[实用新型]基于Weis--Fogh效应的复合翼叶栅型波浪能发电装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及海洋能源开发利用技术领域，尤其是一种基于Weis--Fogh效

应的复合翼叶栅型波浪能发电装置。

背景技术

    作为一种清洁的可再生能源，波浪能具有分布广阔、能量密度大的优点。但现有波浪能发电装置的发电效率普遍较低，尤其体现在能量一次转换效率低；大多数装置采用能量多级转换的方式进行发电，但中间转换损耗较大，影响整个系统的转换效率；同时，对于波浪能量为实现充分利用，大都为小型功率输出。部分大功率输出装置结构复杂，体积庞大，对于地形、波浪等要求较高。

Weis--Fogh效应是由一位英国生物学家Weis--Fogh发现台湾小黄蜂在飞行过程中采用了一种特殊的振翅方式“振翅拍击和挥摆急动”，认为这种特别的振翅方式与瞬时产生高升力有关。学术界将这种产生升力的机制命名为Weis--Fogh效应。Weis--Fogh机构起源于上个世纪七十年代，是一种模拟黄蜂飞行的升力装置，这种机构不仅能产生更大的升力，而且能瞬时产生升力，不像普通翼那样产生升力时存在Wagner效应（即升力产生的滞后现象），且不违反开尔文定理，具有极好的机动性和启动性。

如图1所示，Weis--Fogh机构简化成图示结构，两翼板拍击闭合时(图1(a))翼弦处于垂直方向；然后绕共同的根部以角速度Ω旋转张开(图1(b))，两翼间形成空隙，迫使周围流体充填该空隙，由于流体不可压缩，当张开角很小时，流体充填空隙的速度非常高，造成机翼上下表面巨大压力差。当半张开角度约为60°时(图1(c))，两翼以速度v分开(图1(d))。当两翼旋转张开时，流体进入两翼之间的空隙，同时产生大小相等，方向相反的速度环量Γ，并不违背总环量保持为零的开尔文定理因此，当两板分开时，每一翼板将立即获得流体升力L=pΓv的作用力。其中p为流体密度，故不存在由下泄涡引起的升力滞后现象。当Weis--Fogh机构闭合时，两翼对空隙间的流体产生压力，迫使流体流出空隙。与张开时类似，当张开角很小时，流体流出空隙的速度非常高，造成机翼上下表面巨大压力差，进而产生瞬态较高升力。

  如图2所示，为单翼叶栅型Weis--Fogh机构简化模型。图（a）张开运动开始状态，每个Weis--Fogh机构由两个平板组成，且平行于来流速度u(来流方向自右向左)，翼端点以B_n表示，翼根点以A_n表示，n=1，2，3…。翼端点张开，任何相邻两端点都作相反方向运动，直到相遇为止。图（b）为张开运动结束和闭合运动开始状态，该状态翼端点B_n不动， 相邻两翼根点作相反方向运动，直到相遇为止。图（c）为闭合运动结束和张开运动开始状态，此状态相邻两翼端点作张开运动，直至相遇为止。图（d）为张开运动结束，闭合运动开始状态。经过这4个阶段的运动，机翼恢复到初始运动位置，然后重复上面4个阶段的张开和闭合运动。

   如图3所示为复合翼叶栅型Weis--Fogh机构简化模型示意图。图中A、B、C三个复合翼并行排列构成叶栅，同一时刻每个复合翼的运动状态相同。每个复合翼由三个叶片组成，叶片之间能进行相对运动，当叶片不在一条直线时，复合翼具有拱度，当复合翼张开时，叶片是一个接一个张开的。

    图3中（A）为第一个叶片张开状态，此时第一个叶片绕第二个叶片旋转张开，其他叶片不转动；图（B）为第二个叶片张开状态，此时第二个叶片绕第三个叶片旋转张开，第三个叶片不转动，第一个叶片与第二个叶片作相对运动；图（C）为第三个叶片张开状态，此时第二个叶片与第三个叶片作相对运动，同时，第一个叶片与第二个叶片也继续作相对运动。每一个叶片张开，就形成一次Weis--Fogh效应。

    Weis--Fogh效应目前主要在新型船舶推进装置与船舶零航速减摇上有一定研究，国内哈尔滨工程大学的金鸿章，在中国国家科学基金项目（50575048）的资助下设计出零航速减摇鳍，一项法国专利No.1418806，Oct.18，1965和一项美国专利No.3307358，Mar.7，1967提出了一种用于泵水或用于船舶推进的新装置，其工作原理与Weis--Fogh效应类似。同时Weis--Fogh效应在飞行器用推进装置（中国专利：CN101249889）、容积式泵（中国专利：CN201090437）也有一定研究。但Weis--Fogh效应在波浪能发电领域的研究与应用仍为空白。

实用新型内容