用于发电的往复式流体动能采集装置的制作方法

本发明属于发电装置技术领域，具体涉及一种用于发电的往复式流体动能采集装置。

背景技术：

利用流体的动能推动机械的运行是人类古已有之的尝试；在电发明以后，这些机械便作为风轮机和水轮机直接同发电机相连，组成了人类生活和生产中不可或缺的电力来源的一个重要组成部分；风电和水电由于是大自然中可再生性能源，对强调环境保护和可持续性发展的生态状况的当今社会有特别重要的意义。

全球现有的风能，水电能和海洋的波浪能及潮汐能资源如能得到比现有状态更积极得多利用，其总发电产能就有可能远超世界现所耗用电，这对人类文明的发展具备重大意义；但是，现有的流体采能系统，无论是风能机或是水轮机，基本都是以叶片的旋转为收集流体能量的途径。这种方式带来的内在缺陷，不光严重制约了对空气流和江河水流能量的充分开发利用，更使旋转机械在海洋波浪能，潮汐能及洋流能等的利用方面往往显得无法有效应对。

风力发电：目前风力发电使用的采能机构主要是两种机械：水平轴风轮机和垂直轴风轮机。二者都利用气流吹动叶片旋转以带动发电设施运行。目前主要以水平轴风机为主，垂直轴风机因结构因素及难以布置于大面积的受风地域达到广泛采能的效果而受限；而平轴风机的缺点在于面对非设计风速状况时采能效率低下，对土地排他性占用，高成本的生产维护及无法进入空间环境受限的区域。

水平轴风轮机的采能效率一般在其设计的风速状况下为最高；过高或过低的风速都会使采能效率剧烈下降：前者会导致关机（否则会损害机器）；而后者则是因为低转速使大量流经风机的气流从叶片之间漏过而没被利用；前者的产生是由风轮机的结构特点所决定：其叶片对风轮机的轴向气动载荷而言实为悬臂梁，这并非一种优化的受力结构；另一方面，即便是在设计的理想风速下，流经风轮机的气流，从叶片尖端的位置到轴心位置，所面对的叶片线速度也是逐步下降到零的；自然，风机对这部分离开叶片尖端的气流的采能效率，往轴心靠近是逐渐下降的。

垂直轴风轮机部分避免这样的缺陷，但其过度占用空间的现象以及由另外原因导致低下采能效率，使其不受水平轴风轮机那样的青睐；对地理空间的占用而言，无论水平轴或垂直轴风轮机，所占用的土地一般无法加以它用。

这种土地资源的占用从理论上讲并无必要；因为无论多大影响范围的风，要获取其可获取的最大动能，理论上在风的流经路途上建立一个连续布置的横截取面即可；而风机墙则是为满足此要求而生，尽管其修建高度最终会受限，但低建造和维护成本将导致每度电价格在现有基础上大幅下降，使目前风电比火电明显昂贵的发电成本主要来自于风机成本的缘由得以消除。

水力发电：目前水流发电使用几乎都是水轮机；这种机构导致发电设施基本需以水轮机的旋转轴为其运行的轴心，而另一方面与此相连的发电设施则要尽量避免与水有物理接触；故一般要对用于发电的水流加以集束和导流，使之能流经并驱动水轮机叶片旋转，同时避开接触发电设施。集束和导流的需求导致在江河中水坝的产生，水坝的产生则衍生相应的水利工程；于是原本是简单的发电行为便不得不复杂化；由此带来除成本的飙升外，还有生态，环保，国家安全软肋，国际关系等一系列负面效应。

