用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置

1.本实用新型涉及潮流发电技术领域，特别是一种用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置。


背景技术：

2.由于近海渔业发展空间受限，现代化海洋牧场向深远海区域拓展将成为趋势。其电力能源供应成为限制海洋牧场智能化与自动化的一个因素。潮流能是重要的清洁可再生能源，由于深远海潮流能资源开发存在环境恶劣、成本高风险大、等一系列问题，研制适用于海洋牧场的的潮流能发电装置具有良好的应用场景。扑翼潮流能发电装置结构简单，叶片展向不受水深限制，在浅海区域可获得更大单机功率。
3.扑翼潮流能发电技术的工作原理为水翼在流体激励下做周期性俯仰/升沉耦合振荡运动，通过机-电转换机构将水翼的机械能转换为电能
4.扑翼稳定可持续的振荡运动是其捕获能量前提。扑翼在振荡运动过程中存在死点，即扑翼在俯仰运动的最大角度位置处，在无外力作用的情况，无法实现反向的运动，从而使得扑翼无法完成周期性的俯仰/升沉耦合振荡运动。因此，要实现扑翼稳定的可持续振荡运动通常需要外部控制系统激励水翼的振荡运动。
5.扑翼的能量转换输出主要由水翼往复升沉运动实现，通常需要通过齿轮或液压等机构将往复运动转化为单向旋转运动，然后由发电机实现电能的输出。由于叶片运动形式不同，旋转叶片式潮流能发电装置的能量传递转换机构难以直接应用于扑翼装置。采用普通电机需要将直线运动转化为旋转运动，将周期性往复直线运动转换为单向旋转运动的机构复杂且低效。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置，其有效地克服了扑翼振动过程中的死点位置的问题，实现了流体激励下扑翼稳定可持续的振荡运动，简化了能量传递与转换过程，结构简单，降低了能量损耗，稳定性好。
7.本实用新型的技术方案是：一种用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置，其中，包括基于液压耦合的双扑翼联动系统和直驱式发电系统，双扑翼联动系统包括两个液压缸、两个摆动液压缸和两个扑翼，液压缸内设有活塞杆和活塞，活塞固定在活塞杆的中部，活塞杆贯穿液压缸的轴向设置，且活塞杆的两端分别位于液压缸的外侧，活塞杆的顶端与摆动液压缸固定连接，扑翼与摆动液压缸的旋转轴固定连接，活塞杆的底端与直驱式发电系统连接；
8.所述两个液压缸分别为第一液压缸和第二液压缸，两个摆动液压缸分别为第一摆动液压缸和第二摆动液压缸，两个扑翼分别为第一扑翼和第二扑翼；
9.第一液压缸的上腔体与第二摆动液压缸的上腔体连通，第一液压缸的下腔体与第
二摆动液压缸的下腔体连接，第二液压缸的上腔体与第一摆动液压缸的上腔体连通，第二液压缸的下腔体与第一摆动液压缸的下腔体连通。
10.本实用新型中，所述第一液压缸内设有第一活塞杆和第一活塞，第一活塞将第一液压缸的腔体分为第一液压缸上腔体和第一液压缸下腔体，第一扑翼上下运动过程中带动第一活塞杆上下运动。
11.所述第二液压缸内设有第二活塞杆和第二活塞，第二活塞将第二液压缸的腔体分为第二液压缸上腔体和第二液压缸下腔体，第二扑翼上下运动过程中带动第二活塞杆上下运动。
12.所述摆动液压缸包括缸体和活塞，缸体的截面呈半圆形，活塞设置在缸体内，且活塞沿缸体的径向设置，活塞的一端与旋转轴固定连接，旋转轴设置在缸体截面的圆心处，旋转轴的另一端与缸体的内壁之间密封连接。
13.所述直驱式发电系统包括长次级和沿长次级的轴向分布的短次级，长次级包括直轴、磁极和动子磁轭，直轴固定在动子磁轭的轴向中心设置，直轴的顶端与活塞杆固定连接，沿动子磁轭的轴向外侧壁均匀间隔设置数个磁极，磁极中的永磁体为n极和s极交替排列；
14.所述短次级包括定子铁心和线圈绕组，动子磁轭滑动设置在定子铁心的轴向中心，沿定子铁心的轴向内侧壁均匀间隔设置数个线圈绕组，线圈绕组和磁极之间呈相对设置。
15.本实用新型的有益效果是：
16.(1)基于液压耦合的双扑翼联动系统能够捕获波浪能，将并捕获到的波浪能直接传递给直驱式发电系统，通过扑翼直接将捕获的能量传递给直驱式发电系统，简化了能量传递与转换过程，减少能量损失，提高了发电效率；
17.(2)基于液压耦合的双扑翼联动系统克服了扑翼俯仰运动的死点位置，保证扑翼俯仰运动和上下升降运动的稳定连续运行，从而有效的捕获能量，保证系统稳定连续运行；
18.(3)该装置结构简单，加工方便，成本低。
