能量轉換器和能量轉換系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開涉及能量轉換器和能量轉換系統。本公開更具體地涉及用于使用"橫向馳 振"將流體流動的動量轉換為電力的能量轉換器和系統。
【背景技術】
[0002] 流致振動（FIV)在技術與工程的許多領域中具有高的關注度。主要原因在于它們 對結構能夠具有危險影響。它們能夠在結構中潛在地生成不可接受的振蕩水平，這種振蕩 水平可以使結構的完整性和/或功能性處于危險中。從歷史觀點上說，工程師和科學家已 經因此試圖防止FIV和/或最小化它們的影響。然而，近來已經證明，能夠使用一些FIV從 流動中提取能量。
[0003] 本發明的示例基于通常被稱為橫向馳振（TG)的流致振動現象的使用。其他流致 振動，諸如，例如，渦致振動（VIV)或顫動的現象，在過去已經被認為用于能量轉換和電力 產生。
[0004] 渦致振動：
[0005] 當彈性阻流體處于穩定的流體流動的作用下時，對于足夠高的雷諾數（例如，高 于50)，流動從主體表面分離，從而生成不穩定的寬尾流。通常，流動型態的特征在于在主體 的每一側上的兩個剪切層，所述兩個剪切層不穩定并且卷起形成漩渦。這些漩渦以與無擾 亂流速度成比例的頻率周期性脫落到尾流。存在渦旋脫落的頻率在其中接近于主體的固有 振蕩頻率的流速，并且對于足夠低的質量值和機械性質，在主體中能夠引起顯著的振蕩。當 主體正振蕩時，在振蕩主體和圍繞振蕩主體的流場之間發展出復雜的相互作用。這種非線 性共振現象被稱為渦致振動（VIV)。理論上，通過電力轉換器的使用，振蕩的動能能夠轉化 成電力。在US 7, 208, 845、WO 2012/066550和US 6, 424, 079中已經描述了部分或完全基 于渦致振動的能量轉換設備的示例。
[0006] 與基于渦致振動的能量轉換器相關的至少一個缺點在于，僅在相對窄范圍的流體 流動速度中才發生共振。因此，僅在非常窄范圍的流體流動速度中才能夠達到相對良好的 能量轉換效率。此外，振蕩的峰值振幅（其直接或間接驅動電力產生）內在受限。
[0007] 顫動：
[0008] 顫動為影響流線型柔性體的流致振動。其為流致不穩定性（而非如同VIV的共 振）并且通常涉及在兩個自由度中的振蕩，例如，橫向于入射流以及扭轉（俯仰）。顫動通 常為相對小振幅的高頻振蕩現象。例如，US 2009/0121489和US 7, 986, 051描述了采用顫 動的能量轉換器。
[0009] 與基于顫動現象的能量轉換器相關的一個缺點在于，其為引起小振幅振蕩的高頻 現象。就其本身而言，其能夠使得電力產生復雜。此外，雷諾數（雷諾數指示在流動中的慣 性力與黏性力的比值）在振蕩中的影響非常顯著。這意味著僅特定的流動狀況才能夠達到 相對良好的能量轉換效率。
[0010] 馳振與橫向馳振：
[0011] 馳振為在土木工程領域中眾所周知的現象。通常，當在電線上的積冰更改了傳輸 線的原始大體上圓形橫截面時，能夠在高壓電力傳輸線中觀察到馳振現象。由第一傳輸線 造成的尾流可以使下游的傳輸線開始馳振。這種現象通常稱為"尾流馳振"。
[0012] 當入射流的速度超過某一臨界值時，在具有相對低質量、低阻尼系數并且具有合 適形狀或橫截面（諸如，例如矩形、三角形或開口的半圓形（C形）或D形）的細長結構中 會發生橫向馳振。在流動速度高于該臨界值的情況下，通過流體力的失穩效應克服了結構 (機械）阻尼的穩定效應，并且主體的小的橫向位移在趨向增大振動幅度的運動方向上產 生流體力。一旦超過不穩定閾值，就發展具有漸增幅度的振蕩運動（其主要橫向于流），直 到通過機械阻尼耗散的每個循環的能量使來自流動的每個循環的能量輸入平衡。
[0013] 平穩振蕩的振幅和頻率取決于主體的幾何形狀和機械性質（橫截面形狀、質量、 固有振蕩頻率和機械阻尼）以及入射流速。在流速漸增的情況下，振蕩的振幅增加保持增 加，并且至少在理論上無上限。
[0014] 例如，關于渦致振動的用于能量轉換和電力產生的馳振的一個顯著優點在于，振 蕩不僅僅在流速的限定范圍內發生，反而相反地，它們發生在高于臨界流動速度的任何流 動速度處。此外，在馳振中的振蕩的振幅可以相對大，而在渦致振動中，它們可以相對小。馳 振主體的振幅/特征長度的比值可以達到3或5或10。主體的特征長度可以為，例如，主體 的橫截面的寬度。對于渦致振動，對于這個比值可以給出的最大可能振幅大約為1。
[0015] 另一個相關方面為橫向馳振在其中發生的流動速度強烈依賴于馳振主體的機械 性質。一般來說，質量和機械阻尼越低，用于馳振的臨界流動速度就越低。為能量效率的目 的，由于在某種程度上一個人能夠控制（例如，通過恰當選擇機械性質）馳振將要在其中發 生的流動速度，所以這是非常有利的。
