CN103423071A - 一种新型高效多点吸收波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型的多点吸收波浪能发电装置，发明的核心技术在于利用涡卷弹簧或扭簧的能量输出相位自动补偿作用，可以将多个单点吸收的波浪能转化为单一方向转动的机械能，并汇集起来带动一个大功率发电机发电。这种多点吸收的方式克服了机械传动波浪能发电装置发电机失速和系统运行不稳定的缺点，更重要的是这种多点吸收的方式增加了装置对波浪能的利用率，发电量相对于单点吸收波浪能发电装置得到了成倍的增加，所以本发明的多点吸收波浪能发电装置可以大幅度降低波浪能发电成本，提高波浪能发电的竞争力。

Description

一种新型高效多点吸收波浪能发电装置
技术领域
本发明采用能量传输相位自动补偿技术，设计一种多点吸收波浪能，共同带动一个大功率发电机发电的波浪能发电装置。
背景技术
国家经济每年都在不断增速发展，与之相应，这种经济的增速发展必然导致对能量需求的增速，对电力需求的增加尤其明显。现有的发电方式主要包括火力发电、水电、核电等等，由于水电和核电的开发会受到许多客观条件的限制，在整个社会的发电量中的比例还比较小，火力发电在中国占有了80％以上的份额。但是由于火力发电需要消耗大量的化石燃料，同时带来大量的二氧化碳的排放和严重的环境污染。而且地球上化石燃料在不远的将来就会枯竭，人们必须尽快发展新的，清洁的，可再生的替代能源，以维持人类社会的及环境的健康发展。在这种背景之下，人们将注意力转向了风能和海洋能。海洋能蕴含在海洋的洋流和波浪之中，其中将波浪能转化为电能是一种非常有利用价值的清洁能源，这是因为波浪无处不在，而且蕴含能量丰富，是一种取之不尽，用之不竭的能量来源。目前，波浪能发电常常采用的方式有：1、将波浪能转化为液压能，推动与发电机相连接的涡轮机转动，进而使发电机转动发电。2、将波浪能转化为流动的压缩空气，推动与发电机相连接的涡轮机转动，进而使发电机转动发电。3、将波浪能转化为机械能，直接推动发电机转动发电。上述几种波浪能发电装置各有优缺点，都存在提高发电效率的需求。
发明内容
本发明设计了一个多点吸收波浪能方式，将多点吸收的波浪能转化为机械能，采用能量输出相位自动补偿技术，将其汇集起来，不经过能量形式的进一步转化，直接带动大功率发电机发电的波浪能发电装置，它可以克服现有装置对波浪能的利用率低，吸收效率低，能量转换效率低，输出电能不平稳等缺点。
解决上述问题的技术方案如下：一种将海洋能、波浪能转换为机械能或者电能的装置，由两个以上的浮球、能量缓存和缓冲装置，能量转化系统组成。这种装置可以漂浮在海面上，在阻尼盘的作用下，可以使中间的发电装置保持相对稳定不动，浮球在海浪的作用下，相对于中间的发电装置作上下运动，产生的动能经能量接收转轴，一个圆锥形齿轮和两个圆锥形齿轮构成的棘轮，将波浪能转化为单一方向转动的机械能，传输给由涡卷弹簧组构成的能量缓存和缓冲装置，这一能量缓存和缓冲装置能够高效吸收大小不同的输入能量，并且能过通过能量输出轮盘，在齿轮组调速装置的共同作用下将能量均匀地传输给永磁发电机，进而得到稳定输出的电能。