CN108561260B - 一种可控功率双涡簧储能点头鸭式波浪能收集发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可控功率双涡簧储能点头鸭式波浪能收集发电装置，包括鸭体、发电机、鸭体通过桩柱支撑平台支撑，在鸭体内安装发电机，发电机与双涡簧储能装置连接，所述的双涡簧储能装置包括正向涡簧储能机构、反向涡簧储能机构、换向及力矩控制器，在正、反向涡簧储能机构之间啮合连接换向及力矩控制器，其中一个正向或反向涡簧储能机构通过芯轴及联轴器连接发电机。本发明用简易可行的机械结构代替传统鸭式波浪能量收集装置中复杂的液压传动机构，实现双向捕能、纯机械结构控制储能与释能发电过程，功率可控，具有极高的可靠性和可行性。

Description

一种可控功率双涡簧储能点头鸭式波浪能收集发电装置

技术领域

本发明属于新能源与机械领域，涉及点头鸭式波浪能收集发电装置，尤其是一种可控功率双涡簧储能点头鸭式波浪能收集发电装置。

背景技术

能源缺口越来越成为制约社会进一步发展的瓶颈。传统化石能源面临枯竭和环境污染问题；光伏、风电等新能源因其间歇性而对电网产生冲击使得其大规模应用面临挑战；而波浪能是一种藏量巨大，很大程度上尚未开发的不间断清洁能源资源，从海浪中提取能量的潜力相当可观，波浪能的利用将是下一个能源领域角逐的焦点之一。

然而与其他可再生能源技术相比，波浪能的开发利用相对不成熟。现有的振荡水柱式装置成本高，发电效率低；越浪式装置对地形要求高；摆式装置维护困难，能源转化率也较为低下；抛锚系泊式装置定位困难，捕能效率易受影响。而鸭式波浪能利用技术则具有较高的能量转化效率，其理想一级能量转化率可高达90％以上。但传统的鸭式波浪能装置采用液压传动方式，因其可靠性差、不易维护和漏油污染风险等，限制了这一技术的推广。

本发明研究过程中检索对比了如下相关文献：

[1]万占鸿,郑红浩.一种摆式波浪能收集装置[P].中国:CN204113524U，2015-01-21.

[2]冯子玲.一种波浪能发电装置[P].中国：CN106640508A，2017-05-10.

[3]李海龙.弹性储能鸭式波浪能采集转换器的研究[D].哈尔滨工业大学,2015.

其中文献[1]公开了一种只能单向捕能的摆式波浪能收集装置；文献[2]公开了一种采用液压传动的鸭式波浪能发电装置，其结构复杂，维护困难,有液压油泄漏破坏海域生态的风险；文献[3]研究的一种基于弹簧储能的鸭式波浪能收集装置，未充分利用涡簧的储能特性，没有实现芯轴的自动控制，使得每次输出的功率不可控，而且该结构对芯轴强度要求高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于克服鸭式装置液压系统的缺陷，提供一种基于弹性储能系统的双向捕能的机械结构方案，输出可控功率。该发明能在较高能量转化率前提下，极大程度简化波浪能收集装置，对提高系统可靠性和可行性具有重要的意义。

本发明所述的问题是由以下技术方案实现的：

一种可控功率双涡簧储能点头鸭式波浪能收集发电装置，包括鸭体、发电机、鸭体通过桩柱支撑平台支撑，在鸭体内安装发电机，发电机与双涡簧储能装置连接，所述的双涡簧储能装置包括正向涡簧储能机构、反向涡簧储能机构、换向及力矩控制器，在正、反向涡簧储能机构之间啮合连接换向及力矩控制器，其中一个正向或反向涡簧储能机构通过芯轴及联轴器连接发电机。

而且，所述的正、反向涡簧储能机构相同，涡簧的绕向相反，均包括芯轴及由内至外依次套装芯轴上的内棘轮、涡簧、外棘轮及固定套，涡簧的内端与内棘轮连接固定，涡簧的外端与外棘轮连接固定，在固定套的内环壁均匀间隔固装多个棘爪，固定套的外壁与鸭体内侧壁通过固定座连接固定，在芯轴与换向及力矩控制器连接的一端套装芯轴轴承及横向伞齿轮，芯轴通过横向伞齿轮与换向及力矩控制器的竖向伞齿轮啮合连接。

