CN105298728B - 基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，包括垂荡浮体及连接于垂荡浮体下方的波浪能吸收转换机构，所述波浪能吸收转换机构包括发电机、随所述垂荡浮体的垂荡运动而正向旋转的正转吸收器以及随所述垂荡浮体的垂荡运动而反向旋转的反转吸收器，所述正转吸收器与所述发电机的外壳固定连接，所述反转吸收器与所述发电机的转轴相连，本发明具有结构简单、能量吸收和转换效率高、能满足深远海探测设备能源需求等优点。

Description

基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置

技术领域

本发明涉及波浪能转换装置，尤其涉及一种基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置。

背景技术

远海探测设备作为一种离岸海洋工程设备，长期无人值守，因自身携带电池的能源有限，电能供给一直是远海探测设备技术开发的“瓶颈”之一。就近利用波浪能为离岸海洋探测设备的供电，可大幅提高该类设备的续航时间和可靠性，尤其在面对我国海域波浪能资源相对匮乏的海况，实现对小型海洋探测设备的波浪能供电具有重大现实意义。

波浪能转换装置是一种采集波浪能并转换成为电网或专用设备提供电能或机械能的设备。随着各国对海洋开发的日益重视，各种不同原理、不同结构形式的波浪能转换装置不断出现，根据其能量转换方式的不同，波浪能装置一般可分为越浪式、振荡水柱式和振荡浮体式三种大类。

越浪式波浪能转换装置（OT-WEC）的工作原理是：利用引流的波浪通道将波浪带入高位的蓄水池中，以便形成水位差，利用水的重力势能来驱动水轮机发电。越浪式波浪能转换装置具备良好的输出稳定性和可靠性；不足之处在于尺寸巨大，其固定式结构类型依赖于特殊地形，而漂浮式结构类型效率较低。

振荡水柱式波浪能转换装置（OWC-WEC）的工作原理是：波浪的起伏使得装置中气室的自由液面作强迫振动，带动压缩气室的空气往复喷出，将波浪能转换成空气的压力势能和动能，进而驱动空气透平带动发电机工作。振荡水柱式是目前应用最为成熟的波浪能转换装置，可靠性较高，工作于水面之上，便于研究和实施；缺点是受限于空气透平的转换效率，波能效率低，且受到地点的限制，需建造在海岸线或者浅水的近海区域。

振荡浮体式波浪能转换装置（OB-WEC）的工作原理是：利用浮体在波浪作用下所形成的振荡运动实现对波浪能的吸收和收集，进而转换成电机发电所需的机械能形式，最终完成电能的输出。由于振荡浮体式波浪能装置中能量转换原理的不同，又可分为很多子类，比如筏式、摆式、鸭式等。振荡浮体式波浪能转换装置代表了波浪能转换装置的发展趋势，也更加适用于为离岸海域工作的小型海洋无人探测设备提供能量；但由于受到远海恶劣工作环境和供能需求的限制，其可靠性和转换效率上还有待改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、能量吸收和转换效率高、能满足深远海探测设备能源需求的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，包括垂荡浮体及连接于垂荡浮体下方的波浪能吸收转换机构，所述波浪能吸收转换机构包括发电机、随所述垂荡浮体的垂荡运动而正向旋转的正转吸收器以及随所述垂荡浮体的垂荡运动而反向旋转的反转吸收器，所述正转吸收器与所述发电机的外壳固定连接，所述反转吸收器与所述发电机的转轴相连。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述正转吸收器包括正向旋转轮、用于驱动正向旋转轮旋转的多个正转鱼鳍翼片以及多个翼片安装架，所述正向旋转轮与所述发电机的外壳固定连接，所述多个翼片安装架固设于正向旋转轮外周，所述多个正转鱼鳍翼片一一对应安装于所述多个翼片安装架上。

所述翼片安装架包括两根呈V型布置的辐条，所述正转鱼鳍翼片为弹性翼片并夹紧固定于所述两根辐条之间。

所述反转吸收器包括反向旋转轮、用于驱动反向旋转轮旋转的多个反转鱼鳍翼片以及多个翼片安装架，所述反向旋转轮与所述发电机的转轴相接，所述多个翼片安装架固设于反向旋转轮外周，所述多个反转鱼鳍翼片）一一对应安装于所述多个翼片安装架上。

