CN104847575A - 一种波浪能量收集系统 - Google Patents

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李燕龙
唐宇阳
陆文杰
叶海波
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黄增
王远
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Abstract

本发明公开一种波浪能量收集系统，波浪能量转换单元的双向变单向旋转运动装置安装在船体上，双向变单向旋转运动装置的输入轴伸出船体外，并经绳索连接在弹簧的一端上，该弹簧的另一端连接质量块，质量块放置于水下，并随着波浪做上下运动；双向变单向旋转运动装置的输出轴连接发电机的输入轴。电能存储单元的输入DC/DC转换器的输入端与发电机的输出轴相连，输入DC/DC转换器的输出端连接超级电容器的输入端，超级电容器的输出端连接输出DC/DC转换器的输入端。本发明能够将波浪能转换为电能，并进行存储后使用。

Description

一种波浪能量收集系统
技术领域
本发明涉及一种能量收集装置，具体涉及一种波浪能量收集系统。
背景技术
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。利用波浪进行发电具有环保、燃料、低噪音、无废气、无废料、无污水和无辐射等优点。波浪的能量是海洋能源中能量最不稳定的一种能源，不同地域、不同时间的波浪能量差异很大。波浪能量的不稳定性使得它不适合于直接转化为电能提供给用户使用，此外，由于海水腐蚀、压力破环等使得输电线的成本很高，因此如何实现波浪能的收集，并将收集到的波浪能进行适当的处理(如转换和存储)，使得能量更加稳定地被利用，是当前波浪能利用所要解决的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种波浪能量收集系统，其能够将波浪能转换为电能，并进行存储后使用。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种波浪能量收集系统，由波浪能量转换单元和电能存储单元构成。波浪能量转换单元包括质量块、弹簧、绳索、双向变单向旋转运动装置和发电机；其中双向变单向旋转运动装置安装在船体上，双向变单向旋转运动装置的输入轴伸出船体外，并经绳索连接在弹簧的一端上，该弹簧的另一端连接质量块，质量块放置于水下，并随着波浪做上下运动；双向变单向旋转运动装置的输出轴连接发电机的输入轴。电能存储单元包括输入DC/DC转换器、超级电容器和输出DC/DC转换器；其中输入DC/DC转换器的输入端与发电机的输出轴相连，输入DC/DC转换器的输出端连接超级电容器的输入端，超级电容器的输出端连接输出DC/DC转换器的输入端。
上述方案中，所述双向变单向旋转运动装置由输入轴系、第一轴系、第二轴系和传动轴系构成；输入轴系、第一轴系、第二轴系和传动齿轮的轴线方向相互平行；
输入轴系包括输入杠杆和输入齿轮；输入杠杆的一端伸出船体外，并经绳索和弹簧连接质量块，输入杠杆的另一端与输入齿轮的转轴的径向侧壁相固连；质量块的上下运动通过输入杠杆传递到输入齿轮，并带动输入齿轮发生逆时针或顺时针方向的转动；
第一轴系和第二轴系完全相同，均包括主动齿轮、超越离合器和从动齿轮；主动齿轮的转轴与超越离合器的主动轴相连，从动齿轮与超越离合器的从动轴相连；
第一轴系的主动齿轮啮合于输入齿轮和第二轴系的主动齿轮之间，即：第一轴系的主动齿轮与输入齿轮相啮合，且第一轴系的主动齿轮与输入齿轮的转向相反；第二轴系的主动齿轮与第一轴系的主动齿轮相啮合，且第二轴系的主动齿轮与第一轴系的主动齿轮的转向相反；第二轴系的主动齿轮与输入齿轮的转向一致；
第一轴系的超越离合器和第二轴系的超越离合器相间隔，且这2个超越离合器的转向均与发电机输入轴的转向相一致；
传动齿轮啮合于第一轴系的从动齿轮和第二轴系的从动齿轮之间，第一轴系的从动齿轮和第二轴系的从动齿轮相互间隔；
发电机的输入轴连接在第一轴系的从动齿轮或第二轴系的从动齿轮上。
与现有技术相比，本发明通过波浪能量转换单元采集波浪能，并通过电能存储单元存储波浪能。在波浪能量转换单元中，采用双向变单向旋转运动装置将输入的往复运动或摇摆运动变成反顺旋转运动，再变成单向旋转运动而输出做功，以用于波浪发电等需要这种传动方式的机械之中，具有简单、传动效率高和生产成本低的特点。在电能存储单元中，采用输入和输出均采用能够实现降压和升压的DC/DC转换器与超级电容相配合，使得输出电压能够稳定。本发明结构简单，投资规模灵活，技术性能高度集中利用超级电容收集波浪转换的电能，利用升降低压电路适应波浪的不稳定性，具有小巧易于推广使用的特点。
附图说明
图1为一种波浪能量收集系统的结构示意图。
图2为双向变单向旋转运动装置的结构示意图。
图3为电能存储单元的原理框图。
图中标号：1、质量块； 2、弹簧； 3、绳索； 4、双向变单向旋转运动装置； 41、输入轴系； 411、输入杠杆； 412、输入齿轮； 42、第一轴系； 43、第二轴系； 431、主动齿轮； 432、超越离合器； 433、从动齿轮； 44、传动齿轮； 5、发电机。
具体实施方式
一种波浪能量收集系统，由波浪能量转换单元和电能存储单元构成。
波浪能量转换单元包括质量块1、弹簧2、绳索3、双向变单向旋转运动装置4和发电机5。其中双向变单向旋转运动装置4安装在船体上，双向变单向旋转运动装置4的输入轴伸出船体外，并经绳索3连接在弹簧2的一端上，该弹簧2的另一端连接质量块1，质量块1放置于水下，并随着波浪做上下运动。双向变单向旋转运动装置4的输出轴连接发电机5的输入轴。参见图1。由于条件限制，在浅海海域，利用单船体接收波浪能量，波浪能量转换单元的主体部分和电能存储单元均封闭在箱内，可以安装在船体的任意位置。质量块1放于水下即可，随着波浪的推动，带动质量块1上下运动，通过弹簧2拉拽绳索3使得双向变单向旋转运动装置4产生上下运动。双向变单向旋转运动装置4能将输入的往复运动或摇摆运动变成反顺旋转运动，再变成单向旋转运动而输出做功，以用于波浪发电等需要这种传动方式的机械之中。使得发电机5所在的轴系转动，产生电能。发电机5选用的是无刷三相电机，输出电压为9～14V。
