一种双水翼升沉-俯仰耦合运动振荡式潮流能发电装置的制作方法

本发明涉及潮流能发电技术领域，特别是涉及一种双水翼升沉-俯仰耦合运动振荡式潮流能发电装置。

背景技术：

能源在人类社会发展的过程中不可或缺，世界各国都非常重视能源对策和国家能源战略。海洋能源是重要的可再生能源。据估计，全球海洋能的理论可再生功率约76.6×109kw，技术可利用功率约6.4×109kw，开发前景可观。

我国是潮流能资源最为丰富的区域之一，据《中国沿海农村海洋能资源区划》统计，中国沿岸130个水道的理论平均功率约为14gw。东部沿海的潮流能储量最高，占全国的78.6％。

我国近海的海况和海洋资源，适合大力发展潮流能发电。发展海洋能有助于改变我国目前电力结构以火电为主的情况，减少雾霾的产生。

振荡翼潮流能发电是不同于传统叶轮式潮流能发电的捕获潮流能形式，工作原理就是在潮流作用下水翼产生振荡运动，通过机械机构或其它形式，将振荡运动转化为回转运动，再驱动发电机发电。

振荡翼潮流能发电装置的优势，可概括为：1)在浅海或河床有明显优势。相同深度海况下，摆动翼的扫掠面积s1可以是水平轴叶轮扫掠面积s2的数倍(如图1所示)。2)对环境影响小，由于振荡翼装置振荡速度低，不会像传统水轮机产生噪声。3)结构简单，能量获取效率高。4)装置安装在近海，便于电力的输送。

振荡翼潮流能发电装置结构较为复杂。目前，所研制的振荡水翼潮流能发电装置多需外加控制系统或惯性系统。通过控制水翼的俯仰运动和升沉运动，或只控制俯仰运动，实现振荡水翼转向，克服死点。控制系统不但增加了装置的复杂性，而且需要输入能量。探讨通过新的方法，减少发电装置结构复杂性、提高效率是本项目的一个重要目标。

中国专利201610191945.5中提出了一种液态金属磁流体波浪能发电装置，采用类似鳐鱼形的浮台式结构波浪能捕获装置，发电机装置为漂浮，整体呈柔性结构，可以“随波逐流”，吸收波浪能。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种双水翼升沉-俯仰耦合运动振荡式潮流能发电装置，其利用海洋潮流能作为能量来源，具有结构简单、能量转化效率高等优点；

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种双水翼升沉-俯仰耦合运动振荡式潮流能发电装置，包括：

相对设置的第一直线作用液压缸和第二直线作用液压缸，第一直线作用液压缸和第二直线作用液压缸的输出杆相连接，第一直线作用液压缸的输出杆与第一摆动液压缸连接，第一摆动液压缸与第一水翼连接；

相对设置的第三直线作用液压缸和第四直线作用液压缸，第三直线作用液压缸和第四直线作用液压缸的输出杆相连接，第三直线作用液压缸的输出杆与第二摆动液压缸连接，第二摆动液压缸与第二水翼连接；

所述第一直线作用液压缸的液体进出口通过第一通路与第二摆动液压缸的第一液体进出口连通，第二直线作用液压缸的液体进出口通过第二通路与第二摆动液压缸的第二液体进出口连通；

所述第三直线作用液压缸的液体进出口通过第三通路与第一摆动液压缸的第一液体进出口连通，第四直线作用液压缸的液体进出口通过第四通路与第一摆动液压缸的第二液体进出口连通；

