一种利用可再生能源的串联扑翼发电装置的制作方法

本发明涉及一种利用可再生能源的串联扑翼发电装置，属于能源转换领域，用于海洋及河流能源、太阳能源的利用以及振荡扑翼能量采集的应用。

背景技术：
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近年来工业及制造业的高速发展导致传统化石燃料的需求量不断上涨，直接造成全球性的能源紧缺，火力发电排出的二氧化碳废气加剧了温室效应，不断对生态环境造成破坏，寻找新的发电方式以替代火力发电成为当前人类急需解决的问题。充分利用自然界中的可再生清洁能源，开发新型的能源利用方式，改进能量采集装置结构，提高能量采集效率等手段能够有效缓解能源危机及温室效应的压力。

扑翼吸能通过叶片的沉浮运动、俯仰运动从流动的海水或河水中采集流体动能，进而转化为电能，是目前备受关注的清洁发电方式之一。扑翼吸能装置的结构简单，建造成本低，且相比传统的水轮机和风力机等旋转机械，扑翼发电装置尺寸小，可在狭长水域、浅滩及海岸等不适合庞大结构的地方建造，应用范围更广，可充分利用资源丰富的海洋能及河流能等可再生清洁能源；扑翼吸能装置运行状态下无噪音，对水中生物的影响很小，对环境更友好。与此同时，扑翼吸能装置能够在不同流速、不同流体密度的情况(如潮汐、洋流等自然现象)下均保持较高的能量采集效率，其适应能力更强。

现有的扑翼吸能机构通常只有一只叶片，这种设计忽略了多个串联叶片之间能通过流场相互作用对能量采集效率的促进作用，其能量采集效率并未达到最佳；扑翼的俯仰运动通常依靠电机驱动，结合曲柄连杆结构等专门传动结构将电机的转动转化为平动来实现沉浮运动，这种设计不仅增加了外界能量输入，降低了能量输出率，还使结构复杂化，降低结构适应性。

太阳能作为常见的清洁可再生能源，具有环境友好，便于采集等突出优势，在地球上有着巨大的太阳能资源可供直接开发利用。基于可持续发展的路线，合理、充分利用太阳能发电，缓解传统火力发电给资源环境带来的压力，成为研究的热点。

为提升包括海洋(河流)能、太阳能在内的清洁能源的使用率，打破现有的单一利用方式，提升装置的能量采集效率，减少传统能源给地球生态环境带来的危害已经成为各国新能源发展的方向。在海洋或河流上，因地制宜，充分利用丰富的海洋(河流)动能、太阳能等清洁能源，实现不依靠传统能源，通过结构自启动实现能量采集过程，对于提高能量采集效率，降低传统能源消耗具有重要意义。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种能够建造在海洋、河流、狭长水域及浅滩等水域中，利用太阳能发电为控制初攻角的电磁吸力装置提供电能，通过来流和叶片之间形成的攻角实现扑翼沉浮及俯仰运动的自启动，并利用上游扑翼运动产生的涡量场促进下游扑翼的运动，提高能量采集效率，实现可再生能源的利用，同时为海洋(河流)动能的利用、太阳能的利用及扑翼能量采集装置的应用提供新思路的一种利用可再生能源的串联扑翼发电装置。该串联扑翼发电装置的发电过程具有充分利用丰富的可再生海洋(河流)动能、利用清洁太阳能、实现不依靠外界驱动的叶片自启动、串联结构提高能量采集效率、不依赖传统能源等优良特性，同时该串联扑翼发电装置具有结构简单、尺寸小、无噪音等优点，将其应用于海洋、河流等水域中是环境友好的。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种利用可再生能源的串联扑翼发电装置，包括H型框架结构，水上平台，以及对称设置在水上平台底部的两个水下基座；其中，

H型框架结构包括中轴以及穿过中轴并对称设置在中轴两端的第一摇臂和第二摇臂，且中轴两端分别穿过两个水下基座并与两个水下基座活动连接；

第一摇臂一端和第二摇臂一端通过上游叶片旋转轴活动连接有上游叶片，第一摇臂另一端和第二摇臂另一端通过下游叶片旋转轴活动连接有下游叶片；第二摇臂外侧的中轴上固定有动力输出装置；