附图说明
19.图1是本装置的结构示意图；
20.图2是双扑翼联动系统的结构示意图；
21.图3是直驱式发电系统的结构示意图
‘
22.图4是摆动液压缸的结构示意图。
23.图中：1双扑翼联动系统；101第一活塞杆；102第一液压缸；103第一扑翼；104第一摆动液压缸；105第一液压缸下腔体；106第一活塞；107第一液压缸上腔体；108第二活塞杆；109第二液压缸；110第二摆动液压缸；111第二扑翼；112第二液压缸下腔体；113第二活塞；114第二液压缸上腔体；2直驱式发电系统；201直轴；202磁极；203动子磁轭；204定子铁心；205线圈绕组；3缸体；4活塞；5旋转轴。
具体实施方式
24.为了使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对
本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
25.在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广。因此本实用新型不受下面公开的具体实施方式的限制。
26.如图1所示，本实用新型所述的用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置包括基于液压耦合的双扑翼联动系统1和直驱式发电系统2，双扑翼联动系统包括两个液压缸、两个摆动液压缸和两个扑翼，液压缸内设有活塞杆，活塞杆贯穿液压缸设置，且活塞杆的两端分别位于液压缸的外侧。如图2所示，本实施例中的两个液压缸分别为第一液压缸102和第二液压缸109，两个摆动液压缸分别为第一摆动液压缸104和第二摆动液压缸110，两个扑翼分别为第一扑翼103和第二扑翼111。
27.其中第一液压缸102内设有第一活塞杆101和第一活塞106，第一活塞106固定在第一活塞杆101的中部，第一活塞106将第一液压缸102的腔体分为第一液压缸上腔体107和第一液压缸下腔体105。第一活塞杆101贯穿第一液压缸102的轴向设置，且第一活塞杆101的两端分别位于第一液压缸102的外侧，第一活塞杆101的顶端与第一摆动液压缸104固定连接，第一扑翼103与第一摆动液压缸104的旋转轴固定连接。第一活塞杆101的底部固定有直驱式发电系统2，第一活塞杆101上下运动过程中，直驱式发电系统2动作，实现发电。
28.第二液压缸109内设有第二活塞杆108和第二活塞113，第二活塞113固定在第二活塞杆108的中部，第二活塞113将第二液压缸109的腔体分为第二液压缸上腔体114和第二液压缸下腔体112。第二活塞杆108贯穿第二液压缸109的轴向设置，且第二活塞杆108的两端分别位于第二液压缸109的外侧，第二活塞杆108的顶端与第二摆动液压缸110固定连接，第二扑翼111与第二摆动液压缸110的旋转轴固定连接。第二活塞杆108的底部固定有直驱式发电系统2，第二活塞杆1018上下运动过程中，直驱式发电系统2动作，实现发电。
29.第一扑翼103和第二扑翼111都存在两个运动自由度，即上下升沉运动和绕俯仰中心即摆动液压缸的旋转轴的俯仰运动。
30.第一扑翼103随波浪运动过程中，第一扑翼103绕第一摆动液压缸104的旋转轴做俯仰运动的同时，波浪会对第一扑翼103产生向上或者向下的力，使第一扑翼103做上下升沉运动，从而带动第一活塞杆101上下运动。
31.第二扑翼111随波浪运动过程中，第二扑翼111绕第二摆动液压缸110的旋转轴做俯仰运动的同时，波浪会对第二扑翼111产生向上或者向下的力，使第二扑翼111产生做上下升沉运动，从而带动第二活塞杆108上下运动。
32.如图4所示，摆动液压缸包括缸体3和活塞4，本实施例中，缸体3的截面呈半圆形，活塞4设置在缸体3内，且活塞4沿缸体3的径向设置。活塞4的一端与旋转轴5固定连接，旋转轴5设置在缸体截面的圆心位置处，旋转轴5的另一端与缸3体的内壁之间密封连接。通过活塞4，将摆动液压缸分为上、下两个腔体，摆动液压缸的上腔体和下腔体处分别设有进出口。第一扑翼102和第二扑翼111之间始终存在相位差。
33.本实施例中，第一液压缸上腔体107通过连接管路与第二摆动液压缸110的上腔体连通，第一液压缸下腔体105通过连接管路与第二摆动液压缸110的下腔体连接。第二液压缸上腔体114通过连接管路与第一摆动液压缸104的上腔体连通，第二液压缸下腔体112通过连接管路与第一摆动液压缸104的下腔体连通。第一液压缸102和第二摆动液压缸110之
