CN109812376A - 一种单行程做功链传动波浪能转换装置 - Google Patents

Abstract

一种单行程做功链传动波浪能转换装置，包括振荡浮子、机械能‑电能转换装置和漂浮式机架三个部分；振荡浮子包括吸波浮体、链固定装置和导向装置；机械能‑电能转换装置包括链传动装置、增速变速器、单向联轴器、发电机、飞轮和电控箱；漂浮式机架包括用杆件搭建的桁架主体、桁架上平台、安全浮体、导向杆、桁架下平台、升降系统和阻尼配重系统；链传动装置包括穿过吸波浮体的链、负载链轮、换向链轮和链张紧装置，链的一条边与振荡浮子固定并将吸波浮体的动能传递输出；升降系统包括空压机、单向阀、二位三通阀、安全截止阀、升降浮箱及连接管路。该漂浮式能量转换装置结构简单，稳定可靠，可以升降，能够抵抗强风浪，波浪能利用率高。

Description

一种单行程做功链传动波浪能转换装置

技术领域

本发明涉及一种能量转换装置，具体涉及利用海洋波浪能的能量转换装置，尤其是一种单行程做功链传动波浪能转换装置。

背景技术

通过漂浮于水面的振荡浮子吸收波浪上下运动的能量，再通过连接在浮体上的传动链或传动带，将波浪能转换成机械能，转换效率高，简单可靠，目前已被应用；现有的链传动波浪能转换装置还存在一些问题，需要改进和完善。

1、中国发明专利申请公开说明书CN 101460733 A，国际公布WO2007/139395英.2007.12.6公开了一种用于转换波能的设备；如图11所示（该图摘自CN 101460733 A说明书）该发明设备的第二支架8下端与浮体2固定，上端分别与两套传动皮带9、10连接，传动带9、10的负载带轮12a、12b与换向带轮11垂直布置，负载带轮12a、12b固定于上平台，2个换向带轮11分别对应固定于下平台；当浮体2上行时，第二支架（即推杆）将皮带9、10内侧边同时向上推，从推杆与皮带9固定卡向下，经过换向轮11，再向上到上面负载皮带轮12b，这一段皮带为紧边，其余部分皮带为松边，紧边驱动负载皮带轮12b顺时针旋转，再通过超越离合器等传动部件，将旋转动力传递到发电机。此时，上面负载皮带轮12a上的超越离合器脱开，皮带10拖动上面皮带12a轮空转，因此该反向旋转的动力不能输出。 当浮体2下行时，第二支架（即推杆）将皮带9、10内侧边同时向下拉，从推杆与皮带10的固定卡向上，到上面负载皮带轮12a这一段皮带为紧边，其余部分皮带为松边，紧边驱动负载皮带轮12a顺时针旋转，通过超越离合器等传动件，将旋转动力传递到发电机；这时皮带9尽管在拖动下行皮带轮，但是，上面负载皮带轮12b上的超越离合器脱开，因此负载皮带轮12b空转，其上的反向旋转动力不能输出；该装置实现了浮体2上下运动均可输出相同方向的旋转动力；该装置存在第一个缺点是，在浮子上行时，皮带9的紧边要绕过下面的换向皮带轮11，两条紧边同时拉换向皮带轮11，会造成下平台和换向轮轴系零件受力过大，这样会带来结构庞大和早期磨损；该装置第二个缺点是负载皮带轮的紧边延长线即负载中心线，无论在上行还是下行时，均不能与浮体2的重心重合，这样会造成偏载，带来不利的附加弯矩。（注：该段零件标号为说明书CN 101460733 A附图中的标号）。

