CN102828891A - 浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统，它包括浮体、钢绳、定滑轮组、控制塔架、齿条飞轮组、发电机；所述的齿条飞轮组包括齿条杆件和齿轮轴飞轮组，所述的齿轮轴飞轮组包括与齿条杆件相啮合齿轮轴或飞轮，所述的浮体下方与第一钢绳的一端连接，第一钢绳通过定滑轮组变向，导引，将海浪对浮体的作用力转化为浮体对钢绳的拉力，通过钢绳的拉力拉动齿条杆件做上下直线运动，通过齿轮轴飞轮组将齿条杆件的上下直线运动转化为轴的旋转运动，带动旋转式发电机发电，所述的齿轮轴飞轮组和发电机安装在控制塔架上。本发明的目的在于提供一种结构合理，能有效利用海浪能量的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统。

Description

浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统

技术领域

本发明涉及一种利用海浪的能量进行发电的系统。

背景技术

目前为止，人类发明的利用海浪的能量发电的装置和技术有很多，其中利用浮体接受海浪能量的设计，它们都是采用浮体上方或侧面连接杆件，利用浮体推动杆件，再利用杆件推动机械装置做功。在这些设计中，由于浮体与杆件的连接为硬连接，杆件有方向属性，所以无法将海浪对浮体所有方向的作用力转化成可利用的能量，以至于转化效率低，且部分无法转化的作用力直接形成对浮体及附属设备构件的破坏力，故这些设计方案中的结构装置容易损坏，工作不稳定，运转控制难，转化效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，能有效利用海浪能量的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统。

本发明的技术方案如下：它包括浮体、钢绳、定滑轮组、控制塔架、齿条飞轮组、发电机；所述的齿条飞轮组包括齿条杆件和齿轮轴飞轮组，所述的齿轮轴飞轮组包括与齿条杆件相啮合齿轮轴或飞轮，所述的浮体下方与第一钢绳的一端连接，第一钢绳通过定滑轮组变向，导引，将海浪对浮体的作用力转化为浮体对钢绳的拉力，通过钢绳的拉力拉动齿条杆件做上下直线运动，通过齿轮轴飞轮组将齿条杆件的上下直线运动转化为轴的旋转运动，带动旋转式发电机发电，所述的齿轮轴飞轮组和发电机安装在控制塔架上。

本发明具有结构简单、能充分利用海浪的能量进行发电，发电效率高、工作稳定性好，设备运转控制容易，且设备使用不易损坏的优点。由于钢绳的最初导向为向下方向，且钢绳与浮体的连接允许浮体多方向、多角度变化，而海浪对浮体的作用力无论如何复杂多变，都将形成向上的合力，所以转化效率高，结构稳定。

附图说明

图1是本发明一种实施例的整体结构示意图。

图2是图1的A-A剖视结构示意图。

图3是图2的B-B剖视结构示意图。

图4是一种双面齿条飞轮组的齿轮轴飞轮组的结构示意图。

图5是齿条杆件及负载物的结构示意图。

图6一种浮体的内部结构示意图。

图7是图6的俯视结构示意图。

图8是图7的左视结构示意图。

图9是另一种单面齿条飞轮组的齿轮轴飞轮组的结构示意图。

图10是图9的C-C剖视图。

标号说明：

1浮体、2第一钢绳、3第一定滑轮、4第二定滑轮、5第三定滑轮、6齿条飞轮组、7控制升降卷扬机、8控制塔架、9发电平台、10第二钢绳、11控制转轮、12齿条基板、13齿条、14飞轮、15主动轴、16齿条基板连接杆、17钢绳连接杆、18负载物承载架、19负载物、20进水口、21出水口、22注水舱、23海底、24锚固架、25第三钢绳、26第四定滑轮、27第一导轮、28第一导轨、29控制塔架水平连杆、30发电机、31轴承、32基座板、33离合器、34第二导轮、35第二导轨、36齿轮、37起重滑轮组。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：

