CN109915307A - 基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，包括，传动装置、发电输出装置和限位装置；所述传动装置包括：能够稳定立于海面上的固定支架、套至于固定支架上的浮子，所述浮子通过直线轴承与固定支架连接；设置在浮子上的曲轴机构，所述曲轴机构的延伸方向与固定支架的延伸方向相同，浮子能够沿着固定支架的延伸方向自由往复移动；所述曲轴机构连接动力齿轮组，所述动力齿轮组连接发电输出装置；所述限位装置包括设置在曲轴机构上的超越离合器及连接超越离合器的限位轮。本发明的优点在于：解决了现有发电装置结构复杂，易损坏，维修成本高，可靠性不高等问题，得到一种将海浪的起伏运动转化为连续稳定的电能发电装置，使输出功率较为稳定连续。

Description

基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置

技术领域

本发明涉及能源应用技术领域，尤其涉及关于一种基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置。

背景技术

随着社会进步，人们的环境意识日益提高，尤其是人口相对密集、经济活跃而工农业生产发达的地区。越是工农业生产发达，经济发达的地区对能源的需求越高，尤其是清洁能源、生产与居住环境、工厂与城市环境和生态状况的要求更是一天比一天高。

为了人类的生存与发展，人们在努力地减少通过燃烧方式来进行能量形式的转变，尽力减少放热过程、热量排放和温室效应气体的排放，通过对环境影响尽量小的方式来获取人类所需要的能量形式。例如，在太阳能中，人们可以将光能、风能和水的动势能形式环境友好地转变为传输和运用方便的电能。目前的认识中，大自然里的风能与光能相比，人们能将风能转换成电能的能量密度和转换率要比光能的高；而在水的动势能中人们所能转换成电能的能量密度和转换率要比风能的高，且是这三者之中最高的，尤其是海洋能，是一种取之不尽用之不竭的可再生的清洁能源。地球上海洋能蕴藏着不低于5000GW的能量。我国有1.8万公里的海岸线，处于海洋大国之列，可开发利用的波浪能极为丰富。问题的关键是人们采用何种转变方式来将波浪能转变为传输和运用很方便的电能。

海洋受自然因素变化影响，海洋波浪能是无规律不稳定的(时大时小，平均功率为峰值功率的1/10～1/7)，运动特性是往复的：纵荡、升沉、丛摇，运动速度低：在大波浪下最大速度为0.8m/s，力量大：瞬时功率为100kw/m。

现有的波浪能俘获技术有：震荡水柱、筏式﹑收缩波道式﹑点吸收式﹑鸭式﹑摆式、浮标式等。

但是现有浮标式，用机械传动装置将波浪能转换为机械能进行发电，设置换向定向齿轮箱，将波浪的上下往复运动转换为单向转动；其结构复杂，易损坏，维修成本高，可靠性不高。

不仅仅需要一种将波浪的上下往复运动转为单向高速旋转带动发电机发电的装置；而且必须需要一种将海浪的起伏运动转化为连续稳定的转动，使得输出功率较为稳定连续的发电装置。

发明内容

鉴于目前技术存在的所述不足，提供一种基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，针对海水产生很大的浮力，海浪运动可产生很大的往复动力，但是运动频率低的特点，我们在曲轴机构与发电输出装置连接部分加入了二级加速齿轮组，从而提高输出能量密度、输出效率，使得输出电压更加平稳；

同时，我们在曲轴机构的转动轴上加入了超越离合器，使得曲轴机构在运动到最高点时，转动轴可以空转，依靠惯性持续转动，从而持续发电。因为超越离合器的单向扭矩，曲轴机构容易向逆时针方向运动，为了阻止这个运动趋势，我们添加了一个限位装置(反向的限位轮轮)从而限制住了其运动方向，解决上述技术问题。

为实现所述目的，本发明的采用如下技术方案：

基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，包括，传动装置、发电输出装置和限位装置；所述传动装置包括：能够稳定立于海面上的固定支架、套至于固定支架上的浮子，所述浮子通过直线轴承与固定支架连接；设置在浮子上的曲轴机构，所述曲轴机构的延伸方向与固定支架的延伸方向相同，浮子能够沿着固定支架的延伸方向自由往复移动；所述曲轴机构连接动力齿轮组，所述动力齿轮组连接发电输出装置；所述限位装置包括设置在曲轴机构上的超越离合器及连接超越离合器的限位轮。

