CN102454534A - 一种多浮体阵式海浪发电设备 - Google Patents

Abstract

一种多浮体阵式海浪发电设备，所要解决的技术问题是：1/有效的在大的面积、大的范围里收集海浪能；2/有效的把收集到的海浪能传递到发电机上。本发明是靠海浪的势能的变化和海水的浮力，使浮体上下运动，再通过齿条组和齿轮等机械装置，把浮体的上下运动转化为传动轴的旋转运动，并通过传动轴、单向离合器和齿轮把旋转运动传递到发电机上，驱动发电机发电。因为是“多浮体阵”，所以可以在大的面积上收集海浪能，因为是依靠浮体上下运动收集海浪能，所以可以在小海浪与大海浪之间的大的范围里收集海浪能。

Description

一种多浮体阵式海浪发电设备

技术领域：

本发明是用于海浪发电领域的一种多浮体阵式海浪发电设备。

背景技术：

与石油、煤炭这类积累太阳能的化石能源相比，风能、海浪能这类即时太阳能都存在着相对能量密度较低，来源分散且不确定、能量大小不稳定的特征。为了大规模的利用好这类即时太阳能源，就必须具有能够大面积、大范围收集这些能源的手段，而且这些手段还必须相对于化石能源来讲是廉价的，可以不依靠任何形式、任何名目的政府资金补贴就具有市场竞争力的，只有做到这点才符合可持续的绿色能源的意义。

除了潮汐之外，风是形成海浪的一个主要的原因，由于水的密度是空气的密度的800余倍，因此海浪能也可以看作是一种被富集了的风能，开发并用好海浪能对于满足人类的能源需求来讲，将比风能具有更重大的意义。

目前可以看到的各种文字描述的或者已经应用的海浪发电设备，都是一种“点状设备”，即这种设备只能在一个很小的面积和范围里收集海浪能；要增加这种设备的发电能力，也都只能是采取多台这样的设备的集群工作。

对于这种“点状设备”来讲，每一台设备都需要有一台发电机，而且因为只能在一个很小的面积和范围里收集海浪能，并由于海浪能的“来源分散且不确定、不稳定”的特征，使发电机不能经常处于额定工作状态，由此带来了使用海浪能发电的成本居高不下。

事实上，在开发风能、海浪能这类即时太阳能源的时候，最重要的是首先要有正确的用于指导开发和设计的思维：

“对于这类即时太阳能源来讲，只有能够以价格低廉的手段大量的获取，这些能源才有现实使用的价值，因此使用这类能源的关键不仅仅是解决技术上的问题，更重要的是必须重视‘价格低廉’这一前提。‘价格低廉’的需求决定了获取这类能源的技术发展的思路和方向。而现实中，人们常常忽略这点，在获取这些能源的时候，堆砌了大量的昂贵的设备。”

这是当前使用风能、海浪能这类即时太阳能普遍存在的问题。对于海浪能来讲，解决这个问题的一个思路就是把“点状设备”改变为“面状设备”，即一套可以在很大面积、很大范围里收集海浪能的装置驱动一台发电机的“面状设备”，变“同时仅收集一波海浪能发电为同时收集多波海浪能发电”，这样既可以在收集海浪能的面积相同的情况下比“点状准备”减少发电机的数量，又可以使发电机经常处于正常的额定工作状态，由此实现了减低制造和使用的成本。

“面状设备”的另一个好处，在于可以设计制造出性能价格比优秀的大功率的海浪发电设备来。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：1/有效的在大的面积、大的范围里收集海浪能；2/有效的把收集到的海浪能传递到发电机组上。

本发明是靠海浪的势能的变化和海水的浮力，使一个“阵”里的多个浮体上下运动，再通过齿条和齿轮等机械装置，把这些浮体的上下运动转化为传动轴的旋转运动，并通过传动轴、单向离合器和齿轮把旋转运动传递到发电机组上，驱动发电机组发电。

