CN113958444B - 一种半主动地面效应翼水流能发电方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明可用于海水发电领域。本发明涉及一种半主动地面效应翼水流能发电方法和装置,其解决了现有装置存在死点问题、传动效率低、多水翼运动不易耦合、没有考虑地面效应的技术问题，本发明设有发电机、水翼，还设有平板滑轨机构、水翼俯仰运动控制机构、水翼升沉运动控制机构和齿轮轴；水翼、水翼俯仰运动控制机构、水翼升沉运动控制机构均为两套；平板滑轨机构设有光轴、连接板，连接板设于光轴上；水翼俯仰运动控制机构设有步进电机和控制装置；水翼升沉运动控制机构设有连接板、齿条和齿轮，齿轮和所述齿条啮合，齿条设于连接板上；发电装置设有齿条、齿轮、齿轮轴和发电机。本发明传动效率高且可以有效利用地面效应实现高效获能。

Description

一种半主动地面效应翼水流能发电方法和装置
技术领域
本发明涉及一种发电方法和装置，具体地说，涉及一种半主动地面效应翼水流能发电方法和装置。
背景技术
我国海岸线长，水流能储备丰富，但目前开发利用较少，因此水流能发电存在着巨大的开发潜能。通过能量转化装置，可将海洋水流能中蕴含的动能转化为电能加以利用。水流能发电装置目前主要分为三种，分别为水平轴式、垂直轴式以及振荡水翼式；其中，以水平轴式和垂直轴式应用较为广泛，但其设计要求高，并且水流能沿水深的垂向分布的不均衡性也降低了该类型发电装置的转化效率，使之不能充分地利用和捕获水流能。振荡水翼式发电装置因其构造相对复杂而应用较少。但相比于传统的发电装置，振荡水翼式水流能发电装置的启动速度较小，受水流流速分布不均衡的影响较小，且对海洋环境较友善，结构简单，获能稳定且效率高，经济性好。
公开号为CN110469452A的中国发明专利申请公开了一种地面效应翼潮流能发电装置，其利用地面效应增加了双翼摆动的水动力性能，从而提升潮流能发电装置的发电效率。发电装置包括四杆机构，曲柄连杆和齿轮齿条机构，通过水翼的上下升沉运动，带动四杆机构运转，从而带动发电机发电；同时四杆机构可以带动曲柄连杆和齿轮齿条结构运动，再通过传动轮带动水翼做周期性俯仰运动，保证了水翼升沉运动和俯仰运动的自耦合。该发明实现了水翼升沉和俯仰运动的自耦合，保证了装置的持续能量输出。
该专利申请主要存在如下问题：该发明通过曲柄连杆机构和齿轮同步带实现水翼带动发电机发电，无法克服运动过程中存在的死点问题，传动效率较低，同时水翼的俯仰运动是通过齿轮齿条控制，与升沉运动仅有一种运动规律，无法根据流速的实时变化做出调节。
公开号为CN105840410A的中国发明专利申请公开了一种摆翼式海流能发电装置，其包括支撑架，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。
其主要存在如下问题：通过曲柄摇杆机构、偏心轮传动和同步带实现水翼带动发电机发电，能量传递效率损失较大，同时其获能机构采用串联水翼，不考虑地面效应。
公告号为CN205001115U的中国实用新型专利提供一种漂浮式半主动摆动水翼潮流能捕能装置，要由两套曲柄摇杆机构、翼片、同步带和带轮、控制电机、增速机构、飞轮、浮筒、平板、发电机和相应的传动部件组成。通过曲柄摇杆机构传动将水翼上下摆动运动转化为曲柄的单向旋转运动，再通过增速机构增速后，最终将能量传递给发电机实现能量转化。利用电机实现翼片摆角运动规律的实时控制，利用飞轮的转动惯性来克服曲柄摇杆机构运动存在的死点问题，利用增速机构将转速增加到发电机的额定转速范围以内。该实用新型利用曲柄摇杆机构机械本身的运动特性实现能量转化，利用电机对水翼攻角进行主动控制。
