CN107461311A - 一种采用波浪能驱动的水泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用波浪能驱动的水泵，包括转动连接有转动部件的基架，利用浮力带动所述转动部件转动的浮动组件，还包括设置在基架上与转动部件连接的供水机构，所述供水机构是包括曲柄组件、容器组件和连杆的曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构与所述转动部件同步转动连接，将所述转动部件传来旋转力矩转变成直线运动力输出给与容器组件连接的连杆的执行端，执行端的运动使容器组件内部容纳腔的容积变化，实现对海水的吸进和排出；本发明实现了利用波浪能来搬运海水，以提高海洋资源的利用率。

Description

一种采用波浪能驱动的水泵

技术领域

本发明涉及一种直接利用波浪能供水的装置；尤其涉及一种采用波浪能驱动的水泵。

背景技术

海洋中的波浪所蕴涵的能量主要是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千瓦，而波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为20～40kW/m²，中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2～7kW/m²。全世界波浪能的理论估算值也为10⁹kW 量级。利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3X10⁷kW。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置，故实际的沿海波浪功率要大于此值。面对如此丰富的波浪能，常见的直接利用手段是将波浪能转化为电能，然后通过电网将电能输送至电能消耗的终端。

在CN104265555A本发明公开了一种浮子—链式离岸波浪能收集装置，包括漂浮在水面的上浮子，悬浮在水中的下浮子，连接在上浮子与下浮子间的传动链， 以及沉设在水底的安装箱；所述的安装箱上设有：受传动链带动的链轮，所述传动链由链轮下方绕过；受所述链轮驱动的液压泵；和用于在链轮和液压泵间传递固定的扭矩的机械传动系统。

在上述文献中，通过上、下浮子将波浪能以机械能为媒介转化为电能。并未对海洋中出波浪能以外的其他资源进行开采，比如海水资源。目前海水资源的利用主要体现在生活和生产两方面。生活中海水可以用于洗涤、建筑降温等方面；生产中海水可以用于离岸渔业养殖、化工提取等方面。

由此可见对海水的直接利用范围非常广，但现目前对海水的直接使用主要是通过电泵将海水输送至各个需要直接使用海水的区域。电能的获得来源方式比较广泛，传输方便，但是在其传输过程中会有电能的消耗，同时对人为干预的要求也比较高。而且，对于偏远的海岸和岛礁，电能非常宝贵，因此如何更直接利用波浪能来运输海水，并且用输送的海水来发电都是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于利用波浪能来实现对海水的搬运，以提高海洋资源的利用率。

为了达到上述目的，本发明提出了一种采用波浪能驱动的水泵，包括转动连接有转动部件的基架，利用浮力带动所述转动部件转动的浮动组件，还包括设置在基架上与转动部件连接的供水机构，所述供水机构是包括曲柄组件、容器组件和连杆的曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构与所述转动部件同步转动连接，将所述转动部件传来旋转力矩转变成直线运动力输出给与容器组件连接的连杆的执行端，执行端的运动使容器组件内部容纳腔的容积变化，实现对海水的吸进和排出。

进一步，所述容器组件为独立容器组件或组合容器组件；所述独立容器组件包括独立容器和单向阀组，与所述连杆连接的所述独立容器通过塑性变形或结构变型来实现其内部容纳腔的容积变化；所述组合容器组件包括组合容器和单向阀组，所述组合容器包括配合形成有容纳腔的活塞缸和活塞，与连杆连接的活塞通过相对活塞缸的运动来改变容纳腔的容积；所述单向阀组包括导通状态相反的两种单向阀，两种单向阀分别与容纳腔连通，单向控制海水的吸进和排出；波浪的运动频率不定，浮动组件带动的转动部件会有顺、逆时针的运动状态，且顺逆时针转动的切换和波浪的运动频率一样没有规律，在此种情况下选用导通状态相反的单向阀组，单向阀组能够随着容纳腔内容积的变化来自动切换、选择导通的单阀组，如此则实现了只要容纳腔体积变化，就能定向吸进或排出海水，从了提高了波浪能的利用率，同时在波浪复杂运动的状态下，单向阀组的适应性好，结构简单、维护和维修方便。

