CN105065182A - 漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置，要由两套曲柄摇杆机构、翼片、同步带和带轮、控制电机、增速机构、飞轮、浮筒、平板、发电机和相应的传动部件组成。通过曲柄摇杆机构传动将水翼上下摆动运动转化为曲柄的单向旋转运动，再通过增速机构增速后，最终将能量传递给发电机实现能量转化。利用电机实现翼片摆角运动规律的实时控制，利用飞轮的转动惯性来克服曲柄摇杆机构运动存在的死点问题，利用增速机构将转速增加到发电机的额定转速范围以内。本发明利用曲柄摇杆机构机械本身的运动特性实现能量转化，利用电机对水翼攻角进行主动控制。本发明具有结构简单、安装方便、噪声小、易于浅水应用等优点。

Description

漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置

技术领域

本发明涉及一种捕能装置，尤其涉及一种漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置。

背景技术

伴随着石油和煤炭等化石燃料的过度消耗，像潮流能、风能、太阳能等可再生能源的开发利用越来越受到世界各国的重视。潮流能作为海洋能的重要形式，与太阳能、风能相比，具有能量密度大、对环境污染小，变化有规律，可预测性好等优点，也被称为世界未来十大清洁能源之一。目前，对潮流能的利用形式多为旋转叶片的水轮机配合相应的发电机进行能量捕获，然而这种潮流能量捕获方式存在一些问题，如：占地面积大，需要的潮流速度快，噪声大，水轮机叶片旋转速度快时会对周围的海洋生物产生影响等。

海洋中的生物，如金枪鱼、海豚、鲨鱼等，利用尾部/鳍的摆动从周围的水中获得能量实现游动，具有效率高、噪声低以及良好的水动力特性等特点。受此启发，近年来，国外开展了一种新的基于摆动式水翼的流体能量捕获技术研究，与现有的基于旋转叶片的水轮机技术相比，这种基于摆动水翼的流体能量捕获技术具有对环境影响小、噪声小，捕能效率高以及可在浅水使用等优点，在英国、爱尔兰、美国、加拿大等国家较早的开展了这方面的基础研究。我国拥有广阔的潮流能海洋资源，目前对摆动式潮流能捕能技术却一直未曾开展，在这方面，国内几乎没有公开的技术报道。

目前，国内涉及漂浮式摆动水翼潮流能捕能装置的发明专利，如专利申请号为201310473753.X、名称为“升降式振荡水翼捕获潮流能发电装置”，通过将翼片沿滑轨的上下移动的动能转化为与之相连的液压系统的液压能，再将转化后的液压能转化为发电机的电能，上下两个极限端通过压缩弹簧改变翼片的摆角，和本发明专利的原理及工作过程均不同。如专利申请号为201410663950.2，名称为“摆动式水翼潮流能发电装置”，通过曲柄摇杆机构原理实现能量提取，通过另一套曲柄摇杆机构进行攻角控制，水翼攻角控制原理和装置结构和本发明专利均不同。国内关于漂浮式半主动控制水翼攻角实现水翼周期循环的还未见相关发明专利。

发明内容

本发明的目的是为了针对现有潮流能捕能装置存在的不足，而提供一种机械结构简单、安装方便、可靠性强的漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置。

本发明的目的是这样实现的：包括漂浮支撑部分、能量提取部分、翼型运动部分和能量转化部分，所述漂浮支撑部分包括两个浮筒、安装在两个浮筒上端的平板和设置在平板上的三个支撑板；所述能量提取部分包括两套曲柄摇杆机构，每套曲柄摇杆机构包括安装在两端的支撑板上的飞轮、设置在飞轮上的销轴、安装在销轴上的升沉连杆和与升沉连杆铰接的升沉摆杆，所述升沉摆杆的端部铰接安装在对应支撑板的下端；所述翼型运动部分包括分别设置在两个升降摆杆上的左翼型轴和右翼型轴、左翼片、右翼片和短轴，短轴的一端与左翼型轴之间安装左翼片，短轴的另一端与右翼片之间安装右翼片，且左翼片和右翼片的端部分别设置有与左翼片和右翼片形状相同的翼型终端板；所述能量转化部分包括安装在平板上的发电机、与发电机连接的增速机构和弹性联轴器，所述增速机构通过弹性联轴器与其中一个飞轮的中心轴连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.还包括水翼摆角控制部分，所述水翼摆角控制部分包括安装在平板上的控制电机、设置在中间的支撑板下端的中间轴、设置在中间轴与控制电机输出轴之间的一级同步带和设置在中间轴与短轴之间的二级同步带。

