一种用于采集潮流能的固定式双振荡耦合水翼发电装置

摘要

本发明公开了一种用于采集潮流能的固定式振荡双耦合水翼发电装置，涉及海洋资源开发技术领域，包括双水翼系统、工作台及底座，其上部设置有所述工作台；所述工作台内横向贯穿设置有轴承架，所述轴承架上固定有两个锥形齿轮，传动齿轮设置在工作台底部，且与两个所述锥形齿轮进行耦合，所述传动齿轮的下方设置有感应发电装置；所述双水翼系统包括完全对称设置的水翼、摆臂、传动杆、固定桩、棘轮、棘轮杆和反向块。本发明在浅海或河床有明显优势，振荡频率低，对环境影响小，并通过弹簧以及自锁结构实现水翼姿态的调整，使得系统不需要另外输入能量来改变水翼姿态，从而达到提升能量转换效率的效果。

权利要求

1.一种用于采集潮流能的固定式振荡双耦合水翼发电装置，其特征在于，包括双水翼系统、工作台及底座；所述底座上部设置有所述工作台，所述工作台内横向贯穿设置有轴承架，所述轴承架上固定有两个锥形齿轮，传动齿轮设置在所述工作台底部，且与两个所述锥形齿轮进行耦合，所述传动齿轮的下方设置有感应发电装置；所述双水翼系统包括完全对称设置的水翼、摆臂、传动杆、固定桩、棘轮、棘轮杆和反向块，所述摆臂的前端与所述水翼进行铰接连接，所述摆臂的后端与所述轴承架穿出部分铰接连接，所述摆臂内部为中空结构，内部设置有所述传动杆、所述棘轮和所述棘轮杆，所述棘轮杆铰接在上下对称的两个所述固定桩上，所述反向块铰接在中间的所述固定桩上，所述反向块与所述传动杆为滑动连接，所述棘轮铰接在大圆柱形的所述固定桩上，且与所述水翼刚性连接，所述棘轮杆与所述摆臂内壁设置有弹性连接，所述棘轮杆的活动端与所述棘轮在所述弹性连接未受力时为接触咬合状态。

2.如权利要求 1所述的固定式振荡双耦合水翼发电装置，其特征在于，所述工作台的两端的所述摆臂两侧对称设置有反向插销。

3.如权利要求 1所述的固定式振荡双耦合水翼发电装置，其特征在于，所述感应发电装置为与所述传动齿轮相对静止的磁芯，所述磁芯周围设置有感应线圈。

4.如权利要求 1所述的固定式振荡双耦合水翼发电装置，其特征在于，所述反向块由上下两层组成，下层为扇形结构，二层为突出的柱体，所述柱体套接在所述传动杆前端的滑槽内。

5.如权利要求 4所述的固定式振荡双耦合水翼发电装置，其特征在于，所述扇形结构用于固定在所述固定桩上的孔槽不在扇形圆的圆心上。

6.如权利要求 1所述的固定式振荡双耦合水翼发电装置，其特征在于，所述棘轮杆与所述摆臂内壁设置的弹性连接为压缩弹簧两端固定连接。

7.如权利要求 1所述的固定式振荡双耦合水翼发电装置，其特征在于，所述水翼和所述摆臂在平衡状态下的自然夹角设置为140°。

8.如权利要求 1所述的固定式振荡双耦合水翼发电装置，其特征在于，所述摆臂与所述水翼通过插杆进行活动的铰接连接，并且分别固定于同一扭力弹簧的两端。

9.如权利要求 1所述的固定式振荡双耦合水翼发电装置，其特征在于，所述轴承架与所述锥形齿轮的连接方式为焊接。

10.如权利要求 1所述的固定式振荡双耦合水翼发电装置，其特征在于，所述装置被设置为固定安装在海底。

说明书

一种用于采集潮流能的固定式双振荡耦合水翼发电装置

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋资源开发技术领域，具体涉及一种用于采集潮流能的固定式双振荡耦合水翼发电装置。

