CN105952577A - 基于往复式不对称绕流力的发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于往复式不对称绕流力的发电装置，该装置包括竖直布置的、且其上端与外部发电机相连的竖向连轴，竖向连轴的下端垂直固定有沿水平圆周方向间隔分布的至少三根水平连轴，每根水平连轴的一端均固定有一个非对称结构体；每个非对称结构体沿水平圆周方向具有一前端面和一后端面，每个非对称结构体的前端面均为曲面，每个非对称结构体的后端面均为竖直平面。该装置一方面能够利用往复式不对称绕流产生的水平作用力使装置旋转发电，不必固定在海底，可以安装在浮体上，大大扩大了工程应用范围，有效地利用了广袤的远海中丰富的波浪能。另一方面该装置可以安装在波浪滑翔器上，作为补充发电储能装置，从而增强波浪滑翔器的续航能力。

Description

基于往复式不对称绕流力的发电装置

技术领域

本发明涉及海洋工程中利用波浪能发电的领域领域，具体涉及一种基于往复式不对称绕流力的发电装置，其既可以用于海上浮体的波浪发电，又可以用于波浪驱动滑翔器航行过程中的附加发电。

背景技术

在陆地能源日益枯竭的当下，人们将目光投向了海洋。波浪运动蕴含着巨大的能量，因此“波浪发电”和“波浪驱动”一直是海洋工程研究的热点。一方面，波浪发电站可以建在漫长的海岸线上，利用潮汐和近海的波浪发电，来供给近海地区工业用电的需求；另一方面，进来广泛用于远海勘探和观测的“波浪滑翔器”上也运用了“波浪驱动”。当“波浪滑翔器”随着波浪上下起伏时，连接在“链接挂缆”下的“滑翔翼”会受到水质点的作用力，产生一个向前的分量从而推动“波浪滑翔器”向前行驶。

然而，无论是现阶段运用在近海岸的“波浪发电”，还是应用在“波浪滑翔器”上的“波浪驱动”都有许多问题和局限性：

现阶段的“波浪发电”中应用较多的是“永磁直线发电机在直驱式波浪发电系统”。这种发电系统需要固定在近海的海底，并利用海浪的运动使其外壳内部的浮筒上下往复运动，从而带动“动子”运动，进而切割磁感线发电。这种发电系统具有如下问题和局限性：

1)工程应用范围较窄：由于发电系统要固定在海底，因此只能建立在水深较浅的海岸附近。而广袤的远海则拥有更丰富的海浪能，这样以来传统的波浪发电系统就无法有效地利用这部分能量。

2)受海况影响较大：传统的发电系统都需要固定在海底，因此会受到较大的风浪流的作用，久而久之会发生金属疲劳和损坏。这也对构建的材料结构有较高的要求。

现阶段的“波浪滑翔器”主要包括“水面浮体”、“滑翔体”和“链接挂缆”三部分。当“波浪滑翔器”随着波浪上下起伏时，连接在“链接挂缆”下的“滑翔翼”会受到水质点的作用力，产生一个向前的分量从而推动“波浪滑翔器”向前行驶。同时“水面浮体”上的太阳能板也会储备太阳能，为静水航行提供动力。但是遇到连续阴天并且风平浪静的情况，传统的“波浪滑翔器”在太阳能耗尽后就无法产生动力，这就大大限制了续航能力。

发明内容

本发明目的是：针对上述问题，提出一种基于往复式不对称绕流力的发电装置。一方面，该装置能够利用往复式不对称绕流产生的水平作用力使装置旋转发电，不必固定在海底，可以安装在浮体上，大大扩大了工程应用范围，有效地利用了广袤的远海中丰富的波浪能。另一方面，该装置结构简单，可以安装在波浪滑翔器上，作为补充发电储能装置，从而大大增强了波浪滑翔器的续航能力。

本发明的技术方案是：一种基于往复式不对称绕流力的发电装置，该装置包括竖直布置的、且其上端与外部发电机相连的竖向连轴，所述竖向连轴的下端垂直固定有沿水平圆周方向间隔分布的至少三根水平连轴，每根水平连轴的一端均固定有一个非对称结构体；每个所述非对称结构体沿所述水平圆周方向具有一前端面和一后端面，每个所述非对称结构体的前端面均为曲面，每个所述非对称结构体的后端面均为竖直平面。

