CN107524556A - 一种新型高效浮子及拉线式发电装置及发电方法 - Google Patents

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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Abstract

本发明公开了一种新型高效浮子和发电装置，包括橄榄形的浮体；浮体的内部为空腔结构，在浮体上表面开设有与空腔结构连通的注水口，在浮体上表面的边缘位置设有若干导缆孔，浮体通过缆绳穿过导缆孔与拉线式发电装置连接；在所述浮体的底部连接有挡板组件，挡板组件包括相互垂直设置的横向挡板和纵向挡板，所述横向挡板设置于橄榄型的浮体的正下方，其与浮体固定连接，纵向挡板设置在横向挡板和浮体之间，在所述横向挡板的上设有配重块。拉线式发电装置包括传动组件、双单向锁紧机构永磁直流发电机，无论浮子是拉动拉线还是松开拉线，永磁直流发电机转子始终在垂直于纸面的平面内沿设定的顺时针方向转动，从而实现高效地发电。

Description

一种新型高效浮子及拉线式发电装置及发电方法
技术领域
本发明涉及海洋发电装置领域，具体地说，特别涉及到一种新型高效浮子及拉线式发电装置及发电方法。
背景技术
在陆地能源日益枯竭的当下，人们将目光投向了海洋。波浪运动蕴含着巨大的能量，越来越多的研究人员开始寻求一种有效安全的波浪能利用方式。根据InternationalEnergy Agency-Ocean Energy Systems在2006年发行的能源政策报告估计，理论上波浪能能源利用总量为8000-80000TWh/year(1TW＝1012W).面对如此大的可利用的潜在能量，由于技术上不成熟和利用成本比较高，波浪能目前的利用效率偏低，因此设计高效安全的波浪能发电装置成为提高波浪能利用效率的关键环节。
现今使用较多的浮式结构波浪能发电装置主要靠波浪作用下的浮动结构来驱动电机发电，这类装置的运动可以是振荡浮体相对于固定参照物的绝对运动，也可以是两个浮体之间的相对运动。波浪能转换为振荡浮体的运动动能，继而驱动电机旋转，从而产生电能。然而，这种传统的振荡浮体式发电装置存在着下列缺陷：
1)波能吸收效率不高。这主要是由于浮体的设计，无法完全吸收波浪能量。现有浮体多为球形或圆柱形，较大的横截面积易使浮体在迎浪方向的运动产生相位差，导致浮体垂荡响应减弱。并且，此种浮子的设计大多只为适应波浪作用下浮体的单一运动，如垂荡或纵摇。以垂荡运动为例，若发电装置设置为利用垂荡运动进行发电，则需限制其他方向的运动，在限制运动的同时，该限制条件亦会对垂荡运动产生负面影响，影响发电效率
2)能量转换效率低。现有的振荡浮体式波能发电装置，大多采用直驱电机来实现发电。直驱电机虽然原理简单，但发电效率有限，且受发电机阻尼影响较大。
3)安装难度大。由于浮体体积较大，重量较重，运输和安装成本较大，对海上施工环境提出了较高的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种新型高效浮子以及与其配合的拉线式发电装置，高效浮子在海浪、海流作用下，在海面上发生显著垂荡运动，拴在漂浮装置上的缆绳上反复拉动海面上的拉线式发电装置，从而达到发电目的。拉线式发电装置包括变速齿轮箱和发电机。变速齿轮箱可以灵活调节发电机转子端的转速，一方面保证在恶劣海况下，发电机不会在大负载下损坏，一方面实时调节拉线阻力，实现不同海浪工况下的最大发电。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种新型高效浮子，包括橄榄形的浮体；所述浮体的内部为空腔结构，在所述浮体上表面的中心位置开设有与空腔结构连通的注水口，所述注水口其用于往空腔结构内灌注海水，使得整个浮体的重量变大，为拉线式发电装置提供更大机械能。同时在注水之前，漂浮装置整体质量小，便于节约漂浮装置耗材和降低海上施工难度。也可调节其贮水量，使浮子浸没深度适当，工作效率最高。