上游叶片旋转轴下游相邻处在第一摇臂铰接有转动轴，且转动轴与上游叶片旋转轴之间通过不完全齿轮传动机构传动；转动轴与中轴之间通过第一带轮传动机构传动，中轴与下游叶片旋转轴之间通过第二带轮传动机构传动。

本发明进一步的改进在于，动力输出装置为变速箱或发电机。

本发明进一步的改进在于，不完全齿轮传动机构包括固定在上游叶片旋转轴上的第一不完全齿轮和固定在转动轴上的第二不完全齿轮，第一不完全齿轮与第二不完全齿轮之间外啮合形成不完全齿轮传动机构。

本发明进一步的改进在于，第一带轮传动机构包括固定在转动轴上的第一带轮，固定在中轴上的第二带轮，以及缠绕在第一带轮和第二带轮周向上的第一传动带；第二带轮传动机构包括固定在中轴上的第三带轮，固定在下游叶片旋转轴上的第四带轮以及缠绕在第三带轮和第四带轮周向上的第二传动带。

本发明进一步的改进在于，第一摇臂最前端的外侧固定连接有第一固定平台，第一摇臂最末端的外侧固定连接有第二固定平台；

在上游叶片旋转轴和下游叶片旋转轴上沿竖直方向的直径在轴的上下两侧各开设一槽缝，两槽缝呈180°分布；且上游叶片旋转轴上固定有第一平面涡卷弹簧组，第一平面涡卷弹簧组的平面涡卷弹簧一端插入上游叶片旋转轴的槽缝内，另一端固定在相邻的第一固定平台上，下游叶片旋转轴上固定有第二平面涡卷弹簧组，第二平面涡卷弹簧组的平面涡卷弹簧一端插入下游叶片旋转轴的槽缝内，另一端固定在相邻的第二固定平台上。

本发明进一步的改进在于，第一平面涡卷弹簧组和第二平面涡卷弹簧组均包括对称布置的两个平面涡卷弹簧。

本发明进一步的改进在于，水下基座在靠近第一摇臂一侧的内侧固定有呈一定角度的两个弹性挡杆。

本发明进一步的改进在于，水上平台的顶部设置有小型太阳能发电装置，在第二摇臂上靠近上游叶片尾缘处固定连接有第一电磁吸力装置，在第二摇臂上靠近下游叶片前缘处固定连接有第二电磁吸力装置，且第一电磁吸力装置和第二电磁吸力装置均与小型太阳能发电装置相连。

本发明进一步的改进在于，使用时，两个水下基座的底部固定连接在海底或河床，水上平台位于水面之上。

与现有发电装置相比，本发明提供的串联扑翼发电装置，主要区别在于利用可再生清洁能源海洋(河流)能、利用太阳能并实现多翼间相互促进能量采集的目的。本发明串联扑翼发电装置利用可再生能源海洋(河流)能，且可应用于海洋和河流；设计两个扑翼叶片串联布置；利用可再生能源太阳能作为电磁吸力装置的电能供给；利用不完全齿轮传动机构和带轮传动机构实现两个扑翼之间的相位差；整个装置均利用清洁能源，且运转时无噪音，对环境的影响很小；进一步，采用电磁吸力装置保证两个扑翼的初攻角，以实现扑翼利用来流产生升力，自启动沉浮及俯仰运动。概括来说，本发明具有以下几个优点：

1、该装置实现了对蕴藏丰富的海洋(河流)动能的利用，通过扑翼的沉浮运动耦合俯仰运动实现了对来流动能的采集，进而输出电能，为海洋动能的应用提供了重要思路。

2、该系统利用叶片串联布置，将上游叶片运动产生的流场变化传递给下游叶片，对后者的能量采集具有促进作用，从而充分利用多翼之间通过流场传递的相互作用，提升了整个装置的能量采集效率。

