CN104747360A - 基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置及方法，它包括箱体，在箱体上至上而下依次设置有发电模块、能量转换机构、波浪能采集机构，所述波浪能采集机构包括设置在箱体下部的翼板，在箱体上对应翼板的上方和下方分别设置有平板和下端面，在波浪的作用下，翼板依次完成张开——上行——闭合、张开——下行——闭合的周期性运动，通过与滑动平板和下端面相互配合构成weis-fogh效应。本发明结构简单，利用Weis--Fogh效应可以瞬态产生高升力的特点来进行波浪能发电，避免了因为升力产生滞后而带来的能量损耗，提高了波浪能的一次转换效率。

Description

基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置及其方法

技术领域

本发明涉及海洋能开发利用技术领域，尤其涉及一种基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置及其方法。

背景技术

   海洋波浪能作为一种清洁、无污染的可再生能源，分布广阔、能量巨大，且比较容易利用，其能力密度可以达到2000一4000W/m²，几乎是太阳能的200倍，风能的50倍，目前是海洋能开发的重点。世界各国目前已经研制出了若干种利用波浪能发电的实验模型和商业产品。但是波浪的多向往复性运动，使设计者难以设计出合理的能量俘获系统和动力摄取装置，一次转换效率较低；现有装置采用能量多级转换思路，结构复杂，中间转换损耗大，降低了系统的转换效率和可靠性。

    波浪能量的产生由自然条件及地理环境决定，能量变化幅值随机性较大，同时方向也会发生变化。所以波浪能量是不稳定的，波浪能的传递装置一般有机械传递和液压传递两种，已有技术通过加大机械传递装置中飞轮的转动惯量或在液压传递装置中利用蓄能器来调节波浪能的波动，上述方法虽然在一定程度上起到了抑制波浪能波动的作用，但是效果并不理想。这也是波浪能抑制未广泛推广应用的原因之一。如果从波浪能的采集环节就开始采取措施，使波浪能采集装置主动适应波浪能量与方向的变化，将会有效提高波浪能量的利用率。

    Weis--Fogh效应是由一位英国生物学家Weis—Fogh（韦斯-福）发现台湾小黄蜂在飞行过程中采用了一种特殊的振翅方式“振翅拍击和挥摆急动”，认为这种特别的振翅方式与瞬时产生高升力有关。学术界将这种产生升力的机制命名为Weis--Fogh效应。Weis--Fogh机构（韦斯-福机构）起源于上个世纪七十年代，是一种模拟黄蜂飞行的升力装置。如图1所示，Weis--Fogh机构简化成图示结构，两翼板拍击闭合时(图1(a))翼弦处于垂直方向；然后绕共同的根部以角速度Ω旋转张开(图1(b))，两翼间形成空隙，迫使周围流体充填该空隙，由于流体不可压缩，当张开角很小时，流体充填空隙的速度非常高，造成机翼上下表面巨大压力差。当半张开角度约为60°时(图1(c)),两翼以速度v分开(图1(d))。当两翼旋转张开时,流体进入两翼之间的空隙,同时产生大小相等,方向相反的速度环量Γ,并不违背总环量保持为零的开尔文定理"因此,当两板分开时,每一翼板将立即获得流体升力L=pΓv的作用力。其中p为流体密度,故不存在由下泄涡引起的升力滞后现象。当Weis--Fogh机构闭合时，两翼对空隙间的流体产生压力，迫使流体流出空隙。与张开时类似，当张开角很小时，流体流出空隙的速度非常高，造成机翼上下表面巨大压力差。因此，这种机构不仅能产生更大的升力，而且能瞬时产生升力，不像普通翼那样产生升力时存在Wagner效应（即升力产生的滞后现象），具有极好的机动性和启动性；试验发现其升力系数高达6～8，理论分析计算结果表明，在初始张开阶段，升力系数高达10以上。