而且，所述的换向及力矩控制器包括箱体及安装在箱体内的竖向伞齿轮、第一传动齿轮、第二传动齿轮、弹簧凸点及挡板，竖向伞齿轮位于正、反向涡簧储能机构的芯轴横向伞齿轮的上方且与两个横向伞齿轮均啮合连接，竖向伞齿轮套装固定在锥齿轮轴的下端，在锥齿轮轴上套装齿轮轴承，锥齿轮轴的上端与第一传动齿轮啮合连接，第一传动齿轮套装在第一传动齿轮轴的下部，第一传动齿轮轴的上部与第二传动齿轮啮合连接，第二传动齿轮套住在第二传动轴的上部，在第二传动轴的中部套装一凸点固定套，在凸点固定套的外环壁安装弹簧凸点，在箱体内对应弹簧凸点的经过位置安装凸点挡板。

而且，在桩柱支撑平台上对应正、反向涡簧储能机构的外棘轮分别安装外棘轮进齿卡扣。整个装置安装于近海风浪场，桩柱支撑平台固定于海底，为鸭体、发电机、涡簧棘轮、换向及力矩控制器等提供支撑固定。装置中设置一正一反两组涡簧棘轮，用于捕获波浪双向全周期能量。换向及力矩控制器由一系列齿轮啮合构成。换向部分包括三个啮合的锥齿轮，用于协调正反涡簧作用在芯轴上相反的力矩；力矩控制部分由齿轮轴与两组齿轮相互啮合以及挡板组成。

鸭体除了中下部为元件腔室外还在其上部设有倾角调节腔，可根据不同的海域特点在此腔中填充重物来调节鸭体纵轴线与海平面的夹角，以增加捕获的能量。

本发明的具体工作方式为:

(1)储能时，换向及力矩控制器的力矩控制部分第二传动轴下部凸点固定套由弹簧支起的凸点与挡板相阻挡，此时两根芯轴都无法转动。当海浪拍打鸭体时，鸭体绕其横轴线作双向“点头式”转动，带动外棘轮转动，拧紧涡簧，这样波浪的动能和势能就被储存在涡簧中；正反外棘轮分别对应捕获波浪正半周期和负半周期的能量。波浪不断拍打鸭体，涡簧中储存的能量越来越多，其对芯轴产生的旋转力矩也越来越大。

(2)发电时，当涡簧给芯轴的旋转力矩到达预设值时，经一系列齿轮传动传到力矩控制部分的弹簧凸点上的力矩也到达预设值，弹簧凸点在此力矩的作用下被向内压缩，不再与挡板相阻挡。此时芯轴被释放，两根转向相反的芯轴经过换向协调即可一同驱动发电机沿着规定方向旋转发电；由于每次芯轴释放时的旋转力矩都是一定的，使得发电机输出的功率是已知的，为后续对发电功率的处理创造了极为有利的条件调节弹簧凸点的压缩力矩，可控制发电机输出的功率。通过设置力矩控制部分的传动比，使涡簧存储的能量释放完毕后弹簧凸点与挡板再次相阻挡，进入下一个周期的储能环节。

本发明的优点和有益效果：

(1)本发明可双向捕获零散的波浪能收集储存于涡簧之中，纯机械结构控制储能和释能发电过程，输出可控功率，可极大提高能量转化效率。

(2)本发明将鸭式波浪能量利用装置中传统的复杂液压系统替之以简易可行的机械结构，极大地降低了制造及维护成本，避免了液压油对海洋环境的污染风险，提高了装置的可靠性与可行性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为涡簧储能机构结构示意图；