所述翼片安装架包括两根呈V型布置的辐条，所述反转鱼鳍翼片为弹性翼片并夹紧固定于所述两根辐条之间。

还包括稳定翼，所述稳定翼设于所述正转吸收器和反转吸收器之间。

所述发电机、稳定翼和反转吸收器自上而下依次布置，所述发电机连接于所述垂荡浮体下方。

所述反转吸收器依次通过传动键、传动轴以及联轴器与所述发电机的转轴相连。

所述传动轴外周套设有套筒，所述稳定翼设有两片，所述两片稳定翼对称安装于所述套筒上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，没有借助液压、气动等中间转换系统，结构简单、体积小巧、成本低，可适用于长期无人值守、低功率需求的浮标类或海洋机器人等远海探测设备；仅通过水体的作用实现能量的转换，降低了中间能耗，提高了能量转换效率和设备的可靠性。

进一步地，正转鱼鳍翼片和反转鱼鳍翼片均采用仿生设计并具有弹性自适应能力，大大提高了能量转换效率。

附图说明

图1是本发明基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置的立体结构示意图。

图2是本发明中的正向旋转轮、反向旋转轮和发电机的连接结构示意图。

图3是本发明中的正转吸收器的立体结构示意图。

图4是本发明中的正转鱼鳍翼片上浮过程时的受力分析图。

图5是本发明中的正转鱼鳍翼片下沉过程时的受力分析图。

图6是本发明中的反转吸收器的立体结构示意图。

图7是本发明中的反转鱼鳍翼片上浮过程时的受力分析图。

图8是本发明中的反转鱼鳍翼片下沉过程时的受力分析图。

图中各标号表示：1、垂荡浮体；2、正转吸收器；21、正向旋转轮；22、正转鱼鳍翼片；3、反转吸收器；31、反向旋转轮；32、反转鱼鳍翼片；4、翼片安装架；41、辐条；5、稳定翼；6、传动轴；7、套筒；8、发电机；81、外壳；82、转轴；9、传动键；10、联轴器。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1至图8示出了本发明基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置的一种实施例，本实施例的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，包括垂荡浮体1及连接于垂荡浮体1下方的波浪能吸收转换机构，波浪能吸收转换机构包括发电机8、随垂荡浮体1的垂荡运动而正向旋转的正转吸收器2以及随垂荡浮体1的垂荡运动而反向旋转的反转吸收器3，正转吸收器2与发电机8的外壳81固定连接，反转吸收器3与发电机8的转轴82相连。垂荡浮体1随波浪的起伏产生垂荡运动，垂荡浮体1与下方的波浪能吸收转换机构之间可采用系绳或刚性杆件连接，垂荡浮体1带动下方的正转吸收器2和反转吸收器3产生沿不同方向的连续的旋转运动，使发电机8产生电能，电能可通过蓄电池存储或为设备供电。本实施例的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，没有借助液压、气动等中间转换系统，结构较简单、体积小巧、成本低，可适用于长期无人值守、低功率需求的浮标类或海洋机器人等远海探测设备；仅通过水体的作用实现能量的转换，降低了中间能耗，提高了能量转换效率和设备的可靠性。

正转吸收器2包括正向旋转轮21、用于驱动正向旋转轮21旋转的多个正转鱼鳍翼片22以及多个翼片安装架4，正向旋转轮21与外壳81固定连接，多个翼片安装架4固设于正向旋转轮21外周，多个正转鱼鳍翼片22一一对应安装于多个翼片安装架4上。本实施例中，正转鱼鳍翼片22和翼片安装架4设有八件并沿周向均匀分布。翼片安装架4包括两根呈V型布置的辐条41，正转鱼鳍翼片22为弹性翼片并夹紧固定于两根辐条41之间。具体如图3、图4和图5所示，当垂荡浮体1上升时，正转鱼鳍翼片22受到柔性系绳或刚性杆件的拖曳而上升，在这个过程中正转鱼鳍翼片22上表面会受到水流的冲击，弹性的正转鱼鳍翼片22自适应性地产生形变，向下摆动，水流冲击力作用至正转鱼鳍翼片22上表面后产生向前的推力，该推力通过辐条41驱动正转吸收器2正向旋转（本实施例中正向定义为沿逆时针方向）；当垂荡浮体1下降时，正转鱼鳍翼片22受到重力或刚性杆件的下推力而下降，在这个过程中正转鱼鳍翼片22下表面会受到水流的冲击，弹性的正转鱼鳍翼片22自适应性地产生变形、向上摆动，水流冲击力（如图中F1所示）作用至正转鱼鳍翼片22下表面产生向前的推力（如图中F2所示），该推力通过辐条41驱动正转吸收器2正向旋转，可见无论垂荡浮体1是上升还是下降，正转吸收器2始终沿逆时针方向连续旋转，正转鱼鳍翼片22采用仿生设计并具有弹性自适应能力，提高了能量转换效率。

