CN106894937A - 具有变角传动机构的海洋能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有变角传动机构的海洋能发电装置，包括发电机、至少一根传动轴、至少一个水平轴水轮机和至少一个变角传动机构。当海洋能发电装置发电时，发电机位于水平面以上。传动轴的一端连接发电机，传动轴的轴线方向垂直于水平面。水平轴水轮机的轴线方向平行于水平面。变角传动机构连接水平轴水轮机和传动轴，将水平轴水轮机产生的动能传递给传动轴。本发明提供的具有变角传动机构的海洋能发电装置通过设置传动轴和变角传动机构，从而能够将传统的水平轴水轮发电机的发电机部分和其他增速箱等电器元件从水里提升到水平面以上。因此后续发电装置的维修均是在水平面上进行，大大降低了维修成本。
Description
技术领域
本发明属于海洋能发电领域，尤其涉及一种具有变角传动机构的海洋能发电装置。
背景技术
海洋能(包含潮汐能、潮流能、波浪能、海流能)是指海水流动的能量，作为可再生能源，储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。海洋能的利用方式主要是发电，其工作原理与风力发电类似，即通过能量转换装置，将海水的机械能转换成电能。具体而言，首先海水冲击水轮机，水轮机将水流的能量转换为旋转的机械能，然后水轮机经过机械传动系统带动发电机发电，最终转换成电能。
现今能源日益短缺，温室效应日益严重，能源需要低碳化，所以风能，海洋能等清洁能源是未来能源的发展方向。但现在这些清洁能源的发电设备，除了风能利用比较成熟外，海洋能的利用还都是在起步阶段，没有通用和成熟的设备。现有的少数设备也存在效率低下，设备不能大规模化的问题。
由于海洋环境复杂，水中阻力大，传统的海洋能发电装置的安装都必须在海里进行，困难度高，费用庞大。另外，由于发电装置长期接触海水，在海水的长期侵蚀和巨大冲击力下，加上装置本身不停做功产生的劳损，海洋能发电装置使用一段时间后就需要定期进行维修或更换。然而传统的海洋能发电装置的维修和更换也均在海里进行，困难度高，成本巨大。甚至，因为部分组件的损坏，导致整个海洋能发电装置的报废，这是海洋能发电装置高成本的重要原因之一，也是造成现有的海洋能发电装置无法大规模化、商业化运营的直接原因。
尤其是水平轴水轮发电机，由于其所有电器元件(包括叶片、发电机、齿轮箱、增速箱等)均在水下。特别地，与发电机连接的齿轮箱在使用一段时间之后需要更换机油，所以水平轴水轮发电机的维修和保养更加困难，成本更高。因此，即便水平轴水轮发电机的发电效率高于垂直轴水轮发电机，但水平轴水轮发电机商业化仍然非常困难。
并且，随着水中深度的增加，压强逐渐增大。由于发电机组外部的压强会远远大于内部的压强，因此外部水流很容易渗透到发电机组内部从而损毁发电机组。为了增强发电机组的抗压性能和密封性能，对发电机组外壳的强度和结构的密封性会有更高的要求，从而导致生产成本的攀升；另一方面，为了增加发电机组的抗压性能和密封性能，发电机组的体积需要进一步缩小以使发电机组内的所有元件(增速箱、传动元件、发电机等)都紧密设置，这样增加了元件之间的摩擦，极大地影响了发电机组的效率。为了避免这些问题，现有的海洋能发电装置在垂直于水平面方向都只设置一个水轮发电机以避免水深处压强太大的问题。然而，这样对水中深处的潮流能无法充分利用。
另一方面，由于潮流能是利用海洋的潮流进行发电。伴随着涨潮和落潮，潮流的方向会发生改变。传统的大部分水平轴水轮发电机都不可以旋转，导致潮流能发电机只能利用涨潮或者落潮进行发电，发电效率极低。现有技术人员为了充分利用涨潮和落潮产生的能量，选择安装两套发电系统。一套发电系统的叶轮朝向涨潮方向，另一套发电系统的叶轮朝向落潮方向。虽然看似涨潮和落潮产生的能量都充分得以利用，但是在涨潮或落潮时，始终会有一套发电系统闲置。增加一套发电系统使得生产成本翻倍，而产生的电能功率的提高远不及成本的增加，这极大地限制了海洋能发电装置的推广和运用。
