CN108167109B - 一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构 - Google Patents

Abstract

一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构，属于利用海洋能发电的新能源领域。该波浪发电机构在工作时，在波浪能转化机械能方面转换效率高；能够感知较小的波浪，灵敏度高，通过增速器的加速可以使电机转子的转速成倍增加，提升波浪能利用效率；惯性轮使发电机持续稳定发电，减少了电力稳压整流系统的难度及成本；波浪发电机构的上下单向轴承的配合使用可以将鸭式浮体以任意频率、幅度的摆动转化为惯性轮、转轴的持续单向转动，以使传统旋转发电机将机械能转化为电能；垂直双向换向器将单向持续转动的方向由垂直于鸭式浮体的轴线转换为平行于鸭式浮体的轴线，解决了整个波浪能发电装置出现纵摇的问题。

Description

一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构

技术领域

本发明涉及一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构，该装置可以安装于鸭式浮体或鸭式消波堤中，属于利用海洋能发电的新能源领域。

背景技术

海上波浪发电设备中有一种“点头鸭式”的波能转换装置，该装置的设计严谨，横截面轮廓呈非对称型式，其前端(迎浪面)较小，后部(背浪面)较大，水下部分为圆弧形，装置在波浪作用下绕转动轴发生摆动运动，并且可以将几乎所有的短波拦截下来，此波能转换装置在短波时的转换效率可以接近于100％。

虽然波浪发电研究经过几十年的发展，先后出现过几十种不同的发电装置。基于鸭式浮体的液压式波浪发电机依然存在以下缺点：结构复杂、易损坏、难修理、成本高昂、使用寿命低，并且当波浪较小时，极易停止工作导致其有效工作时间较短。而已有的基于鸭式浮体的机械式波浪发电机构内由于存在单个惯性轮的旋转方向垂直于鸭式浮体的轴线，整个波浪发电系统构成了一个陀螺仪装置，当鸭式浮体受到波浪力矩发生横摇时，陀螺仪的进动性会促使整个鸭式浮体发生纵摇，而纵摇降低了鸭式浮体波浪能的吸收效率，其不足之处还包括：结构庞大笨重、摩擦过多、制造成本高昂、易发生故障、能量损耗大，此外，一些消波设备在消波过程中，具有摆动运动，此摆动动能源自波浪能，但是通常被浪费。

发明内容

针对现有技术的诸多不足，本发明提供一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构。该波浪发电机构应采用具有极高的波浪能与机械能转换效率的鸭式浮体，在鸭式浮体中设置结构简单、重量轻、造价低、可靠性强的无纵摇机械式发电机构，有效的解决了现有基于鸭式浮体的机械式波浪发电装置所存在的结构笨重、浮体纵摇、易损难修、效能过低的问题。

本发明采用的技术方案是：一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构，它包括鸭式浮体、右发电机和左发电机，它还包括右增速器、左增速器、右重块、左重块、平行换向器、垂直单向换向器、垂直双向换向器、右惯性轮和左惯性轮，所述鸭式浮体与位于同一轴线上的第一转轴和第六转轴固定连接，与右发电机壳体、左发电机壳体分别固定连接的第一重块、第二重块分别通过第一连杆、第二连杆与右增速器壳体、左增速器壳体固定连接，左发电机壳体通过第三连杆与平行换向器壳体固定连接；所述右增速器壳体中的右增速器的输入端连接第一转轴，输出端连接第二转轴，左增速器壳体中的左增速器的输入端连接第六转轴，输出端连接第五转轴；所述平行换向器中设有互相啮合的第一左锥形齿轮、第一上锥形齿轮、第一右锥形齿轮和第一下锥形齿轮，以及与平行换向器壳体固定连接的第一左轴承、第一上轴承、第一右轴承、第一下轴承，第一左锥形齿轮、第一上锥形齿轮、第一右锥形齿轮和第一下锥形齿轮分别与由第一左轴承、第一上轴承、第一右轴承、第一下轴承分别支撑的第五转轴、第十一转轴、第四转轴、第十二转轴固定连接；所述垂直单向换向器中设有互相啮合的第二左锥形齿轮、第二上锥形齿轮、第二右锥形齿轮和第二下锥形齿轮，以及与垂直单向换向器壳体固定连接的第二左轴承、第二上轴承、第二右轴承、第二下轴承，第二左锥形齿轮、第二右锥形齿轮分别与由第二左轴承、第二右轴承支撑的第四转轴、第二转轴固定连接，第二上锥形齿轮通过上单向轴承以及第二下锥形齿轮通过下单向轴承设置在第三转轴的一端，第三转轴由第二上轴承和第二下轴承支撑，第三转轴与垂直双向换向器壳体中的第三上锥形齿轮固定连接；所述垂直双向换向器中设有互相啮合的第三左锥形齿轮、第三上锥形齿轮、第三右锥形齿轮，以及与垂直双向换向器壳体固定连接的第三左轴承、第三上轴承、第三右轴承，第三左锥形齿轮、第三上锥形齿轮、第三右锥形齿轮分别与由第三左轴承、第三上轴承、第三右轴承分别支撑的第九转轴、第三转轴、第八转轴固定连接；该波浪发电机构在工作时，右增速器壳体、左增速器壳体、第一连杆、第二连杆、第三连杆、右重块、左重块、右发电机壳体、左发电机壳体、平行换向器壳体、垂直单向换向器壳体、垂直双向换向器壳体、第一惯性轮、第二惯性轮作为一个整体以第一转轴和第六转轴为中心作低速往复摆动，鸭式浮体、第一转轴、第六转轴作中速往复摆动，第二转轴、第四转轴、第五转轴、平行换向器内的第一左锥形齿轮、第一上锥形齿轮、第一右锥形齿轮和第一下锥形齿轮、垂直单向换向器内的第二左锥形齿轮、第二右锥形齿轮作高速往复转动，垂直单向换向器内的第二上锥形齿轮、第二下锥形齿轮、第三转轴、垂直双向换向器内的第三左锥形齿轮、第三上锥形齿轮、第三右锥形齿轮、第八转轴、第九转轴、第一惯性轮、第二惯性轮、第十转轴、第七转轴作持续的高速单向转动，驱动右发电机、左发电机发电。