其主要存在如下问题：通过曲柄摇杆机构实现水翼带动发电机发电，利用飞轮克服死点问题，但水翼在死点位置启动时，依旧无法克服死点问题，装置还需将部分能量储存在飞轮中，获能效率会有一定的损失，装置漂浮在水面上，波浪对整个装置的传动稳定性存在影响，其获能机构采用一组水翼，没有考虑地面效应。
发明内容
本发明就是为了解决现有装置存在死点问题、传动效率低、多水翼运动不易耦合、没有考虑地面效应的技术问题，提供一种克服机械结构的死点、传动效率高且有效利用地面效应实现高效获能的半主动地面效应翼水流能发电方法和装置。
为此，本发明提供一种半主动地面效应翼水流能发电装置，其设有发电装置、水翼，还设有平板滑轨机构、水翼俯仰运动控制机构、水翼升沉运动控制机构；所述水翼、水翼俯仰运动控制机构、水翼升沉运动控制机构均为两套；其中，所述平板滑轨机构设有光轴、连接板，所述连接板设于所述光轴上，并可沿所述光轴做上下平移运动；所述平板滑轨机构用来支撑所述发电装置；所述水翼俯仰运动控制机构设有步进电机和控制装置，所述步进电机与所述水翼相连接，所述水翼和所述步进电机设于所述连接板上，并与所述连接板同步运动；所述水翼俯仰运动控制机构对所述水翼的俯仰运动进行控制，实现所述水翼做同步且对称的周期性俯仰运动；所述水翼升沉运动控制机构设有连接板、齿条和齿轮，所述齿轮和所述齿条啮合，所述齿条设于所述连接板上，并与所述连接板同步运动；所述水翼与所述齿条同步运动，所述水翼升沉运动控制机构用以控制所述水翼的升沉运动，保证两组水翼的升沉运动始终保持180°的相位差；所述发电装置设有齿条、齿轮、齿轮轴和发电机，所述齿轮轴连接所述齿轮和所述发电机，将所述齿轮的运动传递给所述发电机；以所述齿轮轴水平切面为对称面，两套所述水翼俯仰运动机构上下对称分布，两套所述水翼升沉运动控制机构上下反对称分布，以实现所述水翼的升沉运动和俯仰运动能够耦合在一起。
优选的，所述平板滑轨机构还设有两块底板、四个光轴安装座、四个直线轴承；所述光轴安装座设于上下所述底板上，所述光轴分别设于所述光轴安装座上，所述底板和所述光轴形成光轴滑轨，所述连接板上设有所述直线轴承，所述直线轴承套设于所述光轴上，并可以在所述光轴上自由滑动，所述连接板通过所述直线轴承，可以实现自身在所述光轴滑轨上自由滑动。
优选的，所述水翼升沉运动控制机构还设有水翼安装机构、齿条支撑座；所述水翼安装在所述连接板前侧，与所述连接板在所述光轴滑轨上同步运动；所述齿条通过所述齿条支撑座安装在所述连接板上，与所述连接板在所述光轴滑轨上同步运动；两根所述齿条与所述齿轮相互啮合。
优选的，所述控制装置设有编码器、单片机和驱动器；其中，所述编码器用于向所述单片机发送角度信号；所述单片机用于处理信号；所述驱动器用于将控制信号发送给所述步进电机。
优选的，两组所述水翼有效攻角的角度范围均为-40°～40°。
本发明还提供一种半主动地面效应翼水流能发电方法，其包括如下步骤：（1）对所述步进电机进行闭环反馈调节，实时调节输出的运动，控制所述水翼的俯仰运动；（2）所述水翼与所述连接板同步运动；（3）所述连接板带动所述齿条同步运动；（4）所述齿轮在在所述齿条的作用下做旋转运动；（5）所述齿轮轴将所述齿轮的运动传递给发电机发电。
优选的，所述步骤（1）中，所述步进电机输出的运动和所述水翼的旋转运动同步；通过控制所述步进电机输出周期性简谐运动，来控制所述水翼实现周期性俯仰运动，从而使所述水翼产生周期性升沉运动，带动所述发电机发电。
