本實用新型涉及海洋工程中利用波浪能發(fā)電的領域領域，具體涉及一種基于往復式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，其既可以用于海上浮體的波浪發(fā)電，又可以用于波浪驅動滑翔器航行過程中的附加發(fā)電。

背景技術：

在陸地能源日益枯竭的當下，人們將目光投向了海洋。波浪運動蘊含著巨大的能量，因此“波浪發(fā)電”和“波浪驅動”一直是海洋工程研究的熱點。一方面，波浪發(fā)電站可以建在漫長的海岸線上，利用潮汐和近海的波浪發(fā)電，來供給近海地區(qū)工業(yè)用電的需求；另一方面，進來廣泛用于遠?？碧胶陀^測的“波浪滑翔器”上也運用了“波浪驅動”。當“波浪滑翔器”隨著波浪上下起伏時，連接在“鏈接掛纜”下的“滑翔翼”會受到水質點的作用力，產生一個向前的分量從而推動“波浪滑翔器”向前行駛。

然而，無論是現(xiàn)階段運用在近海岸的“波浪發(fā)電”，還是應用在“波浪滑翔器”上的“波浪驅動”都有許多問題和局限性：

現(xiàn)階段的“波浪發(fā)電”中應用較多的是“永磁直線發(fā)電機在直驅式波浪發(fā)電系統(tǒng)”。這種發(fā)電系統(tǒng)需要固定在近海的海底，并利用海浪的運動使其外殼內部的浮筒上下往復運動，從而帶動“動子”運動，進而切割磁感線發(fā)電。這種發(fā)電系統(tǒng)具有如下問題和局限性：

1)工程應用范圍較窄：由于發(fā)電系統(tǒng)要固定在海底，因此只能建立在水深較淺的海岸附近。而廣袤的遠海則擁有更豐富的海浪能，這樣以來傳統(tǒng)的波浪發(fā)電系統(tǒng)就無法有效地利用這部分能量。

2)受海況影響較大：傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)都需要固定在海底，因此會受到較大的風浪流的作用，久而久之會發(fā)生金屬疲勞和損壞。這也對構建的材料結構有較高的要求。

現(xiàn)階段的“波浪滑翔器”主要包括“水面浮體”、“滑翔體”和“鏈接掛纜”三部分。當“波浪滑翔器”隨著波浪上下起伏時，連接在“鏈接掛纜”下的“滑翔翼”會受到水質點的作用力，產生一個向前的分量從而推動“波浪滑翔器”向前行駛。同時“水面浮體”上的太陽能板也會儲備太陽能，為靜水航行提供動力。但是遇到連續(xù)陰天并且風平浪靜的情況，傳統(tǒng)的“波浪滑翔器”在太陽能耗盡后就無法產生動力，這就大大限制了續(xù)航能力。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型目的是：針對上述問題，提出一種基于往復式不對稱繞流力的發(fā)電裝置。一方面，該裝置能夠利用往復式不對稱繞流產生的水平作用力使裝置旋轉發(fā)電，不必固定在海底，可以安裝在浮體上，大大擴大了工程應用范圍，有效地利用了廣袤的遠海中豐富的波浪能。另一方面，該裝置結構簡單，可以安裝在波浪滑翔器上，作為補充發(fā)電儲能裝置，從而大大增強了波浪滑翔器的續(xù)航能力。

本實用新型的技術方案是：一種基于往復式不對稱繞流力的發(fā)電裝置，該裝置包括豎直布置的、且其上端與外部發(fā)電機相連的豎向連軸，所述豎向連軸的下端垂直固定有沿水平圓周方向間隔分布的至少三根水平連軸，每根水平連軸的一端均固定有一個非對稱結構體；每個所述非對稱結構體沿所述水平圓周方向具有一前端面和一后端面，每個所述非對稱結構體的前端面均為曲面，每個所述非對稱結構體的后端面均為豎直平面。