所述第一惯性轮与第八转轴、第七转轴固定连接，第二惯性轮与第九转轴、第十转轴固定连接，且第七转轴、第十转轴分别与右发电机、左发电机的转子相连接。

所述第一转轴、第二转轴、第四转轴、第五转轴、第六转轴同轴心。

所述第七转轴、第八转轴、第九转轴、第十转轴同轴心。

所述右增速器、左增速器的增速比相同。

所述发电机采用交流发电机或直流发电机。

本发明的有益效果是：

1、波浪发电机构基于鸭式浮体，在波浪能转化机械能方面有很大优势，几乎可以拦截所有的短波；并且在短波时的一级波能转换效率高。

2、波浪发电机构能够感知较小的波浪，灵敏度高，通过增速器的加速可以使电机转子的转速成倍增加，提升波浪能利用效率；

3、惯性轮使发电机持续稳定发电，减少了电力稳压整流系统的难度及成本；

4、波浪发电机构的上下单向轴承的配合使用可以将鸭式浮体以任意频率、幅度的摆动转化为第一惯性轮、第二惯性轮、第十转轴、第七转轴的持续单向转动，以使传统旋转发电机将机械能转化为电能；

5、垂直双向换向器将单向持续转动的方向由垂直于鸭式浮体的轴线转换为平行于鸭式浮体的轴线，且机械能一分为二，且左、右惯性轮的旋转方向相反，从根本上阻止了陀螺仪装置的构成，进而解决了整个波浪能发电装置出现纵摇的问题。

