CN108661848B - 一种智能偏心摆式发电装置及发电方法 - Google Patents

一种智能偏心摆式发电装置及发电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能偏心摆式发电装置及发电方法，所述的装置包括漂浮在海面上的弧形外壳，该弧形外壳的底部通过锚链与海底的锚桩相连接，在弧形外壳的顶部安装上层外圈，在上层外圈的顶部安装顶盖，在弧形外壳内安装水平方向的底座和顶座，在底座的中心位置安装轴承座，在轴承座上安装轴承，此外还在底座上沿竖直方向安装发电机，在顶座的中心位置安装轴承，中心主轴的底端穿过顶座上的轴承后插入底座上的轴承，在中心主轴的顶部安装爬升齿条，在中心主轴上的爬升齿条所在部位安装水平方向的摆臂。本发明所公开的发电装置采用偏心摆式能量捕获方式，在继承了机械式发电装置成本低廉优势的同时，又兼顾了其可靠性，结构简单，成本效益高，易大规模投产，有很大的实用价值。

Description

一种智能偏心摆式发电装置及发电方法
技术领域
本发明属于波浪能发电装置领域，特别涉及该领域中的一种智能偏心摆式发电装置及发电方法。
背景技术
当今世界，煤炭、石油、天然气等传统化石能源日益减少，引发了能源价格不断上涨，能源危机不断临近。同时，由于化石能源的燃烧引起的环境污染严重威胁着地球上包括人类在内的所有生物。海洋能作为一种储量丰富且清洁环保的可再生能源，引起了人们的极大关注。而海洋中波浪能分布最为广泛、储量极为丰富，且与其他种类的海洋能资源相比，波浪能资源能流密度高，在近岸及离岸地区均可获取，波浪能发电装置出力保证率高。但是现有的摆式波浪能发电装置为了利用各个方向的波浪能，需要安装多个动力源，造成装置结构复杂，体积较大，无法保证不同输出端的运动同步率。另外在安装完成后就无法再根据海况随时调整摆臂高度和偏心负载位置，影响了发电效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种可以实时调整摆臂高度和偏心负载位置的智能偏心摆式发电装置及发电方法。
本发明采用如下技术方案：
一种智能偏心摆式发电装置，其改进之处在于：所述的装置包括漂浮在海面上的弧形外壳，该弧形外壳的底部通过锚链与海底的锚桩相连接，在弧形外壳的顶部安装上层外圈，在上层外圈的顶部安装顶盖，在弧形外壳内安装水平方向的底座和顶座，在底座的中心位置安装轴承座，在轴承座上安装轴承，此外还在底座上沿竖直方向安装发电机，在顶座的中心位置安装轴承，中心主轴的底端穿过顶座上的轴承后插入底座上的轴承，在中心主轴的顶部安装爬升齿条，在中心主轴上的爬升齿条所在部位安装水平方向的摆臂，该摆臂可以带动中心主轴转动，在摆臂的根部安部爬升电机，在该爬升电机的动力输出轴上安装与上述爬升齿条相啮合的齿轮，在摆臂的头部安装伸缩齿条，在摆臂上的伸缩齿条所在部位安装偏心负载，在偏心负载上安装伸缩电机，在该伸缩电机的动力输出轴上安装与上述伸缩齿条相啮合的齿轮，在中心主轴上位于底座和顶座之间的部位从上到下依次安装逆时针单向轴承和顺时针单向轴承，在逆时针单向轴承上安装第一驱动齿轮，在顺时针单向轴承上安装第二驱动齿轮，在底座和顶座之间为齿轮固定板，在齿轮固定板上沿竖直方向安装从动轴和输出轴，在从动轴上安装与上述第一驱动齿轮相啮合的从动齿轮，在输出轴上从上到下依次安装有与上述从动齿轮相啮合的第一输出齿轮和与上述第二驱动齿轮相啮合的第二输出齿轮，此外该输出轴还通过联轴器与上述发电机的动力输入轴相连接。
进一步的，所述弧形外壳为对称的金属弧形外壳。
进一步的，所述的锚桩有三个，三个锚桩各通过一根锚链与弧形外壳的底部相连接。
进一步的，所述弧形外壳的顶端为水平外凸的环状边缘，在该环状边缘的内侧安装顶座，外侧安装上层外圈。
进一步的，所述爬升电机和伸缩电机受与波高仪电连接的控制系统控制。