如图1-10所示，本发明包括浮体1、钢绳、定滑轮组、控制塔架8、齿条飞轮组、发电机；所述的齿条飞轮组包括齿条杆件和齿轮轴飞轮组；所述的齿条飞轮组可做成单面齿条飞轮组或双面齿条飞轮组,所述的齿轮轴飞轮组包括与齿条杆件相啮合的齿轮轴或飞轮，所述的齿条杆件包括齿条13和固定齿条用的齿条基板12；所述的定滑轮组包括第一定滑轮3、第二定滑轮4、第三定滑轮5和第四定滑轮26；所述钢绳包括第一钢绳2、第二钢绳10和第三钢绳25。所述的浮体1下方与第一钢绳2的一端连接，第一钢绳2依序通过第一定滑轮3、第二定滑轮4、第四定滑轮26和第三定滑轮5变向，导引，将海浪对浮体的作用力转化为对钢绳的拉力，通过钢绳拉动齿条杆件做的下直线运动，通过齿轮轴飞轮组将齿条杆件的上下直线运动转化为轴的旋转运动，带动旋转式发电机发电，所述的齿轮轴飞轮组和发电机等安装在控制塔架上。

本发明可通过控制浮体的工作方向和有效排水量决定系统的最大受力，调整控制第三定滑轮的高度可以适应潮涨潮落，调整控制齿条杆件的整体重量可以适应浪大、浪小的变化。

所述的浮体为本发明的发电系统接受海浪能量的部件，浮体以依据力学原理制作的桁架杆件为骨架，用轻质排水材料，如塑料泡沫填充与骨架结合，构成实心或半实心的浮体，在骨架外以玻璃钢或耐海水腐蚀的工程塑料包覆，起到保护的作用。浮体可以是任意形状，但以长条型，截面呈V形为佳，在图6-8所示的一种实施例的浮体1中，仅在浮体1的下半部分填充有轻质排水材料，而在上半部分的浮体1中仅有起加强作用的桁架杆件，这种结构有利于延长浮体的使用寿命，加强浮体的牢固性。在所述的浮体长轴两端连接有第二钢绳10用以控制浮体工作方向，浮体底部设有连接第一钢绳接口，该接口为浮体内部受力桁架架的集力点，允许该点承受集中的向下拉力，接头处呈下喇叭形，浮体与第一钢绳的连接允许浮体多方向，多角度任意变化，浮体上部设有注水舱22，注水舱上方设有注水口，下方设有可开启、关闭的排水口。

所述的钢绳，为系统中的主要传递拉力的部件；如图1所示，在本发明附图所示的实施例中，共设有三条钢绳，分别为第一钢绳2、第二钢绳10和第三钢绳25，所述的第一钢绳2的一端连接浮体，依序通过第一定滑轮3、第二定滑轮4、第四定滑轮26和第三定滑轮5后其另一端与齿条杆件顶端连接；所述的第二钢绳10有两端与浮体两端连接，钢绳中部绕过控制转轮11；所述的第三钢绳25用于控制第三定滑轮5的升降，其连接在控制升降卷扬机和第三定滑轮架上部的起重滑轮组之间。所述的第一钢绳2可以是一条也可以是多条，所述的定滑轮组包括四个定滑轮，相应四个定滑轮上均设一个或多个滑道，每条第一钢绳对应一个滑道，视为一条工作；旨在增强钢绳抗拉强度，又免因增加绳径而加大定滑轮轮径，可以设多条钢绳。第一钢绳一端连接于浮体下方接口，另一端绕过第一定滑轮，使第一钢绳由向下延伸方向变为向后、向上方向延伸，再通过第二定滑轮、第三定滑轮、第四定滑轮变向，导引第一钢绳最终与齿条杆件上端连接，第一钢绳在水平面上的垂直投影为一直线，浮体端为系统前方向，齿条杆件端为系统后方向。

所述的第一钢绳2一端连接于浮体1下方接口，另一端穿绕过锚固于浮体1下方的第一定滑轮3，使第一钢绳2由向下延伸方向变为向上、向后方向延伸，再通过第二定滑轮4、第四定滑轮、第三定滑轮5变向、导引最终与所述的齿条杆件上端连接，所述的第一钢绳2的全程在水平面上的垂直投影为一直线，这样可确保钢绳所受拉力的传递效果最佳。为了便于本发明系统前后位置的描述，将浮体端称为本发明系统的前端，将齿条杆件端称之为本发明系统的后端。

所述的定滑轮组在本发明系统中主要起导引第一钢绳2，改变第一钢绳2拉力方向的作用，在图1所示的本发明的一种实施例中所述的滑轮组中共有四个定滑轮，称之为第一定滑轮3、第二定滑轮4、第三定滑轮5和第四定滑轮26，第一定滑轮3锚固于浮体1下方，第二定滑轮4和第四定滑轮26固定安置于控制塔架8前下方，导引第一钢绳2由向下、向后延伸，再经第四定滑轮转为垂直向上延伸，并使第一钢绳穿过控制塔架8横杆，进入控制塔架中腔；第三定滑轮5安置于齿条杆件上方的控制塔架8上部，四个定滑轮的锚固位置处于同一垂直平面上。