3、利用可再生能源太阳能发电，供给电磁吸力装置所需电能，实现了整个发电系统只采用清洁能源，不依赖传统能源，真正实现绿色发电。

4、本发明的发电装置结构简单，运行状态下无噪音，对水域及水中生物的干扰很小，对生态环境几乎没有影响，是环境友好型的发电装置。

5、本发明的发电装置适应性强，不仅可以应用于浅滩、海岸及狭长水域等特殊环境中，而且能在洋流、潮汐等特殊工况下仍保持着较高的采集效率。

6、本发明利用电磁吸力装置保证了叶片弦线和来流之间的初始攻角，实现了叶片自启动沉浮及俯仰运动，无需外接电机驱动。

附图说明：

图1a和图1b是所述的一种利用可再生能源的串联扑翼发电装置在两个不同角度的示意图，图1c是图1a的局部放大图；

图2a至图2e是所述装置1/2周期的运动示意图；

图3a至图3d是不完全齿轮传动机构配合关系示意图；

图4是上游叶片旋转轴、第一平面涡卷弹簧组及其配合关系示意图；

图5是弹性档杆结构及安装位置的侧视图。

图中：1为H型框架结构，2为上游叶片，3为下游叶片，4为水下基座，5为第一摇臂，6为第二摇臂，7为上游叶片旋转轴，8为第一固定平台，9为第一平面涡卷弹簧组，10为第一不完全齿轮，11为转动轴，12为第二不完全齿轮，13为第一带轮，14为中轴，15为第二带轮，16为第三带轮，17为下游叶片旋转轴，18为第四带轮，19为第二平面涡卷弹簧组，20为第二固定平台，21为第一螺栓，22为弹性档杆，23为动力输出装置，24为水上平台，25为小型太阳能发电装置，26为第一电磁吸力装置，27为第二电磁吸力装置，28为第二螺栓，29为第三螺栓。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见装置在两个不同角度的示意图图1a和图1b、上游叶片外侧局部放大图图1c，本发明一种利用可再生能源的串联扑翼发电装置，其中：

H型框架结构1的中轴14两端分别穿过水下基座4两边的预留孔，与水下基座4铰接固定，第一摇臂5外侧的中轴14上固定有第二带轮15和第三带轮16，第二摇臂6外侧的中轴14上固定有动力输出装置23。水下基座4一端与海底(河床)固定连接，另一端位于水面之上，与水上平台24固定连接。上游叶片2一端的上游叶片旋转轴7穿过第一摇臂5前端的预留孔与第一摇臂5铰接固定，第二摇臂6的前端与上游叶片2的另一端铰接固定，下游叶片3一端的下游叶片旋转轴17穿过第一摇臂5末端的预留孔与第一摇臂5铰接固定，第二摇臂6的末端与下游叶片3的另一端铰接固定。第一摇臂5最前端的外侧与第一固定平台8固定连接，第一摇臂5最末端的外侧与第二固定平台20固定连接。

上游叶片旋转轴7上固定有第一不完全齿轮10，上游叶片旋转轴7下游相邻处转动轴11与第一摇臂5铰接固定，转动轴11上依次固定有第二不完全齿轮12和第一带轮13，下游叶片旋转轴17上固定有第四带轮18，第一不完全齿轮10与第二不完全齿轮12外啮合形成不完全齿轮传动机构，第一带轮13和第二带轮15组成带轮传动机构，第三带轮16和第四带轮18组成带轮传动机构。

分别在上游叶片旋转轴7和下游叶片旋转轴17上沿竖直方向的直径在轴的上下两侧各开设一槽缝，如图1c，两槽缝呈180°分布。上游叶片旋转轴7上固定有第一平面涡卷弹簧组9，第一平面涡卷弹簧组9为对称布置的两个平面涡卷弹簧，其一端插入上游叶片旋转轴7的槽缝内，另一端固定在相邻的第一固定平台8上，下游叶片旋转轴17上固定有第二平面涡卷弹簧组19，第二平面涡卷弹簧组19为对称布置的两个平面涡卷弹簧，其一端插入下游叶片旋转轴17的槽缝内，另一端固定在相邻的第二固定平台20上。