进一步的，所述爬升电机和伸缩电机均为步进电机。
进一步的，齿轮固定板固定在顶座上。
进一步的，在顶座上设置两个轴承座，在每一轴承座内均安装一个轴承；在齿轮固定板上设置一个轴承和一个轴承座，在齿轮固定板的轴承座内亦安装一个轴承，从动轴的顶端安装在顶座的一个轴承内，底端安装在齿轮固定板轴承座内的轴承上，输出轴的顶端安装在顶座的另一个轴承内，底端穿过齿轮固定板上的轴承后与发电机的动力输入轴通过联轴器相连接。
进一步的，第一驱动齿轮和第二驱动齿轮的轮径相同，均大于从动齿轮、第一输出齿轮和第二输出齿轮的轮径。
一种智能偏心摆式发电方法，使用上述的发电装置，其改进之处在于，包括如下步骤：
（1）将发电装置置于海面，根据海况控制爬升电机运行使摆臂沿爬升齿条升降至适当高度，控制伸缩电机运行使偏心负载沿摆臂上的伸缩齿条运动至适当位置，在海面波浪的作用下，弧形外壳发生纵摇，使其中心主轴不再与水平面正交，此时摆臂与水平面之间会产生夹角，偏心负载则在重力的作用下运动，从而使摆臂带动中心主轴转动；
（2）若中心主轴为逆时针转动，虽无法通过顺时针单向轴承带动第二驱动齿轮转动，但可通过逆时针单向轴承带动第一驱动齿轮逆时针转动，使得与第一驱动齿轮相啮合的从动齿轮顺时针转动，与从动齿轮相啮合的第一输出齿轮逆时针转动，从而带动输出轴和发电机的动力输入轴逆时针转动，驱动发电机发电；
（3）若中心主轴为顺时针转动，虽无法通过逆时针单向轴承带动第一驱动齿轮转动，但可通过顺时针单向轴承带动第二驱动齿轮顺时针转动，使得与第二驱动齿轮相啮合的第二输出齿轮逆时针转动，从而带动输出轴和发电机的动力输入轴逆时针转动，驱动发电机发电。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的发电装置采用偏心摆式能量捕获方式，在继承了机械式发电装置成本低廉优势的同时，又兼顾了其可靠性，结构简单，成本效益高，易大规模投产，有很大的实用价值。通过控制爬升电机正反转，使其动力输出轴上的齿轮沿爬升齿条升降，从而可以根据不同海况将摆臂升降至适当高度；通过控制伸缩电机正反转，使其动力输出轴上的齿轮沿伸缩齿条运动，从而可以根据不同海况将偏心负载运动至适当位置，由于控制系统可以根据波高仪测得的波高实时调整摆臂高度和偏心负载位置，可以大大改善发电装置的发电效率。
本发明所公开的发电装置，其弧形外壳为对称结构，可以捕获各个方向来波的波浪能，不受波浪方向的限制，适合在随机波浪环境下使用。采用三点锚固的结构，不但能够适应近远海的不同海况，还可以在保持发电装置整体工作条件稳定的前提下最大程度的捕获波浪能。
本发明所公开的发电装置，第一驱动齿轮和第二驱动齿轮的轮径大于从动齿轮、第一输出齿轮和第二输出齿轮的轮径，可以连续稳定的放大发电机动力输入轴的旋转速度，避免因转速过慢而导致输出电压过小。
本发明所公开的发电方法及其所使用的发电装置，采用齿轮换向，将摆臂的双向摆动转换为发电机的单向转动，无需安装多个发电机，既简化结构，又减小体积，并能保证不同输出端的运动同步率，使电能输出更加平稳。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开发电装置剖开后的内部结构示意图；
图2是本发明实施例1所公开发电装置去掉弧形外壳后的内部结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开发电装置的中心主轴、摆臂和偏心负载之间的连接关系示意图；