2.所述增速机构的增速比是1:4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用曲柄摇杆机构机械本身的运动特性实现能量转化，利用电机对水翼攻角进行主动控制，具有结构简单、安装方便、噪声小、易于浅水应用等优点，在未来的潮流能能量捕获方面有很大的发展空间。本发明利用电机对水翼攻角进行控制，可以实现水翼攻角不同运动规律控制和不同攻角变化控制，装置传动灵活，控制方便，采用浮筒漂浮式结构，可以漂浮于海面上，不需要其他固定系统，结构简单，便于研究。和以往的旋转叶片的水轮机相比，本发明具有传动效率高、噪声小、易于浅水应用等优点，对环境影响小，对水中生物影响小。这种装置具有对环境影响小，针对我们广泛的潮流能资源，适用于开展发展研究。

附图说明

图1是本发明的整体的三维结构图；

图2是本发明的能量转化部分结构图；

图3是本发明的主视图；

图4是本发明的侧视图；

图5是本发明的俯视图；

图6是本发明的中间轴的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图6，本发明包括的部件有：飞轮1、控制电机2、一级同步带传动3、发电机4、增速机构5、弹性联轴器6、飞轮7、销轴8、平板9、连接螺栓10、浮筒11、支撑板12、带轮13、中间轴14、二级同步带传动15、升沉连杆16、升沉摆杆17、翼型终端板18、翼型轴19、右翼片20、短轴21、左翼片22、升沉摆杆23、升沉连杆24。

本发明阐述了一种新型的漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置，整体结构如图1、图3、图4和图5所示，主要包括装置能量提取部分、水翼摆角控制部分、翼型运动部分、能量转化部分及漂浮支撑部分等几部分。能量提取部分将翼型运动部分的上下升沉摆动机械能转换为旋转机械能，主要包括飞轮1、升沉摆杆23、升沉连杆24、飞轮7、销轴8、升沉连杆16、升沉摆杆17。飞轮1、升沉摆杆23、升沉连杆24和飞轮7、销轴8、升沉连杆16、升沉摆杆17为两套同样的曲柄摇杆机构，这样布置有利于右翼片20、短轴21和左翼片22运动的平稳性。曲柄由飞轮7和销轴8组成，这样布置增加了曲柄的稳定性，也利用飞轮1和飞轮7的转动惯性来克服曲柄摇杆机构存在的死点问题，销轴8通过圆螺母和飞轮9实现固定连接，升沉连杆16、升沉摆杆17，升沉摆杆23、升沉连杆24各杆之间采用销轴8方式进行连接；升沉摆杆17，升沉摆杆23做了特殊的处理，采用三角形支架进行连接，即利用三角形的稳定性确保了运转的平稳性，也通过三角形高度和位置方面的严格保证，确保了右翼片20、短轴21和左翼片22在对称于水平面的竖直平面内上下周期运动。

如图1、图3和图6所示，水翼摆角控制部分实现对右翼片20和左翼片22摆角进行实控制，主要包括控制电机2、一级同步带传动3、带轮13、中间轴14、二级同步带传动15，根据右翼片20和左翼片22要求的运动规律，通过控制电机2对转速进行控制，再通过一级同步带传动3和二级同步带传动15实现右翼片20和左翼片22摆角控制；电机2固定于平板9上，一级同步带传动3和二级同步带传动15两套同步带传动采用不同的传动比进行配合，可有效的控制右翼片20和左翼片22实现不同的摆角，带轮13通过轴肩和套筒定位于中间轴14上。

如图1、图3和图5所示，翼型运动部分由翼型终端板18、翼型轴19、右翼片20、短轴21、左翼片22组成，通过翼型轴19连接于升沉摆杆17和升沉摆杆23之间，右翼片20和左翼片22通过短轴21和配合螺母连接在一起，右翼片20和左翼片22两端配有和水翼同形状的翼型终端板18，翼型轴19位于右翼片20和左翼片22距离水翼前缘点三分之一处。

如图1、图2、图3和图5所示，能量转化部分实现能量最终利用，由增速机构5、发电机4及弹性联轴器6组成，增速机构5由增速比为1:4的齿轮传动组成，通过增速机构5增速后达到发电机4的额定范围以内，发电机4用于最终的能量转化，各部件采用弹性联轴器6进行连接。如图1、图4、图5所示，漂浮支撑部分主要起到平衡装置重力和支撑整个装置作用，由浮筒11、平板9、连接螺栓10和支撑板12组成，浮筒11布置于平板9两端，大小根据装置的重量来设计，通过四个均匀布置的连接螺栓10和平板9实现连接，支撑板12中间开有矩形空心结构，减轻本身所受的重量。