所述第一通路、第二通路、第三通路和第四通路内流通有液态金属，第一通路、第二通路、第三通路和第四通路均嵌装有至少一个磁流体发电单元。

进一步的，所述第一水翼和第二水翼的相位角相差75-90°。

进一步的，所述第一直线作用液压缸和第二直线作用液压缸的输出杆为一体式结构。

进一步的，所述第三直线作用液压缸和第四直线作用液压缸的输出杆为一体式结构。

进一步的，所述第一直线作用液压缸、第二直线作用液压缸、第三直线作用液压缸和第四直线作用液压缸均固定于海底。

进一步的，还包括立柱，所述立柱内具有空腔，第一直线作用液压缸和第二直线作用液压缸均固定于立柱空腔内，所述立柱固定于海底。

进一步的，所述第三直线作用液压缸和第四直线作用液压缸也固定于立柱空腔内。

进一步的，所述立柱设有第一竖向滑槽，所述第一水翼中部设有水平连轴穿过第一竖向滑槽；所述立柱设有第二竖向滑槽，所述第二水翼中部设有水平连轴穿过第二竖向滑槽。

进一步的，所述立柱设有两个，两个立柱相对设置，两个立柱均设有第一竖向滑槽，第一水翼两端分别通过水平连轴连接于两个立柱的第一竖向滑槽；两个立柱均设有第二竖向滑槽，第二水翼两端分别通过水平连轴连接于两个立柱的第二竖向滑槽。

进一步的，所述磁流体发电单元包括矩形通道，矩形通道外侧设有相对的两磁体，矩形通道内壁相对的两表面均设有电极片，电极片与储电装置连接。

进一步的，相对的两磁体之间的间距可调。磁体可通过活动调节的支架连接于矩形通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的发电装置，基于将潮流能转换成液态金属磁流体的运动，潮流能带动第一水翼和第二水翼俯仰，使潮流流动直接转化液压缸的往复运动，进而带动第一通路、第二通路、第三通路和第四通路内的液态金属流动，在磁流体发电单元处切割磁力线进行发电，实现将潮流能转换成电能。这一过程取消了中间能量转换环节(无液压系统，无普通发电机)，从而简化了结构。系统的捕能与发电效率高，发电系统运行具有较高的可靠性与稳定性。

本发明的两水翼可以实现升沉-俯仰耦合运动，水翼运动至上下极限位置，流体诱导水翼自主转向，不需外力控制，当其中一个水翼处于水平位置时，另一个会受到来流作用，不会出现运动死点，实现双水翼自启动、自主转向、可持续的振荡运动。

本发明的发电装置与液压能发电比较，发电系统的效率可望提高15-20％。本发明的发电装置适合浅水海域和河床，可维护性好，维护成本低，易于安装和回收。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为背景技术中摆动翼和水平轴叶轮扫掠面积对比示意图；

图2为本发明潮流能发电装置的结构示意图；

图3为本发明潮流能发电装置的发电原理示意图；

图4为液态金属磁流体发电原理示意图；

图5为设置单立柱时两水翼与立柱的配合示意图；

图6为设置双立柱时两水翼与立柱的配合示意图；

图7(a)为对称型水翼的形状示意图；

图7(b)为非对称型水翼的形状示意图；

图8为两水翼的运行中相位角变化示意图；

图中，1-第一水翼，2-第二水翼，3-第一摆动液压缸，4-第二摆动液压缸，5-第三直线作用液压缸，6-第一直线作用液压缸，7-第二直线作用液压缸，8-第四直线作用液压缸，9-磁体，10-液态金属，11-立柱。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了双水翼升沉-俯仰耦合运动振荡式潮流能发电装置，该装置将液态金属磁流体发展应用于振荡式潮流能发电。该装置中双水翼升沉-俯仰耦合运动，使潮流流动直接转化液压缸的往复运动，进而转换成液态金属的往复运动，实现将潮流能转换成电能。

本申请的一种典型的实施方式中，如图2-图3所示，提供了一种双水翼升沉-俯仰耦合运动振荡式潮流能发电装置，包括：

相对设置的第一直线作用液压缸6和第二直线作用液压缸7，第一直线作用液压缸6的输出杆和第二直线作用液压缸7的输出杆相连接成为一体式结构，第一直线作用液压缸6、第二直线作用液压缸7之间的输出杆与第一摆动液压缸3连接，第一摆动液压缸3与第一水翼1连接；

