一种基于折纸原理的两自由度新型波浪能发电装置

1.本发明涉及一种基于折纸原理的两自由度新型波浪能发电装置，涉及发电技术领域，特别是利用两自由度波浪能的新能源发电领域。


背景技术：

2.由于传统化石能源的不可再生性以及其带来的环境污染问题，寻求高效可靠的新能源替代方案成了亟待解决的问题。波浪能作为一种可再生能源，具有分布广、储量丰富、能量密度高、可预测、对环境影响小等优点，具有巨大的开发潜力。
3.目前大多数浮子式波浪能发电装置属于单自由度波浪能发电系统，其结构简单，成本相对较低，但仅能俘获垂荡方向的能量，波浪能的俘获效率较低。而多自由度振荡浮子式波浪能发电装置可以俘获多个自由度的能量，有效提高了俘能效率。然而，机械式或液压式多自由度能量俘获和转换装置存在设计难度大、结构复杂、可靠性差和成本高等问题。因此，设计新型多自由度浮子式波浪能发电装置对波浪能利用具有重要的意义。


技术实现要素：

4.针对两自由度波浪能发电装置结构复杂，以及成本高等问题，本发明提出了一种基于折纸原理的两自由度新型波浪能发电装置，利用了折纸机构的柔顺性和可折展性，通过对折痕形状的设计，得到能够捕获多个方向上能量的折纸机构。本发明将浮子的垂荡和横摇两个方向的能量转化为折纸气腔中气体的动能，气体驱动威尔斯涡轮机旋转，实现波浪能向电能的转化。本发明解决了传统两自由度波浪能发电装置需要多个能量转换装置的问题，对浮子的运动分析和发电装置建模也较为简单。同时，利用折纸气腔和涡轮机作为能量转换装置，解决了机械式、液压式能量转换装置具有的组成复杂、体积大、易漏油等问题，具有结构简单、效率高等优点。
5.本发明的目的是这样实现的：包括浮子、设置在浮子内的箱体和密封气室、质量块、设置在质量块与箱体之间的折纸气腔，折纸气腔有两个，质量块下方与连接板一通过螺栓连接，连接板一下方与折纸气腔一连接，连接板一和连接板二通过限位铰链连接，在连接板二下方设置折纸气腔二，折纸气腔二和箱体通过螺栓连接，折纸气腔一和折纸气腔二之间设有气体通口，箱体内部有气管，折纸气腔二与密封气室通过气管连接，气管内部设置有涡轮机，涡轮机的传动轴与发电机输入轴通过联轴器连接。
6.本发明还包括这样一些结构特征：
7.1.气管与密封气室接口处设有节流阀。
8.2.当浮子在波浪激励下产生垂荡和横摇往复运动时，质量块的惯性力使折纸气腔压缩或膨胀，当质量块受到向下的惯性力或顺时针的惯性扭矩时，折纸气腔被压缩，折纸气腔中的气体经气管通过涡轮机，进入到气室中；反之，折纸气腔膨胀，气室中的气体经气管通过威尔斯涡轮机进入折纸气腔；双向的气流驱动涡轮机的叶片单向旋转，从而使发电机产生电能，完成波浪能到电能的转换。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以俘获浮子的垂荡和横摇两个自由度的能量，基于折纸机构的能量转换装置组成简单、折纸气腔制作成本低，装置的安装和维护也较为简单。自行设计的威尔斯涡轮机需要的启动风速小，在小风速下即可驱动叶片转动。本发明采用气动系统完成能量的转换，不存在液压油泄露污染的问题，有利于环境的保护。
附图说明
10.图1是本发明的结构原理图；
11.图2是本发明的折纸气腔三维结构示意图；
12.图3是本发明的涡轮机叶片三维结构示意图；
13.附图标记说明：1—质量块，2、11—连接板一、二，13—限位铰链，3、4—折纸气腔一、二，5—连接螺栓，6—箱体，7—威尔斯涡轮机，8—气管，9—密封气室，10—发电机，12—浮子，13—限位铰链。
具体实施方式
14.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
15.本发明主要包括：浮子，密封气室和箱体固定在浮子内部；质量块，与上方折纸气腔通过连接板进行螺栓连接；连接板端部设有限位铰链，连接板可以绕铰链旋转；下方气腔与上方气腔成中心对称，并设有气体通道进行气体的交换，下方气腔设有气管接口连接气管，气管内固定有威尔斯涡轮机和永磁同步发电机，涡轮机传动轴与永磁同步发电机输入轴相连，气管末端与密封气室连接，密封气室具有一定的初始压强，与折纸气腔进行气体交换。
16.本发明基于折纸原理，通过对折痕的设计，设计了一种带有特定折痕，能俘获两自由度波浪能的折纸气腔结构，该折纸气腔结构可看作铰链连杆进行建模和分析，与直动液压缸相比而言，具有成本低，阻尼小等优点。
17.本发明使用了威尔斯涡轮机作为动力输出机构，可以将往复流动的气体运动转换为叶轮的单向转动，实现了运动整流功能，提高了俘能效率。
18.本发明的具体工作过程为，由于浮子垂荡和横摇方向上具有恢复力，所以当浮子漂浮在海面上时，浮子会产生垂荡和横摇周期性的运动。当浮子向上运动或逆时针转动的过程中，浮子内部的质量块在自身重力及惯性的作用下，会压缩下方的折纸气腔，使气腔中的气体带有一定的流速通过气管传递到威尔斯涡轮机，最后进入密封气室。具有一定流速的气体推动涡轮机叶片旋转，最后带动永磁发电机旋转，实现波浪能到电能转换。
19.反之，当浮子向下运动或顺时针转动的过程中，气体通过气管从密封气室流经威尔斯涡轮机，最后流入折纸气腔中，完成气体的交换。由于采用了威尔斯涡轮机，在往复气流作用下，叶轮产生单向的旋转，实现运动的整流。折纸气腔安装在两块连接板中间，为了防止在极端海况中折纸气腔发生破坏，两连接板通过限位铰链连接，限制了折纸气腔的最大变形量。
20.本发明使用了威尔斯涡轮机，该涡轮机由若干结构对称、沿轮毂均布、安装角为零的叶片组成，并形成一平面转子。具有结构简单、运行可靠，且无需任何整流装置就可在往
复气流中单向旋转做功等特点。
21.如图1所示，本发明给出了一种基于折纸机构的两自由度新型波浪能发电装置。整个装置包括外部浮子12和内部的动力输出装置两个部分。箱体6及其上面的装置和密封气体固定在浮子底部，整个折纸气腔和密封气室9预充有一定的压力，撑起整个装置以使质量块1的初始位置保持在水平位置。质量块下方与连接板一通过螺栓连接，连接板一2下方与折纸气腔一3连接，连接板一2和连接板二11通过限位铰链13连接，质量块带动下方的折纸气腔一起运动，连接板起到连接和限位保护作用。为了能够俘获多个自由度波浪能，从而吸收更多能量，在连接板二11下方连接折纸气腔二4，折纸气腔二4和箱体通过螺栓连接保持固连。为了实现气体的交换，折纸气腔一3和折纸气腔二4之间设有气体通口，箱体内部有气管8，折纸气腔二4与密封气室9通过气管连接，气管内部固定有威尔斯涡轮机，涡轮机的传动轴与发电机输入轴通过联轴器连接，实现了从涡轮机动能到发电机电能的转换。气管与密封气室接口处设有节流阀，用以控制气体的流速，实现涡轮机平稳的转动。上述能量转换装置固定在浮子内部，俘获在波浪作用下浮子的动能。
22.本发明的原理在于，利用海洋波浪中所储存的动能，当浮子在波浪激励下产生垂荡和横摇往复运动时，由于质量块的惯性、折纸气腔的结构特点，质量块的惯性力使折纸气腔压缩或膨胀。当质量块受到向下的惯性力或顺时针的惯性扭矩时，折纸气腔被压缩，折纸气腔中的气体经气管通过威尔斯涡轮机，进入到气室中；反之，折纸气腔膨胀，气室中的气体经气管通过威尔斯涡轮机进入折纸气腔。在上述过程中，双向的气流驱动威尔斯涡轮机的叶片单向旋转，从而使发电机产生电能，完成波浪能到电能的转换。

