CN105840410B - 摆翼式海流能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆翼式海流能发电装置，包括支撑架，所述支撑架上连接有运动机构，所述运动机构与能量提取机构连接，所述能量提取机构包括曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构将从运动机构提取的能量传递给能量转化机构，所述能量转化机构包括发电机；所述运动机构与攻角调节机构连接，攻角调节机构调整控制运动机构的攻角角度，使运动机构实现预定俯仰运动。配备水翼攻角调节机构，解决了水翼攻角角度控制的问题，通过监测摆杆位置来精确控制水翼的俯仰运动，可适应不同的水流速度，充分捕获水流动能，提高发电效率及功率。使用四杆机构和同步带传动组成的传动系统，结构简单，机械损失小，转化效率高。

Description

摆翼式海流能发电装置

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及一种摆翼式海流能发电装置。

背景技术

在浅海、海峡、海湾或河口一带，涨潮与退潮会引起较强的潮流，水流速度较高，可直接利用潮流前进的动能来推动水轮机发电，方法类似于风力发电机，称之为潮流发电机，具有很好的开发利用前景，与风能和太阳能相比，其能量密度大且易预测，因此更便于加以利用。世界各国对潮流能的开发利用愈加重视，各种潮流能发电技术得到了不断突破，其中欧美国家较为领先，但相关技术的潮流能发电机仍然存在一些问题和不足之处。

(1)旋转类水轮潮流发电机；

旋转类水轮机可分为水平轴和竖轴水轮机。“风车”式水轮机又称“水下风车”，其结构和工作原理与现代风力机相似，由于叶轮在敞开的水中旋转，属敞水式结构。水轮机主要由翼型叶片组成，叶片多为固定倾角。其主要缺点是敞水式结构加上旋转的叶轮容易对海洋生物造成伤害，固定的叶片倾角不容易适应不同的水流速。

竖轴潮流能水轮机依靠翼型叶片的升力和阻力提取流体动能，理论上能达到较高的获能系数，但叶片倾角的控制有一定难度，且影响整个系统的稳定性。

(2)导管涡轮式潮流发电机；

直驱式导管涡轮发电机，直驱发电机的定子安装在导管内壁，发电机转子安装在转轮叶片的外缘。

其缺点是涡轮的面积比起潮流的截面是很微小的，所以对整个潮汐能的利用率非常低，要求潮汐要形成足够的水流速度来保证发电量。

(3)扩张导流管立轴潮流发电机；

扩张导流管的下面也是钢板组成的空心体，上方的船舱也就是扩张导流管的上壁，直驱永磁发电机安装在船舱内，与下方的叶轮同轴。左导流舱是空心密封舱，与船舱一同构成发电系统的支撑载体，使发电机系统漂浮在海面，需要有拖牵钢缆来进行位置的固定。叶片是直叶片，有利于采用可变桨距角技术，通过控制桨距角在不同的流速获得较大的功率。其主要缺点是容易受到暴风、巨浪的破坏，使用成本较高，使用拖牵钢缆固定位置并不牢固等。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种摆翼式海流能发电装置，主要解决以下问题：水翼攻角角度控制问题；获能系数低，发电能量转化效率低；系统稳定性，抗破坏性差；成本高，影响生态环境。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

摆翼式海流能发电装置，包括支撑架，所述支撑架上连接有运动机构，所述运动机构与能量提取机构连接，所述能量提取机构包括曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构将从运动机构提取的能量传递给能量转化机构，所述能量转化机构包括发电机；所述运动机构与攻角调节机构连接，攻角调节机构调整控制运动机构的攻角角度，使运动机构实现预定俯仰运动。

所述曲柄摇杆机构包括依次连接的摆杆、三角连杆、连杆和偏心轮，由摆杆的摆动转化为偏心轮的转动。

所述能量转化机构还包括与偏心轮连接的大同步带轮，所述大同步带轮通过同步带将转动能量传递给小同步带轮，小同步带轮通过转轴与发电机连接；使用曲柄摇杆机构和同步带传动组成的传动系统，结构简单，机械损失小，转化效率高，并保证水翼摆动过程中发电机转向不改变，输出电压稳定。

