CN105298729A - 一种水下风筝及使用其实现潮汐和洋流发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下风筝，包括机座主翼、连接板、多个发电机舱、多个涡轮发电机、方向舵、垂直尾翼、铠装缆、重力锚、输出电缆、刚性支架、以及爆炸螺栓，发电机舱设置于主翼下方，涡轮发电机包括涡轮和发电机，发电机设置于发电机舱中，涡轮设置于涡轮发电机的前端，并与发电机同轴连接，方向舵和垂直尾翼设置于发电机舱的尾部，二者活动相连，铠装缆一端和涡轮发电机的输出电线连接，另一端通过铰链和重力锚活动连接，刚性支架包括多根刚性杆，刚性杆的一端和主翼固定连接，另一端通过爆炸螺栓与铠装缆固定连接。本发明能有效地利用潮汐和洋流发电，从而更有效地降低发电成本，提高发电效率，并很好地解决沿海岛礁的供电问题。

Description

一种水下风筝及使用其实现潮汐和洋流发电方法

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，更具体地，涉及一种水下风筝及使用其实现潮汐和洋流发电方法。

背景技术

能源对经济的发展有着举足轻重的作用,随着世界经济的发展,能源需求不断增长,煤、石油、天然气等不可再生能源的储存量日益减少，世界各国都在寻求新能源,希望新能源既可再生又能避免像煤、石油、天然气等能源带来的环境污染问题。开发利用洁净新能源是解决能源问题及环境问题的出路，海洋被认为是地球的资源宝库，也被称作为能量之海。从技术及经济上的可行性、可持续发展的能源资源以及地球环境的生态平衡等方面分析，海洋能中的潮汐和洋流能作为成熟的技术将得到更大规模的利用。潮汐和洋流能作为洁净的、可再生的新能源,开发潜力巨大，已受到广泛的重视。

目前世界上对潮汐的利用主要是潮汐发电站，而潮汐发电站面临一系列难题，例如：潮汐电站建在港湾海口，通常水深坝长，施工、地基处理及防淤等问题较困难，故土建和机电投资大，造价较高；由于涨、落潮时水流方向相反，使水轮机体积大，耗钢量多，进出水建筑物结构复杂，而且因浸泡在海水中，海水、海生物对金属结构物和海底设备有腐蚀作用，需要作特殊的防腐和防海生物粘附处理，致使造价成本很大，建造困难；此外，目前利用洋流发电也面临着建造成本高、建造困难等难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下风筝及使用其实现潮汐和洋流发电方法，其目的在于，更加有效地利用潮汐和洋流发电，从而更有效地降低发电成本，提高发电效率，并很好地解决沿海岛礁的供电问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水下风筝，包括机座主翼、连接板、多个发电机舱、多个涡轮发电机、方向舵、垂直尾翼、铠装缆、重力锚、输出电缆、刚性支架、以及爆炸螺栓，主翼通过连接板与发电机舱固定连接，发电机舱设置于主翼下方，涡轮发电机包括涡轮和发电机，发电机设置于发电机舱中，涡轮设置于涡轮发电机的前端，并与发电机同轴连接，方向舵和垂直尾翼设置于发电机舱的尾部，二者活动相连，铠装缆一端和涡轮发电机的输出电线连接，另一端通过铰链和重力锚活动连接，用于通过水下风筝在水下产生的拉力和垂直尾翼的阻力形成回复力矩，以防止水下风筝横滚或俯仰失稳，刚性支架包括多根刚性杆，刚性杆的一端和主翼固定连接，另一端通过爆炸螺栓与铠装缆固定连接。