背景技术

[0002] 在现有的众多清洁能源中，海洋能占有特别重要的地位，在不可再生能源日渐枯竭的形式下，越来越多的国家和个人也开始探索可再生能源。潮流能作为可再生海洋能源的一种，是海水受月球和太阳的引力作用而产生的能量，其能量密度约为风能的四倍，太阳能的三十倍，另外还具有可预测，受天气影响较小，周期性好、稳定性高的特点，在近些年也愈发受到大家的关注。

[0003] 利用潮流能进行发电的装置大致可分为水平轴潮流能水轮机、竖轴潮流能水轮机、升力—阻力型潮流能装置、振荡式水翼潮流能装置以及其他形式的潮流能装置。在实际应用中，水平轴式的为主其发展技术上已趋于成熟，但若要增大水轮机式的发电效率必须增大其叶片的受水面积，即要求水轮叶片有很高的强度，而水翼式没有这样的要求，同时水翼式潮流能发电装置有着更高的稳定性，且低频性对海洋生物环境的破坏性也相对较小。目前国内所研制的水翼潮流能发电装置多需外加控制系统，通过控制水翼的俯仰运动实现水翼转向、克服死点，这使得发电效率大大降低。

[0004] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于采集潮流能的固定式双振荡耦合水翼发电装置，该发电装置为全被动式的水翼发电机，通过弹簧以及自锁结构实现水翼姿态的调整，由此简化系统的负反馈结构，使得系统不需要另外输入能量来改变水翼姿态，以达到提升能量转换效率的效果。

发明内容

[0005] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何消除水翼式发电装置改变水翼攻角时对外界控制系统的依赖，如何减少使用外电源带来的结构复杂性和不稳定性。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种用于采集潮流能的固定式振荡双耦合水翼发电装置，包括双水翼系统、工作台及底座；所述底座上部设置有所述工作台，所述工作台内横向贯穿设置有轴承架，所述轴承架上固定有两个锥形齿轮，传动齿轮设置在所述工作台底部，且与两个所述锥形齿轮进行耦合，所述传动齿轮的下方设置有感应发电装置；所述双水翼系统包括完全对称设置的水翼、摆臂、传动杆、固定桩、棘轮、棘轮杆和反向块，所述摆臂的前端与所述水翼进行铰接连接，所述摆臂的后端与所述轴承架穿出部分铰接连接，所述摆臂内部为中空结构，内部设置有所述传动杆、所述棘轮和所述棘轮杆，所述棘轮杆铰接在上下对称的两个所述固定桩上，所述反向块铰接在中间的所述固定桩上，所述反向块与所述传动杆为滑动连接，所述棘轮铰接在大圆柱形的所述固定桩上，且与所述水翼刚性连接，所述棘轮杆与所述摆臂内壁设置有弹性连接，所述棘轮杆的活动端与所述棘轮在所述弹性连接未受力时为接触咬合状态。