进一步，所述供水机构包括曲柄组件，连杆、活塞、单向阀组、内部设有容纳腔的活塞缸，所述曲柄组件与转动部件同步转动连接，所述连杆的一端与所述曲柄组件转动连接，另一端与活塞转动连接，位于容纳腔中的活塞通过相对活塞缸的移动来改变容纳腔内的容积；单向阀组与活塞缸内部容纳腔连通；所述活塞缸固定连接在所述基架上；结构简单、维护、维修方便。

进一步，所述供水机构为N个，所述N≥1，N个往复运动活塞的运动相对于等效圆周运动的相位差相等，并均匀分布在等效圆周上。N个往复运动活塞的运动相位相对应于圆周运动的相位差相等，并均匀分布在对应的圆周上，这种设计可以保证装置的吸水和排水量保持相等，既有效吸收波浪能，又能使装置稳定运行，并保持相对稳定的水压输出。前述的等效圆周运动在于：曲柄带动的活塞的运动规律与一个圆周运动的侧向投影规律是一致的。因此活塞运动与圆周运动相等效，以等效的运动，将N个往复运动的活塞的初相位均匀的分布在供水机构的运动周期上。

进一步，所述曲柄组件采用与转动部件同步转动连接的输出转盘或输出曲轴，所述连杆偏心转动连接在输出转盘上，或者所述连杆转动连接在输出曲轴的轴颈上；结构简单，同时能根据供水机构的数量选择输出转盘或者输出曲轴。

进一步，所述输出曲轴包括多个相位组，多个相位组均匀分布在输出曲轴转动圆周上，每个轴颈连接一个连杆，服务于一个供水机构。供水机构在吸、排海水的过程中，吸水需要消耗的能量比排水需要消耗的能量不等，只有当活塞的运动相位均匀分布时，能使供水机构处在吸进和排出海水的量保持相等的状态，并且能保持吸排水量相对稳定，波浪能才能被高效吸收，又能使装置稳定运行，并保持稳定的水流输出。

进一步，所述供水机构有多个，多个所述供水机构连接在所述转动部件的两侧；供水机构连接在转动部件的两侧，如此有利于平衡转动部件的两侧受力。

进一步，还包括供给管道和输送管道，所述供水机构为多个，多个所述供水机构中的控制吸进的所述单向阀通过供给管道相互连通，控制排出的所述单向阀通过输送管道相互连通；如此在输送海水的过程中，能够集中供水，提高供水速度，同时也能方便选择供给海水的水源区域。

进一步，所述浮力组件包括漂浮在海面上的上浮组件和浸没在海面下的下浮组件，所述上浮组件的浮力大于下浮组件的浮力；如此才能保证上浮组件和下浮组件之间对转动部件施加有作用力。

进一步，所述上浮组件包括上浮体和上浮体牵引件，所述上浮体牵引件上端连接上浮体，下端缠绕连接在转动部件上；所述下浮组件包括下浮体和下浮体牵引件，所述下浮体牵引件上端连接下浮体，下端缠绕连接在转动部件上；所述上浮体牵引件与所述下浮体牵引件在转动部件上的缠绕方向相反，且上浮体与下浮体之间的距离大于最大潮差与最大波高之和，上浮体牵引件和下浮体牵引件缠绕在转动部件上的长度和大于最大潮差与最大波高之和。对上浮体牵引件和下浮体牵引件缠绕在转动部件上长度的限定，和上浮体与下浮体之间间距的限定，能保证装置在潮位变化和极端天气下都能正常工作。并且上、下浮体与转动部件之间的连接是以缠绕的方式连接，缠绕连接的方式能使上浮组件和下浮组件相互制约、相互作用，保证正常工作。

