CN102536614B - 摆板式波浪发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摆式波浪发电装置，包括摆板、支撑立柱、齿轮换向装置、变速箱以及智能调节系统的自动调速机构、励磁发电机、永磁发电机和调向板。摆板可绕垂向单柱支撑作360度旋转，使装置能利用来自不同方向的海浪能。摆板又在波浪作用下绕摆轴摆动，通过机械换向机构把摆动转换为发电机的单向旋转运动，使海浪能的利用率得到极大提高。采用励磁发电机和永磁发电机组成的发电机组发电，永磁发电机给控制系统和发电机供电，使发电机不依赖外接电源就可发电。通过调节励磁电压调节发电机的发电功率，适于高效率地把不同浪高的波浪能转换为电能。

Description

摆板式波浪发电装置

技术领域：

本发明涉及一种将波浪能转换为电能的转换装置，属于工程机械设计领域。

背景技术：

能源是人类社会发展的重要基础资源，而不可再生能源的蕴藏量也是有限的。波浪能是海洋中分布最广的可再生能源，利用波浪能发电的有关研究得到了广泛的重视。在现有的海浪发电装置中，以摆式发电装置的结构最为简单。但现有的摆式发电装置是利用波浪的上下起伏驱动浮体上下运动从而获得结构往复运动的机械能，再利用液压装置将结构的往复运动机械能转换为液压能，然后通过液压泵将液压能转换为结构旋转运动的旋转机械能，最后由发电机将旋转机械能转换为电能。由此可见，现有摆式发电装置能量转换过程是机械能→液压能→机械能→电能，其转换过程多，损耗大，转换效率低。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是提供一种摆板式波浪发电装置，将波能通过机械能直接转化为电能，不用液压能作为中间转换环节，提高波能转换效率。

本发明为解决其技术问题所采取的总体思路是利用摆板在海浪作用下呈周期性摆动，通过机械传动机构将周期性摆动转换为变速箱轴的连续旋转运动，变速箱轴的连续旋转运动又驱动发电机发电。本发明所提出的发电装置包括摆板、工作平台、支撑立柱、旋转轴、单向离合器、换向装置、变速箱、控制器、速度传感器、励磁发电机、永磁电机、控制器和调向板。支撑立柱的下端固定于海底，旋转轴插入支撑立柱中，旋转轴与支撑立柱之间安装滚珠轴承，旋转轴可在支撑立柱中自由旋转。旋转轴上端与工作平台固定连接，工作平台在海面以上的一定高度上。调向板为一垂直安装的平板，其上面的一个边与工作平台固定连接。换向机构、变速箱和发电机安装在工作平台上。换向机构由换向轴和换向轴伞齿轮组组成。换向轴通过轴承座被固定安装在工作平台上，换向轴可以自由旋转。换向轴上再安装两块摆板和两个单向离合器，每个单向离合器上都安装一个伞齿轮。这样，两个单向离合器的两个伞齿轮与变速箱上的一个伞齿轮组成伞齿轮组，负责把换向轴的往复摆动转换成变速箱上的伞齿轮的单方向的旋转运动。变速箱与励磁发电机和永磁发电机同轴线安装，该轴线与换向轴的轴线垂直。变速箱的输入端的伞齿轮与换向轴上的两个伞齿轮啮合，输出端与励磁发电机连接，励磁发电机的另一端与永磁发电机连接，在励磁发电机与永磁发电机之间安装速度传感器，测量永磁发电机的转速。永磁发电机发出的电给控制器供电，来自速度传感器的速度信号送入控制器，控制器分析来自速度传感器的信号，根据分析并结果调整供给励磁发电机的励磁电压，控制器安装在工作平台上。下面分别描述单向离合器、换向装置和发电装置的结构。

(1)单向离合器的结构

单向离合器由外圈、内圈和8个滚柱组成，8个滚柱均匀安装在外圈和内圈之间。内圈上放置滚柱处的两小平面的倾角不对称，其作用是使滚柱只能向一个方向转动。这样，当外圈顺时针旋转时，滚柱在外圈和内圈滚动，内圈不跟随外圈旋转。当外圈逆时针旋转时，滚柱把外圈和内圈锁死，内圈随外圈旋转，这样就达到了单向离合的作用。