这种实施方式的工作原理为：

漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置原理是当水流流过时，右翼片20和左翼片22在水流的升力作用下上下升沉运动，带动相连的升沉摆杆17和升沉摆杆23一起绕着中间轴14上下摆动，通过升沉连杆16和升沉连杆24的传动，带动飞轮1和飞轮7一起发生旋转，飞轮旋转的同时将能量传递给能量转化部分，各部件通过弹性联轴器6进行连接，经增速机构5增速后，最终传递给发电机4进行能量转化。为了实现装置的周期循环，需要对右翼片20和左翼片22的摆角进行控制，根据右翼片20和左翼片22要求的运动规律，控制电机2对转速进行控制，再通过一级同步带传动3和二级同步带传动15实现右翼片20和左翼片22摆角控制。本发明结构简单、安装方便、噪声小、易于浅水应用等优点，在未来的潮流能能量捕获方面有很大的发展空间。

本发明涉及一种漂浮式半主动摆动水翼捕能装置，特别是涉及一种能够实现潮流能或者河流能能量捕获的装置，包括装置能量提取部分、水翼摆角控制部分、翼型运动部分、能量转化部分和漂浮支撑部分等几部分。所述的能量提取部分的摆杆端分布在翼型运动部分的两端，将翼型运动部分的上下升沉摆动运动的机械能转化为旋转机械能，传递给能量转化部分转化为电能；水翼摆角控制部分通过控制电机和两套同步带的传动连接于翼型运动部分上，实现翼型运动部分的摆角控制，漂浮支撑部分主要起平衡装置重力和支撑整个装置作用，能量转化部分最终实现能量转化。

本发明还可以包括：

1、能量提取部分包括两套曲柄摇杆机构，这样可以确保水翼运动部分上下运动的刚性和稳定性；通过摆杆部分的上下摆动带动曲柄沿同一方向旋转，实现水翼升沉摆动机械能到旋转机械能转化；曲柄由销轴和飞轮组成，销轴位于飞轮径向1/4处，利用飞轮的转动惯性来克服曲柄摇杆机构存在的死点问题和平衡转动存在的波动，销轴两端配有圆螺母，和飞轮实现固定连接，各杆之间采用销轴配合轴承进行连接，可有效的实现两杆之间的转动；升沉摆杆部分做了特殊的处理，采用三角形支架进行连接，即利用三角形的稳定性确保了运转的平稳性，也通过三角形高度和位置方面的严格保证，确保了升沉摆杆和翼型部分在对称于水平面的竖直平面内上下周期运动。

2、水翼摆角控制部分包括控制电机和两套同步带传动机构，根据水翼要求的运动规律，通过电机对转速进行控制，再通过两套同步带传动机构传动，实现翼型运动部分摆角的实时控制；电机固定于浮筒平板上，根据水翼的摆角控制要求和同步带传动的传动比来确定；两套同步带传动一套采用3:1的传动，另一套采用2:1的传动，两套同步带传动采用不同的传动比进行组合，可有效的控制水翼实现不同的摆角，带轮两端通过轴肩和套筒实现定位。

3、翼型运动部分通过翼型轴连接于能量提取部分的两个摆杆之间，水翼由两片NACA0012叶片和短轴进行连接组成，两片翼片通过短轴和螺栓连接在一起，水翼采用铝合金材料进行制作，中空结构，水翼两端配有和水翼同形状的终端板，翼型轴位于水翼距离水翼前缘点三分之一处，翼型轴和终端板通过螺栓实现固定，轴两端配有陶瓷轴承。

4、能量转化部分固定于浮筒平板上，由增速机构、发电机及弹性联轴器组成，增速机构由增速比为1:4的齿轮传动组成，通过增速机构增速后达到发电机的额定范围以内，发电机用于最终的能量转化，发电机为永磁发电机，各部件采用弹性联轴器进行连接。

5、漂浮支撑部分由浮筒、平板和支撑板组成，主要起到平衡装置重力和支撑整个装置作用。浮筒布置于平板两端，大小根据装置的重量来设计，浮筒为空心结构，平衡机构所受的重量；平板置于浮筒上，通过四个均匀布置的螺栓和浮筒实现连接，支撑板中间开有矩形空心结构，减轻本身所受的重量。

漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置，其特征是：装置由能量提取部分、水翼摆角控制部分、翼型运动部分、能量转化部分及漂浮支撑部分等几部分组成。所述的能量提取部分的摆杆端分布在翼型运动部分的两端，将翼型运动部分的上下升沉摆动运动的机械能转化为旋转机械能，传递给能量转化部分转化为电能；水翼摆角控制部分通过控制电机和两套同步带的传动连接于翼型运动部分上，实现翼型运动部分的摆角控制，漂浮支撑部分主要起平衡装置重力和支撑整个装置作用，能量转化部分最终实现能量转化，本发明的优点在于巧妙的利用曲柄摇杆机构机械性能本身的特性，实现能量提取，利用电机主动控制水翼摆角，实现水翼摆角不同运动规律的实时控制。