[0007] 进一步地，所述工作台的两端的所述摆臂两侧对称设置有反向插销。

[0008] 进一步地，所述感应发电装置为与所述传动齿轮相对静止的磁芯，所述磁芯周围设置有感应线圈。

[0009] 进一步地，所述反向块由上下两层组成，下层为扇形结构，二层为突出的柱体，所述柱体套接在所述传动杆前端的滑槽内。

[0010] 进一步地，所述扇形结构用于固定在所述固定桩上的孔槽不在扇形圆的圆心上。

[0011] 进一步地，所述棘轮杆与所述摆臂内壁设置的弹性连接为压缩弹簧两端固定连接。

[0012] 进一步地，所述水翼和所述摆臂在平衡状态下的自然夹角设置为140°。

[0013] 进一步地，所述摆臂与所述水翼通过插杆进行活动的铰接连接，并且分别固定于同一扭力弹簧的两端。

[0014] 进一步地，所述轴承架与所述锥形齿轮的连接方式为焊接。

[0015] 进一步地，所述装置被设置为固定安装在海底。

[0016] 本发明有益的技术效果是：

[0017] (1)振荡频率低，对环境影响小；

[0018] (2)不需要外界能量的注入，能量转换效率高。

[0019] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

[0020] 图1是固定式双振荡耦合水翼发电装置整体结构图；

[0021] 图2是水翼摆臂的剖面组装图；

[0022] 图3是水翼与连杆组装图；

[0023] 图4是棘轮只能顺时针转示意图；

[0024] 图5是棘轮只能逆时针转示意图。

[0025] 其中，1-工作台，2-摆臂，3-传动杆，4-反向块，5-棘轮，6-棘轮杆，7-水翼，8-传动齿轮，9-锥形齿轮，10-反向插销，11-底座，12-轴承架，13-固定桩，14-压缩弹簧，15-插杆。

具体实施方式

[0026] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

[0027] 在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

[0028] 本发明的固定式振荡双耦合水翼发电装置，包括双水翼系统、工作台1及底座11；

[0029] 如图1所示，工作台1主要为密封的玻璃钢材质，其底部设置有底座11，底座11固定安装在海底，在工作中底座11会做负功，使得本发明在水流中相对地面不会移动，从而最大限度利用潮流能。工作台1内横向贯穿设置有轴承架12，轴承架12上固定有两个锥形齿轮9，可通过焊接方式固定连接，传动齿轮8设置在工作台1底部，且与两个锥形齿轮9进行耦合，传动齿轮8的下方还设置有感应发电装置。

[0030] 反向插销10对称设置在工作台1两端摆臂2的两侧，其作用为限制摆臂2摆动幅度.当摆臂2到达其极限位置的时候，反向插销10限制摆臂的运动使其停转，同时限制传动杆3的运动，通过尺寸设计，可以使得传动杆3被压迫到另外一侧的极限位置。

[0031] 双水翼系统包括完全对称设置的水翼7、摆臂2，水翼7由轻质复合材料制成，摆臂2的后端与轴承架12穿出部分铰接连接，在水翼7与摆臂2之间安装扭力弹簧，能够在水翼与摆臂相对转动时储存能量，调整该扭力弹簧可以使得水翼在平衡状态下与摆臂的自然夹角为140。。

[0032] 感应发电装置与传动齿轮8相对静止的磁芯，磁芯周围设置有感应线圈，当磁芯转动时线圈产生电动势，从而将机械能转换成为电能。

[0033] 其中，两个水翼7的尺寸可设置为：长5米，宽3米，最厚处厚度0.2米。摆臂2的尺寸可设置为：长20米，厚度0.7米，最宽处2米。工作台1可设置为宽5米，高约3米，长约6米。尺寸的设计可以随着发电功率需求而变化。

[0034] 如图2所示，摆臂2内部为中空结构，其前端头内部设置有传动杆3、棘轮5、棘轮杆6，对称的两个固定桩13上铰接棘轮杆6，中间的固定桩13上铰接反向块4。所述棘轮杆6铰接在对称的两个固定桩13上，反向块4铰接在中间的固定桩13上，反向块4与传动杆13为滑动连接，具体方式为反向块4由上下两层组成，下层为扇形结构，扇形结构用于固定在固定桩
13上的孔槽不在扇形圆的圆心上；二层为突出的柱体，柱体套接在传动杆3前端的滑槽内。
另外，棘轮5铰接在大圆柱形的固定桩13上。

[0035] 如图3所示，摆臂2的前端与水翼7通过插杆15进行活动的铰接连接，并且分别固定于同一扭力弹簧的两端。棘轮5铰接在最大的一个固定桩13上，且与水翼7刚性连接。