2、中国发明专利申请公开说明书CN 105888952 A公开了一种振荡浮子式海洋波浪能发电装置；如图12所示（该图摘自CN 105888952 A说明书）该发明的振荡浮子102是一种圆环状，套在固定的海洋立柱6上，浮子102上固定的两个链轮401和402分别与环形链条的两个边啮合，当浮子102上行时，链轮401轴上的超越离合器结合，驱动链条407绕过上面的负载链轮403和下面的换向链轮404做顺时针转动，这时链轮402轴上的超越离合器脱开，链轮402空转；链条407的紧边是从链轮401开始向下，绕过换向链轮404向上一直到上面的负载链轮403；当浮子下行时，链轮401轴上的超越离合器脱开，链轮402轴上的超越离合器结合，这时，链轮402向下驱动链条407直接拉动上面的负载链轮403做顺时针转动；这时链条的紧边是从链轮402开始，向上直接到负载链轮403。

如图12所示，该装置存在第一个缺点是，在浮子102上行时，链条407的紧边要绕过下面的换向链轮404，两条紧边同时拉换向链轮，会造成下平台和换向轮轴系零件受力过大，这样会带来结构庞大和早期磨损；该装置的第二个缺点是负载链轮的紧边延长线即负载中心线，无论是上行还是下行，均不能通过浮子102的重心，这样会造成偏载，带来不利的附加弯矩；该装置的第三个缺点是链轮401,402在拉动链条做功时与链条啮合的齿数只有2-3个，由于受力不良，容易造成脱齿现象，不能正常工作；尽管采取了链条防脱装置，但是也不能从根本上解决问题；第四个缺点是，该技术方案给出的固定海洋立柱6，对于上100米甚至更深的海面是很难实现的，要建成，需要很粗大的直径以保证其强度和刚度，这样大直径的立柱对于沿海面水平传动的波浪能是较大的阻碍和削弱，从而降低了浮子对波浪能的转换效率。（注：该段零件标号为说明书CN 105888952 A附图中的标号）。

对上述现有技术存在的缺点，概括为：1、由于两条紧边同时作用于换向轮，造成的负载过大和加剧磨损；2、由于受力中心线与振荡浮子重心不相交，造成的振荡浮子上下运动不稳定；3、由于链轮链条啮合齿数过少，造成受力状况不良和脱齿现象，以致故障多和维修困难；4由于立柱直径的粗大，对波浪的阻力然很大，因此，降低了波浪能转换效率；由上述诸多因素导致整个发电装置抗风浪能力减弱和转换效率低，整体设备性能下降。

发明内容

为了解决上述4条缺点，本发明提出了一种单行程做功链传动波浪能转换装置，该装置包括振荡浮子、机械能-电能转换装置和漂浮式机架三部分，以漂浮式机架的导向杆为运动轨道的振荡浮子位于漂浮式机架的桁架上平台之下水面中，机械能-电能转换装置位于漂浮式机架的桁架上平台之上；

所述的振荡浮子包括吸波浮体、链固定装置和导向装置；

所述机械能-电能转换装置包括链传动装置、增速变速器、单向联轴器、旋转发电机、飞轮和电控箱；

所述漂浮式机架包括用杆件搭建成网格格构的桁架主体、桁架上平台、安全浮体、与所述导向装置配合的导向杆、桁架下平台、升降系统和阻尼配重系统。

进一步地，所述吸波浮体为圆柱体，在圆柱体上下端面圆的中心处有一个通孔。

进一步地，所述链固定装置包括安装在吸波浮体端面圆的中心处通孔一侧的固定架、与固定架相连的夹板和紧固件。

进一步地，所述导向装置包括安装在吸波浮体的周边固定支架及与固定支架配套的导向滚轮、穿过导向滚轮中心的轮轴系组件和固定件。

进一步地，所述链传动装置包括穿过吸波浮体端面圆的中心处通孔的链、位于桁架上平台上面的负载链轮、位于桁架下平台上面的换向链轮和链张紧装置。

进一步地，所述升降系统包括位于桁架上平台之上的空压机、单向阀、二位三通阀、安全截止阀和位于桁架下平台之下的升降浮箱及连接上述元件的管路。

进一步地，所述阻尼配重系统包括固定于桁架主体底部的阻尼板和在阻尼板上面中部固定的配重块。

本发明的有益效果如下。

1、采用单行程做功，解决了由于两条紧边同时作用于换向轮，造成的负载过大和磨损问题。

2、解决了链传动受力状况不良和脱齿现象。

3、采用在吸波浮体中心安装链固定装置，在吸波浮体周边安装导向装置，使负载中心线与振荡浮子重心重合，改善了振荡浮子和导向机构的受力状况，使整个装置的稳定性得到了改善。

