选取，可以根据流体动能收集装置所在位置的流体情况决定。

当流体作用于转子2时，基于涡激效应，转子2会出现周期性振荡、随机振荡或者单向旋转等几种运动状态，转子2发生旋转，转子2的旋转带动发电装置3发电，将流体动能转化为转子2的旋转动能，进而通过发电装置3转化为电能输出。

本实施例中，转子2的转轴方向为竖直方向，水平方向上各个方位的来流均可对转子2发生作用，流体动能收集装置的能量吸收率高。在其他实施方式中，当流体动能收集装置安装的位置为地形较为复杂的海底或者河流等位置时，不仅存在水平方向的来流，因此，可以根据水底地形以及水流状况调整转子2的转轴方向，使流体动能收集装置的运行效率加强。

本实施例中，转子2的转轴在转子2的截面中心位置，在其他实施方式中，也可以考虑实际的流体情况，如流速、来流方向、大小等，将转子2设置为偏心轴形式。

转子2的截面形状可以为椭圆，或者三角形、矩形等凸多边形，或者类五角星、类六角星等的凹多边形。

转子2可以为等截面柱体，考虑流体的流速或者物性在高度上不同，转子2也可以为不同高度采用不同截面大小或者截面形状的非等截面柱体。

转子2的材料可以选用刚度较大的金属材料并做好防锈等处理，保证流体动能收集装置的可靠性和使用寿命；也可以使用成本较低的塑料等材料。

转子2可以设置为空心壳体。空心壳体可以减少转子2的转动惯量，只要有较为微弱的流动就可由于涡激效应使转子2旋转，尽可能充分地吸收流体的动能；同时，通过调整空心壳体的空腔，可以使转子2的重力与浮力保持相当，减少轴承的支撑压力，也降低了制造成本。

本实施例中，如图1所示，支架2包括上下平台和支撑梁，支撑梁分别与上平台和下平台固定连接，起到固定转子2转轴的作用，保证其一维旋转自由度。

支撑梁的数量可以根据需要调整，多个支撑梁可以更好的起到支撑作用，同时，支撑梁尽量保持较小体积，以免阻挡来流，弱化流体动能收集装置的效果。

支架1可以选用刚度较大的金属材料并做好防锈等处理，保证流体动能收集装置的可靠性和使用寿命；也可以使用成本较低的塑料等材料。

支架1也可以设置为空心形式，或者可以在支架1上增加浮体，调整流体动能收集装置的重力与浮力保持平衡，减轻支撑流体动能收集装置的支撑压力。

支架1可以为固定式，可以通过刚性固定支座将支架1固定在水底等安装位置，也可以通过锚和锚链将支架1固定在水底等安装位置。

流体动能收集装置可以单独使用，也可以将多个流体动能收集装置排成阵列，转子2之间相互耦合作用，共同进行能量收集。

实施例2：

本实施例进行了水流流过转子2造成其绕轴的涡激振动的二维数值模拟研究，并探究了转子2在不同的流速下的运动状态。本实施例中，转子2选用等截面的方柱体壳体，采用铁制成。在不同的均匀流速下进行了模拟实验，得到不同的运动状态，包括：周期振荡型、随机振荡型以及单向旋转型，具体为：

1)如图2所示，流速较低时，转子2呈现周期性振荡状态，此时转子2后方出现交替脱落的涡街，图2为转子2的旋转角度随时间的变化情况。

2)当流速增大时，转子2呈现随机振荡的运动状态，没有呈现明显规律性，此时转子2后方涡街脱落更加明显，且没有明显规律性，图3为此时转子2的旋转运动状态。

3)当流速继续增大，转子2呈现沿着一个方向持续转动状态，称为单向旋转型，如图4所示。

转子2通过轴承与支架1固定，具有绕转子2的转轴旋转的一维自由度，当流体流过转子2时，由于涡激效应，转子2会自发旋转，表现出周期性振荡、随机振荡或者单向旋转等几种运动状态，转子2的运动带动与转子2连接的发电装置3输出能量。

由于转子2具有绕转子2的转轴旋转的一维自由度，任何方向的来流都能使得转子2转动，不需要限定流体动能收集装置的哪个面正对来流，提升了流体动能的捕获率。而且，转子2的转动带动发电装置3发电，相比于其他方式带动发电装置3发电(如振动压电式发电)，转子2没有位置上的改变，只有绕转轴的转动，转动的方式能够最大程度的降低能量损耗，从而提升能量转换效率。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。