作为本发明的优选技术方案，所述曲轴机构包括曲柄滑块、连杆、转动轴；所述连杆连接浮子，浮子往复运动时，连杆带动曲柄滑块及传动轴，传递动力到动力齿轮组，动力齿轮组带动发电机工作。

作为本发明的优选技术方案，所述传动轴上设置有超越离合器，所述超越离合器配合限位轮，防止曲轴机构逆时针方向运动。

作为本发明的优选技术方案，所述动力齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮，上述齿轮两两啮合，形成二级加速齿轮组。

作为本发明的优选技术方案，所述发电输出装置包括线圈中间层、转动磁极层、及穿过线圈中间层和转动磁极层的轴承；所述线圈中间层设置在两转动磁极层之间；所述轴承一端固定连接转动磁极层。

作为本发明的优选技术方案，所述轴承另一端连接动力齿轮组，所述发电输出装置还包括壳体，所述线圈中间层固定在壳体内，所述转动磁极层随着轴承转动。

作为本发明的优选技术方案，所述转动磁极层的磁极排列为N极和S极交错排列。

作为本发明的优选技术方案，海水的涨落使所述浮子上下往复运动，浮子的上下往复运动通过传动装置、发电输出装置和限位装置，形成传动装置连续稳定的转动，带动发电输出装置输出电能，使得输出功率稳定连续。

作为本发明的优选技术方案，基于0.6m×1.5m范围的海面，所述单个基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的输出功率不大于0.29W。

综合所述技术方案，本发明的有益效果：解决了现有发电装置结构复杂，易损坏，维修成本高，可靠性不高等问题，得到一种将海浪的起伏运动转化为连续稳定的传动发电装置，使得输出功率较为稳定连续。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的电能输出示意图。

图2为本发明所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的结构示意图。

图3为本发明所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的结构局部示意图。

图4为本发明所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的发电输出装置结构示意图。

图5为本发明所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的发电输出装置的转动磁极层的磁极排列示意图。

图6为本发明所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的二级加速齿轮组不同速比的功率输出特性示意图。

图7为本发明所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的负载电压与转子转速关系示意图。

图8为本发明所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的输出电流与负载阻值关系示意图。

图9为本发明所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的磁阻力矩与电流关系示意图。

1、基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置；2、浮子；3、连杆；4、曲轴机构；5、动力齿轮组；6、限位轮；7、超越离合器；8、发电输出装置；9、直线轴承；10、固定支架；11、限位装置；801、转动磁极层；802、线圈中间层；803、壳体。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“外”、“内”、“上”“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解所述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，包括，传动装置、发电输出装置8和限位装置11；所述传动装置包括：能够稳定立于海面上的固定支架10、套至于固定支架 10上的浮子2，所述浮子2通过直线轴承9与固定支架10连接；设置在浮子2上的曲轴机构4，所述曲轴机构4的延伸方向与固定支架10 的延伸方向相同，浮子2能够沿着固定支架10的延伸方向自由往复移动；所述曲轴机构4连接动力齿轮组5，所述动力齿轮组5连接发电输出装置8；所述限位装置11包括设置在曲轴机构4上的超越离合器7 及连接超越离合器7的限位轮6。所述曲轴机构4包括曲柄滑块、连杆 3、转动轴；所述连杆3连接浮子2，浮子2往复运动时，连杆3带动曲柄滑块及传动轴，传递动力到动力齿轮组5，动力齿轮组5带动发电机工作。所述传动轴上设置有超越离合器7，所述超越离合器7配合限位轮6，防止曲轴机构4逆时针方向运动。所述动力齿轮组5包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮，上述齿轮两两啮合，形成二级加速齿轮组。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，其特征在于：包括，传动装置、发电输出装置8和限位装置11；所述传动装置包括：能够稳定立于海面上的固定支架10、套至于固定支架10上的浮子2，所述浮子2通过直线轴承9与固定支架 10连接；设置在浮子2上的曲轴机构4，所述曲轴机构4的延伸方向与固定支架10的延伸方向相同，浮子2能够沿着固定支架10的延伸方向自由往复移动；所述曲轴机构4连接动力齿轮组5，所述动力齿轮组5连接发电输出装置8；所述限位装置11包括设置在曲轴机构4上的超越离合器7及连接超越离合器7的限位轮6所述发电输出装置8 包括线圈中间层802、转动磁极层801、及穿过线圈中间层802和转动磁极层801的轴承；所述线圈中间层802设置在两转动磁极层801之间；所述轴承一端固定连接转动磁极层801；所述轴承另一端连接动力齿轮组5，所述发电输出装置8还包括壳体803，所述线圈中间层802 固定在壳体803内，所述转动磁极层801随着轴承转动；所述转动磁极层801的磁极排列为N极和S极交错排列。