对江河水流动能的开发，最理想的莫过于无论在何种河床条件下，都可将发电设施直接搁置于水中固定，就能年复一年日复一日源源不断地生电的模式；它日若发现该地理位置不甚理想，还能拆除或挪动，另移它处；这原本该是水电系统应有的工作方式，但遗憾的是，目前的水轮机发电系统难以满足这种安装方式所提出的要求的；主要原因就在于发电机需直接安装在水轮机叶片的轴心位置（或和该位置紧密相关的场所）；如此一来，要将水轮机发电系统像上述那种理想方式安装，则发电部分的机构则势必浸埋于水下，这在现实中是要尽量避免的，尤其是对大型发电机组而言。为顾及该特点，就得将江河之水流加以集束并导流绕开对发电系统的物理接触而进入水轮机的叶片中。而要对水流集束则必先造坝对水加以拦截，尔后才可在坝上开取孔洞导流；当然，修坝还会产生提高水位及蓄能的附加价值。但撇开修坝的附加价值不论，单就为满足水轮机的特殊要求而造就对水流的集束功用而言，已经使一个原本该是一小型的水电设施的安装工程更改为大型甚至超大型水利工程；这导致除了经济成本像气球一样膨胀外，还有巨大的生态负面成本，航道修改成本，及国际影响（如邻国对水道修坝的不满）的负面效应等。

波浪能发电：目前正在运行且数量极为有限的发电机构，其共同点在于以局部点状设施应对纵向成线状或带状的波浪体。因而要收集线状波浪体能量，必沿波浪纵向密布这种点状波浪能收集设施，这会导致生产，维护，维修成本巨大。

潮汐发电：现有的水轮机难以应对潮汐落差的低，微水头压力但水流量巨大的特点，更难于在海洋天然成库的浩瀚库口处密布能很大程度覆盖的水轮机；其原因除了巨大的建造安放成本外，维护这些有海蚀和水下生物滋生的设施也变得困难；同时，现有设备运转带来的淤积现象还没法应对；这些目前的难题正是开发规模巨大的潮汐能的需求只能停留在小规模满足的原因所在。

技术实现要素：

本发明完全摒弃了从旋转机械采能的一贯理念，而着眼于往复运动式机械；利用这种不同的概念来克服上述现有技术中的缺陷，提供了一种结构及维护简单、可靠性高、成本低、方便作业、占用地域小的用于发电的往复式流体动能采集装置；该装置不仅能获取其轮廓线内几乎所有流体的最大可提取能量，还能满足针对风，江河，潮汐，波浪等不同场合的能量采集需求。

为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：用于发电的往复式流体动能采集装置，包括一个或者至少两个沿长度方向相邻的能量采集墙式装置；其中单个墙式装置又包括一个或两个形状一致的方形平面固定架；除了方形外，平面固定架也可是任意四边形，只要有一组以上的对边平行的即可；两个平面固定架内固定有可滑动的滑动架，滑动架可在固定架内滑动并与动力传递装置连接。

作为本发明的一种优选方案，所述平面固定架设置为两个时，两个固定架之间形成导向槽，导向槽内设有可在固定架内沿导向槽滑动并且形状与之相适配的滑动架，当两个或以上的墙式结构组合连接时，两个相邻滑动架在导向槽内做同步相向运动或同步背向运动，并与动力传递装置连接。

作为本发明的一种优选方案，所述平面固定架设置为两个时，在所述滑动架的上下端和固定架上下端处分别设有至少一组轴承。这组轴承既可装在固定架上又可装在滑动架上。轴承保证滑动架能在固定架内左右滑动，并在其余自由度上使之固定。

固定架设置为一个时，在固定架的上下端设置有一形状与之相适配的在滑动架。滑动架在固定架内能沿固定架的上端线方向和下端线方向作左右水平滑动；滑动架在固定架内的其余方向则被固定；相邻的两个滑动架沿固定架的上端线和下端线方向做同步相向运动或同步背向运动，并与动力传递装置连接。

作为本发明的一种优选方案，所述固定架设置为一个时，在滑动架上下端每端与固定架的对应端之间，有一组或一组以上的导向机构；导向机构可以是各种组合的轴承或轮子，其既可装在固定架上又可装在滑动架上，只要保证滑动架能沿固定架的上下端水平来回滑动，并同时使滑动架在其余自由度上固定于固定架上即可。