间、以及第二液压缸109和第一摆动液压缸104之间始终处于流体流动的状态。
34.扑翼在俯仰摆动过程中存在死点，通过采用本技术中的第一液压缸和第二液压缸耦合两个扑翼的上下升降运动和俯仰摆动，当第一扑翼103运动至最大角度无法反向摆动时，此时扑翼103处于死点位置，流体驱动与第二扑翼110连接的第二活塞杆108向下运动，在第二活塞杆108运动过程中，第二液压缸109内的高压流体流向了第一摆动液压缸104的腔体内，高压流体流入第一摆动液压缸104内时推动液压缸内的活塞摆动，活塞摆动带动旋转轴转动，同时与该旋转轴固定连接的第一扑翼103也随之转动，从而驱动第一扑翼做反向摆动，从而使第一扑翼103克服死点位置。同理，当第二扑翼111处于俯仰运动的死点位置时，第一扑翼103驱动高压流体流向与第二扑翼110连接的第二摆动液压缸110，通过第二摆动液压缸110内活塞的运动，驱动第二扑翼111反向摆动，克服第二扑翼111俯仰运动的死点。第二活塞杆108和第一活塞杆101上下运动的过程中，直驱式发电系统2动作，实现了连续发电。因此通过该双扑翼联动系统的液压耦合，既可以可以实现流体激励下扑翼稳定可持续的振荡运动，还实现了连续发电。
35.直驱式发电系统2包括长次级和沿长次级的轴向分布的短次级，其中长次级包括直轴201、磁极202和动子磁轭203，直轴201固定在动子磁轭203的轴向中心设置，直轴201的顶端与液压缸的活塞杆固定连接，活塞杆上下往复移动过程中，带动直轴201和动子磁轭203往复移动。沿动子磁轭203的轴向外侧壁均匀间隔设置数个磁极202，磁极202中的永磁体为n极和s极交替排列。短次级包括定子铁心204和线圈绕组205，动子磁轭203滑动设置在定子铁心204的轴向中心，沿定子铁心204的轴向内侧壁均匀间隔设置数个线圈绕组205，线圈绕组205和磁极202之间呈相对设置。
36.活塞杆往复移动过程中，带动与其固定连接的直轴201和动子磁轭203在定子的轴向中心往复移动，此时线圈绕组205的磁通方向将翻转变化，线圈绕组205产生感应电动势，实现了直驱式发电系统的发电。
37.该装置的工作原理如下所述。当第一扑翼103受到流体作用力时，第一扑翼103绕第一摆动液压缸104的旋转轴做俯仰摆动的同时，流体还对第一扑翼103产生上下方向的作用力，使第一扑翼103上下运动。第一扑翼103带动第一活塞杆101上下运动。通过第一活塞杆101带动与其固定连接的直轴和动子磁轭沿定子铁心的轴向中心往复移动，切割磁感线，从而实现发电。与此同时，与第一活塞杆101固定连接的第一活塞106将第一液压缸102内的高压流体压入第二摆动液压缸110内，第二摆动液压缸110内的活塞在高压流体的作用下摆动，并带动与活塞固定连接的旋转轴转动，旋转轴带动第二扑翼111做俯仰摆动，第二扑翼111在外力作用下克服其自身在俯仰运动过程中的死点。同理，当第二扑翼111受到流体作用力时，第二扑翼111绕第二摆动液压缸110的旋转轴做俯仰摆动的同时，流体还对第二扑翼111产生上下方向的作用力，第二扑翼111带动第二活塞杆108上下运动。通过第二活塞杆108带动与其固定连接的直轴和动子磁轭沿定子铁心的轴向中心往复移动，切割磁感线，从而实现发电。与此同时，与第二活塞杆108固定连接的第二活塞113将第二液压缸109内的高压流体压入第一摆动液压缸104内，第二摆动液压缸104内的活塞在高压流体的作用下摆动，并带动与活塞固定连接的旋转轴转动，旋转轴带动第一扑翼103做俯仰摆动，第一扑翼103在外力作用下克服其自身在俯仰运动过程中的死点。
38.当第一扑翼103转动至俯仰运动死点位置时，由于第一液压缸和第二摆动液压缸、
第二液压缸和第二摆动液压缸之间始终存在流体的流动，因此第一液压缸内的高压流体仍然流动至第二摆动液压缸110内，流入第二摆动液压缸110的高压流体带动活塞摆动，活塞摆动过程中带动与其固定连接的旋转轴转动，因此旋转轴带动第二扑翼111做俯仰摆动，此时第二扑翼111带动与其连接第二活塞杆108上下运动，将第二液压缸109内的高压流体压入第一摆动液压缸104内，第一摆动液压缸104的活塞在摆动过程中，通过与其固定连接的旋转轴带动第一扑翼103做俯仰摆动，克服了第一扑翼103俯仰运动的死点。同理，第二扑翼111运动至死点位置时，第一扑翼103驱动高压流体流向第二摆动液压缸110，通过第二摆动液压缸110内活塞的摆动，克服第二扑翼111俯仰运动的死点。