因为是“多浮体阵”，所以可以在大的面积上收集海浪能；

因为是依靠浮体上下运动收集海浪能，所以可以在小海浪与大海浪之间的大的范围里收集海浪能；

因为是多个浮体同时向一个主级传动系统传送海浪能----即使有些浮体处在停滞的位置上，但是仍然可能还有另一些浮体在提供海浪能----因此可以为发电机组提供稳定而连续的海浪能的供给，这也是称其为“阵”的原因。

本发明是这样实现的：

如图1、图2、图3所示。

本发明是由一个主级传动系统1，若干个与主级传动系统1连接的次级传动系统2，四个或者四个以上的浮体3，与浮体的数量相同的相对齿条组4，安装上述系统或部件的框架5，使框架与海底固定连接的基础6，一台或者一台以上的发电机组7组成。

若干个浮体3与数量相同的相对齿条组4相连接，这些相对齿条组4再与一个次级传动系统2相连接，若干个这样相同的次级传动系统2再与一个主级传动系统1相连接，最后，这个主级传动系统1与发电机组7相连接，由此形成了一个从浮体3到发电机组7的海浪能的传递链，把浮体3从海浪中获得的海浪能传递到发电机组7上，驱动发电机组7发电。

主级传动系统1：

1/主级传动系统是由位于中部的一个大齿轮1-1，垂直于大齿轮1-1的平面的并驱动大齿轮1-1旋转的向两边延伸的传动轴1-2，位于传动轴1-2上的若干个伞齿轮组1-3和位于伞齿轮组上的单向离合器1-5，若干个万向节联轴器1-4，若干个储能飞轮1-6组成。

2/大齿轮1-1主要用于提高从次级传动系统2传来的转速，以便与发电机组7的所需要的转速相匹配，同时兼有起稳定转速的飞轮的作用。

3/若干个伞齿轮组1-3的作用在于把若干个次级传动系统2的旋转动力传递到主级传动系统1上。

4/每个在与次级传动系统2连接的伞齿轮组1-3里的两个伞齿轮里都各有一个单向离合器1-5，以保证只有当次级传动系统2的主传动轴2-2的转速高于主级传动系统1的传动轴1-2的转速的时候，次级传动系统2才能与这两个伞齿轮固定连接，才能向主级传动系统1的传动轴1-2传动。这样做的目的在于保证能量传递的单向性。

所谓的“能量传递的举向性”是指海浪能只应该由浮体3向发电机组7传递，而不应该出现相反的情况。

5/由于主级传动系统1很长，为了保证主级传动系统1的传动轴1-2的转动的平顺性，传动轴1-2的中间设置若干个万向节联轴器1-4。

6/主级传动系统1的传动轴1-2的总长度越长，可供连接的次级传动系统2越多，可以设置的浮体3也就越多。

7/主级传动系统1的传动轴1-2的总长度，取决于主级传动系统1在传递能量过程中的能量消耗。当在距离主级传动系统1中部的大齿轮1-1的最远端的能量输入，等于传动过程中的能量消耗的时候，就是主级传动系统1的传动轴1-2的最佳长度。这与多浮体阵式海浪发电设备的各个部分的制造装配的精度、安装的准确性有很大的关系。

另一种确定总长度的办法是，当为了延长主级传动系统1的传动轴1-2的总长度所增加的投资额(边际投入)，等于增加发电量的收入的增加额(边际收益)的时候，就是主级传动系统1的传动轴1-2的最佳长度。这与提供海浪的环境有很大的关系。

8/由于主级传动系统1的长度大，为了保证位于传动轴1-2末端的能量的有效的传递，在主级传动系统1中的大齿轮1-1到末端之间的中间位置和末端位置，都可以设置若干个储能用的飞轮1-6。

次级传动系统2：

1/次级传动系统2连接在主级传动系统1的伞齿轮组1-3里的伞齿轮上的单向离合器1-5上。

2/在每个次级传动系统2上都是由一个齿轮组2-1，主传动轴2-2和短轴2-3，万向节联轴器2-4，并排串装的齿轮2-5和单向离合器2-6、2-7组成，它通过相对齿条组4与浮体3连接，并把浮体3获得的海浪能传递到主级传动系统1上。