优选地，主翼采用大展弦比结构，其材料采用夹心材料，表面是碳纤维，内部是浮力材料。

优选地，发电机舱包括整流器、增速器、发电机、深度计、磁罗盘、电路板、舵机、输出电线和电池，增速器与涡轮发电机连接，用于使涡轮发电机高速旋转发电，涡轮发电机发出的电能一部分通过输出电线输出，一部分用于给发电机舱中的电池充电，还有一部分经整流器整流后用于给磁罗盘、深度计和电路板供电，电池用于驱动舵机运动，电路板用于给舵机发出控制指令，深度计用于测量水下风筝的深度，磁罗盘用于测量水下风筝的运动方向，舵机用于带动方向舵摆动，进而控制水下风筝的运动方向。

优选地，方向舵可以绕垂直尾翼摆动，用于控制水下风筝的运动方向，垂直尾翼用于稳定水下风筝的航向。

按照本发明的另一方面，提供了一种使用水下风筝实现潮汐和洋流发电的方法，包括以下步骤：

(1)将水下风筝通过运输船或其他运输工具运输到指定的发电位置；

(2)将水下风筝投放入海中，通过重力锚将水下风筝系泊在海底；

(3)利用铠装缆将水下风筝通过铰链系泊在重力锚上，在洋流或者潮汐的作用下，水下风筝的主翼位于和水平方向的洋流或潮汐呈接近垂直的球面上；

(4)利用洋流或潮汐作用于主翼上的升力驱动水下风筝绕铰链转动，实现洋流或潮汐动能驱动水下风筝运动，其运动产生的相对流驱动涡轮发电机转动发电；

(5)输出电缆将涡轮发电机产生的电能输出到指定的发电位置。

优选地，为在水下风筝的运动期间，可通过方向舵的摆动改变水下风筝的运动方向，以实现水下风筝在XY、YZ和XZ平面的投影轨迹。

优选地，铠装缆在水下风筝的运动过程中一直处于绷直状态。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)由于采用了水下风筝在洋流和潮汐中运动时，洋流和潮汐会驱动水下风筝携带的涡轮发电机发电，因此本发明能够有效地利用潮汐和洋流发电。

(2)由于水下风筝的运动速度能够达到洋流或潮汐流速的10倍，发电功率正比于速度的3次方，于是速度提升10倍，相比于普通的潮汐和洋流发电方法，水下风筝的发电功率可以提升1000倍，因此相比于传统利用潮汐和洋流的放电方法可以大大提高发电效率。

(3)通过水下风筝的方向舵控制水下风筝的运动方向，可以使潮流和潮汐能有效的对涡轮做功，因此可以使水下风筝得到较高的发电效率。

(4)由于海水的密度远远大于空气的密度，相同体积的海水对涡轮所做的功远远大于空气对涡轮所做的功，因此在产生相同电能的前提下，水下风筝发电涡轮的体积可以大大的缩小。

(5)由于水下风筝可以在有洋流的岛礁附近发电，产生的电能可以方便、快捷的输送到岛礁上，因此本发明能够很好地解决沿海岛礁的供电问题。

(6)由于水下风筝可以通过重力锚系泊在海洋中的指定位置，所以可以很方便、快速的改变水下风筝的发电位置。

附图说明

图1是本发明一个实施例中发电风筝的结构示意图；

图2是本发明一个实施例发电风筝在XY平面的运动轨迹示意图，Y表示垂直水面向上，X表示平行水平面与流速垂直的方向；

图3是本发明一个实施例发电风筝在YZ平面的运动轨迹示意图，Z表示平行水平面与流速平行的方向；

图4是本发明一个实施例发电风筝在XZ平面的运动轨迹示意图。

图5是本发明发电机舱的示意框图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、主翼，2、连接板，3、发电机舱，4、涡轮发电机，5、方向舵，6、垂直尾翼，7、铠装缆，8、重力锚，9、输出电缆，10、刚性支架，11、爆炸螺栓，12、海底，13、海面，14、水下风筝，15、XY平面运动轨迹，16、YZ平面运动轨迹，17、XZ平面运动轨迹。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的水下风筝包括机座主翼1、连接板2、多个发电机舱3、多个涡轮发电机4、方向舵5、垂直尾翼6、铠装缆7、重力锚8、输出电缆9、刚性支架10、以及爆炸螺栓11。

