CN106545456A - 一种纯机械调节的稳定输出发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯机械调节的稳定输出发电装置，包括支撑架，支撑架内设有两个自由摆陀、输入传动机构、储能机构、输出传动机构、调速机构、发电机和输出线缆，两个自由摆陀扫过的平面相互垂直，输入传动机构采用两组自动双向换向调节机构，实现源动侧的往复摆动或双向旋转向动力侧的单一方向旋转的转换，两个自由摆陀与输入传动机构啮合，且同时向输入传动机构供能，并转换为一组固定旋转方向的输出，输入传动机构将动力传输给储能机构，储能机构与输出传动机构啮合，输出传动机构的旋转速度受调速机构控制，输出传动机构旋转并使得发电机发电，发出的电经输出线缆输出。本发明具有结构简单、操作方便、能量转化率高、性能可靠的优点。

Description

一种纯机械调节的稳定输出发电装置

技术领域

本发明涉及一种纯机械调节的稳定输出发电装置，特别是利用风力或水力等可再生能源实现恒定输出的发电装置，属于再生能源发电领域。

背景技术

近年来可再生能源的开发与应用得到了广泛的关注，也取得了长足的发展。然而在针对太阳能、风能、潮汐能、波浪能等发电应用方面，由于这些可再生能源具有间歇性和较大的波动性，因此在电控方面常需要采取整流、调频调压、最大功率跟踪等环节，或考虑分布式能源发电时的联合互补控制，其电路复杂且就整个系统而言能源转化效率低。如何经济稳定高效地供能，仍是可再生能源研究领域需要解决的问题。

通过检索和分析，目前利用可再生能源发电的相关技术都是从机械结构和控制方面，实现由间歇性和较大的波动性的一种能量转化为持续稳定输出的另一种能量，而且期望能量转化效率尽量高。而自动机械式手表中就有值得借鉴的技术，然而考虑到风力和水力发电的应用，在部分结构的设计上仍需结合工程应用的需要做进一步改进。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种结构简单、操作方便、能量转化率高、性能可靠的纯机械调节的稳定输出发电装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种纯机械调节的稳定输出发电装置，包括支撑架，支撑架内设有两个自由摆陀、输入传动机构、储能机构、输出传动机构、调速机构、发电机和输出线缆，两个自由摆陀扫过的平面相互垂直，输入传动机构采用两组自动双向换向调节机构，实现源动侧的往复摆动或双向旋转向动力侧的单一方向旋转的转换，两个自由摆陀与输入传动机构啮合，且同时向输入传动机构供能，并转换为一组固定旋转方向的输出，输入传动机构将动力传输给储能机构，储能机构与输出传动机构啮合，输出传动机构的旋转速度受调速机构控制，输出传动机构旋转并使得发电机发电，发出的电经输出线缆输出。

本发明的进一步改进在于：储能机构包含储能输入轴，弹性储能条和圆柱形储能机构外转子，弹性储能条一端与储能输入轴相连，另一端与圆形储能机构外转子相连，且储能输入轴位于储能机构的几何中心，与圆柱形储能机构外转子同轴。

本发明的进一步改进在于：储能输入轴接受输入传动机构的动力，从而带动弹性储能条绕储能机构的几何中心扭转卷紧；圆柱形储能机构外转子与输出传动机构啮合旋转。

本发明的进一步改进在于：支撑架为密封结构。

本发明的进一步改进在于：支撑架采用悬挂的方式高于相对平面。

本发明的进一步改进在于：支撑架采用弹性支撑结构支撑于一固定面。

本发明的进一步改进在于：支撑架的底部设有多个潜浮舱。

本发明的进一步改进在于：支撑架的上表面设有挂钩。

本发明的进一步改进在于：弹性支撑结构为弹簧。

本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明采用机械式结构改进使得间歇性和较大的波动性可再生能源能够持续稳定地输出电能，避免了复杂的电控环节，具有结构简单，操作方便，能量转化率高，性能可靠的特点。