优选的，所述转轴上套有惯性轮；使用惯性轮，利用惯性越过死点，同时储存能量稳定转速。

所述运动机构包括连接于摆杆两端的第一水翼和第二水翼，第一水翼与摆杆通过第一连接轴连接，第二水翼与摆杆通过第二连接轴连接，第一水翼与第一俯仰机构连接，第二水翼与第二俯仰机构连接，第一水翼在第一俯仰机构的带动下俯仰运动，第二水翼在第二俯仰机构的带动下俯仰运动，第一水翼和第二水翼俯仰运动的相位差为180度；来流作用时，两水翼同时进行相对的升降运行，实现摆杆的有规律的摆动，曲柄摇杆机构将摆杆的摆动变为曲柄的旋转运动，从而驱动发电机进行发电。

所述第一俯仰机构和第二俯仰机构均与攻角调节机构连接；通过攻角调节机构、第一俯仰机构和第二俯仰机构调整控制水翼攻角。

所述第一俯仰机构包括通过第一转轴连接于摆杆中心的第一同步带轮，所述第一同步带轮通过同步带将转动能量传递给套接在第一连接轴上的第二同步带轮。

所述第二俯仰机构包括通过第二转轴连接于摆杆中心的第三同步带轮，所述第三同步带轮通过同步带将转动能量传递给套接在第二连接轴上的第四同步带轮。

优选的，所述第一转轴和第二转轴通过插接方式连接起来；第一转轴和第二转轴采用插接形式连接起来后成为一根轴，使第一转轴和第二转轴有相互的支撑而更加稳定，且并不影响两者以相反的方向进行转动。

所述攻角调节机构包括攻角调节电机，所述攻角调节电机带动第一齿轮传动机构转动，第一齿轮传动机构与第一俯仰机构连接，所述第一齿轮传动机构还与第二齿轮传动机构连接，第二齿轮传动机构与第二俯仰机构连接；通过攻角调节机构与第一齿轮传动机构和第二齿轮传动机构的连接，实现对水翼攻角角度控制，适应不同的水流速度，充分捕获水流动能，提高发电效率及功率。

所述第一齿轮传动机构包括第一齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合传动，第二齿轮与第一转轴连接；所述第一齿轮与攻角调节电机连接，或所述第一齿轮与电机齿轮啮合传动，电机齿轮与攻角调节电机连接。

所述第二齿轮传动机构包括通过换向轴与第一齿轮连接的第三齿轮，所述第三齿轮与惰轮啮合传动，惰轮与第四齿轮啮合传动，第四齿轮与第二转轴连接。

所述摆杆上设有角速度传感器，角速度传感器与控制器通信，控制器控制攻角调节电机的运转；通过摆杆上安装的角速度传感器，将它的位置信息传送至控制器，控制器控制攻角调节电机转动，调整水翼攻角，完成预定俯仰运动。

优选的，所述支撑架底部转动连接在底座中心处；支撑架顶部与顶部平台固定连接；采用重力式底座安装技术，底座抗倾翻系数达到5，可以抵抗台风或者海啸等极端天气对设备的损坏。

优选的，所述支撑架底侧部连接有尾翼；安装尾翼使装置可以主动转动以正对水流，实现充分捕获水流动能。

本发明的工作原理为：

在水流的冲击下，摆杆上下摆动，带动三角连杆、连杆运动，进而带动偏心轮转动。偏心轮转动，带动同轴的同步带轮转动，通过同步带，带动小同步带轮转动，进而带动发电机轴转动，发出交流电。

摆杆摆动的同时，攻角调节电机通过攻角调节齿轮带动第一转轴转动，左侧大齿轮通过换向轴将转动传递给右侧小齿轮，通过惰轮，带动第二转轴转动，且转向与第一转轴相反。

本发明的有益效果为：

(1)配备水翼攻角调节机构，解决了水翼攻角角度控制的问题，通过监测摆杆位置来精确控制水翼的俯仰运动，可适应不同的水流速度，充分捕获水流动能，提高发电效率及功率。

(2)使用四杆机构和同步带传动组成的传动系统，结构简单，机械损失小，转化效率高，并保证水翼摆动过程中发电机转向不改变，输出电压稳定。使用惯性轮，利用惯性越过死点，同时储存能量稳定转速。

(3)采用重力式底座安装技术，底座抗倾翻系数达到5，可以抵抗台风或者海啸等极端天气对设备的损坏，避免了拖牵钢缆不稳定的缺点，提高了系统的稳定性和抗破坏性。设计尾翼，当水流方向发生变化时，主动转动使水翼正对水流，充分利用水流能量。