主翼1通过连接板2与发电机舱3固定连接。具体而言，主翼1采用大展弦比结构，材料采用夹心材料，其表面是碳纤维，内部是一种浮力材料。

发电机舱3设置于主翼1下方，并包括整流器、增速器、发电机、深度计、磁罗盘、电路板、舵机、输出电线和电池(如图5所示)。增速器与涡轮发电机4连接，用于使涡轮发电机4高速旋转发电。涡轮发电机4发出的电能一部分通过输出电线输出，一部分用于给发电机舱中的电池充电，还有一部分经整流器整流后用于给磁罗盘、深度计和电路板供电。电池用于驱动舵机运动，电路板用于给舵机发出控制指令，深度计用于测量水下风筝的深度，磁罗盘用于测量水下风筝的运动方向，舵机用于带动方向舵5摆动，进而控制水下风筝的运动方向。

涡轮发电机4的数量与发电机舱3的数量相同，且每个均包括涡轮和发电机，发电机设置于发电机舱3中，涡轮设置于涡轮发电机4的前端，并与发电机同轴连接，并与发电机舱的增速器连接；当水流通过涡轮时将驱动涡轮快速旋转，涡轮的旋转将带动发电机的转动，进而产生电能并传递到铠装缆7。

方向舵5和垂直尾翼6设置于发电机舱3的尾部，二者活动相连，方向舵5可以绕垂直尾翼6摆动，用于控制水下风筝的运动方向，垂直尾翼6用于稳定水下风筝的航向。

铠装缆7用于通过水下风筝在水下产生的拉力和垂直尾翼6的阻力形成回复力矩，以防止水下风筝横滚或俯仰失稳；同时铠装缆一端和涡轮发电机的输出电线连接，另一端通过铰链和重力锚8活动连接，铰链可以绕重力锚8自由旋转。

刚性支架10包括多根刚性杆，刚性杆的一端和主翼1固定连接，另一端通过爆炸螺栓11与铠装缆7固定连接。应该注意的是，虽然图中仅仅示出三根刚性杆，但并不代表其数量就是3个，还可以是任何数量。

本发明使用水下风筝实现潮汐和洋流发电的方法包括以下步骤：

(1)将水下风筝14通过运输船或其他运输工具运输到指定的发电位置；

(2)将水下风筝14投放入海中，通过重力锚8将水下风筝14系泊在海底；

(3)利用铠装缆7将水下风筝14通过铰链系泊在重力锚8上，在洋流或者潮汐的作用下，水下风筝14的主翼1位于和水平方向的洋流或潮汐呈接近垂直的球面上；

(4)利用洋流或潮汐作用于主翼上的升力驱动水下风筝绕铰链转动，实现洋流或潮汐动能驱动水下风筝运动，其运动产生的相对流驱动涡轮发电机转动发电；其中为了提高发电效率，在水下风筝14的运动期间可通过方向舵5的摆动改变水下风筝14的运动方向，最终实现水下风筝14在XY、YZ和XZ平面的投影轨迹(分别参见图2至4中的15、16和17所示)，铠装缆7在水下风筝14的运动过程中一直处于绷直状态。在水下风筝14的运动过程中，其航行速度最大可达潮流速度的10倍,

(5)输出电缆9将涡轮发电机4产生的电能输出到指定的发电位置。

本发明是一种利用潮汐和洋流发电的发电方法。基于风筝原理制作的水下风筝，可利用洋流和潮汐的稳定流场，将潮汐和洋流的动能转换为水下风筝的动能，再利用水下风筝内置的涡轮发电机，实现潮汐和洋流发电。水下风筝的运动速度能够达到洋流或潮汐流速的10倍，由于发电功率正比于速度的3次方，于是速度提升10倍，相比于普通的潮汐和洋流发电方法，水下风筝的发电功率可以提升1000倍，因此发电效率会大大的提升。

