CN105179155B - 双摆式波浪能发电单元结构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供双摆式波浪能发电单元结构，包括箱式波浪能提取装置、机械传递装置、能量存储装置以及能量转换装置。箱式波浪能提取装置将波浪的动能通过摆板转化为摆板转轴往复转动的动能进行传递；机械传递装置将摆板转轴的往复转动转化为单向转动同时解决了两个摆板运动速度不同步造成的运动合成问题；能量存储装置起到能量存储作用，用来稳定转速、减小波浪冲击的影响；发电装置将机械能转化为最终的电能。本发明解决了传统箱式摆动波浪能发电装置每个摆箱安装一个发电机造成的资源浪费，将两个摆箱的能量进行合成后进行统一发电，可以吸收全波浪作用在摆板上的波浪力，大幅提高转换效率。

Description

双摆式波浪能发电单元结构

技术领域

本发明涉及的是一种发电装置，具体地说是波浪能发电装置。

背景技术

海洋约占地球表面积的71％，人类不仅在远洋运输上需要海洋，在淡水资源日益匮乏的今天更是将更多的目光投向海洋。目前已探明并被我们所熟知的大量海洋能源中不仅包括石油、天然气、可燃冰等不可再生的化石能源，还包括大量的波浪能、潮流能、温差能等可再生能源。据统计全世界可再生的海洋能蕴藏的总量约为七百六十多亿千瓦。可见海洋中能量的存储量和其所具有的开发潜能十分惊人。其中波浪能与类似风能和太阳能等一些比较容易提取和利用且技术趋于成熟、商业化程度比较大的可再生能源相比，虽然现阶段对波浪能开发和利用的程度还没有那么广泛，但其仍具有一些其他可再生能源所不具备的特殊的优势。波浪能不仅能源分布十分广泛，而且其平均能量密度也远大于太阳能和风能，约为太阳能的200倍，风能的50倍，由此可见其能量密度十分巨大。

由于波浪能具有强烈的随机性、吸收波浪能的载体输入的功率很不稳定，甚至是间歇突变的，给能量转换系统带来了极大地冲击，因此目前已经开发研制的摆式波浪能发电装装置大多为液压形式的。

传统的箱式摆动波浪能发电装置均为单体箱式结构，每个箱体均有自己独立的机械传动装置和发电装置，如申请号CN201210292541.7，名称为“摆式波浪能发电装置”通过摆板的摆动带动凸轮往复转动，拉动两根齿条轮流运动，从而带动与齿条啮合的齿轮转动进行发电。此外申请号CN201310573019.X，名称为“摆式波浪能发电装置”通过摆板摆动带动锥齿轮往复转动，从而带动与锥齿轮啮合的两个同轴棘轮锥齿轮轮流转动，使得转轴单向转动进行发电。申请号CN201410527514.2，名称为“一种重力摆式波浪能发电装置”通过摆板直接带动感应发电装置的移动部分往复移动，切割磁感线进行发电。以上专利均为每个摆板通过机械传动后独立发电，未涉及到运动合成与整合发电，造成了电机资源的浪费、发电功率较低和效率普遍不高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供可以吸收全波浪作用在摆板上的波浪力，大幅提高转换效率的双摆式波浪能发电单元结构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明双摆式波浪能发电单元结构，其特征是：包括第一箱体机构、第一级机械运动传递装置A、第二级机械运动传递装置、中间能量存储装置；

第一箱体机构包括箱体、摆板、摆板支架、摆动转轴，摆板固定在摆板支架上，摆板转轴两端分别用面对面对称放置的圆柱滚子轴承与箱体上的轴承座连接，摆板支架与摆板转轴用花键连接，摆板转轴输出端连接鼓形齿式联轴器；

第一级机械运动传递装置A包括超越离合器—齿轮单向装置，超越离合器—齿轮单向装置包括输入轴、输出轴以及输入轴上安装的两个互为反向的超越离合器齿轮，两个超越离合器齿轮的内圈与输入轴相连，两个超越离合器齿轮的外圈与输出轴相连；