本实施例中，反转吸收器3包括反向旋转轮31、用于驱动反向旋转轮31旋转的多个反转鱼鳍翼片32以及多个翼片安装架4，反向旋转轮31与发电机8的转轴82相接，多个翼片安装架4固设于反向旋转轮31外周，多个反转鱼鳍翼片32一一对应安装于多个翼片安装架4上。翼片安装架4包括两根呈V型布置的辐条41，反转鱼鳍翼片32为弹性翼片并夹紧固定于两根辐条41之间。换言之，反转吸收器3与正转吸收器2结构大体相似，不同之处仅在于鱼鳍翼片的前端朝向相反。反转吸收器3始终沿顺时针方向旋转，正转吸收器2始终沿逆时针方向旋转，两者的转动力矩自动配平，具体如图6、图7和图8所示。

本实施例中，反转吸收器3依次通过传动键9、传动轴6以及联轴器10与发电机8的转轴82相连，带动发电机8的转轴82旋转。

本实施例中，基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置还包括稳定翼5，稳定翼5设于正转吸收器2和反转吸收器3之间，传动轴6外周套设有套筒7，稳定翼5设有两片，两片稳定翼5对称安装于套筒7上，有利于在垂荡运动时保持稳定。

本实施例中，发电机8、稳定翼5和反转吸收器3自上而下依次布置，发电机8连接于垂荡浮体1下方，正转吸收器2则与发电机8的外壳81固定连接。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，其特征在于：包括垂荡浮体（1）及通过柔性系绳或刚性杆件连接于垂荡浮体（1）下方的波浪能吸收转换机构，所述垂荡浮体（1）随波浪的起伏产生垂荡运动，所述波浪能吸收转换机构包括发电机（8）、随所述垂荡浮体（1）的垂荡运动而正向旋转的正转吸收器（2）以及随所述垂荡浮体（1）的垂荡运动而反向旋转的反转吸收器（3），所述正转吸收器（2）与所述发电机（8）的外壳（81）固定连接，所述反转吸收器（3）与所述发电机（8）的转轴（82）相连。

2.根据权利要求1所述的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，其特征在于：所述正转吸收器（2）包括正向旋转轮（21）、用于驱动正向旋转轮（21）旋转的多个正转鱼鳍翼片（22）以及多个翼片安装架（4），所述正向旋转轮（21）与所述发电机（8）的外壳（81）固定连接，所述多个翼片安装架（4）固设于正向旋转轮（21）外周，所述多个正转鱼鳍翼片（22）一一对应安装于所述多个翼片安装架（4）上。

3.根据权利要求2所述的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，其特征在于：所述翼片安装架（4）包括两根呈V型布置的辐条（41），所述正转鱼鳍翼片（22）为弹性翼片并夹紧固定于所述两根辐条（41）之间。

4.根据权利要求1所述的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，其特征在于：所述反转吸收器（3）包括反向旋转轮（31）、用于驱动反向旋转轮（31）旋转的多个反转鱼鳍翼片（32）以及多个翼片安装架（4），所述反向旋转轮（31）与所述发电机（8）的转轴（82）相连，所述多个翼片安装架（4）固设于反向旋转轮（31）外周，所述多个反转鱼鳍翼片（32））一一对应安装于所述多个翼片安装架（4）上。

5.根据权利要求4所述的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，其特征在于：所述翼片安装架（4）包括两根呈V型布置的辐条（41），所述反转鱼鳍翼片（32）为弹性翼片并夹紧固定于所述两根辐条（41）之间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，其特征在于：还包括稳定翼（5），所述稳定翼（5）设于所述正转吸收器（2）和反转吸收器（3）之间。

7.根据权利要求6所述的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，其特征在于：所述发电机（8）、稳定翼（5）和反转吸收器（3）自上而下依次布置，所述发电机（8）连接于所述垂荡浮体（1）下方。

8.根据权利要求6所述的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，其特征在于：所述反转吸收器（3）依次通过传动键（9）、传动轴（6）以及联轴器（10）与所述发电机（8）的转轴（82）相连。

9.根据权利要求8所述的基于仿生鱼鳍的波浪能转换装置，其特征在于：所述传动轴（6）外周套设有套筒（7），所述稳定翼（5）设有两片，所述两片稳定翼（5）对称安装于所述套筒（7）上。