本发明通过支撑架的修改，该设备即可以应用于陆地的风力发电，又可用于波浪或潮汐等的水力发电，通用性好。

本发明不需要专门的叶轮等外凸机构，空间占用小，且可以做到相对密闭，提高户外适应能力、延长使用寿命。

本发明采用两个扫掠面相互垂直布置的自由摆陀，且在输入传动机构对应有两个双向换向的机构，保证风力或水力等可再生能源使支撑架呈任何姿势摆动时，摆陀都能捕捉到该能量并形成旋转或摆动，该旋转或摆动的机械能都可以转化为有效的储能存储于储能机构中，提高了能源转化效率。

本发明调速机构摆轮游丝的振荡周期可调，方便配合现有量产的低速发电机或定制低速发电机，使其工作在期望的转速和期望的功率点。

附图说明：

图1 为本发明的结构示意图；

图2 为储能机构的简化示意图；

图3为本发明设有挂钩的结构示意图；

图4为本发明设有弹簧的结构示意图；

图5为本发明设有潜浮舱的示意图；

图中：1:支撑架；2:自由摆陀；3:输入传动机构；4:储能机构；4-1:储能输入轴；4-2:弹性储能条；4-3:圆柱形储能机构外转子；5:输出传动机构；6:调速机构； 7:发电机；8:输出线缆； 9:挂钩；10:弹簧式支撑；11:潜浮舱。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1示出了本发明纯机械调节的稳定输出发电装置的一种实施方式，所述机构包括支撑架1，支撑架1内设有两个自由摆陀2、输入传动机构3、储能机构4、输出传动机构5、调速机构6、发电机7和输出线缆8。两个自由摆陀2扫过的平面相互垂直，这样可以保证风力或水力等可再生能源使支撑架呈任何姿势摆动，摆陀都能捕捉到该能量并形成旋转或摆动。输入传动机构3采用两组自动双向换向调节机构，实现源动侧的往复摆动或双向旋转向动力侧的单一方向旋转的转换，因为在风力或水力等可再生能源使支撑架呈绕轴旋转时，自由摆陀可能呈顺时针旋转，也可能呈逆时针旋转，而储能箱的输入要求某一固定的旋转方向，通过该换向调节机构可以保证自由摆陀只要有旋转就能向储能箱储能；另一方面，当在风力或水力等可再生能源使支撑架呈往复摆时，自由摆陀也是呈现往复摆动，通过该双向换向调节机构，同样能保证自由摆陀的往复摆动都可以向储能箱储能。两个自由摆陀2与所述输入传动机构3啮合，且同时向输入传动机构3供能，并转换为一组固定旋转方向的输出，输入传动机构3将动力传输给储能机构4，储能机构4与输出传动机构5啮合，输出传动机构5的旋转速度受调速机构6控制，输出传动机构5旋转并使得发电机7发电，发出的电经输出线缆8输出。调速机构参考自动机械式手表中的擒纵调速系，且摆轮游丝的振荡周期可调，这样便于配合现有量产的低速发电机或定制低速发电机，使其工作在期望的转速和期望的功率点。

如图2所示，储能机构4包含储能输入轴4-1、弹性储能条4-2和圆柱形储能机构外转子4-3，弹性储能条4-2一端与储能输入轴4-1相连，另一端与圆形储能机构外转子4-3相连，且储能输入轴4-1位于储能机构4的几何中心，与圆柱形储能机构外转子4-3同轴。储能输入轴4-1接受输入传动机构3的动力，从而带动弹性储能条4-2绕储能机构4的几何中心扭转卷紧，圆柱形储能机构外转子4-3与输出传动机构5啮合旋转。

