CN103925161A - 轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，包括支架、椭圆攻角控制轨道、直线导轨、叶片、攻角控制杆、连接杆、曲轴、轮盘。直线导轨固定安装在支架上；叶片两端通过轴承与滑块嵌入导轨；连接杆两端分别与叶片转轴和曲轴的曲柄或轮盘边缘支点铰接。曲轴与传动主轴相连，通过轴承安装在支架上。攻角控制杆一端与叶片转轴的弦向垂直固定连接，另一端嵌于椭圆控制轨道盘的导轨内并附有质量块；曲轴两端安装轮盘。叶片两端安装端部翼板。采用三个或三个以上的叶片，各个与叶片相连的曲轴在传动主轴盘面的投影为均匀分布，以达到装置持续稳定运转的目的。本发明能效高，可用于陆地、近岸的风力发电、潮流能发电等领域。

Description

轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置

技术领域

本发明涉及的是一种发电装置，具体地说是利用风能、潮流能发电的装置。

背景技术

风能、潮流能是清洁无污染的优秀的可再生能源。风能、潮流能的开发利用是能源需求的重要补充，而高效稳定的风能、潮流能换能装置是风力、潮流能发电的核心关键技术。

目前主流的风能/潮流能发电装置大致可分为水平轴式和垂直轴式。大多是通过布置叶片，利用叶片受到的升力来带动电机发电。但是目前这两类发电装置或多或少的还存在自身的技术优点和缺点。如水平轴风机或水轮机容易受到风向或潮流流向偏差的影响；水平轴风机的发电机组在立柱顶部，不利于安装与维护。风机出现过数起火灾事故。水平轴水轮机还需要面对电机的防水、防污等一系列问题。垂直轴轮机虽具有启动性好、效率较高等优点，但运转载荷稳定性稍差。在大型化方面容易受到限制。已有的基于振动翼的能量转换装置在机构设计方面过于复杂，存在运行的稳定性差，效率不高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供性能较已有的往复式运动叶片的装置有所提高的轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，其特征是：包括主轴、端部转换单元、中部转换单元，端部转换单元包括转盘、第一曲柄、第一-第二攻角控制轨道、第一-第二支架、第一叶片、第一-第二连接杆、第一-第二攻角控制杆，中部转换单元包括第二-第三曲柄、第三-第四攻角控制轨道、第三-第四支架、第二叶片、第三-第四连接杆、第三-第四攻角控制杆，第一-第四支架均与主轴相连，第一-第四支架上分别安装第一-第四直线轨道，第一-第四攻角控制轨道分别安装在第一-第四支架上，转盘、第一-第三曲柄分别固定在主轴上，第一叶片的两端通过第一叶片转轴分别连接第一-第二直线导轨，第二叶片的两端通过第二叶片转轴分别连接第三-第四直线导轨，第一连接杆的两端分别连接转盘和第一直线导轨上的叶片，第二连接杆的两端分别连接第一曲柄和第二直线导轨上的叶片，第三连接杆的两端分别连接第二曲柄和第三直线导轨上的叶片，第四连接杆的两端分别连接第三曲柄和第四直线导轨上的叶片，第一攻角控制杆的两端分别连接第一攻角控制轨道和第一直线导轨上的叶片，第二攻角控制杆的两端分别连接第二攻角控制轨道和第二直线导轨上的叶片，第三攻角控制杆的两端分别连接第三攻角控制轨道和第三直线导轨上的叶片，第四攻角控制杆的两端分别连接第一攻角控制轨道和第四直线导轨上的叶片，所述的端部转换单元包括两个，中部转换单元至少有一个，所有中部转换单元均位于两个端部转换单元之间，主轴连接发电机。

本发明还可以包括：

1、第一-第四攻角控制杆的端部通过质量块连接攻角控制轨道里。

2、所述的叶片的两端设置端部翼板，端部翼板的形状为瓣形。

3、所述的攻角控制轨道为椭圆形，第一-第四攻角控制杆的端部与第一-第二叶片转轴在叶片弦向垂直固定连接。

4、当第一叶片位于最高或最低点时，第一-第二连接杆、第一-第二攻角控制杆均同时位于最高或最低点；当第二叶片位于最高或最低点时，第三-第四连接杆、第三-第四攻角控制杆均同时位于最高或最低点。

本发明的优势在于：本发明可优化叶片与来流的有效攻角，较好的实现风能、潮流能的高效率的转换。理论计算显示振动翼在设定的优化的轨迹运转时能量转换效率接近50％。本发明是在此优化的运动轨迹的基础上开发的，可以实现所设计的振动运动与能量采集效率，这将在很大程度上提高能量利用率。从潮流能发电角度来讲，此装置可以大型化，不受限于发电船等结构物的大开口结构。与水平轴发电装置相比，受风向偏离的影响较小。