在所述浮体上表面的边缘位置设有若干导缆孔，浮体通过缆绳穿过导缆孔与拉线式发电装置连接；
在所述浮体的底部连接有挡板组件，挡板组件包括相互垂直设置的横向挡板和纵向挡板，所述横向挡板设置于橄榄型的浮体的正下方，其与浮体固定连接，纵向挡板设置在横向挡板和浮体之间，在所述横向挡板的上设有配重块。
进一步的，所述配重块为均匀分布在横向挡板两侧的矩形结构，配重块采用耐腐蚀的材料制成，材料的密度大于7.5Kg/m^3ρ/m3，其用于降低浮体的重心，保证海水中不会在海浪作用下倾覆。
进一步的，所述横向挡板为矩形薄片，作用为防止漂浮装置整体在海浪作用下生海浪传播方向的位移，使得连接拉线式发电机的缆绳伸缩距离最长。
进一步的，所述纵向挡板为矩形薄片，当海浪、海流作用在装置上，对流体流动产生较大阻力的一端便会顺流动方向转动，使得漂浮装置始终朝向海浪、海流方向。从而使得橄榄型浮子在海浪中的垂荡位移最大，为拉线式发电机提供的能量更大。
进一步的，拉线式发电装置包括箱体，所述箱体由挡板分隔为传动腔体和发电腔体；
在所述传动腔体设有横向贯穿的第一传动轴，所述第一传动轴的一端穿出传动腔体，且在第一传动轴的一端端部安装有用于连接缆绳的拉线轮及弹簧卷轮，在所述第一传动轴上安装有正向传动组件和反向传动组件，所述正向传动组件包括第一锥齿轮和第一单向轴承，反向传动组件包括第二锥齿轮和第二单向轴承，在所述第一传动轴的侧方安装有第二传动轴，在所述第二传动轴的一端端部设有与所述第一锥齿轮和第二锥齿轮啮合的第三锥齿轮，第二传动轴的另一端穿出传动腔体；
所述第二传动轴的另一端位于发电腔体内，且通过联轴器与增速齿轮箱的输入轴连接，所述增速齿轮箱的输出轴用作于永磁直流发电机的转子，从而构成完整的拉线式发电装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)新型橄榄形浮体，圆弧面朝向海浪、海流的作用方向，可减小浮体本身对于原波浪场的影响，另外，窄条型底面设计，可使得浮体在波浪作用下产生同相位的运动响应，最大化收集垂荡运动能量。
2)横向挡板的设计，可防止漂浮装置整体在海浪作用下发生沿海浪传播方向的位移，使得连接拉线式发电机的缆绳有效伸缩最长。
3)纵向挡板的设计，可使得当海浪、海流作用在装置上时，对流体流动产生较大阻力的一端便会顺流动方向转动，使得漂浮装置始终朝向海浪、海流方向，从而使得浮子在海浪中的垂荡位移最大，为发电机提供的能量最大。
4)注水孔用于将海水灌满整个橄榄型浮子内部，使得漂浮装置整体重量大，为发电提供更大机械能。同时在注水之前，漂浮装置整体质量小，便于节约漂浮装置耗材和降低海上施工难度。
5)拉线式发电机构的设计，包括增速齿轮箱和永磁直流发电机。增速齿轮箱可以增加发动机转子转速，一方面保证在恶劣海况下，发电机不会在大负载下损坏，一方面实时调节拉线阻力，并利用双单向锁紧机构，实现不同海浪工况下的最大发电。
附图说明
图1为本发明所述的新型高效浮子的实施状态示意图。
图2为本发明所述的新型高效浮子的侧视图。
图3为本发明所述的新型高效浮子的立体图之一。
图4为本发明所述的新型高效浮子的立体图之二。
图5为本发明所述的拉线式发电装置的俯视图。
图6为本发明所述的拉线式发电装置的立体示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1、图2、图3和图4，本发明所述的一种新型高效浮子，包括橄榄形的浮体4；所述浮体4的内部为空腔结构，在所述浮体4上表面的中心位置开设有与空腔结构连通的注水口5，所述注水口5其用于往空腔结构内灌注海水，使得整个浮体4的重量变大，为拉线式发电装置提供更大机械能。同时在注水之前，漂浮装置整体质量小，便于节约漂浮装置耗材和降低海上施工难度。也可调节其贮水量，使浮子浸没深度适当，工作效率最高。
在所述浮体4上表面的边缘位置设有若干导缆孔6，浮体4通过缆绳穿过导缆孔6与拉线式发电装置连接；