第二级机械运动传递装置包括相连的第一输入端和输出端，输出端与发电机转轴相连；

中间能量存储装置包括通过皮带涨紧装置连接的第一中间皮带轮、第二中间皮带轮，第一中间皮带轮与第一级机械运动传递装置A的输出轴相连，第二中间皮带轮与第二级机械运动传递装置第一输入端相连。

本发明还可以包括：

1、还包括第二箱体机构、第一级机械运动传递装置B，所述第二箱体机构与第一箱体机构的结构相同、对称设置，所述第一级机械运动传递装置B与第一级机械运动传递装置A结构相同、对称设置，所述第二级机械运动传递装置还包括第二输入端，第二输入端与输出端相连，第一中间皮带轮连与第一级机械运动传递装置B的输出轴相连，第二中间皮带轮与第二级机械运动传递装置第二输入端相连。

2、摆板支架上安装空气阻尼器，箱体里安装限位块和缓冲橡胶胎，空气阻尼器和限位块配合限制摆板向里摆动的最大角度，缓冲橡胶胎限制摆板向外摆动的最大角度。

3、摆板上开有泄流长孔。

本发明的优势在于：

1、采用不要求同步摆动的双摆同时进行波浪能的提取，从而增加了输出电能的平稳性，减少了发电机的使用，提高了发电的功率和发电效率。

2、针对提取到的往复摆动需转换为连续转动进行发电设计了超越离合器—齿轮单相机构，将大功率的摆动转换为大功率的单向转动。

3、针对提取到的运动能以保证连续稳定，采用了大带轮作为飞轮来存储能量保持运动的稳定性，同时皮带传动有效的减小了对后续机械传动装置和发电装置的冲击。

4、针对不同步的转动合成问题，采用了差动装置进行运动合成，不仅保证了两个转动合成时不产生干涉，同时在只有一个摆板摆动的情况下仍能正正常发电。

附图说明

图1为本发明的主视图)

图2为本发明的俯视图(拆去V型带)；

图3为本发明的左视图；

图4为差速机构简图；

图5为超越离合器—齿轮单项装置简图；

图6为超越离合器齿轮结构简图拆去前部压块和挡圈)；

图7为俯视图的局部放大图(拆去V型带)。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～7，本发明主要包括两个箱式波浪能提取装置、两级机械运动传递装置、中间能量存储装置以及最终的能量转换装置。箱式波浪能提取装置与一级机械运动传递装置通过鼓型齿式联轴器连接。二级机械传动装置与发电机通过凸缘联轴器连接。

箱式波浪能提取装置包括箱体和摆板两部分；箱体部分如图1、图2和图3所示，箱体1整体使用钢筋混凝土结构搭建，并固定在近海的海岸上。摆板部分主要由摆板2和摆板转轴14组成，摆板2采用聚氯乙烯制造，上面开有导流孔。摆板2与2个摆板支架6使用12组螺栓组进行连接。摆板支架上用螺栓和螺母横向连接了空气阻尼器30。空气阻尼器30与限位块28配合使用限制摆板向里摆动的最大角度，缓冲橡胶胎用来限制摆板向外摆动的最大角度。摆板支架6与摆板转轴14通过花键进行连接。摆板转轴14两端安装圆柱滚子轴承，通过轴承端盖10、轴承端盖螺栓11、地脚螺栓、六角头螺母、垫片15和轴承压盖29将摆板转轴14固定于箱体1上。摆板转轴输出端通过鼓型齿式联轴器16和12组螺栓组与超越离合器—齿轮机构20的输入端连接。当存在波浪时波浪，波浪推动摆板2摆动，摆板2通过摆板支架6带动摆板转轴14进行往复摆动。摆板转轴14的往复摆动通过鼓型齿式联轴器16传递到第一级机械运动传递装置。

如图1和图2所示，机械运动传递装置，该装置分为两级，第一级为超越离合器—齿轮机构20，其输出轴与大带轮21通过弹性挡圈、弹簧垫圈、六角头螺栓和普通平键26连接。超越离合器—齿轮机构20用地脚螺栓、六角头螺母和平垫片固定于箱体1上。通过鼓型齿式联轴器16传递过来的往复运动带动第一级运动传递装置的输入轴进行往复运动，输入轴通过机构中的超越离合器齿轮交替转动，将往复转动转化为单向转动。