水下基座4在靠近第一摇臂5一侧的内侧通过第一螺栓21固定有一定角度的两个弹性挡杆22。在第二摇臂6上靠近上游叶片2尾缘处，将第一电磁吸力装置26与第二摇臂6固定连接，在第二摇臂6上靠近下游叶片3前缘处，将第二电磁吸力装置27与第二摇臂6固定连接，第一电磁吸力装置26、第二电磁吸力装置27的另一端与小型太阳能发电装置25相连，小型太阳能发电装置25放置于水上平台24上。

图2a至图2e为发电装置1/2周期的运动示意图，来流方向从左向右，第一摇臂5、第二摇臂6沿来流方向布置，可绕中轴14往复转动。初始状态时，放置在水上平台24上的小型太阳能发电装置25采集太阳能发电，供给第一电磁吸力装置26和第二电磁吸力装置27所需电能，通电的第一电磁吸力装置26和第二电磁吸力装置27产生磁性。如图2a所示，上游叶片2被第一电磁吸力装置26吸住扑翼尾缘，初攻角为负，下游叶片3被第二电磁吸力装置27吸住扑翼前缘，初攻角为正，所述发电装置启动时，第一摇臂5和第二摇臂6水平。第一电磁吸力装置26和第二电磁吸力装置27同时切断电源，吸力消失，来流流过上游叶片2时，翼型下表面尾缘处形成脱落涡，出现负压区，上游叶片2沿上游叶片旋转轴7顺时针旋转，并带动第一摇臂5和第二摇臂6的前端向下运动，对中轴14产生逆时针的矩，来流流过下游叶片3时，翼型上表面尾缘处形成脱落涡，出现负压区，下游叶片3沿下游叶片旋转轴17逆时针旋转，并带动第一摇臂5和第二摇臂6的末端向上运动，对中轴14产生逆时针的矩，如图2b所示；装置从平衡位置状态图2a运动到摇臂逆时针摆动的极限位置图2c，即上游叶片2运动到沉浮运动最低位置处，下游叶片3运动到沉浮运动最高位置处，这1/4周期两个叶片的沉浮及俯仰运动叠加输出到中轴14。

装置将继续反向运动到如图2d所示的状态，上游叶片2沿上游叶片旋转轴7顺时针旋转，并带动第一摇臂5和第二摇臂6的前端向上运动，对中轴14产生顺时针的矩，下游叶片3沿下游叶片旋转轴17逆时针旋转，并带动第一摇臂5和第二摇臂6的末端向下运动，对中轴14产生顺时针的矩；装置从摇臂极限位置图2c到平衡位置图2e的1/4周期内，两个叶片的沉浮运动输出到中轴14。之后两个1/4周期的运动与上述两个1/4周期类似，两摇臂从图2e所示状态继续顺时针转动到摇臂的另一极限位置，之后再反向转动重新运动到图2a所示状态，装置如此往复运动，不断对中轴14输出转矩。

所述串联装置运行时，上游叶片2的脱落涡向下游运动，对下游叶片3的运动产生一定的促进作用，有效增强下游叶片3的能量采集效率。利用第一电磁吸力装置26和第二电磁吸力装置27保证扑翼的初攻角，实现了扑翼沉浮及俯仰运动的自启动。

图3a至图3d说明了第一不完全齿轮10与第二不完全齿轮12的配合关系。第一不完全齿轮10的齿数是第二不完全齿轮12的两倍，图3a对应图2a所示运动状态，上游叶片旋转轴7顺时针旋转，其上固定的第一不完全齿轮10顺时针旋转与转动轴11上固定的第二不完全齿轮12开始外啮合，持续1/4周期，第二不完全齿轮12逆时针旋转；图3b对应图2c极限位置状态，第一不完全齿轮10和第二不完全齿轮12停止啮合，第一不完全齿轮10继续顺时针旋转1/4周期，第二不完全齿轮12静止，转动轴11静止；图3c对应图2e平衡位置状态，同上述两个1/4周期类似，第一不完全齿轮10反向逆时针旋转，与静止的第二不完全齿轮12接触并开始啮合1/4周期，第二不完全齿轮12顺时针旋转，之后两齿轮停止啮合，如图3d所示，第一不完全齿轮10继续逆时针旋转1/4周期，第二不完全齿轮12静止，转动轴11静止。