在所述浮体4的底部连接有挡板组件，挡板组件包括相互垂直设置的横向挡板2和纵向挡板3，所述横向挡板2设置于橄榄型的浮体4的正下方，其与浮体4固定连接，纵向挡板3设置在横向挡板2和浮体4之间，在所述横向挡板2的上设有配重块1。
当装个装置处于波谷时，重力大于浮力，向下降落，拉动拉簧储存机械能，同时连接拉簧上的转动轴转动发电。当浮子装置处于波峰时，重力小于浮力，装置被向上抬升，拉簧会将缆绳快速收集，转动轴高速转动发电。无论是浮子上升还是下降，缆绳伸长还是收缩，在发电机转子端转速都区域统一，都为发电机转子提供转动机械能。
整个装置在拉簧的作用下，发电效率几乎恒定，发电平稳回收效率高。整套发电装置质量轻便于海上施工，制造成本低，经济性更强。
所述配重块1为均匀分布在横向挡板2两侧的矩形结构，配重块1采用耐腐蚀的材料制成，材料的密度大于(7.5Kg/m^3)ρ/m3，其用于降低浮体4的重心，保证海水中不会在海浪作用下倾覆。
所述横向挡板2为矩形薄片，作用为防止漂浮装置整体在海浪作用下生海浪传播方向的位移，使得连接拉线式发电机的缆绳伸缩距离最长。
所述纵向挡板3为矩形薄片，当海浪、海流作用在装置上，对流体流动产生较大阻力的一端便会顺流动方向转动，使得漂浮装置始终朝向海浪、海流方向。从而使得橄榄型浮子在海浪中的垂荡位移最大，为拉线式发电机提供的能量更大。
参见图5和图6，拉线式发电装置包括箱体7，所述箱体7由挡板分隔为传动腔体和发电腔体；
在所述传动腔体设有横向贯穿的第一传动轴8，所述第一传动轴8的一端穿出传动腔体，且在第一传动轴8的一端端部安装有用于连接缆绳的拉线轮及弹簧卷轮9，在所述第一传动轴8上安装有正向传动组件和反向传动组件，所述正向传动组件包括第一锥齿轮10和第一单向轴承11，反向传动组件包括第二锥齿轮12和第二单向轴承13，在所述第一传动轴8的侧方安装有第二传动轴14，在所述第二传动轴14的一端端部设有与所述第一锥齿轮10和第二锥齿轮12啮合的第三锥齿轮15，第二传动轴14的另一端穿出传动腔体；
所述第二传动轴14的另一端位于发电腔体内，且通过联轴器16与增速齿轮箱17的输入轴连接，所述增速齿轮箱17的输出轴用作于永磁直流发电机18的转子，从而构成完整的拉线式发电装置。通过采用上述结构，与发电机连接的变速齿轮箱无论是正转还是反转，都会在发电机转子端同一方向发电。并且变速齿轮箱可以智能调速，无论输入端转速如何都将传输断即发电机转子端转速趋于稳定统一。
本发明的发电过程如下：
首先将该装置布置在海洋中，让整个装置随着波浪自由升降。
假设在浮子下降过程中，拉动拉线卷轮顺时针转动，将带动第一传动轴8顺时针旋转，经第一锥齿轮10与第一单向轴承11组成的正向传动组件传递后，驱动第三锥齿轮15顺时针旋转，再经增速齿轮箱17后驱动永磁直流发电机18的转子作高速顺时针旋转；与此同时，拉线轮及弹簧卷轮9上的涡卷弹簧在弹簧卷轮上收卷，并存储一部分机械能。
当浮子在上升过程中，松开拉线，收卷在弹簧卷轮上的涡卷弹簧快速舒展，将带动第一传动轴8逆时针旋转，经锥第二锥齿轮12和第二单向轴承13组成的反向传动组件传递后驱动第三锥齿轮15仍做顺时针旋转，再经增速齿轮箱17后驱动永磁直流发电机18的转子作高速顺时针旋转；与此同时，拉线在拉线轮及弹簧卷轮9内收卷。由以上可知，通过正向传动组件和反向传动组件组成的双单向锁紧机构，无论浮子是拉动拉线还是松开拉线，永磁直流发电机18转子始终在垂直于纸面的平面内沿设定的顺时针方向转动，从而实现高效地发电。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种新型高效浮子，其特征在于：包括橄榄形的浮体(4)；
所述浮体(4)的内部为空腔结构，在所述浮体(4)上表面的中心位置开设有与空腔结构连通的注水口(5)，所述注水口(5)其用于往空腔结构内灌注海水；在所述浮体(4)上表面的边缘位置设有若干导缆孔(6)，浮体(4)通过缆绳穿过导缆孔(6)与拉线式发电装置连接；
