阅读说明：本技术 利用扑翼的俯仰-摇摆耦合运动采集风能的发电装置 (Power generation device for collecting wind energy by utilizing pitching-swinging coupled motion of flapping wings ) 是由 姜伟 谢诞梅 岳亚楠 杜海芬 梅子岳 吴凡 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种利用扑翼的俯仰-摇摆耦合运动采集风能的发电装置,包括摇臂,其上部铰接有伸缩装置,摇臂下部设置有配合其的摇摆运动以来回转动的气缸结构,气缸结构内具有密封的腔室；扑翼,其可活动地套设在摇臂的上部,伸缩装置的另一端与扑翼的一侧边铰接；以及磁流体发电机,其包括C形永磁铁、与C形永磁铁相对设置的磁场的磁流体以及通过电路与磁流体连接的电极,C形永磁铁套设在气缸结构外,磁流体设置在腔室内且其随着气缸结构做来回转动的过程中切割C形永磁铁产生的磁场从而产生电压和电流,电压和电流通过电极输出。本发明结构简单且紧凑,其通过风能提供主要动力进行发电,节约了能源且能进行有效发电。(The invention relates to a power generation device for collecting wind energy by utilizing pitching-swinging coupled motion of flapping wings, which comprises a rocker arm, wherein the upper part of the rocker arm is hinged with a telescopic device, the lower part of the rocker arm is provided with a cylinder structure which is matched with the rocker arm to swing back and forth, and a sealed chamber is arranged in the cylinder structure; the flapping wing is movably sleeved at the upper part of the rocker arm, and the other end of the telescopic device is hinged with one side edge of the flapping wing; and the magnetofluid generator comprises a C-shaped permanent magnet, a magnetofluid of a magnetic field arranged opposite to the C-shaped permanent magnet and an electrode connected with the magnetofluid through a circuit, the C-shaped permanent magnet is sleeved outside the cylinder structure, the magnetofluid is arranged in the cavity and cuts the magnetic field generated by the C-shaped permanent magnet in the process of rotating back and forth along with the cylinder structure so as to generate voltage and current, and the voltage and the current are output through the electrode. The wind power generation device is simple and compact in structure, and can provide main power to generate electricity through wind energy, so that energy is saved, and effective power generation can be realized.)

利用扑翼的俯仰-摇摆耦合运动采集风能的发电装置

技术领域

本发明涉及发电装置的技术领域，具体涉及一种利用扑翼的俯仰-摇摆耦合运动采集风能的发电装置。

背景技术

随着人口增长、经济发展和社会进步，人们对能源的需求日益增长，但是传统化石能源日渐枯竭，其开采成本和价格会逐渐提高。因此，可再生能源的开发利用是当今及未来相当长时间内能源发展的主题。可再生能源包括太阳能、风能、水能(专指河流水能)和海洋能等等，其中风能是仅次于太阳能的第二大可再生能源，蕴含量巨大且具有大规模开发利用的潜质。全球风能储量约为2.84万亿，其中可利用量约为600亿kW左右，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍左右。全球及我国的风能储量巨大，是当前占比最大和增长最快的可再生能源。但是风能实际利用量只占储量的很小一部分，其中可利用的风能资源占全球风能储备不到10％。

目前人类对风能的利用主要是基于传统的旋转透平机械，旋转透平机械对高品质流体动能的转化利用具有明显的优势。但是基于传统旋转透平机械的流体动能转化技术手段和装备也存在一定的局限性：旋转翼风机也只能在稳定高速的风场中才有经济效益，并且目前的风机只能采集靠近地面及海平面一层的风能；大直径的风机由于翼尖速度较高，其噪声导致大直径风机只能安装在无人区，大规模的风电场甚至会影响到鸟类的迁徙。旋转翼风机的这些缺陷限制了人类对风能，尤其是高空风能的深入开发利用。高空风能的开发利用面临巨大的技术挑战，发展适用于高空风能采集的、高效紧凑的发电装置逐渐成为学术界和工程界关注的焦点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用扑翼的俯仰-摇摆耦合运动采集风能的发电装置，该发电装置能够采集风能进行发电，该发电装置结构紧凑且能进行有效的发电。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种利用扑翼的俯仰-摇摆耦合运动采集风能的发电装置，包括：

摇臂，其上部铰接有伸缩装置，所述摇臂下部设置有配合其的摇摆运动以做顺时针或逆时针转动的气缸结构；

扑翼，其可活动地套设在所述摇臂的上部，所述伸缩装置的一端与所述摇臂的下部铰接，所述伸缩装置的另一端与所述扑翼的一侧边铰接；以及

磁流体发电机，其包括C形永磁铁、与所述C形永磁铁相对设置且用于切割所述C形永磁铁产生的磁场的磁流体以及通过电路与所述磁流体连接的电极，所述C形永磁铁套设在所述气缸结构外，所述磁流体设置在所述气缸结构的腔室内且其随着所述气缸结构做顺时针或逆时针转动的过程中切割所述C形永磁铁产生的磁场从而产生电压和电流，电压和电流通过所述电极输出。