作为本发明的一种优选方案，所述滑动架内设置有若干与滑动架上下端相垂直布设的叶片，叶片的上下端分别设有与滑动架上下端相垂直的垂直轴，垂直轴通过轴承与滑动架的上下端连接，因而与此相对应的，所述滑动架上设置有若干与垂直轴相适配的安装器件；叶片上下端的垂直轴与滑动架的安装器件相装配，使叶片能绕垂直轴左右旋转。

作为本发明的一种优选方案，在所有的叶片6上都连有一个或一个以上共有的偏转控制杆。偏转控制杆固定在每个叶片的相同的位置处，且能同叶片保持可相对旋转的关系，使得所有叶片偏转角度和方向一致；偏转控制杆装置可包括上偏转控制杆和下偏转控制杆。当然，作为本发明的一种结构形式，单独设置一个上偏转控制杆或者下偏转控制杆都能实现若干叶片偏转角度和方向一致。

作为本发明的一种优选方案，所述固定架的侧边内每侧都设有至少一个压缩或拉伸弹簧。

作为本发明的一种优选方案，所述固定架的侧边内部设有左触发弹性挡块和右触发弹性挡块；左触发弹性挡块和右触发弹性挡块与偏转控制杆装置的左右端部位置相对应。

作为本发明的一种优选方案，所述叶片两侧设有若干可拆卸的阻浪块，阻浪块包括竖直段、阻浪块下节段和用于连接竖直段与阻浪块下节段的阻浪块上节段；所述阻浪块下节段与阻浪块上节段之间连接处形成有阻浪块尖；阻浪块尖其相对于滑动架底部的高度在竖直段的上下端部所对应的高度之间，阻浪块尖与竖直段通过阻浪块上节段和阻浪块下节段固定连接，它们一体成型；竖直段与叶片在竖直方向平行。

作为本发明的一种优选方案，所述动力传递装置同时也是同步装置，其包括分别固定在两个相邻固定架上的左链条盘和右链条盘；左链条盘和右链条盘之间连接有链条，链条两侧分别与相邻的两个滑动架通过所设置的左曲杆和右曲杆固定连接。

作为本发明的一种优选方案，固定架底部设置有可拆卸的护板；护板的长度与固定架长度相适配，所述护板包括顶面和底面；顶面和底面之间有连接二者的l型垂直转折段或非垂直转折段；护板的横截面呈“l”形状或非“l"形状。

作为本发明的一种优选方案，所述固定架的形状为正方形、长方形、梯形或平行四边形。

作为本发明的一种优选方案，所述叶片的横截面为对称翼形。

本发明的有益效果是：

1.本发明装置构成简单，大量建造的成本低廉；对于风能，水流能，潮汐能和波浪能都可适用。其两两相接连续布置可延续成百上千公里，运作时在此范围内几乎没有疏漏的流体，即几乎所有流体都被提取了一遍；同时，所提取的还可以是理论上可提取的最大比率能量；这和常规旋转叶片机械有本质的差别。

2.在滑动架内设置直立排列的多重叶片，流体流经它时动力通过每个叶片分别传给同一装置并带动它作来回运动，带动发电机工作；叶片由于上下两端固定而成为简支梁，相较于水平轴风轮机或水轮机而言这是种优化的受力结构，故更能应付极端的工作状况，提高了采能效率。

3.运用于风能发电时，以面横截入气流风的途径，而非如传统那样建立风场，以体结构横截入来截取能量，因而极小化了对土地的占用；同时，在已建有发电设施的风场，也可补建风墙机以获取风轮机旋转圆外径底部与地面之间原所疏漏的风能。

4.用于河流发电时，完全避免了现存水轮机需要对水流加以集束的弊端，可以在完全不改变河床的基础上，修建全横跨河流，或部分横跨河流的发电装置；发电机则可以安装在露出水面的位置；由于水游生物可穿行于往复运动的叶片之间，或在该机构部分横跨河流时自由穿行于未布设的河流部分，生态得到有效保护；同时进一步还可根据需求而便利地将其撤除或挪走，所以该装置的推广还具备强大的环境保护意义。