4、由杆件搭建成网架格构的桁架主体，强度高，重量轻，成本低，对波浪的阻力极小，因而提高了对波浪能的利用率。

5、由于采用了升降系统和阻尼配重系统，可以使整体设备处于最佳工作状态。

6、由于采用了安全浮体，增强了整体设备抵抗台风及恶劣海况的能力。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体设备正视图，图中交叉的点画线是机架上的剪刀撑。

图2是图1所示实施例中振荡浮子结构透视图。

图3是图2所示实施例中链固定装置的结构透视图。

图4是图2所示实施例中导向装置的结构透视图。

图5是图1所示实施例振荡浮子与链传动装置装配关系透视图。

图6是图1所示实施例中浮箱系统工作原理图。

图7是图1所示实施例中漂浮式机架的结构透视图。

图8是整体设备工作状态示意图。

图9是整体设备安全保护状态示意图。

图10是整体设备拖航状态和维修状态示意图。

图11是摘自CN 101460733 A说明书中的附图1。

图12是摘自CN 105888952 A说明书中的附图2。

图1-7中：Ⅰ、振荡浮子，Ⅱ、能量转换装置，Ⅲ、漂浮式机架，101、吸波浮体，102、通孔，103、固定架，104、夹板，105、紧固件，106、固定支架，107、导向滚轮，108、轮轴系组件109、固定件，201、链张紧装置，202、换向链轮，203、链，204、负载链轮，205、超越离合器，206、增速变速器，207、单向联轴器，208、旋转发电机，209、飞轮，210、电控箱，301、桁架主体，302、桁架上平台，303、安全浮体，304、导向杆，305、桁架下平台，306、空压机，307、单向阀，308、二位三通阀，309、升降浮箱，310、管路，311、安全截止阀，312、配重块，313、阻尼板。

具体实施方式

以下结合附图和实施例说明本发明。

如图1所示，本实施例链传动波浪能转换装置是一种在海上漂浮的发电装置，该发电装置包括Ⅰ、振荡浮子，Ⅱ、机械能-电能转换装置，Ⅲ、漂浮式机架三个部分，其特征在于以漂浮式机架的导向杆304为运动轨道的振荡浮子，位于漂浮式机架的桁架上平台302之下水面中，机械能-电能转换装置位于漂浮式机架的桁架上平台302之上。

如图2-5所示，振荡浮子由吸波浮体101、链固定装置和导向装置组成；所述机械能-电能转换装置由链传动装置、增速变速器206、单向联轴器207、旋转发电机208、飞轮209和电控箱210组成；如图7所示，所述漂浮式机架由用杆件搭建成网格格构的桁架主体301、桁架上平台302、安全浮体303、与所述导向装置配合的导向杆304、桁架下平台305、升降系统和阻尼配重系统组成。

如图2所示，所述吸波浮体101为圆柱体，在圆柱体上下端面圆的中心处有一个通孔102。

如图2-3所示所述链固定装置由安装在吸波浮体端面中心处通孔102一侧的固定架103、与固定架103相连的夹板104和紧固件105组成。

如图2和图4所示，所述导向装置由安装在吸波浮体101的周边固定支架106及与固定支架配套的导向滚轮107、穿过导向滚轮中心的轮轴系组件108和固定件109组成。

如图5所示，所述链传动装置由穿过所述吸波浮体101端面中心处通孔102的链203、位于所述桁架上平台302上面的负载链轮204和位于所述桁架下平台305上面的换向链轮202和链张紧装置201组成。