实施例1：支撑架1的轮廓根据需要进行一定程度的密封。整个装置可以按图3所示采用悬挂的方式支撑于一定高度，也可按图4采用弹簧等弹性支撑结构支撑于某一固定面。当风能吹经本发明所述的发电装置，会引起该装置的不规律摇摆运动，支撑架1将该不规则摇摆运动传递给两个自由摆陀2，使两个自由摆陀2形成旋转运动或往复摆动；两个自由摆陀2与输入传动机构3啮合，输入传动机构3采用旋转式双向换向机构，将上述旋转运动或往复摆动转换为单向的旋转机械能；输入传动机构3与储能机构4和输出传动机构5配合，将前述机械能转换为弹性势能存储于储能机构4，储能机构4经由输出传动机构5将弹性势能转化为旋转机械能传送于发电机7；发电机7的转速，即储能机构4的弹性势能释放速度受调速机构6的调节和控制；调速结构6借鉴自动机械式手表中的擒纵调速系，将储能机构4的弹性势能缓慢释放，使输出传动机构5保持匀速旋转，从而保证发电机7的稳定发电，经输出线缆8输出。

实施例2：图1或图5所示本发明的一种波浪能、获潮汐能用机械式恒定输出发电装置，支撑架1的轮廓根据需要进行一定程度的密封。整个装置可以按图1直接密封后浮于水面，也可按图5采用潜浮舱11将发电装置潜浮于水面，潜浮舱11可按发电装置潜浮深度要求注入水或抽出水，然后将整个发电装置牵引固定。当波浪或潮汐流经本发明所述的发电装置，会引起该装置的不规律摇摆运动，支撑架1将该不规则摇摆运动传递给两个自由摆陀2，使两个自由摆陀2形成旋转运动或往复摆动；两个自由摆陀2与输入传动机构3啮合，输入传动机构3采用旋转式双向换向机构，将上述旋转运动或往复摆动转换为单向的旋转机械能；输入传动机构3与储能机构4和输出传动机构5配合，将前述机械能转换为弹性势能存储于储能机构4，储能机构4经由输出传动机构5将弹性势能转化为旋转机械能传送于发电机7；发电机7的转速，即储能机构4的弹性势能释放速度受调速机构6的调节和控制；调速结构6借鉴自动机械式手表中的擒纵调速系，将储能机构4的弹性势能缓慢释放，使输出传动机构5保持匀速旋转，从而保证发电机7的稳定发电，经输出线缆8输出。

本发明可以将能量形成是式随机波动的新能源转化为稳定输出的电能。本发明是将自动机械式手表结构的上条储能思想和擒纵系调速系结构应用于可再生能源发电，并在此基础上的再创新。支撑架为整个系统的支承结构，同时将外界能量以不规律摇摆运动传递给自由摆陀，使自由摆陀形成旋转运动或往复摆动；自由摆陀与输入传动机构啮合，输入传动机构采用两组自动双向换向调节机构，将上述旋转运动或往复摆动转换为某一固定方向的旋转机械能；输入传动机构与储能箱和输出传动机构配合，将前述机械能转换为弹性势能存储于储能箱，储能箱经由输出传动机构将弹性势能转化为旋转机械能传送于调速机构；调速结构借鉴自动机械式手表中的擒纵调速系，将输出传动机构的非匀速旋转机械能转换为恒定的旋转机械能；调速机构再与发电机配合传动，将恒定的旋转机械能转换为电压恒定的电能，经输电线缆输出。本发明通过利用含有两组自动双向换向调节机构的输入传动机构和可调擒纵系调速系的调速结构，可以将间歇式不规律运动的可再生能源转化为恒定的电能输出，且调速结构输出转速可调，便于选配发电机或定制额定转速的发电机，提高能转化效率，推进可再生能源的广泛应用。