(2)换向装置的结构

换向装置由摆轴、单向离合器、齿轮、滚珠轴承、滚珠轴承座组成。滚珠轴承安装在滚珠轴承座中，滚珠轴承座安装在平台上。摆轴安装在滚珠轴承中。在两个滚珠轴承之间轴上安装左单向离合器和右单向离合器，每个单向离合器上都安装一个伞齿轮。左单向离合器上的伞齿轮和右单向离合器上的伞齿轮都与变速箱上的伞齿轮啮合，组成伞齿轮组。当摆轴在摆板的驱动下顺时针(从轴的右端看)转动时，带动两个单向离合器内圈转动，右单向离合器的内圈通过滚柱驱动外圈转动，右单向离合器的外圈驱动右伞齿轮转动，右伞齿轮驱动变速箱上的伞齿轮顺时针旋转，变速箱上的伞齿轮驱动变速箱的输入轴顺时针旋转，此时单左向离合器内圈空转不传递扭矩。当摆轴在摆板的驱动下逆时针(从轴的右端看)转动时，带动两单向离合器的内圈逆时针转动，左单向离合器的内圈通过滚柱驱动外圈转动，左单向离合器的外圈转动驱动左伞齿轮转动，左伞齿轮驱动变速箱上的伞齿轮顺时针旋转，变速箱上的伞齿轮驱动变速箱的输入轴顺时针旋转，此时右单向离合器内圈空转不传递扭矩。这样一来，不论摆板向哪个方向摆动，变速箱上的伞齿轮都顺时针旋转，换向装置达到了换向的目的。

(3)发电装置的结构

发电装置的支撑立柱固定安装在海底，工作平台上的垂直轴插入支撑立柱中，工作平台可绕支撑立柱做360°旋转。摆板与上述换向装置的摆轴固定连接，换向装置通过滚珠轴承座安装在平台上。变速箱安装在工作平台上，变速箱通过变速箱上的伞齿轮与换向装置连接。在波浪作用下摆板绕摆轴轴线顺时针转动时，摆轴上的右伞齿轮推动变速箱上的伞齿轮顺时针旋转，左伞齿轮空转。当摆板绕摆轴轴线逆时针转动时，摆轴上的右伞齿轮空转，左伞齿轮推动变速箱上的伞齿轮顺时针旋转。这样，就把摆板的往复绕轴运动转换成了伞齿轮的顺时针旋转。变速箱上的伞齿轮的旋转运动经变速箱变速后驱动发电机组旋转发电。发电机组安装在工作平台上，发电机组的输入端与变速箱的输出端连接。发电机组由励磁发电机和永磁发电机组成，励磁发电机和永磁发电机同轴安装。励磁发电机的励磁由控制器提供，控制器安装在工作平台上。永磁发电机功率较小，工作扭矩小，易启动。永磁发电机一方面给设备的控制系统供电，另一方面给励磁发电机提供励磁电压。调向板垂直于摆轴的位置安装，调向板的上端与工作平台固定连接。调向板的功能与船的舵类似，使摆轴与海浪的浪向垂直。由于波浪大小是随时间变化的，故要通过调节发电机的励磁电压调节发电机的阻力扭矩，使发电机转子的阻力扭矩与摆板摆动的扭矩相匹配。其原理就是通过转速传感器测量发电机的转速，转速变快说明浪高增加，要增加励磁电压，转速变慢说明浪高减小，要降低励磁电压。转速测量和励磁电压调节由自动控制系统完成。

本发明的有益效果是：(1)利用波浪水流周期的水平方向的往复运动驱动摆板摆动，摆板摆动的机械能直接通过换向调速装置驱动发电机转子旋转发电，省去了通过液压系统进行能量转换的中间环节，达到了提高能量转换效率的目的。(2)采用永磁发电机和励磁发电机组成组合发电装置，永磁发电机给励磁发电机提供励磁电流，使发电装置具有自供电源，不需外接电源。通过调节励磁发电机的励磁电压调节发电功率，使发电机的发电能力实时与不同波高的波能相匹配，进一步提高了波能转换效率。(3)通过浪向调向板使摆板自动调整到迎浪方向，使发电机能最大限度的利用不同浪向的波浪能进行发电。