如图1和图6所示，所述升降系统由位于桁架上平台302之上的空压机306、单向阀307、二位三通阀308、安全截止阀311和位于桁架下平台305之下的升降浮箱309及连接上述元件的管路310组成。

如图7所示，所述阻尼配重系统由固定于桁架主体301底部的阻尼板313和在阻尼板上面中部固定的配重块312组成。

本实施例更详细的说明如下。

如图2-4所示，链201从吸波浮体101中部的通孔102穿过，该通孔102设计成矩形通孔，在通孔102的一侧固定有链固定装置，链固定装置通过固定架103，夹板104和紧固件105，将链203的一个边与吸波浮体101连接起来，在吸波浮体上下端面的周边分别对称固定有4对导向装置，导向装置包括固定支架106，导向滚轮107和轮轴系组件108，固定件109；导向滚轮107设计有圆弧槽，其圆弧半径与圆柱形导向杆304相吻合，在导向杆304的约束下，振荡浮子只能沿导向杆304做直线运动。

如图5所示，链203，是一个环形链条，与链直接啮合的有位于吸波浮体101上方的负载链轮204及位于吸波浮体101下方固定于链张紧装置201上的换向链轮202。

如图5，图6所示，本实例负载链轮204固定在超越离合器外径，超越离合器内孔与增速变速器206的输入轴连接，经过增速变速器206使动力旋转速度按照增速比加快，尔后经过增速变速器206的输出轴将旋转动力输出。

如图5所示，增速变速器206的输出轴与单向联轴器207连接，单向联轴器207与旋转发电机208连接，旋转发电机208主轴是双轴伸的，该轴一端与单向联轴器207连接，另一端与飞轮209连接，飞轮209是储能元件，起到速度波动的调节作用，使旋转发电机208平稳运转；旋转发电机208将所发电力输入给电控箱210，在电控箱210中经过整流器、蓄电池、逆变器等电力器件将通用标准电力输出，完成机械能-电能转换。

如图1和图7所示，漂浮式机架的桁架主体301是由钢管等杆件经不同形式的连接装置，例如扣件、U型卡，网架球，剪刀撑等，将其搭建成空间网格格构形式，该结构杆件直径相对吸波浮体101的直径很小，对来自任何方向的波浪阻力极其微小，因而可以使振荡浮子获得最大的波浪能；该结构杆件具有很高强度，可以满足能量吸收装置和能量转换装置及所有安装于其上的设备所需要的强度，可以在台风等恶劣条件下不被损坏。

见图1和图7，在桁架主体301上部有用钢板网制成的桁架上平台302，在桁架上平台302上面安装有机械能-电能转换装置和空压机306等，该平台有一定的空间，供操作人员使用。

见图1和图7，在桁架上平台302底板构架处安装有安全浮体303，安全浮体303在结构上设计成拼装型，浮箱四个角设计成圆弧形，可以减少风浪对设备的损害。

见图1和图5，在桁架主体301高度方向的中部有用钢板网制成的桁架下平台305，在桁架上平台302和桁架下平台305之间有4根互相平行的圆柱形导向杆304，这4根导向杆与振荡浮子上的4组导向滚轮107配合。

如图7所示，在桁架下平台305下方大于2米之处，在桁架主体301构架上安装有4个升降浮箱309，将所有升降浮箱309都排空水并充满空气，其总浮力等于或大于1.5倍链传动波浪能转换装置整体设备总重力。

见图1、图6，本实例设计有4个升降浮箱309，分散布置，集中控制，这样有利于整体设备的稳定。

见图7，在升降浮箱309下方大于2米之处的桁架主体构架上，安装有阻尼板313，在阻尼板313上面中间部位固定有配重块312，配重块312根据设备重心位置的可以进行调整。