图3为换向及力矩控制器结构示意图；

图4为图3的右视示意图；

图5为桩柱支撑平台及鸭体内部连接部件图；

图6为是鸭体结构示意图。

图中标号为：1-桩柱支撑平台；2-鸭体；3-发电机支架；4-发电机；5-芯轴；6-固定座；7-正向涡簧储能机构；8-换向及力矩控制器；9-反向涡簧储能机构；10-涡簧；11-棘爪；12-固定套；13-外棘轮；14-内棘轮；15-箱体；16-锥齿轮轴；17-齿轮轴承；18-竖向伞齿轮；19-芯轴轴承；20-第二传动轴；21-第二传动齿轮；22-弹簧凸点；23-凸点固定套；24-第一传动齿轮轴；25-第一传动齿轮；26-横向伞齿轮；27-挡板；28-外棘轮进齿卡扣；29-固定板；30-封板；31-鸭体的倾角调节腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1至图5所示，本发明提供的一种机械弹性储能鸭式波浪能收集发电装置结构如下：

一种可控功率双涡簧储能点头鸭式波浪能收集发电装置,包括鸭体2、发电机4、双涡簧储能装置，鸭体通过桩柱支撑平台1支撑，在鸭体内安装发电机及双涡簧储能装置，所述的双涡簧储能装置包括正向涡簧储能机构7、反向涡簧储能机构9、换向及力矩控制器8，在正、反向涡簧储能机构之间啮合连接换向及力矩控制器，其中正向或反向涡簧储能机构通过芯轴及联轴器连接发电机。在桩柱支撑平台上对应发电机的位置安装发电机支架3，对应换向及力矩控制器安装固定板29，对应正、反向涡簧储能机构的外棘轮分别安装外棘轮进齿卡扣28。鸭体再通过封板30上的轴承架至桩柱支撑平台上，从而构成了一个机械弹性储能鸭式波浪能收集发电系统。

所述的正、反向涡簧储能机构结构相同，只是涡簧的绕向相反。均包括固定套12、外棘轮13、棘爪11、涡簧10、芯轴5及内棘轮14，在芯轴上由内至外依次套装内棘轮、涡簧、外棘轮及固定套，涡簧的内端与内棘轮连接固定，涡簧的外端与外棘轮连接固定，在固定套的内环壁均匀间隔固装多个棘爪。固定套的外壁与鸭体内侧壁通过固定座6连接固定。在芯轴与换向及力矩控制器连接的一端套装芯轴轴承19及横向伞齿轮26，芯轴通过横向伞齿轮与换向及力矩控制器的竖向伞齿轮啮合连接。

所述的换向及力矩控制器包括箱体15及安装在箱体内的竖向伞齿轮18、第一传动齿轮25、第二传动齿轮21、弹簧凸点22及挡板27，竖向伞齿轮位于正、反向涡簧储能机构的芯轴横向伞齿轮的上方且与两个横向伞齿轮均啮合连接，竖向伞齿轮套装固定在锥齿轮轴16的下端，在锥齿轮轴上套装齿轮轴承17，锥齿轮轴的上端与第一传动齿轮啮合连接，第一传动齿轮套装在第一传动齿轮轴24的下部，第一传动齿轮轴的上部与第二传动齿轮啮合连接，第二传动齿轮套住在第二传动轴20的上部，在第二传动轴的中部套装一凸点固定套23，在凸点固定套的外环壁安装弹簧凸点，在箱体内对应弹簧凸点的经过位置安装凸点挡板。所述的第一传动齿轮轴及第二传动轴的上下端均通过轴承座与箱体连接。正、反向涡簧储能机构的两根芯轴通过芯轴轴承与锥齿轮轴啮合构成换向及力矩控制器的换向部分；锥齿轮轴与第一传动齿轮、第一传动齿轮依次啮合，再与挡板构成换向及力矩控制器的力矩控制部分。

本发明的工作过程为：

正常工作状态下，装置中的桩柱支撑平台固定于近海风浪场海底，根据不同的海域特点在鸭体的倾角调节腔31中填充重物调节鸭体纵轴线与海平面的夹角。海浪来临，拍打在鸭体本体上，使后者做双向点头式转动，由于固定套通过固定座与鸭体连为一体，固定套跟随鸭体做双向转动，而弹性的棘爪保证了固定套只能沿一个方向带动外棘轮转动，即鸭体在波浪正半周来临时带动其中一个外棘轮转动储能，波浪负半周来临时带动另一个外棘轮转动储能，这样，正、反两个外棘轮对应捕获海浪的正、负半周能量。