5.当用作波浪发电时，可以完成将波浪能转化为破浪动能，最后加以收集的功能，为大规模，大范围开发波浪能的提取提供了廉价，实用而可靠的方法，有效地提高采能效率。

6.用于潮汐能发电时，这种简单轻便的装置基本无需顾及海底的结构而可直接固定在上面，或半浮于水下，互相连接一体，然后直接横跨整个入库口；理论上可收获整个区域潮汐的最大的可获取能量；而叶片间歇性的打直开放（停止采能），则几乎不影响潮水流经，改善淤积问题。同时，设施可便利分段提出水面维修。

附图说明

图1是本发明实施例一水机墙装置俯视图；

图2是本发明实施例一水机墙装置侧视图；

图3是本发明实施例一叶片结构示意图；

图4是本发明实施例二水机墙装置侧视图；

图5是本发明实施例三水机墙装置结构示意图；

图中附图标记：水机墙装置1，固定架2，导向槽3，滑动架4，轴承5，叶片6，垂直轴7，安装器件8，上偏转控制杆9，压缩或拉伸弹簧10，左触发弹性挡块11，右触发弹性挡块12，下偏转控制杆13，阻浪块14，阻浪块尖14-4，竖直段14-1，阻浪块下节段14-2，阻浪块上节段14-3，左链条盘15，右链条盘16，链条17，左曲杆18，右曲杆19，护板20，顶面20-1，底面20-2，导向机构21。

具体实施方式

本发明实际上为一种利用流体动能来完成能量采集动作和各种所需控制动作的发动机；这种流体采能机可以依单个的形式独立运作，也可将两个或以上可单独运作的采能机连接并协调运作。将单个独立运作，或两个及以上协调运作的每个单元，统一以水机墙来命名。

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

实施例一：水机墙为两个或两个以上两两相连，每个水机墙有两个固定架的情况。

如图1-图3所示，数目若干的水机墙整体装置1紧密相邻并固定相连，即构成长度不限的水机墙复合体；单个水机墙装置1包括两个形状一致的方形平面框固定架2，或两相同形状，至少有一对边平行的任意四边形平面框架。两个平面框固定架2之间因为空隙而形成导向槽3，导向槽3嵌有与固定架2形状相适配的滑动架4，滑动架4通过轴承能沿两固定架2所形成的上导向槽和下导向槽左右滑动。当两个水机墙装置1相连时，两个相邻滑动架4在导向槽3内做同步相向运动或同步背向运动，并与动力传递装置连接；动力传递装置同时也是相邻两滑动架运动的同步装置，其包括分别固定在两个相邻固定架2上的左链条盘15和右链条盘16；左链条盘15和右链条盘16之间连接有链条17，链条17在图1中两边内侧分别固定连接有左曲杆18和右曲杆19；左曲杆18的一端与链条17相固定连接，另一端固定连接滑动架4；右曲杆19的一端与链条17相固定连接，另一端固定连接另一个滑动架4；相邻两个滑动架4于是就沿导向槽3同步相向或相背而行；当相向而行时,滑动架4撞击固定架2的冲击便可相互抵消；当相背而行时，滑动架4则与另侧相连的水机墙滑动架4通过相连接的另个同步装置而同步相向而行，也可互相抵消冲击力。在滑动架4作往复运动时,相邻的滑动架无论作相对还是相背运动,都会带动链条盘15和16作顺钟和逆钟向的交替旋转,通过与它相连的发电机即可产生电能；当然，左链条盘15、右链条盘16和链条17可由滑轮及钢缆结构来代替。

在滑动架4和固定架2以及导向槽3的上下端分别设有至少一组轴承5，轴承5使滑动架4在固定架2内除能沿导向槽3左右水平滑动外被固定。这种设计使得滑动架4的滑动更为稳定和便捷，保证了滑动的效率。