附图说明

图1为本发明的平面原理图；

图2a为本发明的工作流程示意图a，图2b为本发明的工作流程示意图b，图2c为本发明的工作流程示意图c，图2d为本发明的工作流程示意图d，图2e为本发明的工作流程示意图e，图2f为本发明的工作流程示意图f，图2g为本发明的工作流程示意图g，图2h为本发明的工作流程示意图h，图2i为本发明的工作流程示意图i，图2j为本发明的工作流程示意图j，图2k为本发明的工作流程示意图k，图2l为本发明的工作流程示意图l；

图3为本发明的叶片两端的端部翼板示意图；

图4为本发明的结构示意图(三叶片结构形式)。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，此换能装置，如图1所示，包括支架1、直线导轨2、叶片3、连接杆4、攻角控制轨道5、攻角控制杆6、轮盘7、质量块8。直线导轨2固定安装在支架1上，叶片3两端通过轴承、滑块与导轨2连接，可沿导轨2做往复运动与转动运动。设置攻角控制杆6调整叶片3与来流的有效攻角。在片转轴固定连接有与其弦向垂直的攻角控制杆6；攻角控制杆6的另一端嵌于椭圆控制轨道盘的轨道5内并附有一定重量的质量块8。设置的连接杆4两端分别与叶片3转轴和曲轴的曲柄或轮盘7边缘支点铰接，可将叶片的往复式运动转换为转动运动。与曲轴固定连接的主轴通过轴承安装在支架1上，可连续转动，将带动电机发电。曲轴两端安装一定重量的轮盘，作为稳定构件。

本发明专利中，通过设定曲轴摇杆、连接杆4的长度来控制叶片3的往复运动行程，通过设置攻角控制轨道5的形状与攻角控制杆6长度来控制叶片3的转角，如图2所示。以叶片3的转动中心处的水平线为参考，在攻角控制轨道5与攻角控制杆6的约束下，叶片3与来流形成上行平面攻角，产生的升力将推动叶片3沿导轨2向上运动。攻角控制杆6的一端沿控制轨道5顺时针滑动，叶片3、连接杆4的上端及攻角控制杆6的上端同时到达运动的顶点，此时可依靠质量块8与转动叶片3自身的惯性通过最高点；当连接杆4上端转过曲轴或轮盘7的最高点，在攻角控制轨道5及攻角控制杆6的约束下，叶片3与来流形成下行平面攻角，流体的作用力将推动叶片3沿导轨2向下运动；继而连接杆4转过曲轴或者轮盘7的最低点，重新回到上平面攻角阶段；如此往复，曲轴和轮盘7的持续转动可带动发电机发电，实现对风能或潮流能的高效能量采集。

本发明专利中的叶片3两端接有对称的端部翼板，如图3所示。端部翼板能够减小三维端部效应，提高能量利用率。

本发明专利中，为保证装置运行的平稳，装置一般用到三个或三个以上的叶片3，与叶片相连的连接杆4与曲轴或轮盘7的连接点参考主轴轴向盘面为均匀分布。

本发明专利中，装置可设计为立式(竖轴式)，也可设计为水平式(横轴式)。应用于风力发电时，水平式布置的曲轴或轮盘可置于近地面，以便于安装维护。应用于潮流能发电时，可采用图4所示的总体布置。

如图2中的a-f所示，以叶片3的转动中心处的水平线为参考，在攻角控制轨道5与攻角控制杆6的约束下，叶片3与来流形成上行平面攻角，产生的升力将推动叶片3沿直线导轨2向上运动。攻角控制杆6滑动端滑块沿攻角控制轨道5顺时针滑动，依靠质量块8与转动叶片3的惯性通过最高点；当连接杆4上端转过曲轴或轮盘7的最高点，在攻角控制轨道5的约束下，来流与叶片3将形成下行平面攻角，流体的作用力将推动叶片沿导轨向下运动，如图2中的g-l所示；继而连接杆4转过曲轴或者轮盘7的最低点，即重新回到上行平面攻角阶段；如此往复，曲轴和轮盘7的持续转动可带动发电机发电，实现对风能或潮流能的高效能量采集。实际实施过程中，通过设多个叶片3来带动主轴转动的结构形式、合适重量的轮盘7及攻角控制杆5滑动端滑块重量达到装置稳定运转的目的。往复运动的频率、曲柄尺寸与控制轨道的形状需配合适当的发电机所需载荷与转速来确定。通过在叶片3两端加装对称的侧翼，减小三维端部效应，提高了能量采集效率。

实际安装过程中，可因地制宜选择合适的安装形式。装置可设计为立式(竖轴式)，也可设计为水平式(横轴式)。应用于潮流能发电时，如图4所示，潮流中作上下往复运动的叶片置于水面以下，曲轴或轮盘7布置在水面以上，并安装曲轴或轮盘罩，保护结构、保障生命安全及减小对环境的影响。装置应用于风力发电时，水平式布置的曲轴或轮盘7可置于近地面，即图4的整体需要倒置；或设计为立式形式(竖轴式)，需将图4逆时针旋转90度来看，发电机位于下轮盘下方的近地面处，以便于安装维护。