优选的，所述步骤（1）中，对所述步进电机进行闭环反馈调节，即编码器实时向单片机发送角度信号，单片机经过信号处理，通过驱动器将控制信号发送给步进电机，使得步进电机能够按根据水翼的实际升沉运动状态和水流速度，实时调节输出的运动，控制水翼的俯仰运动。
优选的，所述水翼升沉运动到达接近中间对称面或者到达装置两端位置时，两组水翼之间或者水翼与地面之间产生地面效应。
优选的，所述水翼的运动区域均不高于水面。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明避免了曲柄摇杆结构传递效率低的缺点，通过利用齿轮齿条传动机构、平板导轨机构和闭环控制步进电机传动实现了半主动水翼升沉运动和俯仰运动的耦合；具体地说，利用闭环反馈调节控制步进电机来实现单水翼升沉和俯仰运动理想耦合状态，且通过齿轮齿条传动机构实现了多水翼间运动耦合，提高了振荡翼式发电装置的功率和水流能的转化效率，降低了发电成本；
2.本发明通过对步进电机进行反馈调节控制，可以使水翼在不同的工况下都能保持较为理想的周期性俯仰运动，从而更好地与升沉运动配合；通过控制水翼的俯仰角速度来达到适应不同来流速度的目标，从而提高装置的环境适应性，保证高效获能；
3.本发明保证了两组水翼之间的最小距离能够满足最佳的地面效应要求，更好地改善水翼的水动力性能，提高水翼的发电效率；
4.本发明中的传动装置和控制装置使水翼升沉运动和俯仰运动周期稳定、同步性高，保证了能量的持续输出；
5.本发明无需考虑运动过程中可能出现的机械结构死点问题，同时传动效率高；
6.本发明由于整个结构放置于水面之下，不会受到水面上较大的风浪影响，可实现持续稳定获能；
7.本发电装置结构简单稳定，可通过模块化复制组成水流能发电装置阵列以增大发电功率。
附图说明
图1是本发明的右侧轴视图；
图2是本发明的正视图；
图3是本发明的侧视图；
图4是本发明水翼升沉运动机构结构示意图；
图5是本发明两组水翼产生地面效应时位置示意图；
图6是本发明双水翼运动姿态示意图。
图中符号说明：
1、底板，2、光轴、3、连接板、4、水翼、5、齿轮、6、齿条、7、发电机、8、齿轮轴、9、固定板、10、齿条支撑座、11、直线轴承、12、水翼安装机构（含轴承）、13、步进电机、14、光轴安装座。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。
如图1～5所示，本发明提供一种半主动地面效应翼水流能发电装置，该装置具体包括：平板滑轨机构、水翼俯仰运动控制机构、水翼升沉运动控制机构和发电装置。
平板滑轨机构包括底板1、光轴2、光轴安装座14、直线轴承11、连接板3；光轴安装座14安装在上下两块底板1上，四根光轴2分别安装在四个光轴安装座14上，底板1和光轴2形成光轴滑轨，连接板3上安装有四个直线轴承11，直线轴承11套在光轴2上并可以在光轴2上自由滑动，连接板3通过直线轴承11，可以实现自身在光轴滑轨上的自由滑动。
平板滑轨机构支撑整个发电装置，连接板3通过直线支撑安装在四根光轴2上，可以实现连接板3的上下直线运动；连接板3和固定板9为其他零件的安装提供了位置，齿轮轴8通过轴承座安装在固定板9上，固定板9固定在光轴2特定位置，以保证齿轮轴8位于整个装置的对称面上。
水翼升沉运动控制机构包括水翼4、水翼安装机构12、连接板3、齿条支撑座10、齿轮5和齿条6，水翼升沉运动控制机构（此处除水翼4部分）分为两组，以齿轮轴8水平切面为对称面呈反对称分布；水翼4安装在连接板3前侧，与连接板3在光轴滑轨上同步运动；齿条6通过齿条支撑座10安装在连接板3上，与连接板3在光轴滑轨上同步运动；两根齿条6与齿轮5相互啮合，齿轮5转动一定角度，两根齿条6直线运动速度相同，方向相反，即始终保持180°的相位差；最终保证上下两组水翼的升沉运动始终保持180°的相位差。