进一步地，所述伸缩装置包括与所述摇臂和所述扑翼分别铰接的液压杆以及与所述液压杆通过集成油路和软管连接的液压油泵，所述液压油泵设置在地基上。

进一步地，所述气缸结构包括与所述摇臂下部固定连接的第一弧形推杆、与所述摇臂下部固定连接且与所述第一弧形推杆背向设置的第二弧形推杆、连接所述第一弧形推杆和所述第二弧形推杆的缸体，所述第一弧形推杆、所述缸体以及所述第二弧形推杆围合形成环形结构，所述第一弧形推杆与所述缸体通过第一活塞连接，所述第二弧形推杆与所述缸体通过第二活塞连接，所述第一活塞与所述缸体上远离所述第二活塞的端侧之间以及所述第二活塞与所述缸体上远离所述第一活塞的端侧之间均密封有可压缩气体，所述第一活塞和所述第二活塞在所述缸体内围合形成容置所述磁流体的所述腔室，所述C形永磁铁包裹在所述缸体外与所述磁流体对应处。

进一步地，所述腔室设置为其截面积从两端到中部逐渐减小，所述C形永磁铁设置在所述腔室的中部对应处。

进一步地，所述第一弧形推杆、所述缸体以及所述第二弧形推杆围合形成的环形结构的中心轴与所述摇臂的底端铰接。

进一步地，所述摇臂的上部设置有通孔，所述扑翼上的圆轴穿过所述通孔以使得所述扑翼套设在所述摇臂上，所述通孔的内径大于所述扑翼上的所述圆轴的外径。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明通过扑翼采集高空风能，作用在扑翼上的风力驱动摇臂做逆时针转动从而使得摇臂在摇摆过程中推动磁流体逆时针流动切割磁场，还有一部分机械能转化为第一气室和第二气室中气体的势能，该势能在摇臂逆时针旋转的时候储存，在摇臂顺时针旋转的时候释放，在释放过程中作用在摇臂上的气动力矩以及第一气室和第二气室中的压缩气体施加的弹性力矩共同作用下再次推动磁流体顺时针流动切割磁场从而使得在一个周期内磁流体来回切割C形永磁铁在腔室中形成的强磁场产生电压和电流以实现发电功能；本发明结构简单且紧凑，其通过风能提供主要动力进行发电，节约了能源且能进行有效发电；

2)本发明提供的利用扑翼的俯仰-摇摆耦合运动采集高空风能的发电装置，将风电装置的机电转化部分转移到了地面，大大降低了风电装置在空中部分的重量，从而保证在摇臂长度增加时装置的整体制造成本不会显著增加，意味着本发明可以采集到海拔更高位置的风能；

3)本发明的磁流体发电机针对摇臂的摇摆运动进行了改进，本发明的第一弧形推杆、第二弧形推杆以及缸体围合形成环形结构，摇臂的底端与环形结构的中心轴铰接，且磁流体设置在缸体内，即该磁流体发电机可以通过第一弧形推杆和第二弧形推杆的运动即可切割C形永磁铁的磁场产生电能，而不需要将转动转化为直线运动。

附图说明

图1为本发明实施例发电装置的结构示意图；

图2为本发明实施例气缸结构和磁流体发电机的结构示意图；

图3为本发明实施例气缸结构的结构示意图；

图4为本发明实施例发电装置一个运动过程的结构示意图；

图5为本发明实施例发电装置另一个运动过程的结构示意图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1所示，本发明提供一种利用扑翼的俯仰-摇摆耦合运动采集风能的发电装置，包括摇臂1、气缸结构、扑翼3以及磁流体发电装置。摇臂1的上部铰接有伸缩装置，在本实施例中，该伸缩装置可为一端与摇臂1的上部铰接的液压杆50以及与液压杆50通过集成油路51和软管52连接的液压油泵53,此处,采用软管52与液压油泵53连接是因为软管52具有一定的自由度和伸缩能力，因此其的设置能够保证液压推杆50和摇臂1之间的角度改变时,摇臂1的运动不会受限。摇臂1的下部设置有配合其的摇摆运动以做顺时针或逆时针转动的气缸结构。

见图2和图3，该气缸结构包括与摇臂1下部固定连接的第一弧形推杆20、与摇臂1下部固定连接且与第一弧形推杆20背向设置的第二弧形推杆21、连接第一弧形推杆20和第二弧形推杆21的缸体22，第一弧形推杆20、缸体22以及第二弧形推杆21围合形成环形结构，第一弧形推杆20和第二弧形推杆21还通过连接杆与该环形结构的中心轴24连接，中心轴24穿过基座23上的圆孔，可以绕自身轴线转动，基座23固定在地面或者地面上的支撑结构上。为了便于辅助摇臂1的摇摆运动，摇臂1的底端与该环形结构的中心轴24铰接，从而使得摇臂1在受力时能做以该中心轴24为圆心的摇摆运动。此外，液压油泵52固定在地基上。

