一种地面效应翼潮流能发电装置的制作方法

本发明涉及一种发电装置，具体涉及一种地面效应翼潮流能发电装置，属于潮流能发电和海洋工程装备领域。

背景技术：

潮流能是海洋能中重要的能源之一，它可以为人们提供用之不竭、取之不尽的能量。随着人们对于环境美好的要求越来越迫切，化石能源的使用逐渐受到越来越多的限制。清洁能源将会成为未来的发展方向。潮流能作为一种重要的清洁能源，有储量大、便于预测、获取简单等明显优势；加之我国海岸线长，潮流能储备丰富，目前开发利用也非常少，在未来有巨大的开发潜能。

潮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，欧美等国家已经做过相当成熟的研究实践，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，振荡水翼式发电拥有发电效率高，环境友好和适合浅水域的优势；而且振荡水翼式发电的噪声小，启动流速要求低，可以大规模部署使用。

但是，现有技术中，水翼式潮流能发电装置发电效率低，发电成本高，难以实现大规模的市场应用，当前，人们只是通过增加水翼的数量来提高总的发电功率，但是单个水翼的发电效率并未提高。如何提升发电效率且实现多个水翼升沉和俯仰运动的耦合，是当前亟待解决的工程问题。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明为了解决现有技术中存在的振荡水翼式发电装置发电功率低，多水翼运动耦合的技术难题，进而设计了一种地面效应翼潮流能发电装置，其利用四连杆机构和齿轮齿条结构来实现单水翼升沉和俯仰运动自耦合，且实现了多水翼间运动耦合，该发电装置利用了地面效应，从根本上提高了振荡翼式发电装置的功率和潮流能的转化效率，降低了发电成本。

为了实现上述目的，本发明的一种地面效应翼潮流能发电装置，具体包括：底座、安装台、两组水翼、两个传动装置和发电机；所述安装台装配在底座上；所述两个传动装置安装在安装台的两侧，且安装台两侧的传动装置反对称布置，每一侧的传动装置控制单组水翼的升沉和俯仰运动；所述底座用于支撑安装台，安装台用于为传动装置和发电机提供安装平台，所述传动装置为四杆机构、曲柄连杆和齿轮齿条机构耦合构成，水翼与发电机之间采用四杆机构、曲柄连杆和齿轮齿条机构相连，传动装置将水翼所产生的上下升沉运动转化为周期性转动，两组水翼的俯仰角度呈周期性变化，且与两组水翼的升沉运动周期相同，水翼运动区域均不高于海面。其中，每组水翼的个数可以为一个、两个或者多个。

进一步地：单侧的传动装置包括摇杆、连杆、第一传动轮、第一传动带、第二传动轮、齿条、齿轮、第三传动轮、第二传动带、第四传动轮、第三传动带、第一销轴和第二销轴；

其中，摇杆、连杆和第一传动轮构成四杆机构，摇杆与连杆之间采用销轴连接，两者之间可以发生相对转动；连杆与第一传动轮之间采用销轴偏心连接，两者之间可以发生相对转动，摇杆通过第一销轴与安装台转动安装，第一传动轮转动安装在安装台上；水翼的升沉运动带动摇杆围绕第一销轴转动，并通过连杆使第一传动轮转动；

其中，第二传动轮、齿条和齿轮构成曲柄连杆和齿轮齿条机构，第二传动轮转动安装在安装台上，第二传动轮与齿条之间采用销轴连接，齿轮和第三传动轮固定连接并围绕第一销轴转动，第二传动轮转动并通过齿条和齿轮带动第三传动轮转动；

第一传动轮与第二传动轮之间采用第一传动带连接；第三传动轮和第四传动轮采用第二传动带连接，第四传动轮与水翼之间采用第二销轴连接；第一传动轮与发电机之间采用第三传动带连接。

进一步地：第一销轴上还安装有扶块，摇杆和扶块相对转动，扶块与齿条紧密贴合，保证了齿条与齿轮之间紧密啮合。

进一步地：两侧的传动装置的第一传动轮和第二传动轮采用销轴分别对应连接。保证两者不发生相对转动，保证两水翼以相同速度反向升沉和俯仰运动，即实现了多水翼间的运动耦合。

进一步地：所述底座采用l形钢材，在转角处加设加劲肋，增加底座抗弯强度，钢材的厚度需考虑水流的冲击力以保证足够的强度。其整体大小尺寸根据发电装置尺寸和所在海域的海况综合来确定。