自动双向换向调节机构可以为两种结构，第一种结构为：包括两个自由摆陀、两组自动双向换向调节机构、两组过渡传动轮组、一个主轴传动轮、一个能源转换结构，第一自由摆陀同轴连接有第一自动双向换向调节机构，第一自动双向换向调节机构与第一过渡传动轮组啮合连接，第一过渡传动轮组与主轴传动轮啮合连接，第二自由摆陀同轴连接有第二自动双向换向调节机构，第二自动双向换向调节机构与第二过渡传动轮组啮合连接，第二过渡传动轮组与主轴传动轮啮合连接，两组自由摆陀分别通过双向换向调节机构和过渡传动轮组带动主轴传动轮做旋转运动，第一自由摆陀与第二自由摆陀的绕转轴杆相互垂直，第一自动双向换向调节机构包括两个换向方向相反的棘轮换向结构，且其中的第一自由摆陀与第一轴杆之间、第一棘轮换向结构的内轮和第二棘轮换向结构的内轮与第一轴杆之间采用轴向定位以防止产生相对转动，而第一棘轮换向结构的外轮和第二棘轮换向结构的外轮则绕第一轴杆沿相反方向旋转；第二自由摆陀与第五轴杆、第三棘轮换向结构和第四棘轮换向结构两个棘轮换向结构的外轮与第五轴杆之间采用轴向定位以防止产生相对转动，第四棘轮换向结构和第三棘轮换向结构两个棘轮换向结构的换向的外轮绕第五轴杆沿相反方向旋转，第一过渡传动轮组包括上传动轮和下传动轮，上传动轮和下传动轮之间的轴向间距与第一棘轮换向结构和第二棘轮换向结构之间的轴向间距一致，上传动轮和下传动轮与第二轴杆之间采用轴向定位以保持相同的角速度旋转，主轴传动轮和第三轴杆、能源转换结构的内转子和第三轴杆之间均采用轴向定位，使主轴传动轮通过第三轴杆带动能源转换结构的内转子以保持同步转动，第一过渡传动轮组和第二过渡传动轮组可以分别沿第二轴杆的轴心线和第四轴杆的轴心线方向移动以切出过渡传动，使第一棘轮换向结构和第四棘轮换向结构的扭矩无法传递到所述主轴传动轮。采用纯机械式结构设计，解决了现有新能源发电系统换向结构只能利用单向动能及机械应用中超离合换向结构复杂和部件间配合间隙大的问题，具有结构简单，能量转化率高，性能可靠的特点；采用两组绕转轴杆相互垂直的自由摆陀，且结合自动双向换向调节机构，可以最大限度地将自然界的流体动能转化为固定旋转方向的旋转动能，从而方便后续的进一步转化和利用，该种结构提高了能源转化效率；采用两组过渡传动轮，一方面将成对使用、换向方向相反的棘轮换向结构协调成合力驱动同一个主轴传动轮，提高了动能的利用；另一方面，可以在某个棘轮换向结构出现换向故障时，切出该组过渡传动，保证系统的安全运行。

第二种结构为：包括两个自由摆陀、两组自动双向换向调节机构、一组过渡传动轮组、一组主轴传动轮组、一个能源转换结构，第一自由摆陀同轴连接有第一自动双向换向调节机构，第一自动双向换向调节机构与过渡传动轮组啮合连接，过渡传动轮组与主轴传动轮组啮合连接，主轴传动轮组与第二自动双向换向调节机构啮合连接，主轴传动轮组同轴连接有能源转换结构，第二自动双向换向调节机构同轴连接有第二自由摆陀，第一自由摆陀与第二自由摆陀绕转轴杆相互垂直。第一自动双向换向调节机构包括两个换向方向相反的棘轮换向结构，且其中的第一自由摆陀与第一轴杆、第一棘轮换向结构和第二棘轮换向结构的内轮与第一轴杆之间采用轴向定位以防止产生相对转动，而第一棘轮换向结构和第二棘轮换向结构的外轮则绕第一轴杆沿相反方向旋转；其中的第二自由摆陀与第四轴杆、第三棘轮换向结构和第四棘轮换向结构的内轮与第四轴杆之间采用轴向定位以防止产生相对转动，第三棘轮换向结构和第四棘轮换向结构的换向外轮则绕第四轴杆沿相反方向旋转。过渡传动轮组包含过渡传动轮组的上传动轮和过渡传动轮组的下传动轮两个传动齿轮，过渡传动轮组的上传动轮与过渡传动轮组的下传动轮之间的轴向间距与第一棘轮换向结构和第二棘轮换向结构之间的轴向间距一致，且过渡传动轮组的上传动轮与过渡传动轮组的下传动轮与第二轴杆之间采用轴向定位以保持相同的角速度旋转。主轴传动轮组和第三轴杆、能源转换结构的内转子和第三轴杆之间采用轴向定位，主轴传动轮组通过第三轴杆带动能源转换结构的内转子以保持同步转动。过渡传动轮组可以沿第二轴杆的轴心线方向移动以切出过渡传动，使第一棘轮换向结构的扭矩无法传递到主轴传动轮组。采用纯机械式结构设计，解决了现有新能源发电系统换向结构只能利用单向动能及机械应用中超离合换向结构复杂和部件间配合间隙大的问题，具有结构简单，能量转化率高，性能可靠的特点；采用两组绕转轴杆相互垂直的自由摆陀，且结合自动双向换向调节机构，可以最大限度地将自然界的流体动能转化为固定旋转方向的旋转动能，从而方便后续的进一步转化和利用，该种结构提高了能源转化效率；采用一组过渡传动轮组，简化了过渡传动环节，进一步提高了传动效率，同时也提高了稳定性。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (9)