所述双向变单向旋转运动装置4由输入轴系41、第一轴系42、第二轴系43和传动轴系构成。输入轴系41、第一轴系42、第二轴系43和传动齿轮44的轴线方向相互平行。输入轴系41包括输入杠杆411和输入齿轮412。输入杠杆411的一端伸出船体外，并经绳索3和弹簧2连接质量块1，输入杠杆411的另一端与输入齿轮412的转轴的径向侧壁相固连。质量块1的上下运动通过输入杠杆411传递到输入齿轮412，并带动输入齿轮412发生逆时针或顺时针方向的转动。第一轴系42和第二轴系43完全相同，均包括主动齿轮431、超越离合器432和从动齿轮433。主动齿轮431的转轴与超越离合器432的主动轴相连，从动齿轮433与超越离合器432的从动轴相连。第一轴系42的主动齿轮431啮合于输入齿轮412和第二轴系43的主动齿轮431之间，即：第一轴系42的主动齿轮431与输入齿轮412相啮合，且第一轴系42的主动齿轮431与输入齿轮412的转向相反。第二轴系43的主动齿轮431与第一轴系42的主动齿轮431相啮合，且第二轴系43的主动齿轮431与第一轴系42的主动齿轮431的转向相反。第二轴系43的主动齿轮431与输入齿轮412的转向一致。第一轴系42的超越离合器432和第二轴系43的超越离合器432相间隔，且这2个超越离合器432的转向均与发电机5输入轴的转向相一致。传动齿轮44啮合于第一轴系42的从动齿轮433和第二轴系43的从动齿轮433之间，第一轴系42的从动齿轮433和第二轴系43的从动齿轮433相互间隔。发电机5的输入轴连接在第一轴系42的从动齿轮433或第二轴系43的从动齿轮433上。参见图2。
若发电机5的输入轴连接在第一轴系42的从动齿轮433上，且发电机5要求为逆时针转动时，才能进行发电。此时第一轴系42的超越离合器432和第二轴系43的超越离合器432均选用逆时针旋转型的超越离合器432。当质量块1在水中浮沉时，通过输入杠杆411带动输入齿轮412发生逆时针或顺时针转动。
当输入齿轮412发生顺时针转动时，第一轴系42的主动齿轮431发生逆时针转动，第二轴系43的主动齿轮431发生顺时针转动。此时，由于2个超越离合器432均为逆时针旋转型的超越离合器432；第二轴系43的超越离合器432打滑，不能带动第二轴系43的从动齿轮433转动；而第一轴系42的超越离合器432发生作用，并带动第一轴系42的从动齿轮433发生逆时针转动，并直接驱动电动机发生逆时针转动发电。
当输入齿轮412发生逆时针转动时，第一轴系42的主动齿轮431发生顺时针转动，第二轴系43的主动齿轮431发生逆时针转动。此时，由于2个超越离合器432均为逆时针旋转型的超越离合器432；第一轴系42的超越离合器432打滑，不能带动第一轴系42的从动齿轮433转动；而第二轴系43的超越离合器432发生作用，并带动第二轴系43的从动齿轮433发生逆时针转动。第二轴系43的从动齿轮433通过传动齿轮44将逆时针旋转的运动传递到第一轴系42的从动齿轮433上，并间接驱动电动机发生逆时针转动发电。
电能存储单元包括输入DC/DC转换器、超级电容器和输出DC/DC转换器。输入DC/DC转换器的输入端与波浪能量转换单元的输出端即发电机5的输出轴相连，输入DC/DC转换器的输出端连接超级电容器的输入端，超级电容器的输出端连接输出DC/DC转换器的输入端，输出DC/DC转换器的输出端连接外部用电设备。参见图3。电能存储采用DC/DC变换方式。由于功率的原因，输入DC/DC转换器采用型号为LTC3115的同步降压、升压型DC/DC转换器。当波浪能量很大的情况时，波浪能量转换单元输出6V以上的电压，此时需要进行降压后再为超级电容器充电；当波浪能量很小情况时，波浪能量转换单元输出小于2V的电压，此时需要进行升压后再为超级电容器充电；如果电压在2～5V，此时是可以直接为超级电容器充电。超级电容的充电电路采用的是700F\2.5V的电容，因为波浪能量大小不同，产生的电压大小也不同，因此通过存储电路来储存不同电压的电能，以保证充分利用波浪发电，转换电能。超级电容充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上；循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”；大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90％；功率密度高，可达300W/KG～5000W/KG，相当于电池的5～10倍；产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；检测方便，剩余电量可直接读出；容量范围通常0.1F-1000F。电能释放同样采用DC/DC变换方式。由于电容放电是指数函数，输出DC/DC转换器采用型号为LTC3115的同步降压、升压型DC/DC转换器，以完成输出稳定的电压，电容放电时，其电压是呈指数变化的。因此，需要将电压稳定在固定值1.2V或1.5V或5V等。
本发明所针对的服务对象主要是移动设备的电源。当采集到电能后，直接将超级电容带回，然后出售。用户在使用完后，直接将电容拿到服务点进行更换，只需要支付电能的费用就行。结构简单，投资规模灵活，技术性能高度集中利用超级电容收集波浪转换的电能，利用升降低压电路适应波浪的不稳定性，具有小巧易于推广使用的特点。