进一步，所述上、下浮体牵引件为牵引绳；绳体具有一定的柔韧性，能够根据阻碍变型。

进一步，在所述基架上设有导向架，所述导向架上开设有与上、下浮体牵引件分别对应的引导孔；引导孔能防止上浮体牵引件与下浮体牵引件之间发生缠绕。

进一步，所述下浮体牵引件为两件，所述两件下浮体牵引件连接在下浮体与转动部件之间，在所述下浮体上开设有供上浮体牵引件穿过的导向孔；在下浮体上连接的两件下浮体牵引件能使下浮体相对平衡，同时上浮体牵引件通过导向孔与上浮体连接，此种结构能防止下浮体牵引件与上浮体牵引件之间因为缠绕而无法工作的问题。

本发明的有益效果为：以浮动组件将波浪能转化为机械能，以机械能来对海水进行搬运，其能量流动的路径短，能量损失小；同时曲柄滑块机构原理的供水机构结构简单、且波浪的运动状态和频率都不会影响能量的吸收。并且装置制造成本和维护成本低、长期运行可靠性好。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为实施例一的结构示意图；

图3为实施例一的变型结构一；

图4为实施例一的变形结构二；

图5为实施例三的结构示意图；

图中：1-上浮组件，11-上浮体，12-上浮体牵引件；2-下浮组件，21-下浮体、211-导向孔，22-下浮体牵引件；3-基架，32-转动部件，33-导向架、331-引导孔、34-输出转盘、35-输出曲轴；4-供水机构，41-连杆，42-活塞，43-活塞缸，431-容纳腔，44-单向阀组、45-波纹容器、5-供给管道、6-输送管道。

具体实施方式

实施例一：

本发明一种采用波浪能驱动的水泵，包括基架3、转动部件32、浮动组件和供水机构4，转动部件32的两端转动固定在基架3上，浮动组件与转动部件32连接，供水机构4与转动部件32连接。供水机构4包括曲柄组件、容器组件和连杆41组成的曲柄连杆机构。浮动组件利用波浪能带动转动部件32转动。供水机构4利用曲柄连杆机构，来改变容器组件内部的容积，通过容器组件内部的容积变化，来对海水进行吸进和排出。

参见图1、图2，浮动组件包括上浮组件1和下浮组件2。上浮组件1漂浮在海面上，下浮组件2浸没在海面下。上浮组件1包括上浮体11和上浮体牵引件12，上浮体牵引件12的上端连接在上浮体11上，下端缠绕连接在转动部件32上。下浮组件2包括下浮体21和下浮体牵引件22，下浮体牵引件22的上端连接在下浮体21上，下端缠绕连接在转动部件32上。上浮体11与下浮体12的距离大于最大潮差与最大波高之和，并且上浮体牵引件12和下浮体牵引件22缠绕在转动部件32上的长度和大于最大潮差与最大波高之和。其中上浮体牵引件12顺时针缠绕连接，下浮体牵引件22逆时针连接，反之亦然。在波浪能的作用下，上浮体11会随海面高度的变化而上下移动，同时也会随波浪的运动方向而移动。在上浮体11的移动时，上浮体11与转动部件32之间的距离会发生变化。当上浮体11与转动部件32之间的间距变大时，缠绕在转动部件32上的上浮体牵引件12会被逐渐拉离转动部件32，被拉离的上浮体牵引件12会带动转动部件32转动；此时下浮体牵引件22会被缠绕到转动部件32上，导致缩短下浮体21与转动部件32之间的距离。在上浮体11与转动部件32之间的间距缩小时，则发生相反的运动，直至上浮体11和下浮体21都停止。

在上述浮动组件的连接结构下，为了防止上浮体牵引件12和下浮体牵引件22之间发生缠绕，影响本发明正常工作。在下浮体21上开设有导向孔211，上浮体牵引件12穿过导向孔211后与上浮体11连接。