1.一种纯机械调节的稳定输出发电装置，其特征在于：所述机构包括支撑架（1），所述支撑架（1）内设有两个自由摆陀（2）、输入传动机构（3）、储能机构（4）、输出传动机构（5）、调速机构（6）、发电机（7）和输出线缆（8），两个所述自由摆陀（2）扫过的平面相互垂直，所述输入传动机构（3）采用两组自动双向换向调节机构，实现源动侧的往复摆动或双向旋转向动力侧的单一方向旋转的转换，两个所述自由摆陀（2）与所述输入传动机构（3）啮合，且同时向所述输入传动机构（3）供能，并转换为一组固定旋转方向的输出，所述输入传动机构（3）将动力传输给所述储能机构（4），所述储能机构（4）与所述输出传动机构（5）啮合，所述输出传动机构（5）的旋转速度受所述调速机构（6）控制，所述输出传动机构（5）旋转并使得所述发电机（7）发电，发出的电经所述输出线缆（8）输出。

2.根据权利要求1所述的一种纯机械调节的稳定输出发电装置，其特征在于：所述储能机构（4）包含储能输入轴（4-1）、弹性储能条（4-2）和圆柱形储能机构外转子（4-3），所述弹性储能条（4-2）一端与所述储能输入轴（4-1）相连，另一端与所述圆形储能机构外转子（4-3）相连，且所述储能输入轴（4-1）位于所述储能机构（4）的几何中心，与所述圆柱形储能机构外转子（4-3）同轴。

3.根据权利要求2所述的纯机械调节的稳定输出发电装置，其特征在于：所述储能输入轴（4-1）接受所述输入传动机构（3）的动力，从而带动所述弹性储能条（4-2）绕所述储能机构（4）的几何中心扭转卷紧，所述圆柱形储能机构外转子（4-3）与所述输出传动机构（5）啮合旋转。

4.根据权利要求1所述的一种纯机械调节的稳定输出发电装置，其特征在于：所述支撑架（1）为密封结构。

5.根据权利要求1所述的一种纯机械调节的稳定输出发电装置，其特征在于：所述支撑架（1）采用悬挂的方式高于相对平面。

6.根据权利要求1所述的一种纯机械调节的稳定输出发电装置，其特征在于：所述支撑架（1）采用弹性支撑结构支撑于一固定面。

7.根据权利要求1所述的一种纯机械调节的稳定输出发电装置，其特征在于：所述支撑架（1）的底部设有多个潜浮舱（11）。

8.根据权利要求5所述的一种纯机械调节的稳定输出发电装置，其特征在于：所述支撑架（1）的上表面设有挂钩（9）。

9.根据权利要求6所述的一种纯机械调节的稳定输出发电装置，其特征在于：所述弹性支撑结构为弹簧（10）。