本发明在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：

所述非对称结构体为半球形、半椭球形、半圆柱形、棱锥形或圆锥形。

所述非对称结构体为半球形。

所述水平连轴共设有六根，且这六根水平连轴沿着所述水平圆周方向均匀间隔分布。

所述的六根水平连轴是通过一联轴器固定连接在所述竖向连轴下端的，该联轴器上制有一个竖向连接孔和均匀分布在该竖向连接孔周围的六个水平连接孔，所述竖向连轴的下端固定连接在所述竖向连接孔中，所述六根水平连轴的一端分别固定连接在所述六个水平连接孔中。

所述六根水平连轴的长度相同。

还包括旋转轴承，该旋转轴承包括同轴布置且能够相对转动的轴承内圈和轴承外圈，所述轴承内圈同轴固定套在所述竖向连轴的上端。

所述轴承外圈固定连接在海上浮体上。

所述轴承外圈固定连接在波浪滑翔器上。

本发明的优点是：

1、本装置的关键部件只有几根连轴和几个非对称结构体，结构简单，装配方便，成本较低。

2、本装置在工作时无需消耗能源，无需外界功率输入，也不产生有害物质，节能环保。

3、本装置既可以安装在波浪滑翔器上，作为补充发电储能装置；又能安装在海上浮体上，进行波浪发电，有效地利用了广袤的远海中丰富的波浪能，工程应用范围广。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍：

图1为本发明实施例这种发电装置的立体结构示意图，图中F表示非对称结构体所受到的水平切向力；

图2为本发明实施例中旋转轴承的径向剖面图；

其中：1-竖向连轴，2-水平连轴，3-非对称结构体，4-联轴器，5-旋转轴承。

具体实施方式

图1示出了本发明这种基于往复式不对称绕流力的发电装置的一个具体实施例，该装置包括竖直布置的竖向连轴1，该竖向连轴1的上端与外部发电机相连，作为外部发电机的动力输入端。竖向连轴1的下端垂直固定有沿水平圆周方向均匀间隔分布的六根水平连轴2，而且这六根水平连轴2的长度相同。每根水平连轴2的一端均固定有一个非对称结构体3。每个非对称结构体3沿所述水平圆周方向具有一前端面和一后端面，并且每一个非对称结构体3的前端面均为曲面，每一个非对称结构体3的后端面均为竖直平面，可见各个非对称结构体3沿着所述水平圆周方向同向布置。

实际应用时，将该装置布置在海洋中，让整个装置随着波浪自由升降，利用升降产生的往复运动使非对称结构体3外围流体产生不规则绕流，因每个非对称结构体3的前端面为曲面而后端面为竖直平面，进而使各个非对称结构体3受到以竖向连轴1为中心作同方向转动的水平推力，该水平推力带动竖向连轴1绕其轴心线转动，从而为与之相连的外部发电机提供发电动力，实现旋转发电。

所述非对称结构体3的形状一般为半球形、半椭球形、半圆柱形、棱锥形或圆锥形为佳。本例中该非对称结构体3为半球形，现通过力学计算对该发电装置的工作原理作进一步介绍：

忽略海水粘性，则整个装置的海水绕流可以用势流理论来解释。非对称结构体3在整个轴系结构的带动下做上下往复运动，以非对称结构体3为参考系，则海水在半球形的非对称结构体3外做反方向往复绕流运动。

假设某一时刻非对称结构体3相对于地面系向上以速度U运动，则海水相对于半球形的非对称结构体3做向下的绕流。此“半球绕流”的前部流场可以用“三维均匀流”与“三维偶极子流”的叠加得到。

设半球形非对称结构体3半径为a，为满足壁面条件：r＝a时，V_r＝0。

可求得绕半球形非对称结构体3前端面势流流动的速度势为：

半球表面速度可求得为

球表面上的压力分布同样可由Bernoulli方程求得。在无穷远处，速度为U，压强为P_∞，则有：

$\frac{P}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{V\mathrm{\θ}^2}{2g}=\frac{P\mathrm{\∞}}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{U^2}{2g}---\left(3\right)$

可以得到

令一方面，半球形非对称结构体3后端面(竖直平面)处可以看作均匀绕流，V＝U。

则：P＝P∞

利用求坐标系积分，可求得半球形非对称结构体3的受力：

上述方程式中，r表示半球形非对称结构体的半径；V_r表示沿半球半径的径向速度；θ表示半球形非对称结构体横截面内球面上点与圆心连线和垂向半径的夹角；Pθ表示球面上夹角为θ的一点处垂直于球面的压力。