这一能量缓存和传递装置的工作原理是，转动的机械能由一个转动轴输入一个或一组中心端连接在转动轴上的涡卷弹簧上，这一转动轴带动了涡卷弹簧绕轴卷曲转动，因而带动涡卷弹簧(组)外端转动，涡卷弹簧(组)的外端连接一个能量输出齿轮，这种输入涡卷弹簧的机械能就可以通过外端连接的能量输出齿轮传递出去，这个装置就对机械能起到了一个缓存，缓冲的作用，将这种装置用于波浪能发电的能量转换过程中，就能对变化无常的波浪能起到缓冲和平稳作用，能加强波浪能发电系统的稳定性，也使得产生的电能稳定可控。当几个由浮球和涡卷弹簧(组)构成的能量吸收，转化，输出系统，同时向一个发电机传输机械能时，涡卷弹簧(组)就起到了一个能量输出相位自动补偿的作用，保证了每个浮球吸收的能量都能有效地传递给发电机发电。
附图说明
图1.新型多点吸收波浪能发电装置I
图2.单点波浪能吸收转换系统
图3.单向转动机械能转化结构
图4.机械能转化/缓冲组合(装配过程)
图5.能量输送及发电系统
图6.多点吸收波浪能发电装置工作原理说明图
图7.多点吸收装置俯视图
图8.海上多点吸收波浪能发电站俯视图
图9.扭簧能量缓存/缓冲结构
图10.新型多点吸收波浪能发电装置II
图1中的新型多点吸收波浪能发电装置I由如下结构单元构成：浮球1，缆绳2，波浪能接收转轴3，圆锥形齿轮4，圆锥形棘轮5，涡卷弹簧中心轴6，涡卷弹簧组7，涡卷弹簧外套8，能量输出齿轮9，能量传输中轴10，能量传输中轴棘轮组11，齿轮调速箱12，发电机组13，电缆14，阻尼盘15，固定链条16。
具体实施方案
下面结合附图对本发明的实施方案作详细说明
本发明的设计的一种将海洋能、波浪能转换为电能的新型多点吸收波浪能发电装置，参见图1，由多个单点波浪能吸收转换系统和一个能量输送及发电系统组成，采用的单点波浪能吸收转换系统的数目为2至10个。
单点波浪能吸收转换系统(见图2)，由浮球1，能量接收转轴3，圆锥形齿轮4，圆锥形棘轮5，涡卷弹簧中心轴6，涡卷弹簧组7，涡卷弹簧外套8，能量输出齿轮9组成，特征是：在海浪的作用下，浮球1相对于中间的发电装置作上下运动，通过与之连接的缆绳2带动能量接收转轴3往复转动(也可以用齿轮条代替缆绳)，在能量接收转轴3一端的圆锥形齿轮4就作用于涡卷弹簧中心轴上的两个圆锥形棘轮5，圆锥形齿轮4随浮球上下运动而往复转动，通过两个圆锥形棘轮5变成单一方向转动的机械能，通过涡卷弹簧中心轴6输入涡卷弹簧组7的中心端，形成弹簧的弹性势能，发生扭转。涡卷弹簧外端连接的外套8与能量输出齿轮9相连，涡卷弹簧的扭转就使得能量输出齿轮9转动。能量输出齿轮9围绕涡卷弹簧的中心轴6转动，但是它不是固定在中心轴上的，所以齿轮9是不会跟随中心轴6转动，而是随涡卷弹簧组7的扭动而转动。
本发明中的单点波浪能吸收转换系统包含了单向转动机械能转化结构(参见图3)，由能量接收转轴3，在能量接收转轴3一端的圆锥形齿轮4，涡卷弹簧的中心轴6及两个在涡卷弹簧的中心轴6上相对放置的圆锥形棘轮5组成。单向转动机械能转化系统的工作原理是当浮球随波浪上下运动时，就使得能量接收转轴3作顺、反的往复转动，转轴一端的圆锥形齿轮4同时作用在两个相对放置在涡卷弹簧的中心轴6上的圆锥形棘轮5，使得两个圆锥形棘轮也作往复转动，但如图2所示的相对放置使得两个圆锥形棘轮始终保持不同的旋转方向，其中只有一个旋转方向可使得棘轮带动涡卷弹簧的中心轴6转动，正如自行车上使用齿轮装置，只有一个方向转动可以推动自行车。那么转轴3随波浪上下震动而产生的往复转动就使得两个圆锥形棘轮交替带动涡卷弹簧的中心轴6向同一个方向转动，波浪能就转化为了单一方向转动的机械能。