3/齿轮组2-1是一对相互啮合的齿轮，其中一个较小的齿轮安装在次级传动系统的主传动轴2-2上的一个单向离合器2-7上，另一个齿轮固定在一根短轴2-3上.。

4/短轴2-3上另有两个并排串装的齿轮2-5，在这两个齿轮里分别安装有两个互为反向的单向离合器2-6，并通过这两个单向离合器2-6与短轴2-3连接。这两个单向离合器2-6的离合方向相反，即一个在顺时针旋转时分离，在逆时针旋转时锁死结合，另一个在顺时针旋转时锁死结合，在逆时针旋转时分离。

5/两个离合方向相反的单向离合器2-6的作用在于，无论浮体3向上运动，还是向下运动，都可以通过相对齿条组4向次级传动系统2输送海浪能，并保证使短轴2-3始终按同一个旋转方向旋转。

6/在次级传动系统2的主传动轴2-2上的齿轮组2-1里较小的齿轮，通过一个单向离合器2-7与这个主传动轴2-2连接，以保证只有在这个较小的齿轮的转速大于这个主传动轴2-2的转速的时候，齿轮才被固定在这个主传动轴2-2上。这样做的目的在于保证海浪能传递的单向性

浮体3：

1/浮体3是这种多浮体阵式海浪发电设备从海浪里获取能源的主要的部件。

2/每个浮体3被框架5限定在一个固定的位置里随海浪做上下运动。

3/在每一个浮体3的顶部都安装一组相对齿条组4，并使相对齿条组4随浮体3上下移动。

4/浮体3无论向上(靠排水量获得浮力)还是向下(靠自身的重量)都能提供动力，因此浮体3的自重和浮力应该大体相等，以保障海浪能输出的稳定性。

5/为了使浮体3只做上下运动，并且不发生旋转，在浮体3上开有两个与内腔隔绝的通孔3-1。框架5上的立柱从通孔里穿过。

6/为了便于检查浮体3的内腔，在浮体3上开一个可以密闭的人孔3-2。

相对齿条组4：

1/相对齿条组4是由两个齿尖相对的齿条4-1组成。两个齿条4-1条分别各自从次级传动系统2的短轴2-3的两侧，与短轴2-3上的两个带有离合方向相反的单向离合器2-6的齿轮2-5啮合，两个齿条的齿尖有一定的错位，以便分别各自与这两个串装在短轴2-3上的齿轮2-6啮合。

2/当浮体3向上运动的时候，齿条4-1中的一个齿条带动的齿轮2-5中的一个齿轮的单向离合器2-6闭合锁死，由此带动短轴旋转，此时另一个齿条带动的齿轮的单向离合器打开，齿轮与短轴呈“分离”状态，即两者可以自由相对转动；当浮体向下运动的时候，原来闭合锁死的单向离合器打开，原来打开的单向离合器闭合锁死，使短轴2-3能够继续按照原来的旋转方向旋转。

框架5：

1/框架5分为三种，一种是位于多浮体阵式海浪发电设备的中部的安装大齿轮1-1与发电机组7的框架，一种是位于前一种框架两侧的安装多浮体阵，及主级传动系统1的除大齿轮1-1之外的其他部分和次级传动系统2的框架，一种是安装储能飞轮1-6的框架。

2/第一种框架的主体是安装大齿轮1-1和发电机组7的基座。

3/第二种框架是一个长方体。上面是一个“鱼骨状”的平台，以安装支撑主级传动系统1和次级传动系统2的传动轴的轴承的轴承座。

4/第三种框架与第一种基本相同，只是没有发电机组座，主要用于安装支撑储能飞轮1-6的轴承的轴承座。

5/浮体3安装在长方体的框架5里的垂直于海面的立柱上。

6/在框架5的迎风面和水平海浪的拍击面应该设立分散的小型的船首状的挡墙，用以减小水平风浪对一种多浮体阵式海浪发电设备的冲击。挡墙应该做在海面以上，一避免对海浪上下起伏的阻挡。