为了提高下浮体21的稳定性，对下浮组件2中有两件上浮体牵引件22，两件下浮体牵引件22连接在下浮体21与转动部件32之间。

为了进一步防止上浮体牵引件12和下浮体牵引件22之间发生缠绕，在基架3上形成有导向架33，导向架33上开设有三个引导孔331，两件下浮体牵引件22和一件上浮体牵引件12分别对应穿过三个引导孔331与下浮体21和上浮体11连接。

参见图1，供水机构4为两个，两个供水机构4中的曲柄组件是输出转盘34，输出转盘34同步转动连接在转动部件32的两端，连杆41的一端偏心转动连接在输出转盘34上，另一端与位于活塞缸43内的活塞42转动连接，活塞42滑动配合设置于活塞缸43中，活塞42与活塞缸43之间形成有容纳腔431；单向阀组44连接在活塞缸43的底部，并与容纳腔431连通；活塞缸43固定连接在基架3上。单向阀组44包括进液单向阀和排液单向阀，进液单向阀和排液单向阀的导通状态相反。通过与转动部件32同步转动连接的输出转盘34带动连杆41和活塞42做往复运动。在往复运动运动中，活塞42会不断改变容纳腔431内的容积。在容纳腔431容积增大的情况下，排液单向阀关闭，进液单向阀打开，海水通过进液单向阀进入容纳腔431；在容纳腔431体积减小的情况下，排液单向阀打开，进液单向阀关闭，海水通过排液单向阀排出容纳腔431。

在容纳腔431进液和排液两个过程存在波浪能差，常见的情况下，排出海水需要的波浪能更大。在波浪能较小时，若是两个供水机构4同时处于排水状态，则会存在排水需要的波浪能大于实际状态下的波浪能，供水机构4因为能量不足而停止运动。为了避免上述情况的发生，上述两个连杆41的初相位相差180°。相位差180°的两个供水机构4的吸进和排出海水的工作状态刚好相反。工作状态相反的两个供水机构4，对波浪能的需要求会小于同时处于排出海水状态下两个供水机构4需要的能量。如此能降低本发明对较大波浪能的依赖，能充分利用波浪能，提高了波浪能的利用率。同时相位差180°的布置形式能也能有效的解决转动部件32的平衡问题，还能提高转动部件32的寿命。

针对上述供水机构4数量的变型。当上述的供水机构4为N个，且N≥1，N个往复运动的供水机构4对应有N个初相位，N个初相位数值从小到大排列形成公差为360°/N的等差数列。例如：当N=1时，供水机构4为一个，其对应的初相位数值的公差为零；当N=2时，供水机构4为两个，其对应的初相位数值的公差为180°；当N=3时，供水机构4为三个，其对应的初相位数值的公差为120°；当N=4时，供水机构4为四个，其对应的初相位数值的公差为90°……（以此类推）

在上述供水机构的数量增多变型的情况下，N个供水机构4的初相位数值值将转动部件的周期均分成N段，如此能使得与转动部件连接的N个供水机构4分别有着不同的运动状态。不同运动状态的供水机构4对波浪能的需要不同，在供水机构4的均匀分布的条件下，本发明能避免N个供水机构4同时处于需要较大波浪能的运动状态，如此解决了因为某一时间点或者时段需要较大波浪能才能驱动供水机构4的问题。同时运动状态不同的多个供水机构4之间，能相互抵消各自对转动部件的作用力，能够使转动部件处于相对平稳的转动状态中。并且随着供水机构4的数量的增加，转动部件在转动相等角度的时，本发明的输水量会相对稳定。

在上述相位差数值以等差数列形式布置时，随着供水机构4数量的增多，供水机构4所处的工作状态也比较均匀。同时随着供水机构4的增加，转动部件32在转动相同角度时，需要的波浪能差值也会减小，使得本发明吸进和排出的海水也会更均匀和稳定。