相对设置的第三直线作用液压缸5和第四直线作用液压缸8，第三直线作用液压缸5的输出杆和第四直线作用液压缸8的输出杆相连接成为一体式结构，第三直线作用液压缸5、第四直线作用液压缸8之间的输出杆与第二摆动液压缸4连接，第二摆动液压缸4与第二水翼2连接；

第一直线作用液压缸6的液体进出口通过第一通路与第二摆动液压缸4的第一液体进出口连通，第二直线作用液压缸7的液体进出口通过第二通路与第二摆动液压缸4的第二液体进出口连通；

第三直线作用液压缸5的液体进出口通过第三通路与第一摆动液压缸3的第一液体进出口连通，第四直线作用液压缸8的液体进出口通过第四通路与第一摆动液压缸3的第二液体进出口连通；

第一摆动液压缸3安装于第一直线作用液压缸6、第二直线作用液压缸7之间的输出杆上，第二摆动液压缸4安装于第三直线作用液压缸5、第四直线作用液压缸8之间的输出杆上；第一直线作用液压缸6、第二直线作用液压缸7、第三直线作用液压缸5、第四直线作用液压缸8均可上下往复运动，进而带动第一摆动液压缸3、第二摆动液压缸4上下移动，从而实现第一水翼1、第二水翼2的升沉运动；在水流作用下第一水翼1、第二水翼2可进行俯仰运动，由第一直线作用液压缸6、第二直线作用液压缸7与第二摆动液压缸4配合，第三直线作用液压缸5、第四直线作用液压缸8和第二摆动液压缸4配合，实现第一水翼1的升沉运动与第二水翼2的俯仰运动耦合，第二水翼2的升沉运动与第一水翼1的俯仰运动耦合。

第一直线作用液压缸6、第二直线作用液压缸7、第三直线作用液压缸5、第四直线作用液压缸8可以均采用活塞式液压缸，第一摆动液压缸3、第二摆动液压缸4均采用叶片式摆动液压缸，叶片式摆动液压缸的叶片和水翼固定连接，即第一摆动液压缸3的叶片和第一水翼1固定连接，第二摆动液压缸4的叶片与第二水翼2固定连接，在水翼发生摆动时带动叶片式摆动液压缸的叶片发生摆动，叶片式摆动液压缸自身并不摆动。

第一直线作用液压缸6、第二直线作用液压缸7、第三直线作用液压缸5、第四直线作用液压缸8、第一摆动液压缸3、第二摆动液压缸4、第一通路、第二通路、第三通路和第四通路内流通有液态金属10，第一通路、第二通路、第三通路和第四通路均嵌装有至少一个磁流体发电单元。

磁流体发电单元包括矩形通道，矩形通道与通路连通，矩形通道外侧设有相对的两磁体9，矩形通道内壁相对的两表面均设有电极片，电极片与储电装置连接。海洋潮流能，又称海流能，也即潮水在水平运动时所含有的动能。在潮流能作用下，使水翼产生升沉-俯仰运动，进而通过各直线作用液压缸和摆动液压缸的动作转换成液态金属的往复运动；磁流体发电单元采用现有技术的磁流体发电原理，根据电磁感应原理，往复运动的液态金属流体流经矩形通道，在磁体产生的磁场作用下，切割磁力线，液态金属在电极片上产生感应电动势，产生感应电流，实现发电，所发电能由电极片通过电缆输出电能。

相对的两磁体9之间的间距可调。磁体间距的调整可通过多种方式实现，比如磁体9可通过能活动调节的支架连接于矩形通道，或者磁体可通过伸缩支架连接于矩形通道。

磁体可以采用矩形永磁铁，也可以采用电磁铁。

磁流体发电的原理见图4。液态金属流体沿着x正方向流动，电极设置在平行于xz平面的上下两侧，磁场沿着z轴的负方向。感应电动势ε～bva,其中，b为外加的磁感应强度大小，a为矩形通道电极间的长度，v为液态金属的流速。