    Weis--Fogh效应目前主要在新型船舶推进装置与船舶零航速减摇上有一定研究，国内哈尔滨工程大学的金鸿章，在中国国家科学基金项目（50575048）的资助下设计出零航速减摇鳍，一项法国专利No.1418806，Oct.18，1965和一项美国专利No.3307358，Mar.7，1967提出了一种用于泵水或用于船舶推进的新装置，其工作原理与Weis--Fogh效应类似。同时Weis--Fogh效应在飞行器用推进装置（中国专利：CN101249889）、容积式泵（中国专利：CN201090437）也有一定研究。但Weis--Fogh效应在波浪能发电领域的研究与应用仍为空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种能提高波浪能的转换效率的一种基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置及其方法。

本发明所采用的技术方案为：基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置，其特征在于，它包括箱体，在箱体上至上而下依次设置有发电模块、能量转换机构、波浪能采集机构，波浪能采集机构通过能量转换机构与发电模块的发电机相连，所述波浪能采集机构包括设置在箱体下部的翼板，在箱体上对应翼板的上方和下方分别设置有平板和下端面，在波浪的作用下，翼板依次完成张开——上行——闭合、张开——下行——闭合的周期性运动，通过与滑动平板和下端面相互配合构成weis-fogh效应。

按上述技术方案，在箱体的下部还连接有有波向自适应机构。

按上述技术方案，在箱体上还设置有能量调节机构。

按上述技术方案，在箱体上还设置有保护机构。

按上述技术方案，波向自适应机构包括与箱体底端固定连接的连接轴、与连接轴固定连接的舵板。

按上述技术方案，所述能量调节机构包括设置在翼板上方的平板和固定在箱体侧壁上的限位柱，所述平板为可以沿箱体侧壁上下方向滑移的滑动平板，限位柱用来限制滑动平板下滑的高度。

按上述技术方案，所述保护机构包括设置在箱体前后外壁上的限位壳、设置在限位壳中的挡板、设置在挡板下端与挡板相连的碰撞开关，所述碰撞开关设置在滑动平板的上方。

按上述技术方案，所述能量转换机构包括设置在翼板上的前推杆和后推杆，所述前推杆一端与翼板铰接，另一端与其中一个发电机相连，后推杆一端与翼板滑移铰接，另一端与另一个发电机相连。

一种基于Weis--Fogh效应的波浪能发电方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤一、提供上述波浪能发电装置；

步骤二、将箱体的波浪能采集机构设置于水面上，在波浪的作用下，翼板依次完成张开——上行——闭合、张开——下行——闭合的周期性运动，形成Weis--Fogh效应，进而产生瞬态较高升力，翼板带动能量转换机构做上下往复运动,从而带动发电机发电。

本发明所取得的有益效果为：

1、本发明结构简单，利用Weis--Fogh效应可以瞬态产生高升力的特点来进行波浪能发电，避免了因为升力产生滞后而带来的能量损耗，而且本发明仅含有两级能量转换环节，中间不依赖机械或液压转换装置，提高了波浪能的一次转换效率；

2、波浪能采集机构产生升力所起作用的是流体惯性力，因此在高雷诺数和在水中的条件下将会比空气中有更好的效果，所以将其用于波浪能发电可以有效提高波浪能发电装置的一次能量转换效率；