第一弧形推杆20与缸体22通过第一活塞25连接，第二弧形推杆21与缸体22通过第二活塞26连接，第一活塞25与缸体22上远离第二活塞26的端侧之间形成第一气室27，第二活塞26与缸体22上远离第一活塞25的端侧之间形成第二气室28，第一气室27和第二气室28内均密封可压缩气体。此外,第一活塞25和第二活塞26在缸体22内还围合形成一腔室29。磁流体发电装置包括包裹在缸体22外的C形永磁体40、与C形永磁体40相对设置且用于切割C形永磁体40产生的磁场的磁流体41以及与磁流体41通过电路连接的电极42。磁流体41密封在第一活塞25和第二活塞26在缸体22内围合形成的腔室29内。当摇臂1受力绕着环形结构的轴心做逆时针的摇摆运动时，与摇臂1连接的第一弧形推杆20推动第一活塞25在缸体22内逆时针运动，第一活塞25在逆时针运动的过程中推动腔室29内的磁流体41逆时针流动从而切割形C形永磁体40产生的磁场以产生电压和电流,产生的电压和电流通过电极42输出。由于设置在缸体22内的第二活塞26在第一活塞25和磁流体41的推动下也做逆时针的运动从而压缩第二气室28内的气体，当上述作用在摇臂1上的力逐渐撤销时，第二气室28中的压缩气体释放从而推动第二活塞26顺时针转动进而推动腔室29内的磁流体41做顺时针的转动从而再次切割C形永磁体40产生的磁场产生电压和电流。为了提高该发电装置的发电能力，可将腔室29设置为截面积从两端向中部逐渐减小的形状，即该腔室为两端宽中间窄。为了进一步提高发电能力,可将该腔室29的中部设置为一条狭窄通道290，C形永磁体40则对应地包裹在该腔室29的中部狭窄通道290外。而为了提高C形永磁体40产生的磁场强度，则应尽可能地降低缸体22壁的厚度且将C形永磁体40包裹在缸体22外壁上，从而减小C形永磁铁40的N极到S极的距离，进而形成更强的磁场。

扑翼3可活动地套设在摇臂1上，具体地，摇臂1上部末端上设置有通孔，扑翼3上的圆轴穿过通孔以使得扑翼3套设在其上，通孔的内径大于扑翼3上圆轴的外径，进而使得扑翼3可以自由地在摇臂1上做俯仰运动。设置在摇臂1上的扑翼3的一侧边还与液压杆50的另一端铰接连接。由于摇臂1与液压杆50一端铰接，扑翼3与液压杆50的另一端铰接，故摇臂1、液压杆50以及扑翼3可以形成一个三角形，三角形的一条边(两个铰接点之间的连线)可以通过液压杆50的伸缩改变长度，从而改变扑翼3与摇臂1之间的夹角，即改变扑翼3的攻角和扑翼3受到空气的推力。此外，为了提高摇臂1做摇摆运动的作用力，即提高作用在第一活塞25上的推力，可以在摇臂1上沿其长度方向平行地设置多个扑翼3。

在应用本实施例的俯仰-摇摆耦合运动采集风能的发电装置时，将气缸结构设置在地面上，摇臂1以及其上的扑翼3伸向空中。在起始状态时，见图4，摇臂1与垂直方向的夹角最大，此时扑翼3也保持一个较大的攻角，当空中有风吹过时，扑翼3采集风能，风力作用在扑翼3上从而对摇臂1产生一个较大的逆时针气动力矩，在该力矩的驱动下摇臂1将克服摇臂1本身的重力力矩以及推动第一活塞25和第二活塞26逆时针转动，从而压缩第二气室28中的气体以使得摇臂1做逆时针摆动。在这个过程中，第一活塞25逆时针转动驱动腔室29中的磁流体41逆时针流动，磁流体41在流动过程中，由于腔室29的特殊形状使得磁流体41在其中部的狭窄通道290中高速流过从而切割C形永磁铁40在腔室29中形成的强磁场，根据法拉第电磁感应定律，狭窄通道290中的磁流体41将产生电压和电流，该电压和电流将通过电极42输出，从而对外输出电能。风力继续作用在扑翼3上直到扑翼3的攻角达到最大值，与此同时作用在摇臂1上的气动力矩也达到最大值，此时通过液压油泵53驱动液压杆50开始伸出，推动扑翼3的俯仰运动，扑翼3的攻角及作用在摇臂1上的气动力矩逐渐减小，到达图5时刻摇臂1与垂直方向的夹角达到最小值，扑翼3的攻角也达到最小值；此时，第二气室28中的气体的弹性力矩达到最大值，第二气室28中的压缩气体的弹性力矩作用在第二活塞26上推动第二活塞26顺时针转动，摇臂1在弹性力矩和重力力矩的驱动下顺时针旋转，在这个过程中第二活塞26驱动腔室29中的磁流体41顺时针流动，磁流体41顺时针流动的过程中再次高速通过狭窄通道290切割C形永磁铁40在腔室29中形成的强磁场产生电压和电流。而顺时针旋转的大部分时间扑翼3均保持一个非常小的攻角，保证这段时间内的气动力矩达到最小值，当摇臂1与垂直方向的夹角接近最大值时，液压油泵53迅速动作控制液压杆50回缩，液压杆50回缩时将扑翼3拉到一个较大的攻角，并开始下一轮的往复运动。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。