所述的能量提取部分包括两套曲柄摇杆机构，来确保水翼运动部分上下运动的刚性和稳定性；通过摆杆部分的上下摆动带动曲柄沿同一方向旋转，实现摆动机械能到旋转机械能转化；曲柄由销轴和飞轮组成，销轴位于飞轮径向1/4处，利用飞轮的转动惯性来克服曲柄摇杆机构中存在的死点问题和平衡转动存在的波动，销轴两端配有圆螺母，和飞轮实现固定连接，各杆之间采用销轴配合轴承进行连接，可有效的实现两杆之间的转动；升沉摆杆部分做了特殊的处理，采用三角形支架进行连接，即利用三角形的稳定性确保了运转的平稳性，也通过三角形高度和位置方面的严格保证，确保了翼型运动部分在对称于水平面的竖直平面内上下周期运动。

所述的水翼摆角控制部分包括控制电机和两套同步带传动机构，根据水翼要求的运动规律，通过电机对转速进行控制，再通过两套同步带传动机构传动，实现翼型部分摆角的实时控制；电机固定于浮筒平板上，根据水翼的摆角控制要求和带传动的传动比来确定；两套同步带传动一套采用3:1的传动，另一套采用2:1的传动，同步带传动另一端连接在翼型运动部分上，两套同步带传动采用不同的传动比进行组合，可有效的控制水翼实现不同的摆角，带轮两端通过轴肩和套筒定位于中间轴上。

所述的翼型运动部分，水翼由两片NACA0012叶片和短轴进行连接组成，两片翼片通过短轴和螺栓连接在一起，水翼采用铝合金材料进行制作，中空结构，通过翼型轴连接于能量提取部分的两个摆杆之间，实现水翼的轴向定位和传动，水翼两端配有和水翼同形状的翼型终端版，翼型轴位于水翼距离水翼前缘点三分之一处，翼型轴和终端版通过螺栓实现固定，翼型轴两端配有陶瓷轴承。

所述的能量转化部分固定于浮筒平板上，由增速机构、发电机及联轴器组成，增速机构由增速比为1:4的齿轮传动组成，通过增速机构增速后达到发电机的额定范围以内，发电机用于最终的能量转化，发电机为永磁发电机，各部件采用弹性联轴器进行连接。

所述的漂浮支撑部分由浮筒、平板和支撑板组成，主要起到平衡装置重力和支撑整个装置作用。浮筒布置于平板两端，大小根据装置的重量来设计，浮筒为空心结构，平衡机构所受的重量；平板置于浮筒上，通过四个均匀布置的螺栓和浮筒实现连接，支撑板中间开有矩形空心结构，减轻本身所受的重量。

本发明提供一种漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置，要由两套曲柄摇杆机构、翼片、同步带和带轮、控制电机、增速机构、飞轮、浮筒、平板、发电机和相应的传动部件组成。通过曲柄摇杆机构传动将水翼上下摆动运动转化为曲柄的单向旋转运动，再通过增速机构增速后，最终将能量传递给发电机实现能量转化。利用电机实现翼片摆角运动规律的实时控制，利用飞轮的转动惯性来克服曲柄摇杆机构运动存在的死点问题，利用增速机构将转速增加到发电机的额定转速范围以内。本发明利用曲柄摇杆机构机械本身的运动特性实现能量转化，利用电机对水翼攻角进行主动控制。本发明具有结构简单、安装方便、噪声小、易于浅水应用等优点。

Claims (3)

1.漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置，其特征在于：包括漂浮支撑部分、能量提取部分、翼型运动部分和能量转化部分，所述漂浮支撑部分包括两个浮筒、安装在两个浮筒上端的平板和设置在平板上的三个支撑板；所述能量提取部分包括两套曲柄摇杆机构，每套曲柄摇杆机构包括安装在两端的支撑板上的飞轮、设置在飞轮上的销轴、安装在销轴上的升沉连杆和与升沉连杆铰接的升沉摆杆，所述升沉摆杆的端部铰接安装在对应支撑板的下端；所述翼型运动部分包括分别设置在两个升降摆杆上的左翼型轴和右翼型轴、左翼片、右翼片和短轴，短轴的一端与左翼型轴之间安装左翼片，短轴的另一端与右翼片之间安装右翼片，且左翼片和右翼片的端部分别设置有与左翼片和右翼片形状相同的翼型终端板；所述能量转化部分包括安装在平板上的发电机、与发电机连接的增速机构和弹性联轴器，所述增速机构通过弹性联轴器与其中一个飞轮的中心轴连接。

2.根据权利要求1所述的漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置，其特征在于：还包括水翼摆角控制部分，所述水翼摆角控制部分包括安装在平板上的控制电机、设置在中间的支撑板下端的中间轴、设置在中间轴与控制电机输出轴之间的一级同步带和设置在中间轴与短轴之间的二级同步带。

3.根据权利要求1或2所述的漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置，其特征在于：所述增速机构的增速比是1:4。