6、波浪发电机构结构简单，降低了建造成本、维护成本，且其有效工作时间长，经济效益显著，可以实现大面积推广应用。

附图说明

图1是一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构的原理图。

图2是平行换向器的示意图。

图3是垂直单向换向器的示意图。

图4是垂直双向换向器的示意图。

图中：1、右增速器壳体，1a、右增速器，2a、第一转轴，2b、第二转轴，2c、第三转轴，2d、第四转轴，2e、第五转轴，2f、第六转轴，2g、第七转轴，2h、第八转轴，2i、第九转轴，2j、第十转轴，3a、第一连杆，3b、第二连杆，3c、第三连杆，4a、右重块，4b、左重块，5、右发电机，5a、右发电机壳体，6、左发电机，6a、左发电机壳体，7、左增速器壳体，7a、左增速器，8a、右惯性轮，8b、左惯性轮，9、平行换向器，9a、第一左锥形齿轮，9b第一上锥形齿轮，9c、第一右锥形齿轮，9d、第一下锥形齿轮，9e、第一下轴承，9f、第一左轴承，9g、第一上轴承，9h、第一右轴承，9i、平行换向器壳体，9k、第十一转轴，9m、第十二转轴，10、垂直单向换向器，10a、第二左锥形齿轮，10b、第二上锥形齿轮，10c、第二右锥形齿轮，10d、第二下锥形齿轮，10e、第二下轴承，10f、第二左轴承，10g、第二上轴承，10h、第二右轴承，10i、垂直双向换向器壳体，10j、下单向轴承，10k、上单向轴承，11、垂直双向换向器，11a、第三左锥形齿轮，11b、第三上锥形齿轮，11c、第三右锥形齿轮，11d、第三左轴承，11e、第三上轴承，11f、第三右轴承，11g、垂直双向换向器壳体，12、鸭式浮体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图1示出了一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构的结构示意图。图中，这种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构包括鸭式浮体12、右发电机5、左发电机6、右增速器1a、左增速器7a、右重块4a、左重块4b、平行换向器9、垂直单向换向器10、垂直双向换向器11、右惯性轮8a和左惯性轮8b。鸭式浮体12与位于同一轴线上的第一转轴2a和第六转轴2f固定连接，与右发电机壳体5a、左发电机壳体6a分别固定连接的第一重块4a、第二重块4b分别通过第一连杆3a、第二连杆3b与右增速器壳体1、左增速器壳体7固定连接，左发电机壳体6a通过第三连杆3c与平行换向器壳体9i固定连接。右增速器壳体1中的右增速器1a的输入端连接第一转轴2a，输出端连接第二转轴2b，左增速器壳体7中的左增速器7a的输入端连接第六转轴2f，输出端连接第五转轴2e。该波浪发电机构在工作时，右增速器壳体1、左增速器壳体7、第一连杆3a、第二连杆3b、第三连杆3c、右重块4a、左重块4b、右发电机壳体5a、左发电机壳体6a、平行换向器壳体9i、垂直单向换向器壳体10i、垂直双向换向器壳体11g、第一惯性轮8a、第二惯性轮8b作为一个整体以第一转轴2a和第六转轴2f为中心作低速往复摆动，鸭式浮体12、第一转轴2a、第六转轴2f作中速往复摆动，第二转轴2b、第四转轴2d、第五转轴2e、平行换向器9内的第一左锥形齿轮9a、第一上锥形齿轮9b、第一右锥形齿轮9c和第一下锥形齿轮9d、垂直单向换向器10内的第二左锥形齿轮10a、第二右锥形齿轮10c作高速往复转动，垂直单向换向器10内的第二上锥形齿轮10b、第二下锥形齿轮10d、第三转轴2c、垂直双向换向器11内的第三左锥形齿轮11a、第三上锥形齿轮11b、第三右锥形齿轮11c、第八转轴2h、第九转轴2i、第一惯性轮8a、第二惯性轮8b、第十转轴2j、第七转轴2g作持续的高速单向转动，驱动右发电机5、左发电机6发电。

图2示出了平行换向器的结构示意图。平行换向器9中设有互相啮合的第一左锥形齿轮9a、第一上锥形齿轮9b、第一右锥形齿轮9c和第一下锥形齿轮9d，以及与平行换向器壳体9i固定连接的第一左轴承9f、第一上轴承9g、第一右轴承9h、第一下轴承9e，第一左锥形齿轮9a、第一上锥形齿轮9b、第一右锥形齿轮9c和第一下锥形齿轮9d分别与由第一左轴承9f、第一上轴承9g、第一右轴承9h、第一下轴承9e分别支撑的第五转轴2e、第十一转轴9k、第四转轴2d、第十二转轴9m固定连接。

图3示出了垂直单向换向器的示意图。垂直单向换向器10中设有互相啮合的第二左锥形齿轮10a、第二上锥形齿轮10b、第二右锥形齿轮10c和第二下锥形齿轮10d，以及与垂直单向换向器壳体10i固定连接的第二左轴承10f、第二上轴承10g、第二右轴承10h、第二下轴承10e，第二左锥形齿轮10a、第二右锥形齿轮10c分别与由第二左轴承10f、第二右轴承10h支撑的第四转轴2d、第二转轴2b固定连接，第二上锥形齿轮10b通过上单向轴承10k以及第二下锥形齿轮10d通过下单向轴承10j设置在第三转轴2c的一端，第三转轴2c由第二上轴承10g和第二下轴承10e支撑，第三转轴2c与垂直双向换向器壳体11g中的第三上锥形齿轮11b固定连接。

图4示出了垂直双向换向器的示意图。垂直双向换向器11中设有互相啮合的第三左锥形齿轮11a、第三上锥形齿轮11b、第三右锥形齿轮11c，以及与垂直双向换向器壳体11g固定连接的第三左轴承11d、第三上轴承11e、第三右轴承11f，第三左锥形齿轮11a、第三上锥形齿轮11b、第三右锥形齿轮11c分别与由第三左轴承11d、第三上轴承11e、第三右轴承11f分别支撑的第九转轴2i、第三转轴2c、第八转轴2h固定连接。