当本发明系统应用于海上浮动平台时，第一定滑轮3以全钢结构制作滑轮的锚固架24，锚固架24伸入水下固定，满足受力需求，并可定期吊起维护，第三定滑轮5固定安置于控制塔架上端，此时无需使用控制卷扬机。

当本发明系统建设于浅海区时，第一定滑轮3以钢绳筋砼制作滑轮的锚固架24，锚固架24以钢筋砼预制桩式锚固于海底，第三定滑轮5为可控高度定滑轮，第三定滑轮5装于控制塔架8的滑轮架中，滑轮架外设有第二导轮34与控制塔架上部垂直设立的第二导轨35配合，在滑轮架顶端连接有起重滑轮组37的控制塔架顶端装有控制升降卷扬机7，通过第三钢绳25、连接控制升降卷扬机7和起重滑轮组来控制第三滑轮的的升高、降低，使本发明系统适应潮水高低变化。

所述的控制升降卷扬机7牢固安置于控制塔架8顶端，将第三定滑轮5及其滑轮架作为起重对象，控制升降卷扬机7通过第三钢绳25及起重滑轮组与第三定滑轮5的滑轮架连接。

如图5所示，所述的齿条杆件是本发明系统的动力传递转换部件，是齿条滑轮组的一部分，齿条杆件为一长条形受力杆件，垂直设置于控制塔架下部中间，齿条杆件顶端设有连接第一钢绳2的钢绳连接杆17，中间段安装齿条13，齿条13长度长于本发明系统设计的第一钢绳2的最大升降行程。如图4、5所示，所述的齿条杆件可以单面式双面安装，齿条杆件下端设有负载重物的负载物承载架18；如图3所示,负载物承载架18四边设有第一导轮27与控制塔架下部垂直设置的第一导轨28配合，使齿条杆件可沿第一导轨28做精确的上、下直线运动，负载物承载架18上设有以耐海水腐蚀的玻璃钢或其他新材料制作的贮水舱（也就是负载物19），贮水舱设有可控的进水口20、出水口21，齿条杆件上部穿过发电平台9的预留中孔使齿条杆件上的齿条与齿轮轴或飞轮啮合。

所述的齿轮轴飞轮组，是本发明系统的动力转换部件，是齿条飞轮组的组成部分，具体的结构可以有多种形式：如图4、5所示，双面齿条飞轮组，它固定安置于发电平台9上，所述的飞轮（齿轮）14，其功能是将齿条杆件的上下直线运动转换为飞轮轴的单向旋转运动，在一主动轴上安装至少两个以上同一种规格的飞轮14（超越离合器），分成两组，飞轮做功（超越）方向一致，飞轮外圈制作成与齿条杆件上的齿条同模数的齿轮，用齿条杆件上相对的两面齿条分别同时带动不同组的飞轮。当齿条杆件上升时一面齿条带动一组飞轮做功，另一面齿条同时带动另一组飞轮反向空转，当齿条杆件下落时正好相反，先前做功的一组飞轮反向空转，先前空转的一组飞轮做功，当齿条杆件不停地做上下运动时，则主动轴连续不停输出动力。再如，单面齿条飞轮组，如图9、10所示，齿条杆件上的单面齿条13与一齿轮轴中部的齿轮36相啮合，该齿轮轴两端装有大齿轮同时与两个二级轴两端的小齿轮啮合，二级轴中段装有统一规格的飞轮，不同轴上的飞轮一对一两个成组对应安装，可以装有多组，同组飞轮外圈相互啮合，同一轴上飞轮做功（超越）方向一致，二轴上的飞轮做功方向相反，当齿轮杆件上下运动时，则二个二级轴上任一轴的飞轮外圈都将输出旋转运动，齿条飞轮组的功能也可以用其他设备，如直线发电机，往复式水泵等取代。