F是每一个非对称结构体3以速度U在竖直方向运动时，其受到水体作用的水平切向力大小。该水平切向力F通过球心、垂直于半球切面指向半球一侧。

同理可推导出当非对称结构体3以速度U向下运动时，其受到的水平切向力的大小及方向与向上运动时相同。

由以上可知，当非对称结构体3以一定速度在竖直方向往复运动时，会受到通过球心且垂直于半球切面指向半球一侧的水平切向力F。六个非对称结构体3受到的水平切向力F均沿所述水平圆周的切线方向，这些水平切向力F会推动非对称结构体3围绕竖向连轴1转动，因非对称结构体3与竖向连轴1为刚性固定连接，进而会带动着竖向连轴1在其俯视方向作逆时针旋转。竖向连轴1上端与外部发电机相连，为外部发电机提供发电动力，实现“旋转发电”的功能。

简言之，非对称结构体3对流体的作用，使得背面(即非对称结构体1的后端面)水流流向的流速小于正面(即前端面)水流流向的流速。同时根据流体力学中的伯努利原理，背面水流流向处的压强将大于正面水流流向处的压强，故而水流对非对称结构体3产生了向前的推进力，非对称结构体3在水流的作用下，将其上升和下降运动转换成前向运动，进而转换成竖向连轴1的自转运动。

本实施例中，所述的六根水平连轴2是通过一特制的联轴器4固定连接在所述竖向连轴1下端的。该联轴器4上制有一个竖向连接孔和均匀分布在该竖向连接孔周围的六个水平连接孔。竖向连轴1的下端固定连接在竖向连接孔中，而六根水平连轴2的一端分别固定连接在这六个水平连接孔中。

此外，本实施例还设有一个旋转轴承5，该旋转轴承5包括同轴布置且能够相对转动的轴承内圈和轴承外圈，其中轴承内圈同轴固定套在竖向连轴1的上端。实际应用时，将所述旋转轴承5的轴承外圈固定连接在海上浮体上，也可将其固定连接在波浪滑翔器上(上述的外部发电机通常设置该所述海上浮体或波浪滑翔器上)，作为波浪滑翔器的补充发电储能装置使用，从而大大增强波浪滑翔器的续航能力。

所述水平连轴2的数量不限于只有六根，也可以是七根、八根等等，一般在三根以上为佳。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于往复式不对称绕流力的发电装置，其特征在于：该装置包括竖直布置的、且其上端与外部发电机相连的竖向连轴(1)，所述竖向连轴(1)的下端垂直固定有沿水平圆周方向间隔分布的至少三根水平连轴(2)，每根水平连轴(2)的一端均固定有一个非对称结构体(3)，每个所述非对称结构体(3)沿所述水平圆周方向具有一前端面和一后端面，并且每个所述非对称结构体(3)的前端面均为曲面，每个所述非对称结构体(3)的后端面均为竖直平面。

2.根据权利要求1所述的基于往复式不对称绕流力的发电装置，其特征在于：所述非对称结构体(1)为半球形、半椭球形、半圆柱形、棱锥形或圆锥形。

3.根据权利要求2所述的基于往复式不对称绕流力的发电装置，其特征在于：所述非对称结构体(1)为半球形。

4.根据权利要求3所述的基于往复式不对称绕流力的发电装置，其特征在于：所述水平连轴(2)共设有六根，且这六根水平连轴(2)沿着所述水平圆周方向均匀间隔分布。

5.根据权利要求4所述的基于往复式不对称绕流力的发电装置，其特征在于：所述的六根水平连轴(2)是通过一联轴器(4)固定连接在所述竖向连轴(1)下端的，该联轴器(4)上制有一个竖向连接孔和均匀分布在该竖向连接孔周围的六个水平连接孔，所述竖向连轴(1)的下端固定连接在所述竖向连接孔中，所述六根水平连轴(2)的一端分别固定连接在所述六个水平连接孔中。

6.根据权利要求4所述的基于往复式不对称绕流力的发电装置，其特征在于：所述六根水平连轴(2)的长度相同。

7.根据权利要求1所述的基于往复式不对称绕流力的发电装置，其特征在于：还包括旋转轴承(5)，该旋转轴承(5)包括同轴布置且能够相对转动的轴承内圈和轴承外圈，所述轴承内圈同轴固定套在所述竖向连轴(1)的上端。

8.根据权利要求7所述的基于往复式不对称绕流力的发电装置，其特征在于：所述轴承外圈固定连接在海上浮体上。

9.根据权利要求7所述的基于往复式不对称绕流力的发电装置，其特征在于：所述轴承外圈固定连接在波浪滑翔器上。