基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，該裝置包括豎直布置的、且其上端與外部發(fā)電機相連的豎向連軸，豎向連軸的下端垂直固定有沿水平圓周方向間隔分布的至少三根水平連軸，每根水平連軸的一端均固定有一個非對稱結(jié)構(gòu)體；每個非對稱結(jié)構(gòu)體沿水平圓周方向具有一前端面和一后端面，每個非對稱結(jié)構(gòu)體的前端面均為曲面，每個非對稱結(jié)構(gòu)體的后端面均為豎直平面。該裝置一方面能夠利用往復(fù)式不對稱繞流產(chǎn)生的水平作用力使裝置旋轉(zhuǎn)發(fā)電，不必固定在海底，可以安裝在浮體上，大大擴大了工程應(yīng)用范圍，有效地利用了廣袤的遠海中豐富的波浪能。另一方面該裝置可以安裝在波浪滑翔器上，作為補充發(fā)電儲能裝置，從而增強波浪滑翔器的續(xù)航能力。
【專利說明】
基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及海洋工程中利用波浪能發(fā)電的領(lǐng)域領(lǐng)域，具體涉及一種基于往復(fù)式不 對稱繞流力的發(fā)電裝置，其既可以用于海上浮體的波浪發(fā)電，又可以用于波浪驅(qū)動滑翔器 航行過程中的附加發(fā)電。
【背景技術(shù)】
[0002] 在陸地能源日益枯竭的當(dāng)下，人們將目光投向了海洋。波浪運動蘊含著巨大的能 量，因此"波浪發(fā)電"和"波浪驅(qū)動"一直是海洋工程研究的熱點。一方面，波浪發(fā)電站可以建 在漫長的海岸線上，利用潮汐和近海的波浪發(fā)電，來供給近海地區(qū)工業(yè)用電的需求;另一方 面，進來廣泛用于遠海勘探和觀測的"波浪滑翔器"上也運用了 "波浪驅(qū)動"。當(dāng)"波浪滑翔 器"隨著波浪上下起伏時，連接在"鏈接掛纜"下的"滑翔翼"會受到水質(zhì)點的作用力，產(chǎn)生一 個向前的分量從而推動"波浪滑翔器"向前行駛。
[0003] 然而，無論是現(xiàn)階段運用在近海岸的"波浪發(fā)電"，還是應(yīng)用在"波浪滑翔器"上的 "波浪驅(qū)動"都有許多問題和局限性：
[0004] 現(xiàn)階段的"波浪發(fā)電"中應(yīng)用較多的是"永磁直線發(fā)電機在直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)"。 這種發(fā)電系統(tǒng)需要固定在近海的海底，并利用海浪的運動使其外殼內(nèi)部的浮筒上下往復(fù)運 動，從而帶動"動子"運動，進而切割磁感線發(fā)電。這種發(fā)電系統(tǒng)具有如下問題和局限性：
[0005] 1)工程應(yīng)用范圍較窄：由于發(fā)電系統(tǒng)要固定在海底，因此只能建立在水深較淺的 海岸附近。而廣袤的遠海則擁有更豐富的海浪能，這樣以來傳統(tǒng)的波浪發(fā)電系統(tǒng)就無法有 效地利用這部分能量。
[0006] 2)受海況影響較大:傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)都需要固定在海底，因此會受到較大的風(fēng)浪 流的作用，久而久之會發(fā)生金屬疲勞和損壞。這也對構(gòu)建的材料結(jié)構(gòu)有較高的要求。
[0007] 現(xiàn)階段的"波浪滑翔器"主要包括"水面浮體"、"滑翔體"和"鏈接掛纜"三部分。當(dāng) "波浪滑翔器"隨著波浪上下起伏時，連接在"鏈接掛纜"下的"滑翔翼"會受到水質(zhì)點的作用 力，產(chǎn)生一個向前的分量從而推動"波浪滑翔器"向前行駛。同時"水面浮體"上的太陽能板 也會儲備太陽能，為靜水航行提供動力。但是遇到連續(xù)陰天并且風(fēng)平浪靜的情況，傳統(tǒng)的 "波浪滑翔器"在太陽能耗盡后就無法產(chǎn)生動力，這就大大限制了續(xù)航能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明目的是:針對上述問題，提出一種基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置。一 方面，該裝置能夠利用往復(fù)式不對稱繞流產(chǎn)生的水平作用力使裝置旋轉(zhuǎn)發(fā)電，不必固定在 海底，可以安裝在浮體上，大大擴大了工程應(yīng)用范圍，有效地利用了廣袤的遠海中豐富的波 浪能。