发明内容
本发明为了克服现有技术中的至少一个不足，提供一种具有变角传动机构的海洋能发电装置。
为了实现本发明的一目的，本发明提供一种具有变角传动机构的海洋能发电装置，包括发电机、至少一根传动轴、至少一个水平轴水轮机和至少一个变角传动机构。当海洋能发电装置发电时，发电机位于水平面以上。传动轴的一端连接发电机，传动轴的轴线方向垂直于水平面。水平轴水轮机的轴线方向平行于水平面。变角传动机构连接水平轴水轮机和传动轴，将水平轴水轮机产生的动能传递给传动轴。
于本发明的一实施例中，具有变角传动机构的海洋能发电装置还包括至少一根外轴，传动轴套设于外轴之内，外轴转动时带动水平轴水轮机改变朝向。
于本发明的一实施例中，具有变角传动机构的海洋能发电装置还包括电机，连接外轴以驱动外轴转动。
于本发明的一实施例中，具有变角传动机构的海洋能发电装置还包括增压管，与外轴内连通以增加外轴内的压强，使外轴内的气压大于外部海水的压强。
于本发明的一实施例中，具有变角传动机构的海洋能发电装置还包括多个密封圈，分别设于水平轴水轮机处和变角传动机构处以实现外部密封。
于本发明的一实施例中，具有变角传动机构的海洋能发电装置还包括外框架和至少一个内框架，内框架可分离地设置于外框架内，水平轴水轮机、传动轴和变角传动机构设置于内框架内。
于本发明的一实施例中，水平轴水轮机、传动轴以及变角传动机构的数量均大于或等于二。
于本发明的一实施例中，具有变角传动机构的海洋能发电装置还包括齿轮箱，传动轴的端是通过齿轮箱连接发电机。
于本发明的一实施例中，变角传动机构包括多个齿轮和传动杆，通过齿轮和传动杆之间的配合实现传动角度的改变。
综上所述，本发明提供的具有变角传动机构的海洋能发电装置通过设置传动轴和变角传动机构，从而能够将传统的水平轴水轮发电机的发电机部分和其他增速箱等电器元件从水里提升到水面以上。虽然变角传动机构在机械领域已经存在，但是在海洋能发电量领域，本领域技术人员从来没有考虑过水平轴发电机的发电机部分可以脱离水轮机从而提升到水面以上。现有本领域技术人员都一直受到固有模式的限制陷入了技术偏见，认为只有垂直轴水轮发电机的发电机部分才能设置在水面上，水平轴水轮发电机只考虑改进叶片的设置从而提高发电功率。本发明申请正是克服了这种技术偏见，解决了现有技术中水平轴水轮发电机由于所有的电器元件均在水里，因此维修更换困难大、成本高的难题。本发明申请的发电机部分是在水面以上(增速箱等其它电器元件也可以根据需要设置到水面以上)，因此后续发电装置的维修均是在水面上进行，大大降低了维修成本，进一步促成海洋能发电装置的商业化运用和推广。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为根据本发明第一实施例提供的具有变角传动机构的海洋能发电装置的侧视图。
图2所示为根据本发明第一实施例提供的具有变角传动机构的海洋能发电装置的俯视图。
图3所示为根据本发明第二实施例提供的具有变角传动机构的海洋能发电装置的侧视图。
具体实施方式
图1所示为根据本发明第一实施例提供的海洋能发电装置的侧视图。图2所示为根据本发明第一实施例提供的具有变角传动机构的海洋能发电装置的俯视图。如图1和图2所示，本发明第一实施例提供的具有变角传动机构的海洋能发电装置100包括发电机1、至少一根传动轴2、至少一个水平轴水轮机3和至少一个变角传动机构4。