本實用新型在上述技術方案的基礎上，還包括以下優(yōu)選方案：

所述非對稱結構體為半球形、半橢球形、半圓柱形、棱錐形或圓錐形。

所述非對稱結構體為半球形。

所述水平連軸共設有六根，且這六根水平連軸沿著所述水平圓周方向均勻間隔分布。

所述的六根水平連軸是通過一聯(lián)軸器固定連接在所述豎向連軸下端的，該聯(lián)軸器上制有一個豎向連接孔和均勻分布在該豎向連接孔周圍的六個水平連接孔，所述豎向連軸的下端固定連接在所述豎向連接孔中，所述六根水平連軸的一端分別固定連接在所述六個水平連接孔中。

所述六根水平連軸的長度相同。

還包括旋轉軸承，該旋轉軸承包括同軸布置且能夠相對轉動的軸承內圈和軸承外圈，所述軸承內圈同軸固定套在所述豎向連軸的上端。

所述軸承外圈固定連接在海上浮體上。

所述軸承外圈固定連接在波浪滑翔器上。

本實用新型的優(yōu)點是：

1、本裝置的關鍵部件只有幾根連軸和幾個非對稱結構體，結構簡單，裝配方便，成本較低。

2、本裝置在工作時無需消耗能源，無需外界功率輸入，也不產生有害物質，節(jié)能環(huán)保。

3、本裝置既可以安裝在波浪滑翔器上，作為補充發(fā)電儲能裝置；又能安裝在海上浮體上，進行波浪發(fā)電，有效地利用了廣袤的遠海中豐富的波浪能，工程應用范圍廣。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步介紹：

圖1為本實用新型實施例這種發(fā)電裝置的立體結構示意圖，圖中F表示非對稱結構體所受到的水平切向力；

圖2為本實用新型實施例中旋轉軸承的徑向剖面圖；

其中：1-豎向連軸，2-水平連軸，3-非對稱結構體，4-聯(lián)軸器，5-旋轉軸承。

具體實施方式

圖1示出了本實用新型這種基于往復式不對稱繞流力的發(fā)電裝置的一個具體實施例，該裝置包括豎直布置的豎向連軸1，該豎向連軸1的上端與外部發(fā)電機相連，作為外部發(fā)電機的動力輸入端。豎向連軸1的下端垂直固定有沿水平圓周方向均勻間隔分布的六根水平連軸2，而且這六根水平連軸2的長度相同。每根水平連軸2的一端均固定有一個非對稱結構體3。每個非對稱結構體3沿所述水平圓周方向具有一前端面和一后端面，并且每一個非對稱結構體3的前端面均為曲面，每一個非對稱結構體3的后端面均為豎直平面，可見各個非對稱結構體3沿著所述水平圓周方向同向布置。

實際應用時，將該裝置布置在海洋中，讓整個裝置隨著波浪自由升降，利用升降產生的往復運動使非對稱結構體3外圍流體產生不規(guī)則繞流，因每個非對稱結構體3的前端面為曲面而后端面為豎直平面，進而使各個非對稱結構體3受到以豎向連軸1為中心作同方向轉動的水平推力，該水平推力帶動豎向連軸1繞其軸心線轉動，從而為與之相連的外部發(fā)電機提供發(fā)電動力，實現(xiàn)旋轉發(fā)電。

所述非對稱結構體3的形狀一般為半球形、半橢球形、半圓柱形、棱錐形或圓錐形為佳。本例中該非對稱結構體3為半球形，現(xiàn)通過力學計算對該發(fā)電裝置的工作原理作進一步介紹：

忽略海水粘性，則整個裝置的海水繞流可以用勢流理論來解釋。非對稱結構體3在整個軸系結構的帶動下做上下往復運動，以非對稱結構體3為參考系，則海水在半球形的非對稱結構體3外做反方向往復繞流運動。