说明书附图中未表示挡墙的位置与图形。

基础6

1/基础6使框架5被水淹没的深度为“以最低潮线为基准，减去(浮体的吃水深度+缓冲深度+框架5的底部的厚度)”。缓冲深度是保障浮体3下落的时候不会撞击到框架5上。

在水深较大的海里，基础6将需要较高的高度。

发电机组7

1/发电机组7包括增速齿轮箱和发电机。如果使用低转速的不用增速齿轮箱的直驱式发电机，也可以把增速齿轮箱省略，采用哪种方案以实现最低成本为准。

2/因为发电机是安装在海面上(而不是象风力发电机安装在高空中)，没有空间大小的限制，所以允许使用廉价的普通的增速齿轮箱，发电机也可以使用较为廉价的具有防潮防水功能的普通发电机。

3/为了获得发电机组7的适用的转速，整个传动系统将可以设置四级增速：齿条对齿轮、次级传动系统2里的一对大小齿轮组2-1、主级传动系统1里的伞齿轮组1-3之间、起飞轮作用的大齿轮1-1对发电机组7，再与增速齿轮箱匹配，完全可以满足普通的非直驱式发电机的转速的要求了。

附图说明：

1/在图1、图2、图3中，相同的数字标号都是指一种多浮体阵式海浪发电设备里的同一系统或者同一部件。

2/图1为总示意图，但图中未绘出发电机组7。发电机组7与主级传动系统1的连接关系见图2。图2表达的是一台发电机组。

3/图1中加粗的黑实线是主级传动系统1和次级传动系统2的分布的位置，以及位于主级传动系统1末端的储能飞轮1-6的位置。

4/图2是反映了主级传动系统1与次级传动系统2、次级传动系统2与相对齿条组4的连接关系，以及主级传动系统1与发电机组7、次级传动系统2与浮体3的位置的关系，以及储能飞轮1-6的位置的示意图。

5/图1所表示的浮体3的数量并不表示在一种多浮体阵式海浪发电设备上只能有这么多数量的浮体3。根据实际的海况，浮体3的数量可以少于或者多于图中所表示的数量。

6/图3是浮体3与相对齿条组4的安装关系示意图。

7/图3中浮体3与相对齿条组4的连接采用了螺栓连接的办法。图中表示了在浮体3与相对齿条组4之间留有一定的活动间隙，以保证相对齿条组4与齿轮2-5的有效啮合。

具体实施方案

1/为了运输和安装的便利，框架5应该分为一段一段的，在再现场组装，每一段的大小，以方便运输为好。每一段之间可以采用法兰和螺栓连接。每段框架5以钢管焊接为主。

2/沿框架5外部的立柱需要特别加强，同时在迎风面接近海平面的位置上可以加装多个外形与船首一样的小挡水墙，以抗击水平运动的风浪对浮体3的拍击。

3/浮体3的安装。在浮体3上设置两个通孔3-1，通孔3-1与浮体3的内腔隔绝，浮体3通过通孔3-1穿在框架的两根立柱上。立柱实际上就是浮体的上下运动的轨道。设置两个通孔的目的是为的是保证浮体在运动过程中只能上下不能旋转，以保证浮体顶部的相向齿条组与齿轮有效的啮合。在安装过程中，立柱在穿上浮体3后用螺栓与框架5连接，以便在浮体3在需要维护的时候便于从框架5上取出。

