一种新型利用涡激振荡的发电装置设计＊

张志伟，季龙涛，邓崔琼

（嘉兴南洋职业技术学院，浙江 嘉兴314000）

涡激振动不仅仅发生在水体中，在开发江、河、湖、海的涡激振动能源的时候，也要向更加容易利用涡激振动的区域发展，比如摩天大楼的高空气流，范围更大，更加多方向化。

通过实验室的研究，利用涡激振动开发出更多的绿色能源，促进该项技术的发展，促进海洋能这种可持续、清洁的能源的开发利用，进一步促进低碳社会的发展，这对未来补充能源具有重大的意义。

1 国内外发展状况

总体来讲，涡激振动原理的理论研究还在起步阶段，但是这并不影响人们对该原理的利用。现在已经有许多利用涡激振动原理的研究性装置问世。

涡激振动发电装置是由美国海洋可再生能源实验室（MRELab）和密歇根大学首先提出的，它充分利用海洋、潮汐、溪流等的流体性能，使用被动湍流控制，并利用流致运动形式将流体能量转化为电能。经过数10年对涡激振动的研究，学术界虽然还未把握涡激振动的机理，但仍取得了许多阶段性的成果，构成了当今涡激振动的研究基石。从研究方法上分，涡激振动的研究主要有模型试验研究、经验模型研究和计算流体力学（CFD）数值模拟研究。

在国内该类装置的设计研发也在如火如茶地进行，在第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛上出现了一个较为成功的作品。

2 涡激振动发电装置研究

涡激振动发电装置的研究，实际上是研究利用流体中发生涡激振动时产生的动能，即如何控制发生涡激振动，并有效利用这种能量达到最好的效果。

2.1 原理简述

2.1.1 涡激振动的发生与雷诺数Re有关

雷诺数Re的计算公式为：

式（1）中：ρ为雷诺数与流体的密度；V为流体的流速；d为物体的相对长度；μ为流体的粘性系数有关。在流体中流体的密度和流体的粘性系数相对保持不变，对于同一个物体发生涡激振动的雷诺数值保持不变（如圆柱体发生涡激振动的雷诺数范围为150～300），所以只需要根据当地的水文资料来确定水的流速，就可以确定装置的相对长度，从而保证装置发生涡激振动的可能性。

2.1.2 压电效应及压电材料

压电效应示意图如图1所示。

图1 压电效应示意图

压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。

压电材料可分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。压电陶瓷指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。

2.2 发电装置

振荡装置如图2所示。

图2 振荡装置示意图

在图2中，发电装置分别由复合材料保护壳、电能转化装置、振动翼片和压电陶瓷组成。

装置主体如图3所示。

图3 装置整体示意图

装置主要由发电装置、转向装置、固定底座组成，转向装置和固定底座利用轴承连接，正是因为底座的轴承连接，转向装置就可以绕着底盘中心轴发生旋转，转向装置上有一个管状转向器，且转向器的轴向方向和发电装置的纵向方向保持平行，当水流和转向器有夹角时，水流就会冲击转向器，转向器就会带动装盘发生转动，直至发电装置与水流保持平行，从而保证发电装置的发电效率。

3 结束语

对涡激振动发电装置的研究，实际上是利用流体中发生涡激振动时产生的动能的问题，即如何控制发生涡激振动，并有效利用这种能量达到最好效果。这种新型的发电装置与其他的发电装置相比结构简单，成本低，易于维护；且可以单元化设计，将多个装置阵列排布，提高能源利用率；同时该装置自带转向装置，可适应不同方向的水流和不同的海域。装置产生的电能可以通过以下几种途径利用：直接输入国家电网、为远离大陆的海岛提供电能、为海洋航行器直接提供能量、为海上结构物提供电力保障。