另一方面，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，可以安裝在波浪滑翔器上，作為補充發(fā)電儲能裝置，從而 大大增強了波浪滑翔器的續(xù)航能力。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，該裝置包括豎 直布置的、且其上端與外部發(fā)電機相連的豎向連軸，所述豎向連軸的下端垂直固定有沿水 平圓周方向間隔分布的至少三根水平連軸，每根水平連軸的一端均固定有一個非對稱結(jié)構(gòu) 體;每個所述非對稱結(jié)構(gòu)體沿所述水平圓周方向具有一前端面和一后端面，每個所述非對 稱結(jié)構(gòu)體的前端面均為曲面，每個所述非對稱結(jié)構(gòu)體的后端面均為豎直平面。
[0010] 本發(fā)明在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，還包括以下優(yōu)選方案：
[0011] 所述非對稱結(jié)構(gòu)體為半球形、半橢球形、半圓柱形、棱錐形或圓錐形。
[0012] 所述非對稱結(jié)構(gòu)體為半球形。
[0013] 所述水平連軸共設(shè)有六根，且這六根水平連軸沿著所述水平圓周方向均勻間隔分 布。
[0014] 所述的六根水平連軸是通過一聯(lián)軸器固定連接在所述豎向連軸下端的，該聯(lián)軸器 上制有一個豎向連接孔和均勻分布在該豎向連接孔周圍的六個水平連接孔，所述豎向連軸 的下端固定連接在所述豎向連接孔中，所述六根水平連軸的一端分別固定連接在所述六個 水平連接孔中。
[0015] 所述六根水平連軸的長度相同。
[0016] 還包括旋轉(zhuǎn)軸承，該旋轉(zhuǎn)軸承包括同軸布置且能夠相對轉(zhuǎn)動的軸承內(nèi)圈和軸承外 圈，所述軸承內(nèi)圈同軸固定套在所述豎向連軸的上端。
[0017] 所述軸承外圈固定連接在海上浮體上。
[0018] 所述軸承外圈固定連接在波浪滑翔器上。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0020] 1、本裝置的關(guān)鍵部件只有幾根連軸和幾個非對稱結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，成 本較低。
[0021] 2、本裝置在工作時無需消耗能源，無需外界功率輸入，也不產(chǎn)生有害物質(zhì)，節(jié)能環(huán) 保。
[0022] 3、本裝置既可以安裝在波浪滑翔器上，作為補充發(fā)電儲能裝置;又能安裝在海上 浮體上，進行波浪發(fā)電，有效地利用了廣袤的遠海中豐富的波浪能，工程應(yīng)用范圍廣。
【附圖說明】
[0023] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步介紹：
[0024] 圖1為本發(fā)明實施例這種發(fā)電裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中F表示非對稱結(jié)構(gòu)體所 受到的水平切向力；
[0025]圖2為本發(fā)明實施例中旋轉(zhuǎn)軸承的徑向剖面圖；
[0026] 其中：1_豎向連軸，2-水平連軸，3-非對稱結(jié)構(gòu)體，4-聯(lián)軸器，5-旋轉(zhuǎn)軸承。
【具體實施方式】
[0027] 圖1示出了本發(fā)明這種基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置的一個具體實施例， 該裝置包括豎直布置的豎向連軸1，該豎向連軸1的上端與外部發(fā)電機相連，作為外部發(fā)電 機的動力輸入端。豎向連軸1的下端垂直固定有沿水平圓周方向均勻間隔分布的六根水平 連軸2,而且這六根水平連軸2的長度相同。每根水平連軸2的一端均固定有一個非對稱結(jié)構(gòu) 體3。每個非對稱結(jié)構(gòu)體3沿所述水平圓周方向具有一前端面和一后端面，并且每一個非對 稱結(jié)構(gòu)體3的前端面均為曲面，每一個非對稱結(jié)構(gòu)體3的后端面均為豎直平面，可見各個非 對稱結(jié)構(gòu)體3沿著所述水平圓周方向同向布置。