Claims (2)

1.一种波浪能量收集系统，其特征在于：它由波浪能量转换单元和电能存储单元构成；其中
波浪能量转换单元包括质量块(1)、弹簧(2)、绳索(3)、双向变单向旋转运动装置(4)和发电机(5)；其中双向变单向旋转运动装置(4)安装在船体上，双向变单向旋转运动装置(4)的输入轴伸出船体外，并经绳索(3)连接在弹簧(2)的一端上，该弹簧(2)的另一端连接质量块(1)，质量块(1)放置于水下，并随着波浪做上下运动；双向变单向旋转运动装置(4)的输出轴连接发电机(5)的输入轴；
电能存储单元包括输入DC/DC转换器、超级电容器和输出DC/DC转换器；其中输入DC/DC转换器的输入端与发电机(5)的输出轴相连，输入DC/DC转换器的输出端连接超级电容器的输入端，超级电容器的输出端连接输出DC/DC转换器的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种波浪能量收集系统，其特征在于：所述双向变单向旋转运动装置(4)由输入轴系(41)、第一轴系(42)、第二轴系(43)和传动轴系构成；输入轴系(41)、第一轴系(42)、第二轴系(43)和传动齿轮(44)的轴线方向相互平行；
输入轴系(41)包括输入杠杆(411)和输入齿轮(412)；输入杠杆(411)的一端伸出船体外，并经绳索(3)和弹簧(2)连接质量块(1)，输入杠杆(411)的另一端与输入齿轮(412)的转轴的径向侧壁相固连；质量块(1)的上下运动通过输入杠杆(411)传递到输入齿轮(412)，并带动输入齿轮(412)发生逆时针或顺时针方向的转动；
第一轴系(42)和第二轴系(43)完全相同，均包括主动齿轮(431)、超越离合器(432)和从动齿轮(433)；主动齿轮(431)的转轴与超越离合器(432)的主动轴相连，从动齿轮(433)与超越离合器(432)的从动轴相连；
第一轴系(42)的主动齿轮(431)啮合于输入齿轮(412)和第二轴系(43)的主动齿轮(431)之间，即：第一轴系(42)的主动齿轮(431)与输入齿轮(412)相啮合，且第一轴系(42)的主动齿轮(431)与输入齿轮(412)的转向相反；第二轴系(43)的主动齿轮(431)与第一轴系(42)的主动齿轮(431)相啮合，且第二轴系(43)的主动齿轮(431)与第一轴系(42)的主动齿轮(431)的转向相反；第二轴系(43)的主动齿轮(431)与输入齿轮(412)的转向一致；
第一轴系(42)的超越离合器(432)和第二轴系(43)的超越离合器(432)相间隔，且这2个超越离合器(432)的转向均与发电机(5)输入轴的转向相一致；
传动齿轮(44)啮合于第一轴系(42)的从动齿轮(433)和第二轴系(43)的从动齿轮(433)之间，第一轴系(42)的从动齿轮(433)和第二轴系(43)的从动齿轮(433)相互间隔；
发电机(5)的输入轴连接在第一轴系(42)的从动齿轮(433)或第二轴系(43)的从动齿轮(433)上。
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