所述的控制塔架是本发明整个系统各部件的承载基础，它将各部件连接为一体，为各部件提供支座空间定向与支座应力，控制塔架结构形式根据本发明系统不同型号的受力要求，依据力学原理设计，以能满足系统各部件的空间需求和受力需求为其主要功能，当控制塔架建设于浅海区时，控制塔架高于最高潮水水位5米左右设置发电平台9，发电平台9用于安置齿轮轴飞轮组、发电机及控制浮体1方向的转轮等；控制塔架为垂直中空正方体形，上部设有供第三定滑轮升降的第二导轨35，下部设有与齿条杆件承载架上的第一导轮27配合的第一导轨28。发电平台中间有开孔，使齿条杆件上部穿过开孔与齿轮轴或飞轮相交。当系统应用于海上浮台时，第三定滑轮高度无需可调，也无需控制升降的卷扬机，则控制塔架可降低。

本发明系统的工作原理如下:浮体接受海浪的作用力,通过浮体内部桁架杆件集中成对第一钢绳的拉力，第一钢绳连接于浮体下方，第一钢绳与浮体的连接允许浮体多方向、多角度任意变化，海浪对浮体的作用力无论如何复杂多变，都将形成向上的合力，而第一钢绳的最初导向为向下方向，所以浮体受到的海浪任何方向的作用力都将全部转化为对第一钢绳的拉力，在浪峰的作用下，浮体拉动第一钢绳，通过第一、第二、第四、第三定滑轮导引、变向，最终拉动齿条杆件向上做直线运动，对齿轮轴飞轮组发电机做功，并使齿条杆件连同负载物升高蓄能；当浪峰转为浪谷时，浮体对第一钢绳的拉力减少或消失，齿条杆件及负载物下落，对齿轮轴飞轮组做功，并回拉第一钢绳，拉动浮体复位，如此不断往复将海浪的无序运动转化为齿条杆件的有序直线运动，继而通过齿轮轴飞轮组转化为旋转运动带动发电机发电，完成对海浪能量的收集、传递和转化。

本发明运转的控制：通过用传感器监视齿条杆件的工作位置变化，利用控制塔架顶端的控制升降卷扬机，可以升高、降低第三定滑轮的位置，通过改变第三定滑轮的高度可以使本发明系统适应潮涨潮落的变化，使齿条杆件保持在合适的工作位置。增减负载物的重量（海水的量），可以改变齿条杆件的整体重量，改变做功力矩，适应浪大、浪小的变化，通过发电平台前端设立的转轮控制第二钢绳可以控制浮体的工作方向，使浮体的长轴与海浪的主播方向垂直，利于对海浪能量的吸收，浮体的工作方向、大小、形状决定着本发明系统各部件的最大受力，极端海况时（如大台风、大风暴）可关闭浮体注水舱22的排水口，超大海浪，雨水将自动注入注水舱，增加浮体自重，减轻浮体对第一钢绳的拉力，超过浮体能接受的大浪将漫过浮体，不予接受，而当海况恢复正常时，只需开启排水口，注水舱里的水将自动排出注水舱，排入大海中，浮体回复正常工作状态。

Claims (10)

1.一种浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统,其特征在于：它包括浮体（1）、钢绳、定滑轮组、控制塔架（8）、齿条飞轮组（6）、发电机（30）；所述的齿条飞轮组（6）包括齿条杆件和齿轮轴飞轮组，所述的齿轮轴飞轮组包括与齿条杆件相啮合齿轮轴或飞轮（14），所述的浮体（1）下方与第一钢绳（2）的一端连接，第一钢绳（2）通过定滑轮组变向，导引，将海浪对浮体（1）的作用力转化为浮体（1）对钢绳的拉力，通过钢绳拉动齿条杆件做上下直线运动，通过齿轮轴飞轮组将齿条杆件的上下直线运动转化为轴的旋转运动，带动旋转式发电机（30）发电，所述的齿轮轴飞轮组和发电机（30）安装在控制塔架（8）上。

2.根据权利要求1所述的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统，其特征在于：所述的浮体（1）以桁架杆件为骨架，用轻质排水材料填充于骨架内，在骨架外以玻璃钢或耐海水腐蚀的工程塑料包覆。

3.根据权利要求2所述的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统，其特征在于：所述浮体是长条型，截面呈V形，浮体水平长轴两端设有连接第二钢绳（10）的接绳柱，通过第二钢绳（10）用以控制浮体工作方向，浮体（1）底部设有连接第一钢绳（2）接口，该接口为浮体（1）内部受力桁架杆件的集力点，所述的接口处呈下喇叭形，浮体上部设有注水舱（22），注水舱（22）上方有注水口，下方有带阀门的排水口。