附图说明：

图1是依据本发明所提出的摆式波浪发电装置结构正面示意图。

图2是依据本发明所提出的摆式波浪发电装置结构侧面示意图。

图3是依据本发明所提出的摆式波浪发电装置结构俯视图。

图4是依据本发明所提出的摆式波浪发电装置中的换向装置结构示意图。

图5是依据本发明所提出的摆式波浪发电装置中的单向离合器结构示意图。

图6是依据本发明所提出的摆式波浪发电装置的工作流程图。

图7是依据本发明所提出的摆式波浪发电装置的智能调速机构调速程序框图。

图中，1-左摆板，1′-右摆板，2-速度传感器，3-旋转轴，4-支撑立柱，5-调向板，6-工作平台，7-摆轴，8-励磁发电机，9-变速箱伞齿轮，10-左伞齿轮，11-右伞齿轮，12-端面轴承，13-上滚珠轴承、13′-下滚珠轴承，14-永磁发电机，15-变速箱，16-调向板下端定位滑轨，17-左单向离合器、17′-右单向离合器，18-轴承座，19-左滚珠轴承、19′-右滚珠轴承、20-滚柱，21-外圈，22-内圈，23-控制器。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明。

本发明所提出的发电装置包括左摆板1、右摆板1′、速度传感器2、旋转轴3、支撑立柱4、调向板5、工作平台6、摆轴7、励磁发电机8、变速箱伞齿轮9、左伞齿轮10、右伞齿轮11、端面轴承12、上滚珠轴承13、下滚珠轴承13′、永磁发电机14、变速箱15、调向板下端定位滑轨16、左单向离合器17、右单向离合器17′、轴承座18、左滚珠轴承19、右滚珠轴承19′、滚柱20，外圈21，内圈22和控制器23。

支撑立柱4的下端固定于海底，旋转轴3插入支撑立柱4中，旋转轴3与支撑立柱4之间安装上滚珠轴承13，旋转轴3可在支撑立柱4中自由旋转。旋转轴3上端与工作平台6固定连接，工作平台6在海面以上的一定高度上。调向板5为一垂直安装的平板，其上端的一个边与工作平台6固定连接，靠近支撑立柱4的一侧的偏下的位置处有一个滑块能使调向板5沿支撑立柱上的调向板下端定位滑轨16旋转。换向机构、变速箱和发电机安装在工作平台6上。换向机构由摆轴7、左单向离合器17、右单向离合器17′、左伞齿轮10、右伞齿轮11和变速箱伞齿轮9组成。摆轴7通过轴承座18被固定安装在工作平台6上，摆轴7可以自由旋转。左摆板1和右摆板1′分别安装在靠摆轴两端的位置，在两摆板之间的摆轴7上再安装将摆轴固定在工作平台上的两个轴承和轴承座。在两个轴承座之间的摆轴7上安装左单向离合器17和右单向离合器17′，每个单向离合器上都安装一个伞齿轮。左单向离合器17上的伞齿轮和右单向离合器17′上的伞齿轮都与变速箱上的伞齿轮9啮合。此时把已安装好伞齿轮的变速箱15安装到工作平台上。将变速箱15输出端与励磁发电机8轴的一端同轴线连接，并将励磁发电机8固定安装在工作平台6上。将励磁发电机8轴的另一端与永磁发电机14的轴同轴线连接，且把永磁发电机安装在工作平台6上。最后在励磁发电机8与永磁发电机14之间安装速度传感器2，测量永磁发电机的转速。