进一步地：所述水翼采用naca系列翼型，水翼的弦长、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的动能。

进一步地：四杆机构中的第一传动轮与连杆之间采用销轴连接，保证两者之间可以相对转动，在销轴的末端用顶丝固定防止连杆滑落；连杆和摇杆同样采取该方式连接。

进一步地：曲柄连杆和齿轮齿条机构中的第二传动轮与齿条之间采用销轴连接，保证两者之间可以相对转动，在销轴的末端用顶丝防止齿条滑落；在齿条外侧采用扶块使齿轮齿条紧密啮合。

进一步地：每组水翼的升沉和俯仰运动为同周期的自耦合运动。

进一步地：当两组水翼反向接近时，两组水翼之间产生地面效应。

本发明中，第三传动轮与齿轮之间紧密贴合并固定相连，保证两者不会发生相对转动。与齿轮相连的第三传动轮与第四传动轮用第二传动带相连并同周期转动，水翼与第四传动轮之间采用第二销轴相连，两者不会产生相对转动，确保了水翼绕形心呈周期性俯仰转动。

本发明中，不同水翼的传动装置在安装台两侧呈反对称分布，且不同水翼传动装置中的第一传动轮固定在同一轴上同步转动，保证了上下水翼升沉、俯仰运动时以相同速度反向运动。且在两翼靠近时产生地面效应，改善水翼的水动力性能进而提高发电效率。

本发明所达到的效果为：

1.本发明通过利用包含四杆机构、曲柄连杆和齿轮齿条的传动装置实现了水翼升沉运动和俯仰运动的自耦合。

2.本发明通过在安装台两侧反对称布置的传动装置，实现了多水翼间运动的耦合，使两水翼实现相同速度的反向升沉和俯仰运动。

3.本发明通过控制水翼运动过程中的最小距离，在两翼靠近时产生地面效应提高了水翼的水动力性能，从根本上提高了单组水翼的发电效率。

4.本发明中的传动装置使水翼升沉和俯仰运动周期稳定，保证了能量的持续输出。

5.本发明装置结构简单，可通过模块化复制组成潮流能发电装置阵列以增大发电功率。

附图说明

图1是本发明的侧视图；

图2是本发明的左侧等轴测视图；

图3是四杆机构图；

图4是曲柄连杆和齿轮齿条结构图；

图5是水翼俯仰控制装置示意图；

图6是本发明的右侧等轴测视图；

图7是本发明的双水翼运动姿态时历图；

图8是两水翼靠近时的压力云图；

图9是单水翼和本发明中地面效应翼升力系数曲线对比图。

图中：1-底座，2-安装台，3-水翼，4-传动装置，5-发电机，401-摇杆，402-连杆，403-第一传动轮，404-第一传动带，405-第二传动轮，406-齿条，407-齿轮，408-第三传动轮，409-第二传动带，410-第四传动轮，411-第三传动带，412-第一销轴，413-第二销轴，414-扶块。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

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。

实施例：一种地面效应翼潮流能发电装置，参见图1、2、6；该装置包括底座1、安装台2、水翼3、传动装置4和发电机5；底座1用于支撑整个发电装置，其他零部件安装在安装台2上，水翼3在水流作用下产生升沉运动，传动装置4包含有摇杆401、连杆402、第一传动轮403、第一传动带404、第二传动轮405、齿条406、齿轮407、第三传动轮408、第二传动带409、第四传动轮410、第一销轴412、第二销轴413和扶块414，将水翼捕获的升沉运动转化为自耦合的同周期俯仰运动。发电机5通过第三传动带411将水翼的动能转化为电能。

其中，摇杆401、连杆402和第一传动轮403构成四杆机构，摇杆401与连杆402之间采用销轴连接，两者之间可以发生相对转动；连杆402与第一传动轮403之间采用销轴偏心连接，两者之间可以发生相对转动，摇杆401通过第一销轴412与安装台2转动安装，第一传动轮403转动安装在安装台2上；水翼3的升沉运动带动摇杆401围绕第一销轴412转动，并通过连杆402使第一传动轮403转动；

其中，第二传动轮405、齿条406和齿轮407构成曲柄连杆和齿轮齿条机构，第二传动轮405转动安装在安装台2上，第二传动轮405与齿条406之间采用销轴连接，齿轮407和第三传动轮408固定连接并围绕第一销轴412转动，第二传动轮405转动并通过齿条406和齿轮407带动第三传动轮408转动；