4.根据权利要求1所述的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统，其特征在于：所述的第一钢绳（2）是一条或多条，所述的定滑轮组包括四个定滑轮，相应四个定滑轮上均设一个或多个滑道，每条第一钢绳（2）对应一个滑道，视为一条工作；第一钢绳（2）一端连接于浮体（1）下方接口，另一端绕过第一定滑轮（3），使第一钢绳（2）由向下延伸方向变为向后、向上方向延伸，再通过第二定滑轮（4）、第三定滑轮（5）、第四定滑轮（26）变向，导引第一钢绳（2）最终与齿条杆件上端连接，第一钢绳（2）在水平面上的垂直投影为一直线，浮体（1）端为系统前方向，齿条杆件端为系统后方向。

5.根据权利要求1所述的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统，其特征在于：所述的第一定滑轮（3）锚固于浮体（1）下方，第二定滑轮（4）固定安置于控制塔架（8）前下方；导引第一钢绳（2）由向下、向后延伸，再经第四定滑轮（26）转为垂直向上延伸，并使第一钢绳（2）穿过控制塔架（8）横杆，进入控制塔架（8）中腔体内，第三定滑轮（5）安置于齿条杆件上方的控制塔架（8）上部，四个定滑轮的锚固位置处于一个垂直平面上。

6.根据权利要求1所述的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统，其特征在于：当所述的控制塔架（8）安装在浮动平台上时，所述的第一定滑轮（3）的锚固架（24）以全钢结构制作，锚固架（24）伸入水下固定，并可定期吊起维护；所述的第三定滑轮（5）固定安置于控制塔架（8）上端；或者当所述的控制塔架（8）安装在浅海区时，第一定滑轮（3）锚骨架以钢筋混凝土制作，并以预制桩锚固于海底（23）。

7.根据权利要求6所述的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统，其特征在于：它还包括控制升降卷扬机(7)，当系统建设于浅海区时，所述的控制卷扬机用于控制第三定滑轮（5）升、降的机构，控制卷扬机牢固安置于控制塔架(8)顶端，将第三定滑轮（5）连架作为起重对象，所述的卷扬机停机时卷筒会紧固锁止，控制卷扬机通过第三钢绳（25）及起重滑轮组（37）与第三定滑轮（5）架连接。

8.根据权利要求1所述的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统，其特征在于：所述的齿条杆件为一长条形受力杆件，垂直设置于控制塔架（8）下部中间，齿条杆件顶端连接第一钢绳（2），在齿条杆件上设有齿条（13），齿条（13）长度为齿条杆件的最大工作行程，齿条杆件下端制作成可负载重物的负载物承载架（18），负载物承载架（18）四边设有与控制塔架（8）下部设置的垂直导轨配合的导轮，负载物承载架（18）上安置以耐海水腐蚀的玻璃钢或其他新材料制作的贮水舱作为负载物（19），贮水舱设有可控的进水口（20）、出水口（21），齿条杆件上部穿过发电平台（9）的预留中孔齿条杆件上的齿条（13）与齿轮轴飞轮组相交。

9.根据权利要求1所述的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统，其特征在于：所述的齿轮轴飞轮组固定安置于发电平台（9）上，所述的齿条飞轮组（6）为双面齿条飞轮组，在主动轴（15）上安装至少两个以上同一种规格的飞轮（14），分成两组，飞轮（14）做功方向一致，飞轮（14）外圈制作成与齿条杆件上的齿条同模数的齿轮，用齿条杆件上相对的两面齿条（13）分别同时带动不同组的飞轮（14），每一面齿条数与对应组飞轮（14）数一致。

10.根据权利要求1所述的浮体钢绳与齿条飞轮组海浪发电系统，其特征在于：，所述的齿条飞轮组（6）为单面齿条飞轮组，齿条杆件上的单面齿条（13）与一齿轮轴中部的轮齿相交，该齿轮轴两端装有的大齿轮同时与两个二级轴两端的小齿轮齿合，二级轴中段装有统一规格的飞轮（14），不同轴上的飞轮一对一两个成组对应安装一组以上飞轮组，同组飞轮外圈相互齿合，同一轴上飞轮（14）做功方向一致，二轴上的飞轮（14）做功方向相反，当齿轮杆件上下运动时，则二个二级轴上任一轴的飞轮（14）外圈都将输出旋转运动。

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