本发明一种轨道控制叶片与来流的攻角的风能潮流能转换装置，包括支架、椭圆攻角控制轨道、直线导轨、叶片、攻角控制杆、连接杆、曲轴、轮盘。直线导轨固定安装在直立支架上；叶片两端通过轴承与滑块嵌入导轨，可沿轨道滑动；连接杆两端分别与叶片转轴和曲轴的曲柄或轮盘边缘支点铰接，可绕铰接点自由转动。曲轴与传动主轴相连，通过轴承安装在支架上，可连续转动。攻角控制杆一端与叶片转轴的弦向垂直固定连接，另一端嵌于椭圆控制轨道盘的导轨内并附有质量块；曲轴两端安装轮盘，作为稳定构件，其惯性有利于机构的稳定运行。叶片两端安装端部翼板，避免端部三维效应，提高能量采集效率。采用三个或三个以上的叶片，各个与叶片相连的曲轴在传动主轴盘面的投影为均匀分布，以达到装置持续稳定运转的目的。设置的攻角控制杆一端与叶片转轴在叶片弦向垂直固定连接，另一端嵌于椭圆轨道盘的轨道内。伴随着叶片的上下往复运动，攻角控制杆而沿椭圆的轨道控制盘上的轨道滑动，进而控制叶片的转动，使得叶片与来流保持合理的有效攻角。攻角控制杆端部附有质量块，保证攻角控制杆连续平稳运行。

Claims (9)

1.轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，其特征是：包括主轴、端部转换单元、中部转换单元，端部转换单元包括转盘、第一曲柄、第一-第二攻角控制轨道、第一-第二支架、第一叶片、第一-第二连接杆、第一-第二攻角控制杆，中部转换单元包括第二-第三曲柄、第三-第四攻角控制轨道、第三-第四支架、第二叶片、第三-第四连接杆、第三-第四攻角控制杆，第一-第四支架均与主轴相连，第一-第四支架上分别安装第一-第四直线轨道，第一-第四攻角控制轨道分别安装在第一-第四支架上，转盘、第一-第三曲柄分别固定在主轴上，第一叶片的两端通过第一叶片转轴分别连接第一-第二直线导轨，第二叶片的两端通过第二叶片转轴分别连接第三-第四直线导轨，第一连接杆的两端分别连接转盘和第一直线导轨上的叶片，第二连接杆的两端分别连接第一曲柄和第二直线导轨上的叶片，第三连接杆的两端分别连接第二曲柄和第三直线导轨上的叶片，第四连接杆的两端分别连接第三曲柄和第四直线导轨上的叶片，第一攻角控制杆的两端分别连接第一攻角控制轨道和第一直线导轨上的叶片，第二攻角控制杆的两端分别连接第二攻角控制轨道和第二直线导轨上的叶片，第三攻角控制杆的两端分别连接第三攻角控制轨道和第三直线导轨上的叶片，第四攻角控制杆的两端分别连接第一攻角控制轨道和第四直线导轨上的叶片，所述的端部转换单元包括两个，中部转换单元至少有一个，所有中部转换单元均位于两个端部转换单元之间，主轴连接发电机。

2.根据权利要求1所述的轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，其特征是：第一-第四攻角控制杆的端部通过质量块连接攻角控制轨道里。

3.根据权利要求1或2所述的轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，其特征是：所述的叶片的两端设置端部翼板，端部翼板的形状为瓣形。

4.根据权利要求1或2所述的轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，其特征是：所述的攻角控制轨道为椭圆形，第一-第四攻角控制杆的端部与第一-第二叶片转轴在叶片弦向垂直固定连接。

5.根据权利要求3所述的轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，其特征是：所述的攻角控制轨道为椭圆形，第一-第四攻角控制杆的端部与第一-第二叶片转轴在叶片弦向垂直固定连接。

6.根据权利要求1或2所述的轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，其特征是：当第一叶片位于最高或最低点时，第一-第二连接杆、第一-第二攻角控制杆均同时位于最高或最低点；当第二叶片位于最高或最低点时，第三-第四连接杆、第三-第四攻角控制杆均同时位于最高或最低点。

7.根据权利要求3所述的轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，其特征是：当第一叶片位于最高或最低点时，第一-第二连接杆、第一-第二攻角控制杆均同时位于最高或最低点；当第二叶片位于最高或最低点时，第三-第四连接杆、第三-第四攻角控制杆均同时位于最高或最低点。

8.根据权利要求4所述的轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，其特征是：当第一叶片位于最高或最低点时，第一-第二连接杆、第一-第二攻角控制杆均同时位于最高或最低点；当第二叶片位于最高或最低点时，第三-第四连接杆、第三-第四攻角控制杆均同时位于最高或最低点。

9.根据权利要求5所述的轨道控制攻角的振动翼风能、潮流能转换装置，其特征是：当第一叶片位于最高或最低点时，第一-第二连接杆、第一-第二攻角控制杆均同时位于最高或最低点；当第二叶片位于最高或最低点时，第三-第四连接杆、第三-第四攻角控制杆均同时位于最高或最低点。