(4)相比于其他的潮流能发电机的设计方案，本方案可明显的降低制造(结构材料费、加工费、电子电器元件共计7500元左右)、安装、使用、维护成本。与旋转类水轮潮流发电机相比，其明显的优点是减少了对生态环境的破坏，对海洋生物基本不会造成影响。

(5)针对目前现有的技术对潮流能利用率不高的情况，采用水翼式结构，改变能量捕获方式，结构简单，性能可靠，提高发电效率。我们又多次通过测试水翼展弦比、最大攻角等参数对装置发电功率的影响，确定最佳设计参数，实现最大的能量捕获效率。

附图说明

图1为本发明海流能发电装置的结构示意图；

图2为攻角调节机构的示意图；

图中，1：底座，2：尾翼，3：U形支架，4：偏心轮，5：同步带轮，6：同步带，7：支撑架，8：连杆，9：三角连杆，10：水翼，11：水翼同步带轮，12：水翼轴，13：摆杆，14：水翼同步带，15：第一转轴，16：第二转轴，17：攻角调节齿轮，18：惰轮，19：攻角调节电机，20：发电机，21：惯性轮，22：惯性轮轴，23：顶部平台，24：换向轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图2所示，一种摆翼式海流能发电装置，包括底座1、尾翼2、支撑架7、水翼10、摆杆13、同步带轮、同步带、惯性轮21、发电机20和水翼攻角调节机构。

支撑架7设置为两块，便于在支撑架7之间安装发电装置的其他部件，支撑架7顶部固定顶部平台23；支撑架7底部固连U形支架3，通过U形支架3将两侧的支撑架7连接起来，在U形支架3上固连尾翼2，U形支架3底部与底座1连接，底座1上安装轴承，使U形支架3、支撑架7可转动；通过重力式底座安装技术，底座1抗倾翻系数达到5，可以抵抗台风或者海啸等极端天气对设备的损坏，避免了拖牵钢缆不稳定的缺点，提高了系统的稳定性和抗破坏性。在支撑架上设置尾翼2，当水流方向发生变化时，主动转动使水翼正对水流，充分利用水流能量。

支撑架7的下部通过轴与偏心轮4连接，偏心轮4安装在支撑架7之间，轴的另一端与同步带轮5固定连接，同步带轮5安装在支撑架7外侧，同步带轮5通过同步带6将转动传递到与发电机20连接的同步带轮上，发电机20输出轴与惯性轮轴22连接，惯性轮轴22上安装惯性轮21，惯性轮21安装在支撑架7之间，利用惯性越过死点，同时储存能量稳定转速。发出的交流电经整流电路及储能电路处理，储存在蓄电池上(技术成熟后可以并入电网)。

偏心轮4、连杆8、三角连杆9、摆杆13依次连接，形成四杆机构(曲柄摇杆机构)，四杆机构安装在支撑架7之间，摆杆13设置为两个，两个摆杆13通过第一转轴15和第二转轴16连接到支撑架7上，摆杆13的两端均通过水翼轴12连接水翼10，两水翼通过摆杆串联安装，俯仰运动相位差为180度。两个水翼轴12上均套接水翼同步带轮11，摆杆13一端的水翼同步带轮通过水翼同步带14与第一转轴15上的同步带轮连接，摆杆13另一端的水翼同步带轮11通过水翼同步带与第二转轴16上的同步带轮连接。第一转轴15和第二转轴16采用插接形式连接成一根轴，且第一转轴15和第二转轴16互不影响彼此的转动，第一转轴15和第二转轴16转向相反。

支撑架7左侧上还固定有攻角调节电机19，攻角调节电机19的电机齿轮与大齿轮啮合，大齿轮与攻角调节齿轮17啮合，攻角调节齿轮17与第一转轴15固定连接；大齿轮中部通过换向轴24连接至支撑架右侧的小齿轮，小齿轮通过中间惰轮18将转动传递给与第二转轴16固定连接的小齿轮。