3、波向自适应机构可以根据实际来流方向来调节箱体受波方向，进一步提高装置的适用范围；

4、设置能量调节机构和保护机构，可以使波浪能采集机构主动适应波浪能量的波动，实现波浪能量利用率的最大化，同时，在波浪能量过大时还可以起到保护内部结构的作用；

5、前、后两根推杆的设计及其连接方案有效提高了波浪能量的转换效率，也有利于翼板的张开与闭合运动，同时保证了翼板的固定。

附图说明

图1为Weis--Fogh机构刚性模型示意图。

图2为本装置立体结构图。

图3为翼板结构示意图。

图4为滑动平板结构示意图。

图5为为波向自适应机构的结构示意图。

附图标记说明：1、上层箱体；2、限位壳； 3、挡板； 4、碰撞开关；5、滑动平板；6、限位柱；7、下层箱体；8、大圆盘；9、导管架；10、舵板；11、连接轴；12、翼板；13、前推杆；14、后推杆；15、套筒、16、中层箱体；17、直线发电机；18、滑块；19、自锁爪钩，20、小圆盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置，它包括箱体、发电模块、能量转换机构、波浪能采集机构，其中，箱体包括上层箱体1、中层箱体16和下层箱体7，发电模块包括蓄电池和发电机17，蓄电池放置在上层箱体1内，发电机17放置在中层箱体16内，波浪能采集机构放置在下层箱体7内，波浪能采集机构通过能量转换机构与发电机17相连。其中，下层箱体为敞开型，其由设置在箱体侧壁上的滑动板5、下端面7、侧壁围合而成，所述波浪能采集机构包括翼板12、滑动平板5和下端面，在波浪的作用下，翼板依次完成张开——上行——闭合、张开——下行——闭合的周期性运动，通过与滑动平板5和下端面7相互配合构成weis-fogh效应。

本实施例中，所述能量转换机构包括设置在翼板12上的前推杆13和后推杆14，所述前推杆13一端与翼板12铰接，另一端与其中一个发电机17相连，后推杆14一端与翼板12通过嵌入到翼板中的滑块18进行铰接，另一端与另一个发电机相连，这样，以此实现翼板12张开、闭合运动的正常运行。其中，翼板12采用茹科夫对称翼板，可以较好的适应水流运动特性，更好的利用波浪能量；在两推杆上固定有套筒15，保证推杆在始终竖直平面内做上下往复运动。

由于波浪的方向会发生变化，为了根据实际来流方向来调节箱体受波方向，进一步提高装置的适用范围，在箱体的下部还连接有有波向自适应机构。其中，波向自适应机构包括舵板10、与舵板10固定连接的连接轴11，连接轴11通过连接键与箱体的底部相连接，小圆盘20套装在连接轴上。波向的改变带动舵板的转向，从而通过连接轴带动带动箱体旋转。本装置整体设置大圆盘8上，大圆盘与插入水中的导管架9相连接。

本发明中，在箱体上还设置有能量调节机构。所述能量调节机构包括设置在翼板12上方的滑动平板5和固定在箱体侧壁上的限位柱6，滑动平板5为可以沿箱体侧壁上下方向滑移，限位柱6用来限制滑动平板5下滑的高度。其中，滑动平板5上通过自身的自锁式爪钩19嵌入到侧壁实现水平方向位移的限制，以保证其只能在下层箱体内部做上下往复运动，限位柱6选取海洋中波浪波长分布概率最大的情况下翼板完成Weis--Fogh运动所达到的高度，以此高度作为限位柱的安装高度。

本发明中，在箱体上还设置有保护机构。所述保护机构包括设置在箱体前后外壁上的限位壳2，限位壳2内设置有向下设置的凹槽，在限位壳的凹槽内设置挡板3、在挡板3的下端设置碰撞开关4，其中，碰撞开关位于滑动平板的上方，碰撞开关4固定于下层箱体内警戒高度处，与挡板3通过内部绳索相连接，碰撞开关采用 SEN1650-S2微型碰撞开关。

本实施例还提供了一种基于Weis--Fogh效应的波浪能发电方法，它包括如下步骤：

步骤一、提供上述波浪能发电装置；

步骤二、将箱体的翼板12设置于水面上，当波浪从正面冲击翼板12时，翼板12在来流作用下作张开运动：翼板前缘绕着翼板后缘向上抬升，抬升到翼板与箱体下端面7成一定角度时，张开运动结束，翼板开始作整体上行运动；当翼板前缘与滑动平板接触时，上行运动结束，翼板开始作闭合运动，翼板后缘绕着翼板前缘作抬升运动，当翼板后缘与滑动平板5接触时，翼板12整个贴紧滑动平板，闭合运动结束；