采用上述的技术方案，当鸭式浮体作横摇运动时，左增速器壳体、右增速器壳体、第一连杆、第二连杆、第三连杆、左重块、右重块、左发电机壳体、右发电机壳体、平行换向器壳体、垂直单向换向器壳体、垂直双向换向器壳体、第一惯性轮、第二惯性轮在惯性力、重力和摩擦力的作用下，摆速相对较低，与摆动设备固定连接的第一转轴和第六转轴摆速相对较高,且他们之间的相对摆动速度相同。增速器将这种相对摆动速度增加相同的数倍并传递给第二转轴和第五转轴，并带动第二右锥形齿轮、第一左锥形齿轮高速往复转动。第一左锥形齿轮带动与之相互啮合的第一上锥形齿轮和第一下锥形齿轮以方向相反的速度高速往复转动，进而又带动第一右锥形齿轮、第四转轴、第二左锥形齿轮以与第一左锥形齿轮相反的方向转动，至此，第二左锥形齿轮的摆动速度与第二右锥形齿轮方向相反，数值相同。当第二右锥形齿轮的转动方向指向左（右）边（右手定则，下同），第二左锥形齿轮的转动方向指向右（左）边时,第二上锥形齿轮的转动方向指向上（下）边，下单向轴承的转动方向指向下（上）边，上单向轴承处于放开状态，以指向上边的转动方向自由转动，下单向轴承处于锁死状态，带动第三转轴持续单向转动，且转动方向指向下边。反之当第二右锥形齿轮的转动方向指向右（左）边，第二左锥形齿轮的转动方向指向左（右）边时,则下单向轴承处于放开状态，以指向上边转动方向自由转动，上单向轴承处于锁死状态，带动第三转轴持续单向转动，且转动方向指向下边，故第三转轴始终单向转动。第三上锥形齿轮在第三转轴的作用下带动与之啮合的第三左锥形齿轮、第三右锥形齿轮高速持续单向转动，且第三左锥形齿轮、第三右锥形齿轮的转动速度相同且方向相反，因此第九转轴、第二惯性轮、第十转轴和第八转轴、第一惯性轮、第七转轴的转动速度亦是相同且方向相反，第二惯性轮、第一惯性轮在惯性作用下使得第三转轴单向稳定高速转动，进而带动发电机转子转动进行发电

发电设备处于正常工作状态时，左增速器壳体、右增速器壳体、第一连杆、第二连杆、第三连杆、左重块、右重块、左发电机壳体、右发电机壳体、平行换向器壳体、垂直单向换向器壳体、垂直双向换向器壳体、第一惯性轮、第二惯性轮作为一个整体以第一转轴和第六转轴为中心作低速往复摆动，鸭式浮体、第一转轴、第六转轴作中速往复摆动，第二转轴、第四转轴、第五转轴、平行换向器内的第一左锥形齿轮、第一上锥形齿轮、第一右锥形齿轮和第一下锥形齿轮、垂直单向换向器内的第二左锥形齿轮、第二右锥形齿轮作高速往复转动，垂直单向换向器内的第二上锥形齿轮、第二下锥形齿轮、第三转轴、垂直双向换向器内的第三左锥形齿轮、第三上锥形齿轮、第三右锥形齿轮、第八转轴、第九转轴、第一惯性轮、第二惯性轮、第十转轴、第七转轴作持续的高速单向转动，驱动右发电机、左发电机发电。

Claims (6)