[0028]實際應(yīng)用時，將該裝置布置在海洋中，讓整個裝置隨著波浪自由升降，利用升降產(chǎn) 生的往復(fù)運動使非對稱結(jié)構(gòu)體3外圍流體產(chǎn)生不規(guī)則繞流，因每個非對稱結(jié)構(gòu)體3的前端面 為曲面而后端面為豎直平面，進而使各個非對稱結(jié)構(gòu)體3受到以豎向連軸1為中心作同方向 轉(zhuǎn)動的水平推力，該水平推力帶動豎向連軸1繞其軸心線轉(zhuǎn)動，從而為與之相連的外部發(fā)電 機提供發(fā)電動力，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。
[0029]所述非對稱結(jié)構(gòu)體3的形狀一般為半球形、半橢球形、半圓柱形、棱錐形或圓錐形 為佳。本例中該非對稱結(jié)構(gòu)體3為半球形，現(xiàn)通過力學(xué)計算對該發(fā)電裝置的工作原理作進一 步介紹：
[0030] 忽略海水粘性，則整個裝置的海水繞流可以用勢流理論來解釋。非對稱結(jié)構(gòu)體3在 整個軸系結(jié)構(gòu)的帶動下做上下往復(fù)運動，以非對稱結(jié)構(gòu)體3為參考系，則海水在半球形的非 對稱結(jié)構(gòu)體3外做反方向往復(fù)繞流運動。
[0031] 假設(shè)某一時刻非對稱結(jié)構(gòu)體3相對于地面系向上以速度U運動，則海水相對于半球 形的非對稱結(jié)構(gòu)體3做向下的繞流。此"半球繞流"的前部流場可以用"三維均勻流"與"三維 偶極子流"的疊加得到。
[0032] 設(shè)半球形非對稱結(jié)構(gòu)體3半徑為a，為滿足壁面條件:r = a時，Vr = 0。
[0033] 可求得繞半球形非對稱結(jié)構(gòu)體3前端面勢流流動的速度勢為：
[0034]
(1 )
[0035] 半球表面速度可求得5
(2)
[0036] 球表面上的壓力分布同樣可由Bernoulli方程求得。在無窮遠處，速度為U，壓強為 P?，則有：
[0037]
[0038]
[0039] 令一方面，半球形非對稱結(jié)構(gòu)體3后端面(豎直平面)處可以看作均勻繞流，V = U。
[0040] 則：p = p〇〇
[0041] 利用求坐標系積分，可求得半球形非對稱結(jié)構(gòu)體3的受力：
[0042]
[0043] 上述方程式中，r表示半球形非對稱結(jié)構(gòu)體的半徑;Vr表示沿半球半徑的徑向速 度;Θ表示半球形非對稱結(jié)構(gòu)體橫截面內(nèi)球面上點與圓心連線和垂向半徑的夾角;ΡΘ表示球 面上夾角為Θ的一點處垂直于球面的壓力。
[0044] F是每一個非對稱結(jié)構(gòu)體3以速度U在豎直方向運動時，其受到水體作用的水平切 向力大小。該水平切向力F通過球心、垂直于半球切面指向半球一側(cè)。
[0045] 同理可推導(dǎo)出當(dāng)非對稱結(jié)構(gòu)體3以速度U向下運動時，其受到的水平切向力的大小 及方向與向上運動時相同。
[0046] 由以上可知，當(dāng)非對稱結(jié)構(gòu)體3以一定速度在豎直方向往復(fù)運動時，會受到通過球 心且垂直于半球切面指向半球一側(cè)的水平切向力F。六個非對稱結(jié)構(gòu)體3受到的水平切向力 F均沿所述水平圓周的切線方向，這些水平切向力F會推動非對稱結(jié)構(gòu)體3圍繞豎向連軸1轉(zhuǎn) 動，因非對稱結(jié)構(gòu)體3與豎向連軸1為剛性固定連接，進而會帶動著豎向連軸1在其俯視方向 作逆時針旋轉(zhuǎn)。豎向連軸1上端與外部發(fā)電機相連，為外部發(fā)電機提供發(fā)電動力，實現(xiàn)"旋轉(zhuǎn) 發(fā)電"的功能。
[0047] 簡言之，非對稱結(jié)構(gòu)體3對流體的作用，使得背面（即非對稱結(jié)構(gòu)體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。同時根據(jù)流體力學(xué)中的伯努利原理， 背面水流流向處的壓強將大于正面水流流向處的壓強，故而水流對非對稱結(jié)構(gòu)體3產(chǎn)生了 向前的推進力，非對稱結(jié)構(gòu)體3在水流的作用下，將其上升和下降運動轉(zhuǎn)換成前向運動，進 而轉(zhuǎn)換成豎向連軸1的自轉(zhuǎn)運動。