[0016] 此外，橫向馳振比在此描述的其他流致振動更少取決于雷諾數。這意味著基于橫 向馳振的能量轉換器在規模上可以更容易地增加。
[0017] 由發明者Barrero-Gil (Barrero-Gil等人，來自馳振的橫向能量收集 (Transverse Energy harvesting from Galloping)，聲音與振動雜志（Journal of Sound and Vibration)329. 14(2010) ,2873-2883)發展的先前的理論研宄已經強調，原則上，將能 量從流體流動有效轉換到棱柱是可能的。
[0018] JP 2006-226221公開了基于橫向馳振的能量轉換器。振動主體為安裝的懸臂并且 電力產生基于壓電電氣材料的形成。與這種布置相關的至少一個缺點在于，達到大規模能 量轉化將是困難和/或昂貴的。
[0019] 先前，1975年多倫多大學的Denis N. Bouclin的"方柱的水力彈性振蕩 (Hydroelastic Oscillations of square cylinders)"研宄了在禍旋脫落與浸入水流中的 方柱的馳振類型振蕩之間的相互作用。Bouclin并未認識到使用橫向馳振從流體流動中提 取能量的可能性。相反，在Bouclin的研宄背后的理念將要檢驗這一現象以便能夠避免橫 向馳振的負面影響。即使已經認識到能量收集的可能性，但試驗裝置很難用于該目的。在 Bouclin進行的試驗中，振蕩方柱使用具有相對較低機械阻尼系數的空氣軸承沿著引導件 被引導。柱體的方格設計也并非對橫向馳振最優化。此外，密度比值m #= P /Pis體也 不適合于該目的。
[0020] 本公開涉及用于基于橫向馳振振動改善能量轉換（和電力產生）的各種方法和系 統。
【發明內容】
[0021] 在第一方面，提供了用于通過橫向馳振將來自液體主體的動能進行轉換的能量轉 換器。能量轉換器包括支撐件、用于橫向馳振的在第一端與第二端之間延伸并且具有合適 橫截面的細長的馳振主體、布置在液體主體外部以用于引導馳振主體的第一端的大體上水 平的引導件、大體上水平布置并且連接在馳振主體與支撐件之間的一個或多個彈性裝置， 以及包括靜態發電機部件和動態發電機部件的發電機。馳振主體大體上豎直懸掛使得該主 體的第二端延伸到液體主體中，并且動態發電機部件可操作地連接到馳振主體。
[0022] 根據該方面，可以實現馳振主體的大體上線性的振蕩運動。這種線性振蕩可以具 有相對大的振幅，由于可以使用常規發電機類型，所以這能夠有助于能量轉換成電力。由于 馳振主體豎直懸掛，并且執行水平運動，發電機和其他關鍵部件可以布置在液體主體的外 部。液體主體通常可以為大海、海洋或河流。通過將關鍵部件布置在液體（例如，咸海水） 外部，可以避免或降低此類部件的磨損（例如，腐蝕）。
[0023] 使用液體（例如，水）流動代替空氣流動的優點在于，液體流動可以較小的隨時間 可變并且更易預測。因此，對于特定的液體流動和位置，可以可靠地調諧馳振主體。另一個 優點在于，液體的密度可以通常遠高于空氣的密度，從而使橫向馳振更明顯，并且另外地， 液體（水）流動的能含量高于處于相同流動速度的氣流的能含量。
[0024] 基于線性化的（即，簡化的）分析，在這方面用于馳振的合適的橫截面（或合適的 形狀）可以簡化為產生滿足"Den Hartog"準則的形狀的橫截面
其中Q 為升力系數，Cd為阻力系數，以及α為沖角。
[0025] 在一些實施例中，彈性裝置可以為彈簧裝置。例如，一個或多個彈簧可以在彈簧的 一端上附接到馳振主體的一部分，而在彈簧的另一端處附接到支撐結構。彈性裝置也可以 通過（例如）在運動期間可以拉伸的合適彈性材料形成。
[0026] 馳振主體通常可以為或通常包括棱柱。
[0027] 在一些示例中，支撐件可以浮在液體主體中。支撐件（例如，平臺）可以錨固在/ 用鏈拴在海床或河床或者以其他方式連接到在，例如，河岸處的合適的點。在另一些示例 中，支撐結構可以是固定的。通過使用（例如）在河床或海床中的地基上的單粧結構或其 他粧結構，支撐結構可以固定在河床或海床。在另一個示例中，支撐結構可以包括放置在河 流任一側上的腿/支柱。
[0028] 在一些示例中，動態發電機部件與馳振主體一體形成或者附接到馳振主體。因 此，馳振主體可以直接驅動發電機（或在發電機與馳振主體之間的傳動裝置）。例如，小車 (kart)可以附接在馳振主體的第一端，因此，該小車可以沿著水平引導件被引導。
[0029] 在另一些示例中，動態發電機部件可以為通過一個或多個彈性裝置連接到支撐件 的第二主體。這些彈性裝置可以再一次為彈簧或其他物體。眾所周知，通過將另一個主體彈 性連接到一個主體，能夠降低一個主體的振蕩。例如，使用調諧質量阻尼器的系統基于該原 理。通過恰當選擇第二主體的連接的質量和剛度（彈性），可以減少