下面对本实施例链传动波浪能转换装置的各部分功能和设计要点作进一步说明。

升降系统的工作原理：如图6所示，当开启空压机306时，压缩空气通过管路310经单向阀307，二位三通阀308进入升降浮箱309之内；在压缩空气的作用下升降浮箱309中的水经过下部的通孔被排出，从而增大了浮力，使链传动波浪能转换装置整体设备上升；当二位三通阀308换位，同时打开安全截止阀311，在升降水箱309内海水的压力作用下，升降浮箱309内的空气通过管路310，经二位三通阀308和安全截止阀311排往大气，由于减少了浮力，使链传动波浪能转换装置整体设备下降。

漂浮式机架最佳位置调节的说明：如图1和图8所示，链传动波浪能转换装置在正常发电时位于工作水线，通过浮箱系统的升降调节机构，使漂浮式机架导向杆304的中点处于波峰与波谷的中点，这样振荡浮子沿导向杆304上下运动有最大幅度空间；这就是漂浮式机架最佳位置，在该位置发电运行状态称为最佳工作状态。

从波浪能到机械能转换的说明：波浪能是波浪运动所具有的能量，它属于一种机械能，呈不规律的液体起伏运动状态，这种运动状态的机械能是很难直接利用的；这里所说的转换后的机械能是指物体按照一定的轨迹运动所具有的能量，例如直线运动、旋转运动等等，这样的机械能可以直接利用，例如驱动液压杆件做直线运动或带动轴做旋转运动。从波浪能到机械能转换的实质是机械能表现形式的变换。

关于单行程做功的说明：本实例传动结构是单行程做功，即在波浪的一个周期内只有二分之一周期做功，二分之一周期空转，不做功；该结构除了前面所述的优点外，其缺点是，相对于双行程做功结构会造成更大的速度波动，对于这一问题可以通过不同办法解决，例如采取增加飞轮、对多点的动力装置进行串联、采用液压储能机构等方法加以解决。

飞轮209设计要点说明：见图1和图5，飞轮209包括传旋转发电机208在与增速变速器207输出轴连接的单向连轴器208的驱动下，开始旋转，但是其转速随振荡浮子上下运动速度的变化时快时慢，很不均匀，为此增加飞轮209，当驱动轴速转动加快时，由于要带动飞轮209加速旋转，从而使驱动轴加速度降低，同时将能量存储为飞轮209的转动惯量；当驱动轴的转速降低甚至为零时，由于飞轮209存储的转动惯量使飞轮209继续旋转，驱动旋转电机208继续发电，从而减小了输入旋转发电机208转速的波动，这样更有利于旋转电机208均衡发电；注意飞轮209转动惯量大小设计要合适，必要时要做实验。

安全浮体303的功能和工作原理：如图1和图7所示，整体设备在工作状态下正常发电，位于桁架上平台302的安全浮体303是完全在水面上的；当遇到大风浪或台风时，升降系统排气，使漂浮式机架下降，下降到桁架上平台302与振荡浮子相接触时为止，将振荡浮子与桁架上平台302固定。这时吸波浮体101和安全浮体303所具有的浮力可以托起了整体设备，使整体设备不能再往下沉；该状态称为安全保护状态，此时，整体设备浮心的位置远远高于重心，这样造成了一种非常稳定的结构状态，如同空中的降落伞，载人的吊篮式气球一样，重心在浮心之下，非常安全；当恶劣天气结束，通过升降系统，使整体设备重新回到最最佳位置，继续正常运行发电。

安全浮体303设计关键点：安全浮体303是整体设备生存的保证，设计关键点，第一、安全浮体303的总浮力应等于或大于整体设备的重力；第二 、安全浮体303设计成平盘形，带圆角，如图1和图7所示；第三、安全浮体303在保证总浮力的条件下尽量选择耐候性好，强度高，比重小的浮体材料；本实例采用了中空箱型结构。