39.以上对本实用新型所提供的用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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。

技术特征：
1.一种用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置，其特征在于，包括基于液压耦合的双扑翼联动系统(1)和直驱式发电系统(2)，双扑翼联动系统包括两个液压缸、两个摆动液压缸和两个扑翼，液压缸内设有活塞杆和活塞，活塞固定在活塞杆的中部，活塞杆贯穿液压缸的轴向设置，且活塞杆的两端分别位于液压缸的外侧，活塞杆的顶端与摆动液压缸固定连接，扑翼与摆动液压缸的旋转轴固定连接，活塞杆的底端与直驱式发电系统连接；所述两个液压缸分别为第一液压缸(102)和第二液压缸(109)，两个摆动液压缸分别为第一摆动液压缸(104)和第二摆动液压缸(110)，两个扑翼分别为第一扑翼(103)和第二扑翼(111)；第一液压缸(102)的上腔体与第二摆动液压缸(110)的上腔体连通，第一液压缸(102)的下腔体与第二摆动液压缸(110)的下腔体连接，第二液压缸(109)的上腔体与第一摆动液压缸(104)的上腔体连通，第二液压缸(109)的下腔体与第一摆动液压缸(104)的下腔体连通。2.根据权利要求1所述的用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置，其特征在于，所述第一液压缸(102)内设有第一活塞杆(101)和第一活塞(106)，第一活塞(106)将第一液压缸(102)的腔体分为第一液压缸上腔体(107)和第一液压缸下腔体(105)，第一扑翼(103)上下运动过程中带动第一活塞杆(101)上下运动。3.根据权利要求1所述的用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置，其特征在于，所述第二液压缸(109)内设有第二活塞杆(108)和第二活塞(113)，第二活塞(113)将第二液压缸(109)的腔体分为第二液压缸上腔体(114)和第二液压缸下腔体(112)，第二扑翼(111)上下运动过程中带动第二活塞杆(108)上下运动。4.根据权利要求1所述的用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置，其特征在于，所述摆动液压缸包括缸体(3)和活塞(4)，缸体(3)的截面呈半圆形，活塞(4)设置在缸体(3)内，且活塞(4)沿缸体(3)的径向设置，活塞(4)的一端与旋转轴(5)固定连接，旋转轴设置在缸体截面的圆心处，旋转轴的另一端与缸体(3)的内壁之间密封连接。5.根据权利要求1所述的用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置，其特征在于，所述直驱式发电系统(2)包括长次级和沿长次级的轴向分布的短次级，长次级包括直轴(201)、磁极(202)和动子磁轭(203)，直轴(201)固定在动子磁轭(203)的轴向中心，直轴1(20)的顶端与活塞杆固定连接，沿动子磁轭(203)的轴向外侧壁均匀间隔设置数个磁极(202)，磁极(202)中的永磁体为n极和s极交替排列；所述短次级包括定子铁心(204)和线圈绕组(205)，动子磁轭(203)滑动设置在定子铁心(204)的轴向中心，沿定子铁心(204)的轴向内侧壁均匀间隔设置数个线圈绕组(205)，线圈绕组(205)和磁极(202)之间呈相对设置。

技术总结
本实用新型涉及潮流发电技术领域，特别是一种用于海洋牧场的扑翼直驱式潮流能发电装置。包括基于液压耦合的双扑翼联动系统和直驱式发电系统，双扑翼联动系统包括两个液压缸、两个摆动液压缸和两个扑翼，液压缸内设有活塞杆和活塞，活塞固定在活塞杆的中部，活塞杆贯穿液压缸的轴向设置，且活塞杆的两端分别位于液压缸的外侧，活塞杆的顶端与摆动液压缸固定连接，扑翼与摆动液压缸的旋转轴固定连接，活塞杆的底端与直驱式发电系统连接。其有效地克服了扑翼振动过程中的死点位置的问题，实现了流体激励下扑翼稳定可持续的振荡运动，简化了能量传递与转换过程，结构简单，降低了能量损耗，稳定性好。稳定性好。稳定性好。


技术研发人员：马鹏磊 刘贵杰 谢迎春 蒙占彬 叶程 卫跃强 沈显卓
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2022.12.12
技术公布日：2023/5/13