液态金属磁流体发电是一种转换效率高、功率密度大、结构紧凑、移动性好并易于商业化推广。液态金属磁流体发电，具有以下技术特点：1)用直线驱动和直接耦合，取消了中间转换环节，消除了机械阻抗匹配问题，简化了能量转化过程，提高了系统转换效率、稳定性和机动性；2)工作流体为单相的液态金属，避免了两相流体间的滑移和摩擦以及热力学流体的分离，减少了能量损耗，简化了系统结构。因而，具有高的发电效率和功率密度。

本发明中，第一水翼1上升，第一直线作用液压缸6上有杆腔腔内高压的液态金属，流向第二水翼2的第二摆动液压缸4上腔，第二水翼2俯仰角改变。第二水翼2摆动，第二摆动液压缸4低压腔液态金属流向第一水翼1，进入第二直线作用液压缸7的有杆腔。

第二水翼2上升，第三直线作用液压缸5上有杆腔腔内高压的液态金属，流向第一水翼1第一摆动液压缸3上腔，第一水翼1俯仰角改变。第一水翼1摆动，第一摆动液压缸3低压腔液态金属流向第二水翼2，进入第四直线作用液压缸8的有杆腔。

水翼运动至上下极限位置，流体诱导水翼自主转向，不需外力控制。当其中一个水翼处于水平位置时，另一个会受到来流作用，不会出现运动死点。水翼可以实现平滑的运动，从而实现双水翼自启动、自主转向、可持续的振荡运动。

第一水翼1、第二水翼2可以为对称型水翼，如图7(a)所示；第一水翼1、第二水翼2也可以为非对称型水翼，如图7(b)所示。

在运动过程，第一水翼1和第二水翼2的相位角相差75-90°。从而保证了一个水翼处于水平位置时，另一个会受到来流力的作用，不会出现运动死点。

第一直线作用液压缸6、第二直线作用液压缸7、第三直线作用液压缸5和第四直线作用液压缸8均固定于海底。

本申请中，将第一直线作用液压缸6、第二直线作用液压缸7、第三直线作用液压缸5和第四直线作用液压缸8与立柱连接后，将立柱固定于海底。立柱的设置方式有两种，以下分别说明：

如图5所示，为两水翼与立柱的配合示意图，立柱以及两水翼的尺寸根据需求设置，并不以图中为准。该实施方式中设置单立柱，立柱11内具有空腔，第一直线作用液压缸6和第二直线作用液压缸7均固定于立柱11空腔内，第三直线作用液压缸5和第四直线作用液压缸8也固定于立柱11空腔内。立柱11固定于海底。

立柱11设有第一竖向滑槽，第一水翼1中部设有水平连轴穿过第一竖向滑槽；立柱11设有第二竖向滑槽，第二水翼2中部设有水平连轴穿过第二竖向滑槽。

如图6所示，该实施方式中立柱11设有两个，两个立柱11相对设置，两个立柱11均设有第一竖向滑槽，第一水翼1两端分别通过水平连轴连接于两个立柱11的第一竖向滑槽；两个立柱11均设有第二竖向滑槽，第二水翼2两端分别通过水平连轴连接于两个立柱11的第二竖向滑槽。第一直线作用液压缸6和第二直线作用液压缸7、第三直线作用液压缸5和第四直线作用液压缸8也均固定于立柱11的空腔内，立柱固定于海底。

此实施方式中，可以将第一直线作用液压缸6、第二直线作用液压缸7设置于其中一立柱，将第三直线作用液压缸5和第四直线作用液压缸8设置另一立柱，也可以将四个直线作用液压缸都设置于其中一立柱，也可以在两立柱中均设置四个直线作用液压缸，连接形成两套发电装置进行发电。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。