本实例设备整体状态说明：根据需要，通过升降系统对设备整体的状态可以进行调整；第一、如图8所示，振荡浮子的上下振动中点与波浪振幅中点相同，处于导向杆304的中点，工作水线在中点上下震荡，该状态定义为工作状态；第二、如图9所示，当遇到强风浪时，停止工作，升降系统排气，设备整体下降到安全水线位置，振荡浮子与安全浮体303共同承托起设备整体；当强风浪过去，整体设备可以重新回到原来状态，该状态定义为安全保护状态；第三、如图10所示，当整体设备需要移动或维修时，升降系统充气，使整体设备上升到拖航水线位置或合适的维修位置，该状态定义为拖航状态或维修状态。

关于提高发电功率途径的说明：在相等面积的海平面区域，相同波高的情况下其波浪能是相等的，通过加大振荡浮子所占海平面的面积，如加大直径，可以更多地吸收波浪能的能量，可以提高波浪能转换装置的发电功率；在本实例基本结构形式不变的基础上，加大振荡浮子的尺寸、加强受力零部件的强度、将本实例给出的单排链改为双排链或多排链、将超越离合器、增速变速器、旋转发电机等设备的功率相应加大，是提高发电功率的重要的、有效的途径。

本实例部分设备采用了标准设备，简单可靠，成本低，投放和回收容易，从对本能量转换装置进行的小样实验看，效果良好；但是还需要对设备做进一步的实海况试验，还需要扩大发电量和改进，尽快形成完善、可靠的波浪能发电设备，以满足社会对波浪能电站的迫切需求。

以上详细说明是针对本发明实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种单行程做功链传动波浪能转换装置包括振荡浮子、机械能-电能转换装置和漂浮式机架三个部分，其特征在于以漂浮式机架的导向杆（304）为运动轨道的振荡浮子位于漂浮式机架的桁架上平台（302）之下水面中，机械能-电能转换装置位于漂浮式机架的桁架上平台（302）之上；

所述的振荡浮子包括吸波浮体（101）、链固定装置和导向装置；

所述机械能-电能转换装置包括链传动装置、增速变速器（206）、单向联轴器（207）、旋转发电机（208）、飞轮(209)和电控箱(210)；

所述漂浮式机架包括用杆件搭建成网格格构的桁架主体（301）、桁架上平台（302）、安全浮体（303）、与所述导向装置配合的导向杆（304）、桁架下平台（305）、升降系统和阻尼配重系统。

2.根据权利要求1所述的单行程做功链传动波浪能转换装置，其特征在于，所述吸波浮体（101）为圆柱体，在圆柱体上下端面圆的中心处具有一个通孔（102）。

3.根据权利要求1所述的单行程做功链传动波浪能转换装置，其特征在于，所述链固定装置包括安装在吸波浮体端面圆的中心处通孔一侧的固定架（103）、与固定架（103）相连的夹板（104）和紧固件（105）。

4.根据权利要求1所述的单行程做功链传动波浪能转换装置，其特征在于，所述导向装置包括安装在吸波浮体（101）周边的固定支架（106）及与固定支架配套的导向滚轮（107）、穿过导向滚轮中心的轮轴系组件（108）和固定件（109）。

5.根据权利要求1所述的单行程做功链传动波浪能转换装置，其特征在于，所述链传动装置包括穿过所述吸波浮体（101）端面圆的中心处通孔（102）的链（203）、位于所述桁架上平台（302）上面的负载链轮（204）、位于所述桁架下平台（305）上面的换向链轮（202）和链张紧装置（201）。

6.根据权利要求1所述的单行程做功链传动波浪能转换装置，其特征在于，所述升降系统包括位于桁架上平台（302）之上的空压机（306）、单向阀（307）、二位三通阀（308）、安全截止阀（311）和位于桁架下平台（305）之下的固定于桁架主体（301）上的升降浮箱（309）及连接上述元件的管路（310）。

7.根据权利要求1所述的单行程做功链传动波浪能转换装置，其特征在于，所述阻尼配重系统包括固定于桁架主体（301）底部的阻尼板（313）和在阻尼板上面中部固定的配重块（312）。