水翼受到水流冲击，产生升力，在升力作用下，水翼带动摆杆做上下摆动运动，通过三角连杆、连杆带动偏心轮转动，进而通过增速带传动传递给发电机。水翼在上下摆动的同时不断改变攻角，以获得预定特性的升力，实现连续运动。调节方式：通过摆杆上安装的角速度传感器，将它的位置信息传送至单片机，单片机控制电机转动，调整水翼攻角，完成预定俯仰运动。两水翼为串联安装，俯仰运动相位差为180度，因此，第一转轴15和第二转轴16采用插接形式连接，所谓插接形式指第一转轴15是凸轴，第二转轴16是凹轴，凹凸结合，利用插接方式在实现第一转轴15和第二转轴16同轴线的基础上实现两轴相反方向的转动，通过左侧两个大齿轮(即大齿轮和攻角调节齿轮17)，右侧三个小齿轮(两小齿轮及中间惰轮)实现换向。支撑架7左侧设置2个齿轮，右侧设置3个齿轮，而第一转轴15和换向轴24的中心距一定，左侧齿轮大，右侧齿轮小。换向是实现发电的充分条件，两侧水翼运动方向是相反的，为了保证相位差为180°，需要支撑架两侧齿轮的转向设置为相反方向。安装尾翼使装置可以主动转动以正对水流，实现充分捕获水流动能。

本发明装置的运动过程为：

在水流的冲击下，摆杆13上下摆动，带动三角连杆9、连杆8运动，进而带动偏心轮4转动(四杆机构)。偏心轮4转动，带动同轴的大带轮转动，通过同步带6，带动小带轮转动，进而带动发电机轴转动，发出交流电。

摆杆摆动的同时，攻角调节电机19通过攻角调节齿轮17带动转轴A转动，左侧大齿轮通过换向轴24将转动传递给右侧小齿轮，通过惰轮18，带动转轴B转动，且转向与转轴A相反。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.摆翼式海流能发电装置，其特征是，包括支撑架，所述支撑架上连接有运动机构，所述运动机构与能量提取机构连接，所述能量提取机构包括曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构将从运动机构提取的能量传递给能量转化机构，所述能量转化机构包括发电机；所述运动机构与攻角调节机构连接，攻角调节机构调整控制运动机构的攻角角度，使运动机构实现预定俯仰运动；

所述支撑架底部转动连接在底座中心处；支撑架顶部与顶部平台固定连接；所述支撑架底侧部连接有尾翼；

所述曲柄摇杆机构包括依次连接的摆杆、三角连杆、连杆和偏心轮，由摆杆的摆动转化为偏心轮的转动；所述能量转化机构还包括与偏心轮连接的大同步带轮，所述大同步带轮通过同步带将转动能量传递给小同步带轮，小同步带轮通过转轴与发电机连接；所述转轴上套有惯性轮；

所述攻角调节机构包括攻角调节电机，所述攻角调节电机带动第一齿轮传动机构转动，第一齿轮传动机构与第一俯仰机构连接，所述第一齿轮传动机构还与第二齿轮传动机构连接，第二齿轮传动机构与第二俯仰机构连接。

2.如权利要求1所述的海流能发电装置，其特征是，所述运动机构包括连接于摆杆两端的第一水翼和第二水翼，第一水翼与摆杆通过第一连接轴连接，第二水翼与摆杆通过第二连接轴连接，第一水翼与第一俯仰机构连接，第二水翼与第二俯仰机构连接，第一水翼在第一俯仰机构的带动下俯仰运动，第二水翼在第二俯仰机构的带动下俯仰运动，第一水翼和第二水翼俯仰运动的相位差为180度；所述第一俯仰机构和第二俯仰机构均与攻角调节机构连接。

3.如权利要求2所述的海流能发电装置，其特征是，所述第一俯仰机构包括通过第一转轴连接于摆杆中心的第一同步带轮，所述第一同步带轮通过同步带将转动能量传递给套接在第一连接轴上的第二同步带轮。

4.如权利要求3所述的海流能发电装置，其特征是，所述第二俯仰机构包括通过第二转轴连接于摆杆中心的第三同步带轮，所述第三同步带轮通过同步带将转动能量传递给套接在第二连接轴上的第四同步带轮。

5.如权利要求4所述的海流能发电装置，其特征是，所述第一转轴和第二转轴通过插接方式连接起来。

6.如权利要求1所述的海流能发电装置，其特征是，所述第一齿轮传动机构包括第一齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合传动，第二齿轮与第一转轴连接；所述第一齿轮与攻角调节电机连接，或所述第一齿轮与电机齿轮啮合传动，电机齿轮与攻角调节电机连接；所述第二齿轮传动机构包括通过换向轴与第一齿轮连接的第三齿轮，所述第三齿轮与惰轮啮合传动，惰轮与第四齿轮啮合传动，第四齿轮与第二转轴连接。

7.如权利要求1所述的海流能发电装置，其特征是，所述摆杆上设有角速度传感器，角速度传感器与控制器通信，控制器控制攻角调节电机的运转。