图4是本发明实施例1所公开发电装置安装完成后的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1-4所示，本实施例公开了一种智能偏心摆式发电装置，所述的装置包括漂浮在海面上的弧形外壳101，该弧形外壳的底部通过锚链301与海底的锚桩302相连接，在弧形外壳的顶部安装上层外圈102，在上层外圈的顶部安装顶盖，在弧形外壳内安装水平方向的底座209和顶座212，在底座的中心位置安装轴承座，在轴承座上安装轴承，此外还在底座上沿竖直方向安装发电机207，在顶座的中心位置安装轴承，中心主轴201的底端穿过顶座上的轴承后插入底座上的轴承，在中心主轴的顶部安装爬升齿条402，在中心主轴上的爬升齿条所在部位安装水平方向的摆臂104，该摆臂可以带动中心主轴转动，在摆臂的根部安部爬升电机401，在该爬升电机的动力输出轴上安装与上述爬升齿条相啮合的齿轮，在摆臂的头部安装伸缩齿条404，在摆臂上的伸缩齿条所在部位安装偏心负载105，在偏心负载上安装伸缩电机403，在该伸缩电机的动力输出轴上安装与上述伸缩齿条相啮合的齿轮，在中心主轴上位于底座和顶座之间的部位从上到下依次安装逆时针单向轴承210和顺时针单向轴承211，在逆时针单向轴承上安装第一驱动齿轮202，在顺时针单向轴承上安装第二驱动齿轮203，在底座和顶座之间为齿轮固定板208，在齿轮固定板上沿竖直方向安装从动轴和输出轴，在从动轴上安装与上述第一驱动齿轮相啮合的从动齿轮206，在输出轴上从上到下依次安装有与上述从动齿轮相啮合的第一输出齿轮204和与上述第二驱动齿轮相啮合的第二输出齿轮205，此外该输出轴还通过联轴器与上述发电机的动力输入轴相连接。
在本实施例中，所述弧形外壳为对称的金属弧形外壳。所述的锚桩有三个，三个锚桩各通过一根锚链与弧形外壳的底部相连接。所述弧形外壳的顶端为水平外凸的环状边缘，在该环状边缘的内侧安装顶座，外侧安装上层外圈。
在本实施例中，所述爬升电机和伸缩电机受与波高仪电连接的控制系统控制，具体的说，控制系统初期记录波高仪测得的数据并计算出最优摆臂高度及偏心负载位置，形成一套逻辑后即可在不同海况下根据波高仪测得的数据实时调整摆臂至适当高度、偏心负载至适当位置。
在本实施例中，所述爬升电机和伸缩电机均为步进电机。齿轮固定板固定在顶座上。在顶座上设置两个轴承座，在每一轴承座内均安装一个轴承；在齿轮固定板上设置一个轴承和一个轴承座，在齿轮固定板的轴承座内亦安装一个轴承，从动轴的顶端安装在顶座的一个轴承内，底端安装在齿轮固定板轴承座内的轴承上，输出轴的顶端安装在顶座的另一个轴承内，底端穿过齿轮固定板上的轴承后与发电机的动力输入轴通过联轴器相连接。
在本实施例中，第一驱动齿轮和第二驱动齿轮的轮径相同，均大于从动齿轮、第一输出齿轮和第二输出齿轮的轮径。
本实施例还公开了一种智能偏心摆式发电方法，使用上述的发电装置，包括如下步骤：
（1）将发电装置置于海面，根据海况控制爬升电机运行使摆臂沿爬升齿条升降至适当高度，控制伸缩电机运行使偏心负载沿摆臂上的伸缩齿条运动至适当位置，在海面波浪的作用下，弧形外壳发生纵摇，使其中心主轴不再与水平面正交，此时摆臂与水平面之间会产生夹角，偏心负载则在重力的作用下运动，从而使摆臂带动中心主轴转动；
（2）若中心主轴为逆时针转动，虽无法通过顺时针单向轴承带动第二驱动齿轮转动，但可通过逆时针单向轴承带动第一驱动齿轮逆时针转动，使得与第一驱动齿轮相啮合的从动齿轮顺时针转动，与从动齿轮相啮合的第一输出齿轮逆时针转动，从而带动输出轴和发电机的动力输入轴逆时针转动，驱动发电机发电；
（3）若中心主轴为顺时针转动，虽无法通过逆时针单向轴承带动第一驱动齿轮转动，但可通过顺时针单向轴承带动第二驱动齿轮顺时针转动，使得与第二驱动齿轮相啮合的第二输出齿轮逆时针转动，从而带动输出轴和发电机的动力输入轴逆时针转动，驱动发电机发电。

Claims (10)