4/浮体3的顶部设置一个密闭的人孔，以供在必要时检查浮体3的内腔用。

5/浮体3一般呈圆柱状，两端为圆弧凸起。

6/浮体3的数量和排列的位置，视海况决定。因为浮体3从海浪里提取了能量，起到了消浪的作用，因此要视海浪的大小来决定垂直于海浪来源方向的浮体3的排列的数量。

7/浮体3的直径大小也应视海浪的大小决定，浮体3的最大直径不能超过一个海浪的宽度，以避免在一个浮体3上同时出现两组相连的海浪的波峰波谷的情况。

8/单向离合器的可以采用棘轮结构的单向离合器。

9/浮体3与相对齿条组4的连接应该允许两者之间有一定的活动余量，以保证齿条4-1与齿轮2-5的有效啮合为准。齿条4-1与齿轮2-5的啮合的精度宜粗不宜精，可以按农用机械的标准执行即可。事实上，浮体3的运动轨迹与相对齿条组4的运动轨迹应该尽可能的重叠或者平行。

10/事实上，一种多浮体阵式海浪发电设备并不局限于“鱼骨形”的布局，还可以衍生出其他形式的布局，例如，当海况只允许浮体3单层或者双层面对海浪排列的时候，仅凭若干个次级传动系统2的串接，也可以成为一种多浮体阵式海浪发电设备。

11/一种多浮体阵式海浪发电设备可以用于沿海岸地区的浅海，或者距离海岸有一定距离的大陆架地区，也可以建筑在深海里。

12/一种多浮体阵式海浪发电设备的关键点是确保框架5不随海浪上下运动。因为一种多浮体阵式海浪发电设备之所以能够发电，是因为浮体3与框架5之间在海浪的作用下做相对运动，只要能够实现这种相对运动，不论浅海还是深海就都能够实现发电，因此，如果是在深海之中，对于处于漂浮状态的框架5，采用海底基础+锚链系固定深度的方式，也是可行的。

事实上，这是一种具有“广谱适应性”的简单的有效的价廉的海浪发电设备。

Claims (8)

1.一种多浮体阵式海浪发电设备，它包括一个主级传动系统(1)，若干个次级传动系统(2)，四个或者四个以上的浮体(3)，与浮体的数量相同的相对齿条组(4)，安装上述系统或部件的框架(5)，把框架固定在海底的基础(6)，一台或者一台以上的发电机组(7)，其特征在于浮体(3)与相对齿条组(4)相连接，相对齿条组(4)再与次级传动系统(2)相连接，次级传动系统(2)再与主级传动系统(1)相连接，主级传动系统(1)再与发电机组(7)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种多浮体式海浪发电设备，其特征在于主级传动系统(1)上有多个储能飞轮(1-6)。

3.根据权利要求1所述一种多浮体阵式海浪发电设备，其特征在于在主级传动系统(1)上，用于与次级传动系统(2)连接的伞齿轮组(1-3)的两个伞齿轮里都各有一个单向离合器(1-5)。

4.根据权利要求1和权利要求3所述一种多浮体阵式海浪发电设备，其特征在于次级传动系统(2)连接在主级传动系统(1)的伞齿轮组(1-3)里的伞齿轮里的单向离合器(1-5)上。

5.根据权利要求1所述的一种多浮体阵式海浪发电设备，其特征在于次级传动系统(2)的短轴(2-3)上的两个并排串装的齿轮(2-5)，分别各自通过两个离合方向相反的单向离合器(2-6)安装在短轴(2-3)上。

6.根据权利要求1和权利要求5所述的一种多浮体阵式海浪发电设备，其特征在于相对齿条组(4)是由两个齿尖相对的齿条(4-1)组成，这两个齿条分别各自从短轴(2-3)的两侧与短轴(2-3)上的两个带有相反的单向离合器(2-6)的齿轮(2-5)啮合，两个齿条(4-1)的齿尖有一定的错位，以适应分别各自与两个并排串装在短轴(2-3)上的齿轮(2-5)的啮合。

7.根据权利要求1和权利要求6所述的一种多浮体阵式海浪发电设备，其特征在于浮体(3)与相对齿条组(4)连接。

8.根据权利要求1和权利要求7所述的一种多浮体阵式海浪发电设备，其特征在于浮体(3)有两个通孔(3-1)，通过两根通过通孔(3-1)的立柱安装在框架(5)上。

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