在所述浮体(4)的底部连接有挡板组件，挡板组件包括相互垂直设置的横向挡板(2)和纵向挡板(3)，所述横向挡板(2)设置于橄榄型的浮体(4)的正下方，其与浮体(4)固定连接，纵向挡板(3)设置在横向挡板(2)和浮体(4)之间，在所述横向挡板(2)的上设有配重块(1)。
2.根据权利要求1所述的新型高效浮子，其特征在于：所述配重块(1)为均匀分布在横向挡板(2)两侧的矩形结构，配重块(1)采用耐腐蚀的材料制成，材料的密度大于7.7Kg/m^3，其用于降低浮体(4)的重心,已至在海上风浪流作用下浮子稳性高大，不容易倾覆。
3.根据权利要求1所述的新型高效浮子，其特征在于：所述横向挡板(2)为矩形薄片，其用于防止浮体(4)放生沿海浪运动方向的位移，使得连接拉线式发电机的缆绳伸缩距离最长。
4.根据权利要求1所述的新型高效浮子，其特征在于：所述纵向挡板(3)为矩形薄片，其用于保持浮体(4)始终朝向海浪和海流方向，使得橄榄型浮子在海浪中的垂荡位移最大。
5.根据权利要求1所述的新型高效浮子，其特征在于：所述拉线式发电装置包括箱体(7)，所述箱体(7)由挡板分隔为传动腔体和发电腔体；
在所述传动腔体设有横向贯穿的第一传动轴(8)，所述第一传动轴(8)的一端穿出传动腔体，且在第一传动轴(8)的一端端部安装有用于连接缆绳的拉线轮及弹簧卷轮(9)，在所述第一传动轴(8)上安装有正向传动组件和反向传动组件，所述正向传动组件包括第一锥齿轮(10)和第一单向轴承(11)，反向传动组件包括第二锥齿轮(12)和第二单向轴承(13)，在所述第一传动轴(8)的侧方安装有第二传动轴(14)，在所述第二传动轴(14)的一端端部设有与所述第一锥齿轮(10)和第二锥齿轮(12)啮合的第三锥齿轮(15)，第二传动轴(14)的另一端穿出传动腔体；
所述第二传动轴(14)的另一端位于发电腔体内，且通过联轴器(16)与增速齿轮箱(17)的输入轴连接，所述增速齿轮箱(17)的输出轴用作于永磁直流发电机(18)的转子。
6.根据权利要求5所述的新型高效浮子，其特征在于：包括如下发电方法：
1)设在浮子下降过程中，拉动拉线卷轮顺时针转动，将带动第一传动轴8顺时针旋转，经第一锥齿轮10与第一单向轴承11组成的正向传动组件传递后，驱动第三锥齿轮15顺时针旋转，再经增速齿轮箱17后驱动永磁直流发电机18的转子作高速顺时针旋转；与此同时，拉线轮及弹簧卷轮9上的涡卷弹簧在弹簧卷轮上收卷，并存储一部分机械能。
2)当浮子在上升过程中，松开拉线，收卷在弹簧卷轮上的涡卷弹簧快速舒展，将带动第一传动轴8逆时针旋转，经锥第二锥齿轮12和第二单向轴承13组成的反向传动组件传递后驱动第三锥齿轮15仍做顺时针旋转，再经增速齿轮箱17后驱动永磁直流发电机18的转子作高速顺时针旋转；与此同时，拉线在拉线轮及弹簧卷轮9内收卷。由以上可知，通过正向传动组件和反向传动组件组成的双单向锁紧机构，无论浮子是拉动拉线还是松开拉线，永磁直流发电机18转子始终在垂直于纸面的平面内沿设定的顺时针方向转动，从而实现高效地发电。
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CB03 Change of inventor or designer information
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Inventor after: Zhao Guocheng

Inventor after: Xiao Longfei

Inventor after: Wang Tongtong

Inventor after: Wen An

Inventor after: Wang Zhen

Inventor after: Li Qingyang

Inventor after: Zhang Mingyuan

Inventor after: Yang Xianyuan

Inventor before: Xiao Longfei

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