本发明设计的单点波浪能吸收转换系统包含了机械能转化/缓冲组合(参见图4)，由两个相对放置的圆锥形棘轮5，涡卷弹簧的中心轴6，涡卷弹簧组7，涡卷弹簧外端连接的外套8和能量输出齿轮9组成。工作原理是：两个棘轮5交替作用于涡卷弹簧的中心轴6，产生单一方向转动的机械能输入涡卷弹簧组7，使涡卷弹簧组7发生扭动，带动涡卷弹簧组外套8以及与其连接的齿轮9一起转动，向后续能量转化设备输出能量。齿轮9只与涡卷弹簧组外套8连接，围绕涡卷弹簧的中心轴6转动，但是它不是固定在中心轴6上的，所以齿轮9是不会跟随中心轴6转动，而是随涡卷弹簧组的扭动而转动。齿轮9是与能量传输系统连接，能量传输系统的末端就是发电机。当波浪能持续通过中心轴6输入涡卷弹簧组7后，弹簧扭转上升到一定的扭矩后，就可以带动齿轮9转动，进而将能量通过能量传输系统输入发电机发电。这一过程起到的最重要的作用是将大小不断变化的单一方向旋转的机械能输入涡卷弹簧组，由于弹簧的扭曲作用，使得大小不断变化的机械能得到了很好的储存和缓冲，经齿轮9平稳输出给后续的能量传输中轴上棘轮11。所以这一组合起到了将波浪能转化为单一方向转动的机械能以及对其缓冲后，向后续发电设备输出平稳转动的机械能的作用。
本发明的能量传输及发电系统(参见图5)，由能量传输中轴10，能量传输中轴棘轮组11，齿轮调速箱12，发电机组13组成。其特殊工作原理是能量传输中轴棘轮组11可以同时接收来自几个不同单点波浪能吸收转换系统的能量输入，汇集后通过能量传输中轴10传输给调速箱12，随后传输给发电机13发电。
本发明设计的多点吸收波浪能发电装置能够有效工作，原因在于利用了涡卷弹簧组的能量输出的相位自动补偿特性。如图6所示，以两个波浪吸收点为例，因为波浪的起伏不定，两个浮球上下振荡的会存在一个时间差，即能量输入的相位差，输出涡卷弹簧组的能量也会存在一个相位差，当一个单点波浪能吸收转换系统中的涡卷弹簧组首先作用于能量传递中轴10上的一个棘轮时，会因为力量不够大而无法转动能量传递中轴10，或者只能使之以很慢的速度转动，那么涡卷弹簧组就会将吸收来的部分能量储存在弹簧中，等待第二个涡卷弹簧组向能量传递中轴10产生作用力，将力量汇集在一起，共同推动能量传递中轴转动，涡卷弹簧组就起到了一个相位自动补偿的作用。由于有了这种相位的自动补偿作用，就可以在这个波浪能发电装置中可以并列安放几套单点波浪能吸收转换系统，每套系统吸收的能量通过齿轮9传输给中轴10上的一个棘轮11，棘轮组11中的每一个棘轮独立接收一个涡卷弹簧组传来的能量，又同时作用于量传输中轴10上，使能量汇集、叠加后传递给发电机发电，其目的在于提升波浪能的利用率和发电装置的功率，这就是一种多点吸收的波浪能发电形式，可以带动一个更大功率的发电机发电，可以显著降低发电成本，提高海洋能的利用率。