当海洋能发电装置100发电时，发电机1位于水平面P(即水面)以上。传动轴2的一端连接发电机1，传动轴2的轴线方向X2垂直于水平面P。水平轴水轮机3的轴线方向X3平行于水平面P。水平轴水轮机3包括由至少两片叶片组成的叶轮，水平轴水轮机3的轴线方向X3为叶轮的旋转轴的轴线方向。具体而言，从图1所示的方向看去，传动轴2是垂直设置，水平轴水轮机3是水平设置。于实际应用中，传动轴2的大部分、水平轴水轮机3和变角传动机构3都位于水中，即位于水平面P以下。
本发明的变角传动机构4的作用是改变传动角度/方向。本发明的变角传动机构4连接水平轴水轮机3和传动轴2，将水平设置的水平轴水轮机3产生的动能传递给垂直设置的传动轴2。具体而言，水平轴水轮机3在水流的冲击下进行转动，产生的动能通过水平轴水轮机3本身的旋转轴传递给变角传动机构4，此时动能的传递方向是水平方向。然后变角传动机构4改变传动的角度/方向，将水平方向的动能传递给垂直设置的传动轴2。之后传动轴2由于一端连接了发电机1，从而将动能传给发电机1。发电机1将接收到的动能转化为电能，从而进行发电。
于本实施例中，变角传动机构4包括多个齿轮41和传动杆42，通过齿轮41和传动杆42之间的配合实现传动角度90度的改变。如何通过齿轮和传动杆42的配合实现传动角度或方向的改变，为机械领域的现有设计，在此不展开详细描述。图1中仅绘出了一种排布方式。然而，本发明对此不作任何限定，变角传动机构4可仅包括多个齿轮以实现传动角度90度的改变。凡是能够实现传动角度90度改变的传动结构，都在本发明申请的变角传动机构4保护的范围内。
于本实施例中，海洋能发电装置100还包括至少一根外轴5，传动轴2套设于外轴5之内，外轴5转动时带动水平轴水轮机2改变朝向。于本实施例中，海洋能发电装置100还包括电机6，连接外轴5以驱动外轴5转动。由于涨潮和落潮的水流方向相反，无论水流朝哪个方向流入，通过外轴5的转动控制水平轴水轮机3的叶片始终朝向水流，从而提高海洋能的利用率，提高发电效率。
于本发明中，电机6是位于水面上。现有技术中少数水平轴水轮发电机可以实现改向，但是电机均是位于水面以下，有的甚至和发电机组集成为一体。由于现有技术中的控制系统、驱动系统、传动系统、变流系统和发电系统都集成在叶片后形成一个整体，导致现有的水平轴水轮发电机的非叶片部分的体积非常大，大大降低了电子元器件的效能。并且传动系统包括电机非常容易损坏，经常需要维修，这些元件设置在水面下将大幅度增加维修难度和成本。但是本发明中的电机6是位于水面以上而非水面下，彻底解决了上述问题，并且可以大幅度减小水平轴水轮发电机非叶片部分的体积，从而提高电子元器件的效能，最终达到提高发电效率的目的。
于本实施例中，电机6的数量对应于外轴5的数量。然而，本发明对此不做任何限定。于其它实施例中，可以通过齿轮等传动机构，实现一个电机6对两个外轴5的控制。每个电机6可包括电动机和传动机构，传动机构连接外轴5的一端，电机通过传动机构驱动外轴5转动。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，电机6可包括电动机和减速机。由于现有的电机转速都较快，通过减速机后转速大大降低，因此能有效且精准地控制外轴5的转速和转动幅度。
于实际应用中，当水流沿图2中所示的水流方向D流向海洋能发电装置100时，电机6不运作。此时，水平轴水轮机3的叶片面向水流。当水流沿水流方向D相反的方向(从图2中看去为由上往下)流向海洋能发电装置时，电机6驱动外轴5转动，从而带动水平轴水轮机3旋转180度，使得叶片从朝下改为朝上，以保证水平轴水轮机3的叶片始终朝向水流。此种情况尤其适用于利用潮汐能发电，确保了最大的发电功率。
特别地，实际应用中涨潮和落潮的水流方向并不完全平行，也并不一定会垂直于水平轴水轮机3的迎水面。无论水流从哪个方向涌入水平轴水轮机3，本实施例的海洋能发电装置可以通过外轴5控制水平轴水轮机3改变朝向以使水平轴水轮机3始终正对水流，从而最大程度地利用海洋能，提高发电功率。