装置中的摆板1在波浪作用下和摆轴7一起绕摆轴中心做往复周期摆动。由图1可见，当摆轴7在摆板的驱动下顺时针(从轴的右端看)转动时，带动两个单向离合器的内圈转动。右单向离合器17′的内圈通过驱动离合器内的滚柱驱动外圈转动，右单向离合器的外圈驱动右伞齿轮11顺时针旋转，右伞齿轮11驱动变速箱伞齿轮9顺时针旋转，此时左单向离合器17的内圈空转不传递扭矩。当摆轴7在摆板的驱动下逆时针(从轴的右端看)转动时，摆轴7带动两个单向离合器的内圈转动，左单向离合器17的内圈通过驱动离合器内的滚柱驱动外圈转动，左单向离合器17的外圈驱动左伞齿轮10逆时针旋转，左伞齿轮10也驱动变速箱伞齿轮9顺时针旋转，此时右单向离合器17′的内圈空转不传递扭矩。这样一来，不论摆板向哪个方向摆动，变速箱伞齿轮9都顺时针旋转，把摆板的往复绕轴运动转换成了变速箱伞齿轮9的顺时针旋转运动，换向装置达到了换向的目的，满足了发电机转子要求单向旋转发电的要求。

变速箱伞齿轮9的顺时针旋转带动了励磁发电机8和永磁发电机14的转子同时旋转，永磁发电机立即输出电压和电流，使发电机的控制系统23得电。速度传感器2即可获取发电机转子的转速信号，并送入控制系统23，控制系统23分析转速信号后调整供给励磁发电机8的励磁电压，调整励磁发电机8的阻力扭矩，达到调整发电机转速的目的。

当波浪的波高较大时，摆板的摆速快、扭矩大，发电机转子的转速快，速度传感器获取转速快的信号，由控制系统经程序分析后调高发电机的励磁电压，增加发电机的阻力扭矩，使摆板的摆速降低。当波浪的波高较小时，摆板的摆速慢、扭矩小，发电机转子的转速慢，速度传感器获取转速慢的信号，由控制系统经程序分析后调低发电机的励磁电压，减小发电机的阻力扭矩，使摆板的摆速增加。这样就使摆板的摆幅与波浪的大小相匹配，达到最佳发电状态。当波浪的浪向变化时，调向板两侧受到的波浪力不对称，这种不对称波浪力的驱动调向板绕垂直立柱旋转，转到使调向板两侧受到的波浪力对称的位置上。这样一来，就把摆板控制在一直处于迎浪的位置上，使发电效果最佳。

本发明采用单柱支撑，摆板可绕单柱作360度旋转，使装置能利用来自不同方向的海浪能。采用了机械换向机构，海浪能的利用率得到极大提高。采用励磁发电机和永磁发电机组成的发电机组发电，适于高效率地把不同浪高的波浪能转换为电能。

Claims (1)

1.一种摆式波能发电装置，包括摆板、工作平台、支撑立柱、换向机构、变速箱、速度传感器、励磁发电机、永磁发电机、调向板和控制器，通过机械传动机构将周期性摆动转换为变速箱轴的连续旋转运动，变速箱轴的连续旋转运动又驱动励磁发电机发电，其特征是：支撑立柱的下端固定于海底，旋转轴插入支撑立柱中，旋转轴与支撑立柱之间安装滚珠轴承，旋转轴可在支撑立柱中自由旋转，旋转轴上端与工作平台固定连接；调向板为一垂直安装的平板，其上面的一个边与工作平台固定连接；换向机构、变速箱和励磁发电机安装在工作平台上，换向机构由换向轴和换向轴伞齿轮组组成，换向轴通过轴承座被固定安装在工作平台上，换向轴可以自由旋转，换向轴上再安装两块摆板和两个单向离合器，每个单向离合器上都安装一个伞齿轮，这样，两个单向离合器上的两个伞齿轮与变速箱上的一个伞齿轮组成伞齿轮组，负责把换向轴的往复摆动转换成变速箱上的伞齿轮的单方向的旋转运动；变速箱与励磁发电机和永磁发电机同轴线安装，该轴线与换向轴的轴线垂直，变速箱的输入端的伞齿轮与换向轴上的两个伞齿轮啮合，输出端与励磁发电机连接，励磁发电机的另一端与永磁发电机连接；在励磁发电机与永磁发电机之间安装速度传感器，测量永磁发电机的转速，速度传感器获取的永磁发电机转子的转速信号送入控制器，控制器安装在工作平台上；永磁发电机给控制器供电，控制器分析来自速度传感器的数据并调整供给励磁发电机的励磁电压，从而调整励磁发电机的阻力扭矩，达到调整励磁发电机转速的目的。

Images