第一传动轮403与第二传动轮405之间采用第一传动带404连接，通过控制第一传动轮403与第二传动轮405的传动比，使水翼3升沉、俯仰周期相同；第三传动轮408和第四传动轮410采用第二传动带409连接，第四传动轮410与水翼3之间采用第二销轴413连接，保证两者不发生相对转动，通过改变第三传动轮408和第四传动轮410的传动比来控制水翼3的俯仰角幅值；第一传动轮403与发电机5之间采用第三传动带411连接。第四传动轮410与水翼3同轴转动且固定连接使两者不产生相对转动，保证了水翼3跟随第四传动轮410做周期性往复转动，即俯仰运动。

水翼3水流的作用下产生升力，进而做周期性升沉运动，在自耦合传动装置的作用下水翼的周期性升沉运动带动水翼做周期性俯仰运动，并带动第一传动轮403周期性转动，可实现电能的输出。

当水翼3接近时，两水翼之间产生地面效应，地面效应有效地增加了水翼3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。

四杆机构，保证了摇杆401在升力作用下周期性摆动时，第一传动轮403做周期性转动；曲柄连杆、齿轮齿条机构，可以将第二传动轮405的周期性转动有效地转化为第三传动轮408的周期性往复转动。

齿轮407和第三传动轮408之间固定连接，保证两者之间不产生相对转动。扶块414与齿条406紧密贴合并可滑动，保证齿条406与齿轮407之间始终啮合。

更为具体地，所述底座1采用钢材，大小尺寸通过所在海域水流的冲击力和整个发电装置的尺寸来确定。

更为具体地，所述水翼3采用naca系列水翼，升沉振幅通过控制杆件尺寸设定为水翼3的一个弦长；水翼3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3的动能。

参见图3，摇杆401、连杆402、第一传动轮403构成四杆机构，水翼3的升沉运动带动摇杆401围绕第一销轴412转动，并通过连杆402使第一传动轮403转动。

摇杆401与连杆402之间采用轴连接，使两者之间可以发生相对转动。

连杆402与第一传动轮403之间采用轴连接，使两者之间可以发生相对转动。

参见图4，第二转动轮405、齿条406、齿轮407构成曲柄连杆和齿轮齿条机构。第二传动轮405转动并通过齿条406和齿轮407带动第三传动轮408转动。

第二传动轮405与齿条406之间采用轴连接，保证两者之间可以发生相对转动。齿轮407和第三传动轮408固定连接并围绕第一销轴412转动，摇杆401和扶块414可以发生相对转动。使用扶块414与齿条406紧密贴合，保证了齿条406与齿轮407之间紧密啮合。

第一传动轮403与第二传动轮405之间采用第一传动带404连接，通过控制第一传动轮403与第二传动轮405的传动比，使水翼3升沉、俯仰周期相同。

参见图5，第三传动轮408和第四传动轮410采用第二传动带409连接。第四传动轮410与水翼3之间采用第二销轴413连接，保证两者不发生相对转动。可以通过改变第三传动轮408和第四传动轮410的传动比来控制水翼3的俯仰角幅值。

参见图2、6，安装台2两侧的传动装置反对称布置，每一侧的传动装置控制单组水翼3的升沉和俯仰运动。两侧的第一传动轮403和第二传动轮405采用销轴分别对应连接，保证两者不发生相对转动，保证两水翼以相同速度反向升沉和俯仰运动，当两翼接近时，实现了多水翼间的运动耦合，实现了两者间的地面效应。

参见图7，为水翼3的运动姿态时历图，两水翼始终以相同的速度反向升沉和俯仰运动。

参见图8，为水翼接近时的压力云图。当双翼接近时，从压力云图中可以看出，两翼间产生高压区，即水翼3间出现地面效应。

参见图9，为一个运动周期内地面效应翼和单水翼的升力对比图。图中标出了对应图8时刻的水翼升力，可以看出此时地面效应翼的升力明显大于单水翼的升力，即发电效率可明显提升。图中同时标出了地面效应翼的作用区间，可以看出水翼3间的地面效应不仅作用在某一时刻，而是作用在一较长的时间区段内，因此地面效应翼的发电效率在一个周期内的很长范围内都可有效提升发电效率。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。