技术特征：
1.一种基于折纸原理的两自由度新型波浪能发电装置，其特征在于：包括浮子、设置在浮子内的箱体和密封气室、质量块、设置在质量块与箱体之间的折纸气腔，折纸气腔有两个，质量块下方与连接板一通过螺栓连接，连接板一下方与折纸气腔一连接，连接板一和连接板二通过限位铰链连接，在连接板二下方设置折纸气腔二，折纸气腔二和箱体通过螺栓连接，折纸气腔一和折纸气腔二之间设有气体通口，箱体内部有气管，折纸气腔二与密封气室通过气管连接，气管内部设置有涡轮机，涡轮机的传动轴与发电机输入轴通过联轴器连接。2.根据权利要求1所述的一种基于折纸原理的两自由度新型波浪能发电装置，其特征在于：气管与密封气室接口处设有节流阀。3.根据权利要求1所述的一种基于折纸原理的两自由度新型波浪能发电装置，其特征在于：当浮子在波浪激励下产生垂荡和横摇往复运动时，质量块的惯性力使折纸气腔压缩或膨胀，当质量块受到向下的惯性力或顺时针的惯性扭矩时，折纸气腔被压缩，折纸气腔中的气体经气管通过涡轮机，进入到气室中；反之，折纸气腔膨胀，气室中的气体经气管通过威尔斯涡轮机进入折纸气腔；双向的气流驱动涡轮机的叶片单向旋转，从而使发电机产生电能，完成波浪能到电能的转换。

技术总结
本发明提供一种基于折纸原理的两自由度新型波浪能发电装置，主要包括：浮子，密封气室和箱体固定在浮子内部；质量块，与上方折纸气腔通过连接板进行螺栓连接；连接板端部设有限位铰链，连接板可以绕铰链旋转；下方气腔与上方气腔成中心对称，并设有气体通道进行气体的交换，下方气腔设有气管接口连接气管，气管内固定有威尔斯涡轮机和永磁同步发电机，涡轮机传动轴与永磁同步发电机输入轴相连，气管末端与密封气室连接，密封气室具有一定的初始压强，与折纸气腔进行气体交换。本发明能俘获两自由度波浪能的折纸气腔结构，该折纸气腔结构可看作铰链连杆进行建模和分析，与直动液压缸相比而言，具有成本低，阻尼小等优点。阻尼小等优点。阻尼小等优点。


技术研发人员：展勇 申华伟 路遥 徐建安 罗凯
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/6/7