[0048] 本實施例中，所述的六根水平連軸2是通過一特制的聯(lián)軸器4固定連接在所述豎向 連軸1下端的。該聯(lián)軸器4上制有一個豎向連接孔和均勻分布在該豎向連接孔周圍的六個水 平連接孔。豎向連軸1的下端固定連接在豎向連接孔中，而六根水平連軸2的一端分別固定 連接在這六個水平連接孔中。
[0049] 此外，本實施例還設(shè)有一個旋轉(zhuǎn)軸承5,該旋轉(zhuǎn)軸承5包括同軸布置且能夠相對轉(zhuǎn) 動的軸承內(nèi)圈和軸承外圈，其中軸承內(nèi)圈同軸固定套在豎向連軸1的上端。實際應(yīng)用時，將 所述旋轉(zhuǎn)軸承5的軸承外圈固定連接在海上浮體上，也可將其固定連接在波浪滑翔器上(上 述的外部發(fā)電機通常設(shè)置該所述海上浮體或波浪滑翔器上），作為波浪滑翔器的補充發(fā)電 儲能裝置使用，從而大大增強波浪滑翔器的續(xù)航能力。
[0050] 所述水平連軸2的數(shù)量不限于只有六根，也可以是七根、八根等等，一般在三根以 上為佳。
[0051] 上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓人們能夠了解本發(fā) 明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明主要技術(shù)方案的 精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，其特征在于:該裝置包括豎直布置的、且 其上端與外部發(fā)電機相連的豎向連軸（1)，所述豎向連軸（1)的下端垂直固定有沿水平圓周 方向間隔分布的至少三根水平連軸(2)，每根水平連軸(2)的一端均固定有一個非對稱結(jié)構(gòu) 體(3)，每個所述非對稱結(jié)構(gòu)體(3)沿所述水平圓周方向具有一前端面和一后端面，并且每 個所述非對稱結(jié)構(gòu)體(3)的前端面均為曲面，每個所述非對稱結(jié)構(gòu)體(3)的后端面均為豎直 平面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，其特征在于:所述非對 稱結(jié)構(gòu)體(1)為半球形、半橢球形、半圓柱形、棱錐形或圓錐形。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，其特征在于:所述非對 稱結(jié)構(gòu)體(1)為半球形。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，其特征在于:所述水平 連軸(2)共設(shè)有六根，且這六根水平連軸(2)沿著所述水平圓周方向均勻間隔分布。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，其特征在于:所述的六 根水平連軸(2)是通過一聯(lián)軸器(4)固定連接在所述豎向連軸（1)下端的，該聯(lián)軸器(4)上制 有一個豎向連接孔和均勻分布在該豎向連接孔周圍的六個水平連接孔，所述豎向連軸（1) 的下端固定連接在所述豎向連接孔中，所述六根水平連軸（2)的一端分別固定連接在所述 六個水平連接孔中。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，其特征在于:所述六根 水平連軸(2)的長度相同。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，其特征在于:還包括旋 轉(zhuǎn)軸承(5)，該旋轉(zhuǎn)軸承(5)包括同軸布置且能夠相對轉(zhuǎn)動的軸承內(nèi)圈和軸承外圈，所述軸 承內(nèi)圈同軸固定套在所述豎向連軸(1)的上端。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，其特征在于:所述軸承 外圈固定連接在海上浮體上。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于往復(fù)式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，其特征在于:所述軸承 外圈固定連接在波浪滑翔器上。
【文檔編號】F03B13/22GK105952577SQ201610488227
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】田新亮, 趙國成, 姚昊, 肖龍飛, 呂海寧
【申請人】上海交通大學(xué)