第二级为差速结构22，其输入轴与小带轮43通过钩头楔键42连接。差速机构22用地脚螺栓、六角头螺母和平垫片固定于箱体1上。当大带轮21通过带传动带动小带轮43转动时，小带轮通过钩头楔键42将转动传递到差速机构22的输入轴。差速机构22的输入轴末端安装有锥齿轮，差速机构22左右两个输入轴末端的锥齿轮转动时带动行星齿轮运动，行星齿轮的运动通过行星架传递到差速机构22的输出端同时起到升速的作用。差速机构22输出端通过凸缘联轴器33、普通平键34和组螺栓组进行连接。差速机构22输出端转动通过凸缘联轴器33将运动传递给发电机32进行发电。

中间能量存储装置主要由大带轮21、小带轮43和皮带张紧装置38组成。大带轮21为轮辐式6个V型槽的带轮，其质量主要分布在四周，具有较大的转动惯量和蓄能能力。小带轮43为整体式的带轮，转动惯量小，减小传递过程中的能量损失。皮带张紧装置38通过地脚螺栓、六角头螺母和平垫片固定在箱体1上。超越离合器—齿轮机构20输出的单向转动传递到大带轮21上，带动大带轮21转动。由于大带轮21具有较大的转动惯量，能存储一定的能连，并且保持转速稳定。大带轮21的转动通过6根V型带传递给小带轮43，大小带轮配合起到一级升速的所用，使转速提高。同时带传动还能减小波浪冲击导致的运动冲击，在一定程度上保护机械运动传递装置和发电装置。

本发明以波浪能作为驱动能量。包括两个钢筋混凝土结构的箱式波浪能提取装置、中间能量存储装置、分布于能量存储装置输入端和输出端的两极机械运动传递装置以及最终的能量转换装置。两个钢筋混凝土结构的箱式波浪能提取装置安装在近海的海岸上，具有耐海水腐蚀能力强，抗海水冲击的特点。当有波浪出现时，在波浪推力和摆的自身重力共同作用下使摆板产生摆动，同时通过箱体后墙面反射后的波浪与入射波浪发生干涉，在摆板处形成驻点来进一步增强摆板的摆动，使其产生持续性的往复摆动。摆板通过摆板支架将往复运动传递给摆板转轴。摆板转轴将往复运动进一步传递到超越离合器—齿轮单项装置的输入端，由单向机构将转轴的往复运动转化为单项转动。超越离合器—齿轮单项装置通过带传动将运动传递出去，采用大带轮作主动轮小带轮作从动轮同时起到蓄能和一级升速的作用。将两个小皮带轮作为输入与差速器左右两端的轴相连，将两个皮带轮的能量和运动进行合成进一步提高转速和功率，同时解决了运动合成时由于波浪冲击存在的差异导致两小皮带轮速度差异的问题。最终将合成的运动通过差速器前端进行输出，将差速器前端与发电机通过凸缘联轴器相连，带动发电机进行发电。

成对的箱式波浪能提取装置其主体主要由钢筋混凝土结构搭建，从而确保在确保结构强度的同时能长时间经受海水的冲击和腐蚀。喇叭状的箱体开口设计起到聚波和提高箱体中水流速度的作用。摆板材料选用聚氯乙烯，减轻摆板重量的同时显著提高摆板的抗腐蚀能力。与金属材料相比该材料在保证强度要求下具有一定韧性，对海浪的冲击起到一定的缓冲作用，减小对转轴以及轴承的直接冲击。摆板上开有长孔，起到导流和进一步减轻摆板质量的作用。摆板支架采用不锈钢316L制成，强度高耐腐蚀能力强。每个箱体中的摆板与两个摆板支架用12组螺栓进行连接。摆板支架与摆板转轴用花键连接，提高连接强度。摆板转轴两端用两对“面对面”对称放置的圆柱滚子轴承与箱体连接，同时运动输出端安装鼓形齿式联轴器。箱体内部还安装有限位块和缓冲橡胶胎，摆板支架上安装有空气阻尼器，确保摆板的摆动角度在±30°以内。