并且，当实际水流速度高于水平轴水轮机3能承受的最大负荷对应的额定速度时，此时只需通过外轴5转动控制水平轴水轮机3使其旋转偏离水流方向一个角度，则可以有效降低水平轴水轮机3的负载，在确保水平轴水轮机3不会因超负荷损毁的同时，确保水平轴水轮机3仍然正常工作，持续稳定地输出发电。克服了传统海洋能发电装置中当水流速度过大，发电机为了避免烧毁就停止工作的弊端，同时无需进行变桨调节，使得发电机的负荷调节更加简单有效。当实际水流速度小于水平轴水轮机3能承受的最大负荷对应的额定速度时，此时只需通过外轴5转动控制水平轴水轮机3使其旋转正对水流方向(即叶片的迎水面垂直于水流方向)，则可以最大程度地利用水流进行发电，提高发电功率。
于本实施例中，海洋能发电装置100还包括增压管7，与外轴5内连通以增加外轴5内的压强，使外轴5内的气压大于外部海水的压强。于本实施例中，海洋能发电装置100还包括多个密封圈8，分别设于水平轴水轮机3处和变角传动机构4处以实现外部密封。
具体而言，密封圈8分别设置于水平轴水轮机3的叶轮转子与外部腔体的连接处以及变角传动机构4的输入与输出转轴与腔体的连接处。增压管7的一端连通一个气泵(图未示)，另一端置于外轴5内，由于气泵和外轴5相连通，气泵可以控制增大或减小外轴5内的压强，从而控制外轴5内的压强大于外部的压强。通过这种方式，仅设置常规的的密封圈8即可阻挡外部的水流进入外轴5和水平轴水轮机3内，从而有效地对外轴5内的传动轴和变角传动机构4以及水平轴水轮机3的叶轮转子实现密封保护，解决了现有水平轴水轮发电机无法在水里深处工作或工作效率低下的问题，并且使得充分利用水深方向上的海洋能成为可能，提高发电效率，克服现有海洋能发电装置无法“做深”的难题。
于本实施例中，海洋能发电装置还包括外框架91和至少一个内框架92，内框架92可分离地设置于外框架91内，水平轴水轮机3、传动轴2和变角传动机构4设置于内框架92内。于本实施例中，一个内框架92和至少一个水平轴水轮机3共同形成一个内置模块。于实际应用中，可先将至少一个水平轴水轮机3固定在一个内框架92内，然后将至少一个这样组装好的内框架92固定在外框架91内，从而实现海洋能发电装置的模块化安装。具体而言，内置模块的组装可在岸上或海上平台进行，然后将内置模块由上往下吊入置于海中的外框架91内和外框架91进行固定，如此实现海面上的安装作业，大大简化安装程序，减少安装时间，降低海洋中安装难度。
于本实施例中，海洋能发电装置还包括齿轮箱10，传动轴2的一端是通过齿轮箱10连接发电机1。为了确保发电机1高效的工作效率，齿轮箱10经常需要更换机油。本发明申请的齿轮箱10和发电机1均是在水面以上，因此大大降低了维修、保养和更换的难度和成本。
图3所示为根据本发明第二实施例提供的具有变角传动机构的海洋能发电装置的侧视图。如图3所示，第二实施例提供的具有变角传动机构的海洋能发电装置200的发电机1、传动轴2、水平轴水轮机3、外轴5、电机6、密封圈8等元件和第一实施例相同，相同元件采用相同标号，以下仅就不同之处予以描述。
于本实施例中，水平轴水轮机3、传动轴2以及变角传动机构的数量为两个。然而，本发明对水平轴水轮机、传动轴以及变角传动机构的数量不作任何限定，可以根据水底和水面之间的距离灵活调整水深上水平轴水轮机3的数量。于其它实施例中，水平轴水轮机、传动轴以及变角传动机构的数量可均大于二。至少水平轴水轮机3位于同一个内框架内且沿垂直于水平面P的方向排列。从图3所示方向看去，两个水平轴水轮机3为纵向排列，从而实现了海洋能发电装置规模沿海洋深度的纵向扩展，大大提高发电功率，进一步克服了现有传统海洋能发电装置无法实现规模化的问题。