1.一种智能偏心摆式发电装置，其特征在于：所述的装置包括漂浮在海面上的弧形外壳，该弧形外壳的底部通过锚链与海底的锚桩相连接，在弧形外壳的顶部安装上层外圈，在上层外圈的顶部安装顶盖，在弧形外壳内安装水平方向的底座和顶座，在底座的中心位置安装轴承座，在轴承座上安装轴承，此外还在底座上沿竖直方向安装发电机，在顶座的中心位置安装轴承，中心主轴的底端穿过顶座上的轴承后插入底座上的轴承，在中心主轴的顶部安装爬升齿条，在中心主轴上的爬升齿条所在部位安装水平方向的摆臂，该摆臂可以带动中心主轴转动，在摆臂的根部安部爬升电机，在该爬升电机的动力输出轴上安装与上述爬升齿条相啮合的齿轮，在摆臂的头部安装伸缩齿条，在摆臂上的伸缩齿条所在部位安装偏心负载，在偏心负载上安装伸缩电机，在该伸缩电机的动力输出轴上安装与上述伸缩齿条相啮合的齿轮，在中心主轴上位于底座和顶座之间的部位从上到下依次安装逆时针单向轴承和顺时针单向轴承，在逆时针单向轴承上安装第一驱动齿轮，在顺时针单向轴承上安装第二驱动齿轮，在底座和顶座之间为齿轮固定板，在齿轮固定板上沿竖直方向安装从动轴和输出轴，在从动轴上安装与上述第一驱动齿轮相啮合的从动齿轮，在输出轴上从上到下依次安装有与上述从动齿轮相啮合的第一输出齿轮和与上述第二驱动齿轮相啮合的第二输出齿轮，此外该输出轴还通过联轴器与上述发电机的动力输入轴相连接。
2.根据权利要求1所述的智能偏心摆式发电装置，其特征在于：所述弧形外壳为对称的金属弧形外壳。
3.根据权利要求1所述的智能偏心摆式发电装置，其特征在于：所述的锚桩有三个，三个锚桩各通过一根锚链与弧形外壳的底部相连接。
4.根据权利要求1所述的智能偏心摆式发电装置，其特征在于：所述弧形外壳的顶端为水平外凸的环状边缘，在该环状边缘的内侧安装顶座，外侧安装上层外圈。
5.根据权利要求1所述的智能偏心摆式发电装置，其特征在于：所述爬升电机和伸缩电机受与波高仪电连接的控制系统控制。
6.根据权利要求1所述的智能偏心摆式发电装置，其特征在于：所述爬升电机和伸缩电机均为步进电机。
7.根据权利要求1所述的智能偏心摆式发电装置，其特征在于：齿轮固定板固定在顶座上。
8.根据权利要求7所述的智能偏心摆式发电装置，其特征在于：在顶座上设置两个轴承座，在每一轴承座内均安装一个轴承；在齿轮固定板上设置一个轴承和一个轴承座，在齿轮固定板的轴承座内亦安装一个轴承，从动轴的顶端安装在顶座的一个轴承内，底端安装在齿轮固定板轴承座内的轴承上，输出轴的顶端安装在顶座的另一个轴承内，底端穿过齿轮固定板上的轴承后与发电机的动力输入轴通过联轴器相连接。
9.根据权利要求1所述的智能偏心摆式发电装置，其特征在于：第一驱动齿轮和第二驱动齿轮的轮径相同，均大于从动齿轮、第一输出齿轮和第二输出齿轮的轮径。
10.一种智能偏心摆式发电方法，使用权利要求1所述的发电装置，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将发电装置置于海面，根据海况控制爬升电机运行使摆臂沿爬升齿条升降至适当高度，控制伸缩电机运行使偏心负载沿摆臂上的伸缩齿条运动至适当位置，在海面波浪的作用下，弧形外壳发生纵摇，使其中心主轴不再与水平面正交，此时摆臂与水平面之间会产生夹角，偏心负载则在重力的作用下运动，从而使摆臂带动中心主轴转动；
（2）若中心主轴为逆时针转动，虽无法通过顺时针单向轴承带动第二驱动齿轮转动，但可通过逆时针单向轴承带动第一驱动齿轮逆时针转动，使得与第一驱动齿轮相啮合的从动齿轮顺时针转动，与从动齿轮相啮合的第一输出齿轮逆时针转动，从而带动输出轴和发电机的动力输入轴逆时针转动，驱动发电机发电；
（3）若中心主轴为顺时针转动，虽无法通过逆时针单向轴承带动第一驱动齿轮转动，但可通过顺时针单向轴承带动第二驱动齿轮顺时针转动，使得与第二驱动齿轮相啮合的第二输出齿轮逆时针转动，从而带动输出轴和发电机的动力输入轴逆时针转动，驱动发电机发电。
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