机械运动传递装置分为两级，第一级位于中间储能装置前部，该部分主要由超越离合器—齿轮单向装置组成。摆板转轴通过联轴器与超越离合器—齿轮单项装置输入端连接，单向置用地脚螺栓固定于箱体顶部水泥平台上，单向装置内部输入轴上反向安装有两个超越离合器齿轮，齿轮的内圈通过超越离合器与输入轴连接。输入轴正向摆动时带动其中一个超越离合器啮合，该齿轮转动，另一个离合器空转，齿轮不发生转动。当摆板转轴反向摆动时与正向运动完全相反。传递过程中只有一个超越离合器齿轮转动，从而达到了使运动单向输出的目的。第二级位于中间储能装置后部，该装置主要由差速机构组成。该装置用地脚螺栓固定于箱体顶部，左右两端为输入端与两个小皮带轮通过平键和轴段挡圈连接，前端为装置的输出端，用凸缘联轴器与发电机转轴连接。两端的小皮带轮转动时带动差速机构输入轴转动，差速机构内部与两个输入轴相连的锥齿轮带动与之相啮合的行星齿轮转动，行星齿轮运动带动与输出轴相连的行星架转动，从而进行运动的传递，同时解决了量输入端转速不同步时的运动合成问题进一步提高转速。

中间能量存储装置由大小两个皮带轮和皮带张紧装置组成，使用六根V型带传动，大皮带轮为主动轮与一级机械传动装置输出轴相连，小皮带轮为从动轮与二级机械传动装置输入轴相连，中间皮带张紧装置用地脚螺栓固定于箱体顶部。大轮设计为轮辐式，提高其转动惯量，起到一定存储能量的作用，同时皮带传动能在一定程度上消除由于波浪冲击导致的转动不平稳，保护发电装置。在突然有大浪时冲击时，皮带传动还能通过打滑来保护传动装置和发电装置。

双摆式波浪能发电装置单元结构，以波浪能作为驱动能量。包括两个箱式波浪能提取装置、两级机械运动传递装置、中间能量存储装置以及最终的能量转换装置。两个箱式波浪能提取装置安装在近海的海岸上，当有波浪出现时，波浪推动箱式波浪能提取装置中的摆板产生摆动，同时通过箱体后墙面反射后的波浪与入射波浪发生干涉，在摆板处形成驻点来保证摆板产生持续性的往复摆动。摆板与摆板转轴之间用摆板支架进行连接，将摆板的往复运动传递给摆板转轴。摆板转轴通过联轴器与超越离合器—齿轮单项装置连接，将转轴的往复运动转化为单项转动。超越离合器—齿轮单项装置输出轴与大皮带轮相连，起到储存能量和减小转速波动的作用，同时与小皮带轮一起使用起到一级升速的作用。将两个小皮带轮作为输入与差速器左右两端的轴相连，将两个皮带轮的功率进行合成和二级升速，同时解决了运动合成时两小皮带轮存在速度差异的问题。最终将合成的运动通过差速机构前端进行输出，将差速机构前端与发电机通过联轴器连接，带动发电机进行发电。

两个箱体主要由钢筋混凝土结构搭建，以确保能长时间经受海浪的冲击和侵袭。箱体开口为喇叭形状，起到聚波和提高入口水流速度的作用。摆板采用聚氯乙烯制成，起到耐海水等复杂环境腐蚀的作用，同时在保证强度要求的情况下具有一定韧性，能减小海浪对装置的冲击。摆板上开有泄流用长孔，泄流的同时降低摆板的质量。摆板支架采用不锈钢316L制成，强度高耐腐蚀能力强。摆板与两个摆板支架用12组螺栓组进行连接。摆板支架与摆板转轴用花键连接，提高连接强度。摆板转轴两端端用两对“面对面”对称放置的圆柱滚子轴承与箱体上的轴承座连接，同时转轴运动输出端安装鼓形齿式联轴器。箱体内部还安装有限位块和缓冲橡胶胎，摆板支架上安装有空气阻尼器，确保摆板的摆动角度在±30°以内。