滑动架4内设置有若干与滑动架4上下端相垂直布设的叶片6，叶片6的横截面为对称翼形；叶片6的上下端分别设有与与滑动架4上下端相垂直的垂直轴7，而垂直轴7通过轴承与滑动架4的上下端连接；因此与此相对应的，所述滑动架4上设置有若干与垂直轴7相适配的安装器件8；叶片6上下端的垂直轴7与滑动架4的安装器件8相装配，使叶片6能绕垂直轴7左右旋转。

这样的设计使叶片6上下两端固定而成为简支梁，受力状况相较于水平轴风轮机而言大大改善，故可应付更极端的工作状况，效率得以提高；由于所有的叶片都以相同速度移动，且每一叶片的上下端所受气动力一致，横向运行速度一致，因此只要叶片某处达到最高效率的采能状态，那该叶片所有的部位，且所有的叶片都同步进入最高效率的采能状态。这与常规风轮机明显不同。

在所有的叶片6上都连有一个或多个共有的偏转控制杆；偏转控制杆的位置可在避开压缩或拉伸弹簧10的任何位置设置；偏转控制杆装置中至少有一个与左触发弹性挡块11和右触发弹性挡块12相对应，图2显示了一对触发弹性档块11，12，但有两个偏转控制杆装置的情形:包括在叶片6上端的上偏转控制杆9和叶片6下端的下偏转控制杆13；上偏转控制杆9和下偏转控制杆13固定在若干叶片6相同的位置处，使得若干叶片6偏转角度一致；上偏转控制杆9与下偏转控制杆13都可以和各自连接的各个叶片6之间保持可相对转动关系，这样拨动上偏转控制杆9和下偏转控制杆13中的任何一个使其左右移动，即可控制所有的叶片6的偏转方向和偏转程度。

两个固定架2的侧边内每侧都设有一个或一个以上的压缩或拉伸弹簧10，使滑动架4运动中靠近固定架2左右两端任一端时都有弹簧10通过压缩或拉伸对滑动架4的运动起缓冲和阻止作用；两个固定架2的侧边内部设有相对称的左触发弹性挡块11和右触发弹性挡块12；左触发弹性挡块11和右触发弹性挡块12与上偏转控制杆9的左右端部相对应。这样，在叶片6在初始条件下向左偏转，面临背对观察者流向图的流体时，由于伯路利效应会产生向左的流体力；所有叶片6上的流体力通过垂直轴7传递给滑动架2上下端，从而带动整个滑动架4向左运动；当移动到靠近固定架2最左侧时，上偏转控制杆9和左触发弹性挡块11相接触，使上偏转控制杆9向右移动，同时带动所有叶片6向右偏转；如果右偏转完成后滑动架4仍有向左移动的惯性，滑动架4会撞击左侧边固定于固定架2左侧压缩弹簧10，或拉动滑动架另侧与固定架2相对应的拉伸弹簧10,使其吸收滑动架残余动能并在反向运动时释放出来；由于叶片6反向偏转，在同样流体作用下流体力改变为反向方向，于是在流体力和可能存在的弹簧力作用下，滑动架整体随即朝右运动，直到移动到右侧，于是相同的机理导致类似于在左侧的所有有动作又重复一遍。

叶片6两侧设有若干可拆卸的阻浪块14，阻浪块14包括竖直段14-1、和阻浪块尖14-4.阻浪块尖14-4不在竖直段14-1内,其相对于滑动架底部的高度在竖直段14-1的上下端所对应的高度之间.阻浪块尖14-4与竖直段通过阻浪块上节段14-3和阻浪块下节段14-2固定连接，一体成型；保证了阻浪块14结构强度和牢固度，延长了使用寿命。

