一種新型利用渦激振蕩的發電裝置設計＊

張志偉，季龍濤，鄧崔瓊

（嘉興南洋職業技術學院，浙江 嘉興314000）

渦激振動不僅僅發生在水體中，在開發江、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域發展，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，利用渦激振動開發出更多的綠色能源，促進該項技術的發展，促進海洋能這種可持續、清潔的能源的開發利用，進一步促進低碳社會的發展，這對未來補充能源具有重大的意義。

1 國內外發展狀況

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。現在已經有許多利用渦激振動原理的研究性裝置問世。

渦激振動發電裝置是由美國海洋可再生能源實驗室（MRELab）和密歇根大學首先提出的，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化為電能。經過數10年對渦激振動的研究，學術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、經驗模型研究和計算流體力學（CFD）數值模擬研究。

在國內該類裝置的設計研發也在如火如茶地進行，在第十二屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽上出現了一個較為成功的作品。

2 渦激振動發電裝置研究

渦激振動發電裝置的研究，實際上是研究利用流體中發生渦激振動時產生的動能，即如何控制發生渦激振動，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 渦激振動的發生與雷諾數Re有關

雷諾數Re的計算公式為：

式（1）中：ρ為雷諾數與流體的密度；V為流體的流速；d為物體的相對長度；μ為流體的粘性系數有關。在流體中流體的密度和流體的粘性系數相對保持不變，對于同一個物體發生渦激振動的雷諾數值保持不變（如圓柱體發生渦激振動的雷諾數范圍為150～300），所以只需要根據當地的水文資料來確定水的流速，就可以確定裝置的相對長度，從而保證裝置發生渦激振動的可能性。

2.1.2 壓電效應及壓電材料

壓電效應示意圖如圖1所示。

圖1 壓電效應示意圖

壓電效應：當晶體受到某固定方向外力的作用時，內部產生電極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態；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、高溫燒結，由粉粒之間的固相反應和燒結過程而獲得的微細晶粒無規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，發電裝置分別由復合材料保護殼、電能轉化裝置、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

裝置主要由發電裝置、轉向裝置、固定底座組成，轉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，轉向裝置就可以繞著底盤中心軸發生旋轉，轉向裝置上有一個管狀轉向器，且轉向器的軸向方向和發電裝置的縱向方向保持平行，當水流和轉向器有夾角時，水流就會沖擊轉向器，轉向器就會帶動裝盤發生轉動，直至發電裝置與水流保持平行，從而保證發電裝置的發電效率。

3 結束語

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