水下风筝通过铠装缆系泊在水底的重力锚上，其主翼位于和水平方向的洋流方向呈接近垂直的球面上(运动方向)。水下风筝发电的原理是：利用洋流作用于水下风筝主翼的升力驱动水下风筝绕系泊点转动，实现流场动能向水下风筝动能的转换；水下风筝运动时水流驱动其内置的涡轮发电机发电。为高效利用洋流动能，水下风筝在运动面中实现8字形往复运动，确保洋流可提供较高的升力。

为确保水下风筝能悬浮在水中，设计水下风筝为正浮力状态，特别是主翼采用夹心材料制作。方向舵产生的侧向力可克服其正浮力,使水下风筝可被控制下潜和上浮。此外，铠装缆一方面用于将水下风筝系泊在重力锚上，另一方面用于将涡轮发电机的电输送至目的地。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水下风筝，包括机座主翼、连接板、多个发电机舱、多个涡轮发电机、方向舵、垂直尾翼、铠装缆、重力锚、输出电缆、刚性支架、以及爆炸螺栓，其特征在于，

主翼通过连接板与发电机舱固定连接；

发电机舱设置于主翼下方；

涡轮发电机包括涡轮和发电机，发电机设置于发电机舱中，涡轮设置于涡轮发电机的前端，并与发电机同轴连接；

方向舵和垂直尾翼设置于发电机舱的尾部，二者活动相连；

铠装缆一端和涡轮发电机的输出电线连接，另一端通过铰链和重力锚活动连接，用于通过水下风筝在水下产生的拉力和垂直主翼的阻力形成回复力矩，以防止水下风筝横滚或俯仰失稳；

刚性支架包括多根刚性杆，刚性杆的一端和主翼固定连接，另一端通过爆炸螺栓与铠装缆固定连接。

2.根据权利要求1所述的水下风筝，其特征在于，主翼采用大展弦比结构，其材料采用夹心材料，表面是碳纤维，内部是浮力材料。

3.根据权利要求1所述的水下风筝，其特征在于，

发电机舱包括整流器、增速器、发电机、深度计、磁罗盘、电路板、舵机、输出电线和电池。

增速器与涡轮发电机连接，用于使涡轮发电机高速旋转发电；

涡轮发电机发出的电能一部分通过输出电线输出，一部分用于给发电机舱中的电池充电，还有一部分经整流器整流后用于给磁罗盘、深度计和电路板供电；

电池用于驱动舵机运动，电路板用于给舵机发出控制指令，深度计用于测量水下风筝的深度，磁罗盘用于测量水下风筝的运动方向，舵机用于带动方向舵摆动，进而控制水下风筝的运动方向。

4.根据权利要求1所述的水下风筝，其特征在于，方向舵可以绕垂直尾翼摆动，用于控制水下风筝的运动方向，垂直尾翼用于稳定水下风筝的航向。

5.一种使用水下风筝实现潮汐和洋流发电的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将水下风筝通过运输船或其他运输工具运输到指定的发电位置；

(2)将水下风筝投放入海中，通过重力锚将水下风筝系泊在海底；

(3)利用铠装缆将水下风筝通过铰链系泊在重力锚上，在洋流或者潮汐的作用下，水下风筝的主翼位于和水平方向的洋流或潮汐呈接近垂直的球面上。

(4)利用洋流或潮汐作用于主翼上的升力驱动水下风筝绕铰链转动，实现洋流或潮汐动能驱动水下风筝运动，其运动产生的相对流驱动涡轮发电机转动发电；

(5)输出电缆将涡轮发电机产生的电能输出到指定的发电位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，为在水下风筝的运动期间，可通过方向舵的摆动改变水下风筝的运动方向，以实现水下风筝在XY、YZ和XZ平面的投影轨迹。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，铠装缆在水下风筝的运动过程中一直处于绷直状态。