机械运动传递装置，该装置分为两级，第一级位于中间储能装置前部，其特征在于：该部分主要由超越离合器—齿轮单向装置组成，首先摆板转轴通过鼓形齿式联轴器与超越离合器—齿轮单项装置输入轴连接，该装置用地脚螺栓固定于箱体顶部水泥平台上，设计传动比为1，装置内部输入轴上固定有两个反向安装的超越离合器齿轮，齿轮的内圈通过超越离合器与输入轴固定。当摆板转轴正向摆动时带动其中一个超越离合器啮合，齿轮转动，另一个超越离合器分离，齿轮静止。当摆板转轴反向摆动时与正向时完全相反。传递过程中只有一各超越离合器齿轮工作，从而达到了使运动单相输出的目的。第二级位于中间储能装置后部，其特征在于：该装置为一个差速机构，该装置用地脚螺栓与箱体顶部水泥平台固定在一起，左右两端为输入端与两个小皮带轮连接，前端为输出端，用凸缘联轴器与发电机转轴连接。两端的小皮带轮转动时带动差速机构输入轴转动，差速机构内部与两个输入轴相连的锥齿轮带动与之相啮合的行星齿轮转动，行星齿轮运动带动与输出轴相连的行星架转动，从而进行运动的传递，同时解决了量输入端转速不同步时的运动合成问题进一步提高转速。

中间能量存储装置，该装置由大小两个皮带轮和皮带张紧装置组成，使用六根V型带传动。其中大皮带轮为主动轮与一级机械传动装置输出轴相连，小皮带轮为从动轮与二级机械传动装置输入端相连，中间皮带张紧装置用地脚螺栓固定于箱体顶部，运动过程中保证皮带张紧状态。大轮设计为轮辐式，提高其转动惯量，起到一定存储能量的作用，同时皮带传动能在一定程度上消除由于波浪冲击导致的转动不平稳，保护发电装置。在突然有大浪时冲击时，皮带传动还能通过打滑来保护传动装置和发电装置。

Claims (5)

1.双摆式波浪能发电单元结构，其特征是：包括第一箱体机构、第一级机械运动传递装置A、第二级机械运动传递装置、中间能量存储装置；

第一箱体机构包括箱体、摆板、摆板支架、摆动转轴，摆板固定在摆板支架上，摆板转轴两端分别用面对面对称放置的圆柱滚子轴承与箱体上的轴承座连接，摆板支架与摆板转轴用花键连接，摆板转轴输出端连接鼓形齿式联轴器；

第一级机械运动传递装置A包括超越离合器—齿轮单向装置，超越离合器—齿轮单向装置包括输入轴、输出轴以及输入轴上安装的两个互为反向的超越离合器齿轮，两个超越离合器齿轮的内圈与输入轴相连，两个超越离合器齿轮的外圈与输出轴相连；

第二级机械运动传递装置包括相连的第一输入端和输出端，输出端与发电机转轴相连；

中间能量存储装置包括通过皮带涨紧装置连接的第一中间皮带轮、第二中间皮带轮，第一中间皮带轮与第一级机械运动传递装置A的输出轴相连，第二中间皮带轮与第二级机械运动传递装置第一输入端相连。

2.根据权利要求1所述的双摆式波浪能发电单元结构，其特征是：还包括第二箱体机构、第一级机械运动传递装置B，所述第二箱体机构与第一箱体机构的结构相同、对称设置，所述第一级机械运动传递装置B与第一级机械运动传递装置A结构相同、对称设置，所述第二级机械运动传递装置还包括第二输入端，第二输入端与输出端相连，第一中间皮带轮连与第一级机械运动传递装置B的输出轴相连，第二中间皮带轮与第二级机械运动传递装置第二输入端相连。

3.根据权利要求1或2所述的双摆式波浪能发电单元结构，其特征是：摆板支架上安装空气阻尼器，箱体里安装限位块和缓冲橡胶胎，空气阻尼器和限位块配合限制摆板向里摆动的最大角度，缓冲橡胶胎限制摆板向外摆动的最大角度。

4.根据权利要求1或2所述的双摆式波浪能发电单元结构，其特征是：摆板上开有泄流长孔。

5.根据权利要求3所述的双摆式波浪能发电单元结构，其特征是：摆板上开有泄流长孔。