由于本实施例中有两个水平轴水轮机3，因此位于图3中上方的变角传动机构4’不仅要将其自身连接的水平轴水轮机3水平传递过来的动能传递给水平面P上的发电机1，而且要将下方的传动轴2垂直传递的动能传递给水平面P上的发电机1。因此，此实施例中位于上方的变角传动机构4’中的内部结构会与第一实施例中的或者下方的变角传动机构4的内部结构稍有不同。如何安排齿轮和传动杆的排布从而实现传动角度的改变或者维持是机械领域的现有设计，在此不展开详细描述。图3中仅绘出了一种排布方式，其它可以实现相同功能的排布方式都在本发明申请的保护范围内。
综上所述，本发明提供的具有变角传动机构的海洋能发电装置通过设置传动轴和变角传动机构，从而能够将传统的水平轴水轮发电机的发电机部分和其他增速箱等电器元件从水里提升到水面以上。虽然变角传动机构在机械领域已经存在，但是在海洋能发电量领域，本领域技术人员从来没有考虑过水平轴发电机的发电机部分可以脱离水轮机从而提升到水面以上。现有本领域技术人员都一直受到固有模式的限制陷入了技术偏见，认为只有垂直轴水轮发电机的发电机部分才能设置在水面上，水平轴水轮发电机只考虑改进叶片的设置从而提高发电功率。本发明申请正是克服了这种技术偏见，解决了现有技术中水平轴水轮发电机由于所有的电器元件均在水里，因此维修更换困难大、成本高的难题。本发明申请的发电机部分是在水面以上(增速箱等其它电器元件也可以根据需要设置到水面以上)，因此后续发电装置的维修均是在水面上进行，大大降低了维修成本，进一步促成海洋能发电装置的商业化运用和推广。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。
Claims (9)
1.一种具有变角传动机构的海洋能发电装置，其特征在于，包括：
发电机，当海洋能发电装置发电时，所述发电机位于水平面以上；
至少一根传动轴，一端连接所述发电机，所述传动轴的轴线方向垂直于水平面；
至少一个水平轴水轮机，所述水平轴水轮机的轴线方向平行于水平面；
至少一个变角传动机构，连接所述水平轴水轮机和传动轴，将水平轴水轮机产生的动能传递给传动轴。
2.根据权利要求1所述的具有变角传动机构的海洋能发电装置，其特征在于，所述海洋能发电装置还包括至少一根外轴，传动轴套设于外轴之内，所述外轴转动时带动水平轴水轮机改变朝向。
3.根据权利要求2所述的具有变角传动机构的海洋能发电装置，其特征在于，所述海洋能发电装置还包括电机，连接所述外轴以驱动所述外轴转动。
4.根据权利要求2所述的具有变角传动机构的海洋能发电装置，其特征在于，所述海洋能发电装置还包括增压管，与外轴内连通以增加外轴内的压强，使外轴内的气压大于外部海水的压强。
5.根据权利要求1所述的具有变角传动机构的海洋能发电装置，其特征在于，所述海洋能发电装置还包括多个密封圈，分别设于水平轴水轮机处和变角传动机构处以实现外部密封。
6.根据权利要求1所述的具有变角传动机构的海洋能发电装置，其特征在于，所述海洋能发电装置还包括外框架和至少一个内框架，内框架可分离地设置于所述外框架内，水平轴水轮机、传动轴和变角传动机构设置于内框架内。
7.根据权利要求1所述的具有变角传动机构的海洋能发电装置，其特征在于，水平轴水轮机、传动轴以及变角传动机构的数量均大于或等于二。
8.根据权利要求1所述的具有变角传动机构的海洋能发电装置，其特征在于，所述海洋能发电装置还包括齿轮箱，所述传动轴的所述端是通过齿轮箱连接所述发电机。
9.根据权利要求1所述的具有变角传动机构的海洋能发电装置，其特征在于，所述变角传动机构包括多个齿轮和传动杆，通过齿轮和传动杆之间的配合实现传动角度的改变。
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