图7是一个以6个点为例的多点吸收波浪能发电装置的俯视图，本发明的装置不仅限于6点吸收装置，经过合力设计安装，可以建造2以上，直到10的多点吸收波浪能发电装置。还可以在海上建造框架式平台，将多个多点吸收波浪能发电装置结合在一起，建造一个大型波浪能发电站，见图8。
本发明还涉及了一种扭簧能量缓存/缓冲结构(图9)，这种设备由扭簧中心轴6，扭簧7a，和能量输出齿轮9组成。扭簧的一端与中心轴连接，另一端与能量输出齿轮9连接，能量输出齿轮9可以绕扭簧中心轴6旋转。这个结构的工作原理是：转动的机械能通过中心轴6输入扭簧7a的一端，使扭簧7a发生扭转，带动另一端连接的齿轮9一起转动，向后续能量转化设备输出能量。这种结构起到了与前面所述的涡卷弹簧组能量缓存/缓冲结构相同的作用，对输入的机械能有缓存/缓冲的作用，在多点吸收波浪能发电装置中，也同样起到能量输出相位自动补偿的作用，使多个单点能量吸收及转化系统在向同一个能量输送及发电系统传输能量时，使能量有效的汇集、叠加，而不会有能量的丢失。
本发明还涉及了一种以扭簧作为能量传递过程中起到缓存、缓冲以及输出相位自动补偿功能的结构，来构造多点吸收波浪能发电装置II(见图10)，这个装置和前面描述的新型多点吸收波浪能发电装置I(见图1)基本相同，只是用扭簧7a代替了涡卷弹簧组7。新型多点吸收波浪能发电装置II由如下结构单元构成：浮球1，缆绳2，波浪能接收转轴3，圆锥形齿轮4，圆锥形棘轮5，涡卷弹簧中心轴6，扭簧7a，能量输出齿轮9，能量传输中轴10，能量传输中轴棘轮组11，齿轮调速箱12，发电机组13，电缆14，阻尼盘15，固定链条16。在这个多点吸收波浪能发电装置中，采用的扭簧能量缓存/缓冲结构的数目可以是2至10个。
总之，本发明设计的波浪能发电装置，采用了独特单向转动机械能转化系统，涡卷弹簧组能量缓存/缓冲系统，实现了波浪能发电装置的多点能量吸收方式，具有吸收能量的范围更宽，收集能量的效率更高，波浪能利用率高，对海况的适应能力更强，输出的电能更稳定，克服了机械传动波浪能发电装置出现的失速、不稳定的缺点，还能大大降低波浪能发电的成本。这些优点决定了本发明公开的波浪能发电装置有着广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种多点吸收波浪能发电装置，由多个单点波浪能吸收转换系统(数量为2至10个单点波浪能吸收转换系统)，一个能量传输及发电系统组成，其特征是每个单点波浪能吸收转换系统中的浮球随波浪上下波动，吸收波浪能量，经过机械能转化/缓冲组合的作用，将吸收的波浪能转化为单一方向转动的机械能，平稳传递给能量传输及发电系统发电。多个上述单点波浪能吸收转换系统独立吸收波浪能，转化为单一方向平稳转动的机械能后，向同一个能量传输及发电系统传输能量，带动一个发电机发电。
2.权利要求1中所述的单点波浪能吸收转换系统，由浮球1，缆绳2，能量接收转轴3，圆锥形齿轮4，两圆锥形棘轮5，涡卷弹簧中心轴6，涡卷弹簧组7，涡卷弹簧外套8，能量输出齿轮9组成，特征是：在海浪的作用下，浮球1相对于中间的发电装置作上下运动，通过缆绳2带动能量接收转轴3转动，在能量接收转轴3一端的圆锥形齿轮4就作用于涡卷弹簧中心轴上的两个圆锥形棘轮5，圆锥形齿轮4随浮球上下运动而往复转动，也使两个圆锥形棘轮5交替往复运动，带动涡卷弹簧中心轴6始终向一个方向转动，将吸收的能量变成单一方向转动的机械能，输入涡卷弹簧组7的中心端，形成弹簧的弹性势能，发生扭转。涡卷弹簧外端连接的外套8与能量输出齿轮9相连，涡卷弹簧的扭转就使得能量输出齿轮9转动，并将能量传输给后续发电装置。