当波浪往回冲击翼板时，来流做往回运动时，翼板12运动过程与来流正面冲击时对称：翼板12在来流作用下，首先作张开运动：翼板后缘绕着翼板前缘做下降运动，下降到与滑动平板5成一定角度时，张开运动结束。翼板开始作整体下行运动，下行到翼板后缘与箱体下端面7接触时，下行运动结束，翼板5开始做闭合运动：翼板前缘绕着翼板后缘作下降运动，当翼板前缘与箱体下端面7接触时，翼板与整个接触箱体底部，闭合运动结束；

在来流周期性的冲击下，翼板不断做张开——上行——闭合、张开——下行——闭合的周期性运动，产生Weis--Fogh效应，将波浪能转换为机械能，进而产生瞬态较高升力；

步骤三、翼板带动推杆做上下往复运动；推杆推动发电机动子做上下往复运动切割磁感线，最终将机械能转换为电能，存储在蓄电池中。

步骤四、当波浪波长增大时，即波浪能量增大时，翼板前缘贴近滑动平板时仍然有较多波浪能未被转换为机械能，此时翼板会前缘继续推着滑动平板往上运动，直至波浪能量全部被转换为机械能，翼板上行运动结束，开始做闭合运动。当波浪能量进一步增大达到警戒值时，翼板12推动滑动平板5往上运动到警戒高度，触发了碰撞开关4，进而通过绳索将位于限位壳2的挡板3放下，进而挡住前后水流入口，减少过大的波浪能量对内部结构的损坏，实现危险情况下的自我保护。

当波浪冲击方向改变时，水流会推动箱体下部的舵板旋转，进而带动连接轴以及连接键一起运动，最后带动箱体旋转，调整箱体迎波方向，实现最优角度受波。

Claims (9)

1. 基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置，其特征在于，它包括箱体，在箱体上至上而下依次设置有发电模块、能量转换机构、波浪能采集机构，波浪能采集机构通过能量转换机构与发电模块的发电机相连，所述波浪能采集机构包括设置在箱体下部的翼板，在箱体上对应翼板的上方和下方分别设置有平板和下端面，在波浪的作用下，翼板依次完成张开——上行——闭合、张开——下行——闭合的周期性运动，通过与滑动平板和下端面相互配合构成weis-fogh效应。

2.根据权利要求1所述的基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置，其特征在于，在箱体的下部还连接有有波向自适应机构。

3.根据权利要求1或2所述的基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置，其特征在于，在箱体上还设置有能量调节机构。

4.根据权利要求3所述的基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置，其特征在于，在箱体上还设置有保护机构。

5.根据权利要求2所述的基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置，其特征在于，波向自适应机构包括与箱体底端固定连接的连接轴、与连接轴固定连接的舵板。

6.根据权利要求3所述的基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置，其特征在于，所述能量调节机构包括设置在翼板上方的平板和固定在箱体侧壁上的限位柱，所述平板为可以沿箱体侧壁上下方向滑移的滑动平板，限位柱用来限制滑动平板下滑的高度。

7.根据权利要求6所述的基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置，其特征在于，所述保护机构包括设置在箱体前后外壁上的限位壳、设置在限位壳中的挡板、设置在挡板下端与挡板相连的碰撞开关，所述碰撞开关设置在滑动平板的上方。

8.根据权利要求1或2所述的基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置，其特征在于，所述能量转换机构包括设置在翼板上的前推杆和后推杆，所述前推杆一端与翼板铰接，另一端与其中一个发电机相连，后推杆一端与翼板滑移铰接，另一端与另一个发电机相连。

9.一种基于Weis--Fogh效应的波浪能发电方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤一、提供上述权利要求1所述的基于Weis--Fogh效应的波浪能发电装置；

步骤二、将箱体的波浪能采集机构设置于水面上，在波浪的作用下，翼板依次完成张开——上行——闭合、张开——下行——闭合的周期性运动，形成Weis--Fogh效应，进而产生瞬态较高升力，翼板的运动带动能量转换机构做上下往复运动,从而带动发电机发电。