竖直段14-1与叶片6的竖直边平行.阻浪块14的指向是无论叶片6如何偏转，竖直段14-1永远靠近叶片6移动时的前沿，而阻浪块尖14-4则永远靠近叶片6移动时的后沿；阻浪块14的作用是提高波浪发电的效率；当用于波浪能发电时，具有一定横截面形状的可拆卸护板20连接固定架2的底部，用于将波浪变成破浪；可拆卸的护板20包括顶面20-1和与底面20-2，以及连接这两面的垂直转折段或非垂直转折段（图5中显示为垂直转折段，即l型段）护板20高度只需高出叶片6底部的位置即可。这样护板上升的节段便能在迎击波浪时先于在波浪击中叶片6之前将波浪转化为破浪。一旦成为破浪，波浪能量随即部分或全部转换为与波浪前进方向一致的破浪水流动能。破浪水流击中沿波浪纵向线方向布置的叶片6阵列线后，部分水流会顺着叶片6上爬；于是阻浪块下节段14-2会利用这部分上升的水流的动能驱动叶片6往叶片6原运动的方向施力；同理，下坠回落的水流遇到阻浪块上节段14-3也会产生与叶片原运动方向一致的附加流体力；当叶片6反转，运动反向时，同样的道理亦成立。

本发明运用于江河水发电时，若干水机墙装置1所带动的发电设施可置于墙的顶端，距离水面足够高的位置；将若干水机墙装置1紧挨着布置在一起，可形成部分横跨，或者是全横跨江河的水机发电墙复合体。当全横跨作为选择时，江河中几乎所有的水流都得以利用，但这会产生由于流速降低而导致河面变宽的附带效应；而在部分横跨的情形下，该效应会受到抑制；所以通过合适的选择，航道需求，河流改变可控需求，以及甚至最严苛的生态环境保护需求都基本能得以满足；该水机墙装置1可沿河道重复布置，只要流速达到要求的河流截面皆可安装这种发电装置以达到最大范围利用江河的效能。

实施例二：水机墙数目为两或多个，而固定架2设置为一个的情况。

如图4所示，在滑动架4上下端每端与固定架2的对应端之间，有一组或一组以上的导向机构21。导向机构21既可以设置在滑动架4上下端也可以设置在固定架2上下端；导向机构21可以是各种轴承，或轮子的组合，其作用是保证滑动架4能沿固定架2的上下端水平来回滑动，并同时使滑动架4在其余自由度方向使之固定于固定架2。

本实施例的其它内容可参考实施例一。

实施例三：水机墙总体装置1是单个，固定架可为一个或两个的情况。

如图5所示，固定架2既可设为一个也可设为两个。固定架2设为两个时，可以参考实施例一的技术方案；固定架2设置为一个时，可以参考实施例二的技术方案。而此时动力传递装置由于只连接一个水机墙而失去同步装置的作用，其包括固定在固定架2上的左链条盘15和右链条盘16；左链条盘15和右链条盘16之间连接有链条17，链条17两侧任一侧可固定连接有曲杆装置，该曲杆装置可以为左曲杆18或者右曲杆19中任意一个，曲杆18或19另一端则与自己对应滑动架顶端固定相连；于是滑动架4左右滑动时,通过曲杆18或19的固定连接，带动链条17进而左链条盘15和右链条盘16作顺钟和逆钟向交替转动；连接在链条盘轴心上的发电机即可产生电能。当然，左链条盘15、右链条盘16和链条17可由滑轮及钢缆结构来代替。

本实施例的其它内容可参考实施例一或实施例二。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

尽管本文较多地使用了图中附图标记：水机墙装置1，固定架2，导向槽3，滑动架4，轴承5，叶片6，垂直轴7，安装孔8，上偏转控制杆9，压缩或拉伸弹簧10，左触发弹性挡块11，右触发弹性挡块12，下偏转控制杆13，阻浪块14，竖直段14-1，阻浪块尖14-4，阻浪块下节段14-2，阻浪块上节段14-3，左链条盘15，右链条盘16，链条17，左驱杆18，右驱杆19，护板20，顶面20-1，底面20-2，导向机构21等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。