3.权利要求1中所述的能量传输及发电系统，由能量传输中轴10，能量传输中轴棘轮组11，齿轮调速箱12，发电机组13组成，特征是：多个权利要求2中所述的单点波浪能吸收转换系统，将吸收的波浪能转换为单一方向转动的机械能后通过齿轮9分别传输给棘轮组11中一个与之相对应的棘轮，每一个棘轮都作用于同一个能量传输中轴10，多个单点波浪能吸收转换系统所吸收的能量就因此汇集起来，转动能量传输中轴10，经齿轮调速箱12调速后输入发电机发电。
4.权利要求1中所述的机械能转化/缓冲组合，由两个相对放置的圆锥形棘轮5，涡卷弹簧的中心轴6，涡卷弹簧组7，涡卷弹簧外端连接的外套8和能量输出齿轮9组成。其特征是：两个棘轮5交替作用于涡卷弹簧的中心轴6，产生单一转动的机械能输入涡卷弹簧组7，使涡卷弹簧组7发生扭动，带动涡卷弹簧组外套8以及与其连接的齿轮9一起转动，向后续能量转化设备输出能量。
5.一种用于波浪能发电的单向转动机械能转化结构，由能量接收转轴3，在能量接收转轴3一端的圆锥形齿轮4，涡卷弹簧的中心轴6及两个在涡卷弹簧的中心轴6上相对放置的圆锥形棘轮5组成。其特征是当浮球随波浪上下运动时，能量接收转轴3作顺、反的往复转动，转轴一端的圆锥形齿轮4同时作用在两个相对放置在涡卷弹簧的中心轴6上的圆锥形棘轮5，使得两个圆锥形棘轮作相对的往复转动，其中只有一个旋转方向可使得棘轮带动涡卷弹簧的中心轴6转动，正如自行车上使用齿轮装置，只有一个方向转动可以推动自行车。那么转轴3随波浪上下震动而产生的往复转动就使得两个圆锥形棘轮交替带动涡卷弹簧的中心轴6向同一个方向转动，波浪能就转化为了单一方向转动的机械能。
6.一种波浪能发电装置，采用了一个或多个权利要求5中所描述的单向转动机械能转化结构，作为波浪能发电装置的部分结构。
7.一种权利要求1中所述的多点吸收波浪能发电装置，采用了多个权利要求4中所描述的机械能转化/缓冲组合，其特征是当多个能量吸收点向一个电能转化中心输送能量时，机械能转化/缓冲组合起到了能量传输的自动相位补偿作用，使得多点吸收波浪能得以有效实现。
8.一种用于多点吸收波浪能发电的扭簧能量缓存/缓冲结构，由扭簧中心轴6，扭簧7a，能量输出齿轮9组成。其特征是：扭簧7a的一端与中心轴6连接，另一端与能量输出齿轮9连接，转动的机械能通过中心轴6输入扭簧7a的一端，使扭簧7a发生扭转，带动另一端连接的齿轮9一起转动，向后续能量转化设备输出能量。
9.一种多点吸收波浪能发电装置，采用了多个权利要求8中所描述的扭簧能量缓存/缓冲结构，作为发电装置的部分结构。
10.一种权利要求1中所描述的多点吸收波浪能发电装置，由如下结构单元构成：浮球1，缆绳2，波浪能接收转轴3，圆锥形齿轮4，圆锥形棘轮5，中心轴6，扭簧7a，能量输出齿轮9，能量传输中轴10，能量传输中轴棘轮组11，齿轮调速箱12，发电机组13，电缆14，阻尼盘15，固定链条16。
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