[0036] 如图4所示，棘轮杆6与摆臂2内壁设置有弹性连接，如用压缩弹簧14进行两端固定，可以通过尺寸设计使得棘轮杆6的活动端与棘轮5在压缩弹簧14未受力时为接触咬合状态。棘轮杆6铰接在小固定桩13上，在压缩弹簧14的压缩下趋于接近棘轮5，在反向块4的压迫下趋于远离棘轮5，反向块4在极限位置处，能够压迫该侧棘轮杆6及其压缩弹簧14使之不与棘轮5发生干扰。上部棘轮杆6工作时，棘轮5以及水翼7只能顺时针转动。

[0037] 如图5所示，下部棘轮杆6工作时，棘轮5以及水翼7只能逆时针转动。

[0038] 设置水翼7和摆臂2在平衡状态下的自然夹角设置为140°。将本发明置于稳定的潮流区域后，水翼7会带动摆臂2发生竖直方向的摆动，在一个运动周期内，采集能量过程主要是两侧水翼7的上升过程，因两侧水翼7是完全镜像对称设置，所以以下仅描述半个周期内单侧水翼7从初始最低位置上升到最终最高位置的能量采集过程。

[0039] (1)初始时刻：

[0040] 低位水翼7与水平面的倾角为-40°左右，其棘轮系统为逆时针锁死；对侧的水翼7与水平面倾角约为0°，其棘轮系统为顺时针锁死，并且水翼7与摆臂2之间的扭力弹簧蓄力中。

[0041] (2)初始时刻至最终时刻之间：

[0042] 低位水翼7有一初始弓角迎接水流方向，水流使这一侧水翼7产生的向上的驱动力。在低位水翼7整个上升过程中，因为低位摆臂2中的棘轮系统逆时针锁死，水翼7与摆臂2角度不会由于潮流的速度或摆动的速度所改变。

[0043] 对侧水翼7和摆臂2在一对反向锥形齿轮9的传动作用下会趋于被动向下摆。在对侧水翼7整个下降过程中，水翼7与摆臂2间的角度持续发生变化(水翼7趋向与水流方向平行)，水翼7与摆臂2间的扭力弹簧系统持续蓄力，其回复力由棘轮系统(顺时针锁死)抵消，从而不会因为下降过程受到升力而影响低位水翼7的上升过程。

[0044] 低位水翼7连同摆臂2不断上升，对侧水翼7在被动下降，其姿态不断随水流冲击而趋于保持水平，同时由于水翼7与摆臂2夹角变化，安装在其上的扭力弹簧持续储存能量。

[0045] (3)最终时刻：

[0046] 此时原低位水翼7的摆臂2到达其最高的极限位置，两个摆臂2内部的传动杆3都会被反向插销10的碰撞驱使。这使现在的高位传动杆3从转过一定角度；而传动杆3的带动下反向块4会转到另外一个极限角度，从压缩下压缩弹簧14过渡到释放下压缩弹簧14，并压缩上压缩弹簧14。现低位传动杆3也在反向插销10的作用下转过与现高位传动杆3转过的角度一致但方向相反；同样，反向块4会转到另外一个极限角度，从压缩上压缩弹簧14过渡到释放上压缩弹簧14，并压缩下压缩弹簧14。

[0047] 从而棘轮系统锁死状态互换，此刻处于上方的水翼7弓角无变化，棘轮系统变为顺时针锁死；处于下方的水翼7由于棘轮系统逆时针锁死，顺时针通畅，会在扭力弹簧的回复力下顺时针转动，使得水翼7回到初始倾角，并且由于棘轮5的作用它在回到初始倾角的时刻会稳定，不能再逆时针转动。至此，整个系统的摆动作用完成了半个周期。

[0048] 另外可认为水翼7在下降的整个过程不消耗、也不采集能量。因为水流对下降的水翼7所做功基本与扭力弹簧所储存的能量相同，下降水翼7在下降过程中消耗的有效能量为粘性阻力所做的功，而这个阻力做功的数量级约为上升力有效功数量级的1％，可以不予考虑。

[0049] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。