假設某一時刻非對稱結構體3相對于地面系向上以速度U運動，則海水相對于半球形的非對稱結構體3做向下的繞流。此“半球繞流”的前部流場可以用“三維均勻流”與“三維偶極子流”的疊加得到。

設半球形非對稱結構體3半徑為a，為滿足壁面條件：r＝a時，V_r＝0。

可求得繞半球形非對稱結構體3前端面勢流流動的速度勢為：

半球表面速度可求得為

球表面上的壓力分布同樣可由Bernoulli方程求得。在無窮遠處，速度為U，壓強為P_∞，則有：

$\frac{P}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{V\mathrm{\θ}^2}{2g}=\frac{P\mathrm{\∞}}{\mathrm{\ρ}g}+\frac{U^2}{2g}---\left(3\right)$

可以得到

令一方面，半球形非對稱結構體3后端面(豎直平面)處可以看作均勻繞流，V＝U。

則：P＝P∞

利用求坐標系積分，可求得半球形非對稱結構體3的受力：

上述方程式中，r表示半球形非對稱結構體的半徑；V_r表示沿半球半徑的徑向速度；θ表示半球形非對稱結構體橫截面內球面上點與圓心連線和垂向半徑的夾角；Pθ表示球面上夾角為θ的一點處垂直于球面的壓力。

F是每一個非對稱結構體3以速度U在豎直方向運動時，其受到水體作用的水平切向力大小。該水平切向力F通過球心、垂直于半球切面指向半球一側。

同理可推導出當非對稱結構體3以速度U向下運動時，其受到的水平切向力的大小及方向與向上運動時相同。

由以上可知，當非對稱結構體3以一定速度在豎直方向往復運動時，會受到通過球心且垂直于半球切面指向半球一側的水平切向力F。六個非對稱結構體3受到的水平切向力F均沿所述水平圓周的切線方向，這些水平切向力F會推動非對稱結構體3圍繞豎向連軸1轉動，因非對稱結構體3與豎向連軸1為剛性固定連接，進而會帶動著豎向連軸1在其俯視方向作逆時針旋轉。豎向連軸1上端與外部發(fā)電機相連，為外部發(fā)電機提供發(fā)電動力，實現(xiàn)“旋轉發(fā)電”的功能。

簡言之，非對稱結構體3對流體的作用，使得背面(即非對稱結構體1的后端面)水流流向的流速小于正面(即前端面)水流流向的流速。同時根據流體力學中的伯努利原理，背面水流流向處的壓強將大于正面水流流向處的壓強，故而水流對非對稱結構體3產生了向前的推進力，非對稱結構體3在水流的作用下，將其上升和下降運動轉換成前向運動，進而轉換成豎向連軸1的自轉運動。

本實施例中，所述的六根水平連軸2是通過一特制的聯(lián)軸器4固定連接在所述豎向連軸1下端的。該聯(lián)軸器4上制有一個豎向連接孔和均勻分布在該豎向連接孔周圍的六個水平連接孔。豎向連軸1的下端固定連接在豎向連接孔中，而六根水平連軸2的一端分別固定連接在這六個水平連接孔中。

此外，本實施例還設有一個旋轉軸承5，該旋轉軸承5包括同軸布置且能夠相對轉動的軸承內圈和軸承外圈，其中軸承內圈同軸固定套在豎向連軸1的上端。實際應用時，將所述旋轉軸承5的軸承外圈固定連接在海上浮體上，也可將其固定連接在波浪滑翔器上(上述的外部發(fā)電機通常設置該所述海上浮體或波浪滑翔器上)，作為波浪滑翔器的補充發(fā)電儲能裝置使用，從而大大增強波浪滑翔器的續(xù)航能力。

所述水平連軸2的數(shù)量不限于只有六根，也可以是七根、八根等等，一般在三根以上為佳。

上述實施例只為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在于讓人們能夠了解本實用新型的內容并據以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據本實用新型主要技術方案的精神實質所做的等效變換或修飾，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。