如上所述，当2 ≥N≥1时，输出转盘34同步转动连接在转动部件32上，连杆41通过输出转盘34驱动。当N≥3时，与转动部件32同步转动连接的是输出曲轴35，在输出曲轴35上设有多个轴颈，多个轴颈的初相位位置均匀分布在输出曲轴35的转动圆周上。

参见图3，但当N=4时，两个供水机构可以通过共一个输出转盘34来实现与连杆41的偏心转动连接，连接在同一输出转盘34上的两个连杆的转动初相位相差180°，并且4个连杆41在输出转盘34上的转动轴线均匀分布在输出转盘34的转动圆周上。

随着N数值的增加，曲轴上轴颈的初相位会很多，初相位的增多，会给制造带来相当大的难度。解决的方法是将曲轴上的轴颈均匀分成多个相位组，每个相位组中轴颈的初相位相同。

例如，参见图4，N=6时，输出曲轴35的转动圆周上均匀分布有三个相位组，每个相位组包括两个初相位相同的轴颈，六个供水机构4分别与六个轴颈连接。同理多个相位组均匀分布在曲轴转动的圆周上。

为了方便选着供给海水的水源区域，本发明中的所有进液单向阀通过供给管道5连通，通过供给管道5来选着供给海水的水源区域。为了方便海水的集中输送，本发明中的所有排液单向阀通过输送管道6连通，通过输送管道6能有选择的集中供给海水。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中的供水机构4为M个，且M为大于2的偶数，M个供水机构4均分为两组，第一组的供水机构4的初相位一致，第二组的供水机构4的初相位一致，第一组和第二组的初相位差值为180°。例如：当M=4时，第一组和第二组各有两个供水机构4；当M=6时，第一组和第二组各有三个供水机构4；当M=8时，第一组和第二组各有四个供水机构4……（以此类推）

分两组的布置形式，其结构简单。对输出曲轴35的生产制造相对简单。

实施例三：

参见图5，本实施例与实施例一、实施例二的区别在于容器组件。在上述实施例中的容器组件是组合容器组件，其包括活塞42、活塞缸43以及单向阀组44。本实施例中，容器组件是独立容器组件，其包括波纹容器45和单向阀组44；波纹容器45固定连接在基架3上，单向阀组44与波纹容器45内的容纳腔431连通，连杆41与波纹容器45的顶部连接，在连杆41的往复运动中，连杆41带动波纹容器45运动，波纹容器45通过其波纹结构的收折与展开来实现其内部容积的变化。

独立容器组件中的波纹容器45是通过其结构变型来实现其内部容积变化。同理，独立容器组件中的独立容器也可以通过其塑性变型俩实现其容积变化，塑性变形容积的变化是通过连杆41的牵引实现。

综上，关于供水机构4的数量和布置的初相位可以是非上述两个实施例所述的分布，在非上述两个实施例所代表情况下可以通过供水机构4尺寸改变、平衡结构或及其组合来克服转动部件32平衡的问题。

上述三个实施例中的上浮体牵引件12和下浮体牵引件22均可以是牵引绳。

Claims (13)

1.一种采用波浪能驱动的水泵，包括转动连接有转动部件（32）的基架（3），利用浮力带动所述转动部件（32）转动的浮动组件，其特征在于，还包括设置在基架（3）上与转动部件（32）连接的供水机构（4），所述供水机构（4）是包括曲柄组件、容器组件和连杆（41）的曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构与所述转动部件（32）同步转动连接，将所述转动部件（32）传来旋转力矩转变成直线运动力输出给与容器组件连接的连杆（41）的执行端，执行端的运动使容器组件内部容纳腔（431）的容积变化，实现对海水的吸进和排出。

2.如权利要求1所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，所述容器组件为独立容器组件或组合容器组件；