1.一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构，它包括鸭式浮体（12）、右发电机（5）和左发电机（6），其特征是：它还包括右增速器（1a）、左增速器（7a）、右重块（4a）、左重块（4b）、平行换向器（9）、垂直单向换向器（10）、垂直双向换向器（11）、右惯性轮（8a）和左惯性轮（8b），所述鸭式浮体（12）与位于同一轴线上的第一转轴（2a）和第六转轴（2f）固定连接，与右发电机壳体（5a）、左发电机壳体（6a）分别固定连接的右重块（4a）、左重块（4b）分别通过第一连杆（3a）、第二连杆（3b）与右增速器壳体（1）、左增速器壳体（7）固定连接，左发电机壳体（6a）通过第三连杆（3c）与平行换向器壳体（9i）固定连接；所述右增速器壳体（1）中的右增速器（1a）的输入端连接第一转轴（2a），输出端连接第二转轴（2b），左增速器壳体（7）中的左增速器（7a）的输入端连接第六转轴（2f），输出端连接第五转轴（2e）；所述平行换向器（9）中设有互相啮合的第一左锥形齿轮（9a）、第一上锥形齿轮（9b）、第一右锥形齿轮（9c）和第一下锥形齿轮（9d），以及与平行换向器壳体（9i）固定连接的第一左轴承（9f）、第一上轴承（9g）、第一右轴承（9h）、第一下轴承（9e），第一左锥形齿轮（9a）、第一上锥形齿轮（9b）、第一右锥形齿轮（9c）和第一下锥形齿轮（9d）分别与由第一左轴承（9f）、第一上轴承（9g）、第一右轴承（9h）、第一下轴承（9e）分别支撑的第五转轴（2e）、第十一转轴（9k）、第四转轴（2d）、第十二转轴（9m）固定连接；所述垂直单向换向器（10）中设有互相啮合的第二左锥形齿轮（10a）、第二上锥形齿轮（10b）、第二右锥形齿轮（10c）和第二下锥形齿轮（10d），以及与垂直单向换向器壳体（10i）固定连接的第二左轴承（10f）、第二上轴承（10g）、第二右轴承（10h）、第二下轴承（10e），第二左锥形齿轮（10a）、第二右锥形齿轮（10c）分别与由第二左轴承（10f）、第二右轴承（10h）支撑的第四转轴（2d）、第二转轴（2b）固定连接，第二上锥形齿轮（10b）通过上单向轴承（10k）以及第二下锥形齿轮（10d）通过下单向轴承（10j）设置在第三转轴（2c）的一端，第三转轴（2c）由第二上轴承（10g）和第二下轴承（10e）支撑，第三转轴（2c）与垂直双向换向器壳体（11g）中的第三上锥形齿轮（11b）固定连接；所述垂直双向换向器（11）中设有互相啮合的第三左锥形齿轮（11a）、第三上锥形齿轮（11b）、第三右锥形齿轮（11c），以及与垂直双向换向器壳体（11g）固定连接的第三左轴承（11d）、第三上轴承（11e）、第三右轴承（11f），第三左锥形齿轮（11a）、第三上锥形齿轮（11b）、第三右锥形齿轮（11c）分别与由第三左轴承（11d）、第三上轴承（11e）、第三右轴承（11f）分别支撑的第九转轴（2i）、第三转轴（2c）、第八转轴（2h）固定连接；该波浪发电机构在工作时，右增速器壳体（1）、左增速器壳体（7）、第一连杆（3a）、第二连杆（3b）、第三连杆（3c）、右重块（4a）、左重块（4b）、右发电机壳体（5a）、左发电机壳体（6a）、平行换向器壳体（9i）、垂直单向换向器壳体（10i）、垂直双向换向器壳体（11g）、右惯性轮（8a）、左惯性轮（8b）作为一个整体以第一转轴（2a）和第六转轴（2f）为中心作低速往复摆动，鸭式浮体（12）、第一转轴（2a）、第六转轴（2f）作中速往复摆动，第二转轴（2b）、第四转轴（2d）、第五转轴（2e）、平行换向器（9）内的第一左锥形齿轮（9a）、第一上锥形齿轮（9b）、第一右锥形齿轮（9c）和第一下锥形齿轮（9d）、垂直单向换向器（10）内的第二左锥形齿轮（10a）、第二右锥形齿轮（10c）作高速往复转动，垂直单向换向器（10）内的第二上锥形齿轮（10b）、第二下锥形齿轮（10d）、第三转轴（2c）、垂直双向换向器（11）内的第三左锥形齿轮（11a）、第三上锥形齿轮（11b）、第三右锥形齿轮（11c）、第八转轴（2h）、第九转轴（2i）、右惯性轮（8a）、左惯性轮（8b）、第十转轴（2j）、第七转轴（2g）作持续的高速单向转动，驱动右发电机（5）、左发电机（6）发电。

2.根据权利要求1所述的一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构，其特征是：所述右惯性轮（8a）与第八转轴（2h）、第七转轴（2g）固定连接，左惯性轮（8b）与第九转轴（2i）、第十转轴（2j）固定连接，且第七转轴（2g）、第十转轴（2j）分别与右发电机、左发电机的转子相连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构，其特征是：所述第一转轴（2a）、第二转轴（2b）、第四转轴（2d）、第五转轴（2e）、第六转轴（2f）同轴心。

4.根据权利要求1所述的一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构，其特征是：所述第七转轴（2g）、第八转轴（2h）、第九转轴（2i）、第十转轴（2j）同轴心。

5.根据权利要求1所述的一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构，其特征是：所述右增速器、左增速器的增速比相同。

6.根据权利要求1所述的一种基于鸭式浮体的无纵摇机械式波浪发电机构，其特征是：所述发电机采用交流发电机或直流发电机。