水翼升沉运动控制机构中的齿轮5、齿条6啮合，保证了上下两组水翼4能够实现速度相同、方向相反，相位角相差180°的升沉运动，从而更好地保证了水翼4之间的地面效应的实现，提高了水翼4的获能效率；齿轮5、齿条6将水翼4的直线运动转变成齿轮5的转动，齿轮5通过齿轮轴8与发电机7相连，因此齿轮5会将旋转运动传递给发电机7，发电机7工作输出电能。
水翼4的升沉振幅限制为水翼的一个弦长；水翼4会随着水流的经过而产生上下升沉运动，将水流的动能转化为水翼4的动能，再通过齿轮5齿条6传动，将水翼4的动能转化为发电机7的电能。
水翼俯仰运动控制机构对水翼4的俯仰运动进行控制，既可以通过控制水翼转角，使水翼4在来流作用下进行升沉运动，又可以根据水翼升沉运动的实际状态，通过反馈调节控制步进电机13调节自身输出，进而控制水翼4的俯仰运动，从而使水翼4的升沉运动和俯仰运动实现理想的运动耦合。
具体地，步进电机13可以通过输出转动来带动两片水翼4的运动；本装置共有两组水翼俯仰运动控制机构，以齿轮轴8水平切面为对称面呈对称分布；其中，一组水翼俯仰运动控制机构包括两片水翼4和水翼的摆角主动控制***。其中，摆角主动控制***具体包括步进电机13、单片机、电源、驱动器和编码器（图中未示出）。步进电机13选用双出轴形式步进电机，单片机通过驱动器向步进电机13发送控制信号，驱动器连接电源向步进电机13供电，使得步进电机13能够按照预设的规律（正弦）转动。编码器实时向单片机发送角度信号，确定水翼4摆动角度，从而实现闭环反馈控制，保证水翼4转动的准确度，避免出现丢步等误差。
本装置能够根据不同工况下的运动状态对步进电机进行反馈调节，控制步进电机的输出，从而控制水翼的俯仰运动，使水翼的俯仰运动在不同工况下都能与水翼的升沉运动更好地配合，到达理想的发电效率。
步进电机13带动水翼4做周期性的俯仰运动，在来流的作用下，水翼4受到来流作用力开始进行周期性的升沉运动，此时，由于齿轮5齿条6相互啮合，限制了两组水翼4的运动，使得两组水翼4的升沉运动之间存在180°的相位差；通过控制步进电机13的输出可以保证两组水翼4的俯仰运动呈周期性对称分布，因此保证了两组水翼4运动的周期性和同步性。
本发明中，通过控制与水翼4相连的步进电机的输出，步进电机13可以带动水翼4实现绕自身转动中心做周期性转动，从而确保了上下两组水翼4的俯仰运动是对称的；进一步地，水翼攻角的周期性改变使水翼4在来流作用下产生周期性升沉运动，由于存在齿轮5和齿条6的啮合，使得两根齿条6在齿轮5的限制下做速度相同、方向相反，即相位差相差180°的上下运动；进一步地，齿条6与同侧的连接板3和水翼4的运动是同步的，所以两组水翼4的升沉运动的速度相同、方向相反，相位差相差180°，从而实现了水翼4升沉运动和俯仰运动的耦合。
以齿轮轴8水平切面为对称面，两套水翼俯仰运动控制机构上下对称分布，两套水翼升沉运动控制机构上下反对称分布，以实现水翼4的升沉运动和俯仰运动能够按理想状态耦合在一起。
本发明中，所述水翼4的弦长、展长尺寸根据所在区域的海况和所需收集的能量大小来确定。水翼4会随着来流而上下升沉来捕获潮流能，将水流的动能转化为水翼4的动能。
更为具体地，预先对步进电机13进行控制，使步进电机13能够根据水翼4的升沉运动状态来调整水翼4的俯仰运动，以满足水翼4俯仰运动和升沉运动的理想耦合状态，水翼4升沉运动和俯仰运动的理想状态如图6所示。