结合装置示意图图1a，以上游叶片旋转轴7顺时针旋转为例，说明不完全齿轮传动机构和带轮传动机构的配合关系。上游叶片旋转轴7顺时针旋转，依照上述齿轮配合关系，第二不完全齿轮12逆时针旋转，带动转动轴11逆时针旋转，转动轴11带动第一带轮13逆时针旋转，第一带轮13和第二带轮15组成带轮传动机构，因而第二带轮15逆时针旋转，带动中轴14逆时针旋转，将上游叶片2的旋转运动通过不完全齿轮传动机构和带轮传动机构传递给中轴14。中轴14带动第三带轮16逆时针旋转，第三带轮16和第四带轮18组成带轮传动机构，带动第四带轮18逆时针旋转以调控下游叶片3的俯仰运动与上游叶片2保持一定的相位差，同时通过带轮传动机构将下游叶片3的旋转运动传递给中轴14。通过不完全齿轮传动机构和带轮传动机构来保障两叶片间的相位差恒定，以实现能量采集效率最大化。

通过第一摇臂5和第二摇臂6，将上游叶片2和下游叶片3的沉浮运动转换成中轴14的旋转运动，实现沉浮运动的能量输出。通过不完全齿轮传动机构和带轮传动机构将叶片的俯仰运动传递给中轴14，实现俯仰运动的能量输出。中轴14的往复旋转带动中轴14一端连接的动力输出装置23输出电能。

图4说明了上游叶片旋转轴7和第一平面涡卷弹簧组9的配合关系。第一平面涡卷弹簧组9包括两个结构相同、对称布置的平面涡卷弹簧，两个平面涡卷弹簧的一端分别插入上游叶片旋转轴7上开设的两个槽缝中，另一端通过第二螺栓28与第一固定平台8固定连接。同理，第二平面涡卷弹簧组19的两个平面涡卷弹簧的一端分别插入下游叶片旋转轴17上开设的两个槽缝中，另一端通过第三螺栓29与第二固定平台20固定连接。由于叶片旋转轴带动叶片往复摆动，布置对称的两个平面涡卷弹簧可以保证旋转轴顺时针和逆时针转动的角度相同，即保证了叶片俯仰运动上下冲程的最大俯仰角相同。同时，叶片旋转角越大时弹簧的刚度越大，叶片能够很容易地通过平衡位置，符合叶片俯仰运动时最大俯仰角处速度为零，通过平衡位置时速度最大的要求。

图5为水下基座4上固定弹性档杆22的侧视图。通过第一螺栓21将具有一定角度的弹性挡杆22固定在水下基座4靠近第一摇臂5的支座内侧，第一摇臂5摆动到一定角度时，碰到弹性档杆22的上侧档杆，运动受到限制并将动能传递给上侧挡杆转换为弹性势能，上侧档杆回弹将弹性势能传递给第一摇臂5作为反向转动的初动能，之后第一摇臂5开始向相反方向转动；碰到弹性挡杆22的下侧档杆，与上述动能和弹性势能相互转换过程相同，第一摇臂5接收下侧档杆的弹性势能后再次反向转动，如此往复。弹性挡杆22可保证摇臂在一定有效角度范围内往复摆动，控制摇臂运动幅度以降低不必要的能量消耗，且弹性挡杆22可根据实际情况更换不同角度的档杆结构，适应性强。

整个串联扑翼发电装置工作时，采用可再生能源太阳能，开发具有巨大动能的海洋(河流)能，通过电磁吸力装置保证叶片与来流间的初攻角，实现扑翼沉浮及俯仰运动的自启动，串联结构有效提高能量采集效率，利用不完全齿轮传动机构和带轮传动机构实现叶片沉浮运动及俯仰运动的动能通过中轴传递到动力输出装置，动力输出装置产生电能，最终输入电网。