所述独立容器组件包括独立容器和单向阀组（44），与所述连杆（41）连接的所述独立容器通过塑性变形或结构变型来实现其内部容纳腔（431）的容积变化；

所述组合容器组件包括组合容器和单向阀组（44），所述组合容器包括配合形成有容纳腔（431）的活塞缸（43）和活塞（42），与连杆（41）连接的活塞（42）通过相对活塞缸（43）的运动来改变容纳腔（431）的容积；

所述单向阀组（44）包括导通状态相反的两种单向阀，两种单向阀分别与容纳腔（431）连通，单向控制海水的吸进和排出。

3.如权利要求2所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，所述供水机构（4）包括曲柄组件，连杆（41）、活塞（42）、单向阀组（44）、内部设有容纳腔（431）的活塞缸（43），所述曲柄组件与转动部件（32）同步转动连接，所述连杆（41）的一端与所述曲柄组件转动连接，另一端与活塞（42）转动连接，位于容纳腔（431）中的活塞（42）通过相对活塞缸（43）的移动来改变容纳腔（431）内的容积；单向阀组（44）与活塞缸（43）内部容纳腔（431）连通；所述活塞缸（43）固定连接在所述基架（3）上。

4.如权利要求1、2或3所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，所述供水机构（4）为N个，所述N≥1，N个往复运动活塞（42）的运动相对于等效圆周运动的相位差相等，并均匀分布在等效圆周上。

5.如权利要求1所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，所述曲柄组件采用与转动部件（32）同步转动连接的输出转盘（34）或输出曲轴（35），所述连杆（41）偏心转动连接在输出转盘（34）上，或者所述连杆（41）转动连接在输出曲轴（35）的轴颈上。

6.如权利要求5所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，所述输出曲轴（35）包括多个相位组，多个相位组均匀分布在输出曲轴（35）转动圆周上，每个轴颈连接一个连杆（41），服务于一个供水机构（4）。

7.如权利要求1所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，所述供水机构（4）有多个，多个所述供水机构（4）连接在所述转动部件（32）的两侧。

8.如权利要求2所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，还包括供给管道（5）和输送管道（6），所述供水机构（4）为多个，多个所述供水机构（4）中的控制吸进的所述单向阀通过供给管道（5）相互连通，控制排出的所述单向阀通过输送管道（6）相互连通。

9.如权利要求1所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，所述浮力组件包括漂浮在海面上的上浮组件（1）和浸没在海面下的下浮组件（2），所述上浮组件（1）的浮力大于下浮组件（2）的浮力。

10.如权利要求9所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，所述上浮组件（1）包括上浮体（11）和上浮体牵引件（12），所述上浮体牵引件（12）上端连接上浮体（11），下端缠绕连接在转动部件（32）上；

所述下浮组件（2）包括下浮体（21）和下浮体牵引件（22），所述下浮体牵引件（22）上端连接下浮体（21），下端缠绕连接在转动部件（32）上；

所述上浮体牵引件（12）与所述下浮体牵引件（22）在转动部件（32）上的缠绕方向相反，且上浮体（11）与下浮体（21）之间的距离大于最大潮差与最大波高之和；

上浮体牵引件（12）和下浮体牵引件（22）缠绕连接在转动部件（32）上的长度和大于最大潮差与最大波高之和。

11.如权利要求10所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，所述上、下浮体牵引件（12、22）为牵引绳。

12.如权利要求10所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，在所述基架（3）上设有导向架（33），所述导向架（33）上开设有与上、下浮体牵引件（12、22）分别对应的引导孔（331）。

13.如权利要求10所述的采用波浪能驱动的水泵，其特征在于，所述下浮体牵引件（22）为两件，所述两件下浮体牵引件（22）连接在下浮体（21）与转动部件（32）之间，在所述下浮体（21）上开设有供上浮体牵引件（12）穿过的导向孔（211）。