本发明中，所述两组水翼有效攻角的角度范围均为-40°～40°，保证水翼4在运动过程中即便发生动态失速，也可以在动态失速延迟现象作用的影响下维持较大的升力，保证水翼4在一个周期内的升力有较高峰值的同时保持最佳的相位，使获能效率达到最优。在两组水翼4到达接近中间对称面或者到达装置两端位置时，两组水翼4之间或者水翼4与地面之间产生地面效应，进一步改善了水翼4的水动力性能，提高了发电效率。
本发明中，有效攻角的计算公式为
Figure 291187DEST_PATH_IMAGE001
；其中
Figure 434724DEST_PATH_IMAGE002
是指水翼4的实时转角值，
Figure 696726DEST_PATH_IMAGE003
为实时升沉速度，
Figure 720045DEST_PATH_IMAGE004
为来流速度；对于振荡翼获能而言，一般可根据振荡翼一个周期内最大的有效攻角值来大致确定，不同有效攻角对应的获能效率规律可见下表；对应于不同工况可能数值上有所出入，但大致规律是在最大有效攻角为40°时获能效率达到最优，故采用有效攻角为-40°～40°的运动范围进行设计，保证水翼4的升力最优的同时使获能效率达到最优。
表1 不同最大有效攻角值所对应的获能效率
Figure 164933DEST_PATH_IMAGE005
更为具体地，水翼4接近时，两水翼4之间产生地面效应；当水翼4运动到装置两端时，水翼4与地面之间产生地面效应；地面效应有效地增加了水翼4的水动力性能，相比于普通水翼发电装置可显著提高发电效率。
在获能过程中，两组水翼4运动状态的同步性十分重要。本装置通过齿轮5齿条6啮合传动，对两组水翼4的升沉运动进行限制，以保证两组水翼4始终运动速度相同、运动方向相反，实现了升沉运动的同步性；通过对步进电机13进行控制，使两个步进电机13的输出始终是反相位，保证了水翼4俯仰运动的同步性。
本发明同时提供一种半主动地面效应翼水流能发电方法，其包括如下步骤：（1）对所述步进电机13进行闭环反馈调节，实时调节输出的运动，进一步控制所述水翼4的俯仰运动；（2）所述水翼4与所述连接板3同步运动；（3）所述连接板3带动所述齿条6同步运动；（4）所述齿轮5在在所述齿条6的作用下做旋转运动；（5）所述齿轮5轴将所述齿轮5的运动传递给发电机7发电。
步骤（1）中，所述步进电机13输出的运动和所述水翼4的旋转运动同步；通过控制所述步进电机13输出周期性简谐运动，来控制所述水翼4实现周期性俯仰运动，从而使所述水翼4产生周期性升沉运动，带动所述发电机7发电。
步骤（1）中，对所述步进电机13进行闭环反馈调节，即编码器实时向单片机发送角度信号，单片机经过信号处理，通过驱动器将控制信号发送给步进电机13，使得步进电机13能够按根据水翼4的实际升沉运动状态和水流速度，实时调节输出的运动，进一步控制水翼4的俯仰运动。
水翼4的运动区域均不高于水面。
水翼4升沉运动到达接近中间对称面（如图5所示）或者到达装置两端位置时，两组水翼4之间或者水翼4与地面之间产生地面效应。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (9)

1.一种半主动地面效应翼水流能发电装置，其设有发电机、水翼，其特征是，还设有光轴、连接板、齿条、齿轮、齿轮轴、步进电机和控制装置；所述步进电机与所述水翼相连接，所述水翼和所述步进电机设于所述连接板上，并与所述连接板同步运动；所述连接板设于所述光轴上，并可沿所述光轴做上下平移运动；所述水翼与所述齿条同步运动；所述齿轮和所述齿条啮合，所述齿条设于所述连接板上，并与所述连接板同步运动；所述齿轮轴连接所述齿轮和所述发电机，将所述齿轮的运动传递给所述发电机；