当弹簧储能后就有释能的趋势，要使波浪能能够储存在涡簧中，必须做到每次储能后涡簧两端都被固定。涡簧外端的固定通过固定与之相连的外棘轮来实现：桩柱支撑平台中的外棘轮进齿卡扣是类似于棘爪的弹性卡块，可放行外棘轮被鸭体带着转动储能，但当鸭体回转时进齿卡扣弹出卡住外棘轮上的轮齿，使外棘轮不能随鸭体回转。涡簧内端的固定通过固定与之相连的芯轴实现：两根芯轴分别啮合于锥齿轮轴，锥齿轮轴、第一传动齿轮与第二传动齿轮又依次啮合，最后第二传动齿轮下部转盘上的弹簧凸点与挡板相阻挡，涡簧给芯轴的旋转力矩通过一系列传动作用在弹簧凸点与挡板上，这样就可以把芯轴固定住。而且当涡簧存储一定能量后，作用在弹簧凸点上的力达到设定值，使弹簧凸点被向内挤压而不再与挡板相阻挡，此时两根芯轴均被释放，两个绕向相反的涡簧驱动各自的芯轴沿相反方向转动，两根芯轴通过锥齿轮轴的换向，一同驱动发电机沿着同一个方向旋转发电。通过设置锥齿轮轴、第一传动齿轮与第二传动齿轮间的传动比，使两个涡簧存储的能量释放完毕后第二传动齿轮正好转动一周，此时弹簧凸点与挡板再次相阻挡，进入下一个周期的储能环节。实现了双向捕能，自动释能，功率可控。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施方式，凡基于本发明原理所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种可控功率双涡簧储能点头鸭式波浪能收集发电装置，包括鸭体、发电机、鸭体通过桩柱支撑平台支撑，在鸭体内安装发电机，其特征在于：发电机与双涡簧储能装置连接，所述的双涡簧储能装置包括正向涡簧储能机构、反向涡簧储能机构、换向及力矩控制器，在正、反向涡簧储能机构之间啮合连接换向及力矩控制器，其中一个正向或反向涡簧储能机构通过芯轴及联轴器连接发电机，所述的正、反向涡簧储能机构相同，涡簧的绕向相反，均包括芯轴及由内至外依次套装芯轴上的内棘轮、涡簧、外棘轮及固定套，涡簧的内端与内棘轮连接固定，涡簧的外端与外棘轮连接固定，在固定套的内环壁均匀间隔固装多个棘爪，固定套的外壁与鸭体内侧壁通过固定座连接固定，在芯轴与换向及力矩控制器连接的一端套装芯轴轴承及横向伞齿轮，芯轴通过横向伞齿轮与换向及力矩控制器的竖向伞齿轮啮合连接，所述的换向及力矩控制器包括箱体及安装在箱体内的竖向伞齿轮、第一传动齿轮、第二传动齿轮、弹簧凸点及挡板，竖向伞齿轮位于正、反向涡簧储能机构的芯轴横向伞齿轮的上方且与两个横向伞齿轮均啮合连接，竖向伞齿轮套装固定在锥齿轮轴的下端，在锥齿轮轴上套装齿轮轴承，锥齿轮轴的上端与第一传动齿轮啮合连接，第一传动齿轮套装在第一传动齿轮轴的下部，第一传动齿轮轴的上部与第二传动齿轮啮合连接，第二传动齿轮套住在第二传动轴的上部，在第二传动轴的中部套装一凸点固定套，在凸点固定套的外环壁安装弹簧凸点，在箱体内对应弹簧凸点的经过位置安装凸点挡板。

2.根据权利要求1所述的涡簧储能点头鸭式波浪能收集发电装置，其特征在于：在桩柱支撑平台上对应正、反向涡簧储能机构的外棘轮分别安装外棘轮进齿卡扣。

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