所述齿条、齿轮、齿轮轴和发电机组成发电装置；
所述光轴、连接板组成平板滑轨机构，所述平板滑轨机构用来支撑所述发电装置；
所述步进电机和控制装置组成水翼俯仰运动控制机构，所述水翼俯仰运动控制机构对所述水翼的俯仰运动进行控制，实现所述水翼做同步且对称的周期性俯仰运动；
所述连接板、齿条和齿轮组成水翼升沉运动控制机构，所述水翼升沉运动控制机构用以控制所述水翼的升沉运动，保证两组水翼的升沉运动始终保持180°的相位差；
所述水翼、水翼俯仰运动控制机构、水翼升沉运动控制机构均为两组；两组所述水翼有效攻角的角度范围均为-40°～40°；
以所述齿轮轴水平切面为对称面，两组所述水翼俯仰运动控制机构上下对称分布，两组所述水翼升沉运动控制机构上下反对称分布，以实现所述水翼的升沉运动和俯仰运动能够耦合在一起。
2.根据权利要求1所述的半主动地面效应翼水流能发电装置，其特征在于，所述平板滑轨机构还设有两块底板、四个光轴安装座、四个直线轴承；所述光轴安装座设于上下所述底板上，所述光轴分别设于所述光轴安装座上，所述底板和所述光轴形成光轴滑轨，所述连接板上设有所述直线轴承，所述直线轴承套设于所述光轴上，并可以在所述光轴上自由滑动，所述连接板通过所述直线轴承，可以实现自身在所述光轴滑轨上自由滑动。
3.根据权利要求2所述的半主动地面效应翼水流能发电装置，其特征在于，所述水翼升沉运动控制机构还设有水翼安装机构、齿条支撑座；所述水翼安装在所述连接板前侧，与所述连接板在所述光轴滑轨上同步运动；所述齿条通过所述齿条支撑座安装在所述连接板上，与所述连接板在所述光轴滑轨上同步运动。
4.根据权利要求1所述的半主动地面效应翼水流能发电装置，其特征在于，所述控制装置设有编码器、单片机和驱动器；其中，
所述编码器用于向所述单片机发送角度信号；
所述单片机用于处理信号；
所述驱动器用于将控制信号发送给所述步进电机。
5.一种使用如权利要求1～4任一所述装置的半主动地面效应翼水流能发电方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）对所述步进电机进行闭环反馈调节，实时调节输出的运动，控制所述水翼的俯仰运动；
（2）所述水翼与所述连接板同步运动；
（3）所述连接板带动所述齿条同步运动；
（4）所述齿轮在所述齿条的作用下做旋转运动；
（5）所述齿轮轴将所述齿轮的运动传递给发电机发电。
6.根据权利要求5所述的半主动地面效应翼水流能发电方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述步进电机输出的运动和所述水翼的旋转运动同步；通过控制所述步进电机输出周期性简谐运动，来控制所述水翼实现周期性俯仰运动，从而使所述水翼产生周期性升沉运动，带动所述发电机发电。
7.根据权利要求6所述的半主动地面效应翼水流能发电方法，其特征在于，所述步骤（1）中，对所述步进电机进行闭环反馈调节，即编码器实时向单片机发送角度信号，单片机经过信号处理，通过驱动器将控制信号发送给步进电机，使得步进电机能够按根据水翼的实际升沉运动状态和水流速度，实时调节输出的运动，控制水翼的俯仰运动。
8.根据权利要求7所述的半主动地面效应翼水流能发电方法，其特征在于，所述水翼升沉运动到达接近中间对称面或者到达装置两端位置时，两组水翼之间或者水翼与地面之间产生地面效应。
9.根据权利要求5所述的半主动地面效应翼水流能发电方法，其特征在于，所述水翼的运动区域均不高于水面。
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