如图6、图7、图8、图9所示，海水的涨落使所述浮子2上下往复运动，浮子2的上下往复运动通过传动装置、发电输出装置8和限位装置11，形成传动装置连续稳定的转动，带动发电输出装置输出电能，使得输出功率稳定连续；基于0.6m×1.5m范围的海面，所述单个基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的输出功率不大于0.29W。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，利用曲轴机构4和超越离合器7实现将海浪的起伏运动转化为连续稳定的转动动能，并通过动力齿轮组合实现了二级加速，使得输出功率较为稳定连续，在实际操作中室水池(0.6m*1.5m)条件下，测得最大功率为0.29W，最大发电效率为40.11％。

如图1所示，海水的涨落可造成浮子2的上下运动，浮子2的的上下运动通过连杆9、曲轴机构4、动力齿轮组5的转换，最终带动发电输出装置8输出电能。

如图2所示，基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的整体结构。整体装置分为传动部分与发电输出部分。传动部分包括了浮子2、曲轴机构4、二级加速齿轮组、超越离合器7与限位装置11；输出部分为发电输出装置8，所述发电输出装置8包括三相盘式发电机与三相整流桥。

考虑到齿轮加速过程中，阻力较大，而且当三相盘式发电机输出电流较大时，三相盘式发电机转动过程中受到相当大的磁阻(楞次定律)，所以设计的浮子重量较大，浮子2起伏提供较大的动力；浮子2 通过直线轴承9与固定支架10连接，浮子2可以稳定的上下运动，减少机械结构间的碰撞。

针对海水产生很大的浮力，海浪运动可产生很大的往复动力，但是运动频率低的特点，我们在曲轴机构4与三相盘式发电机连接部分加入了二级加速齿轮组(如图3所示)，从而提高输出能量密度、输出效率，使得输出电压更加平稳；同时，我们在曲轴机构4的转动轴上加入了超越离合器7，使得曲轴机构4在运动到最高点时，转动轴可以空转，依靠惯性持续转动，从而持续发电。在实际操作中发现，因为超越离合器7的单向扭矩，曲轴机构4容易向逆时针方向运动，为了阻止这个运动趋势，我们添加了一个限位装置11(反向的限位轮)从而限制住了其运动方向。

为了提高发电效、缩小整体结构体积，我们采用三相盘式发电机作为发电部分。发电机结构图如图4所示。此发电机中间分为三层。线圈中间层802，置于两转动磁极层801中间。线圈中间层802在中间作为定子，两边的转动磁极层801作为转子，可以随着轴承转动；转动磁极层的磁极排列是N极和S极交错排列，如图5所示，这样的排列可以在转动磁极层801转动的时候在线圈中间层中产生较大的磁通变化率，进而产生较大的电动势发电机采用了三相制，共有9个线圈，构成3组，输出的电是三相交流电，输出电压经三相整流桥后，可变为直流电。

两组不同的加速齿轮下输出功率与负载的关系

输出功率与负载阻值的关系如图6所示。由图可得到如下结论：负载阻值一定时，加速比越大，输出功率越大。

实际操作中结论分析：负载阻值一定时，加速比越大，输出功率越高。又由图7可知，负载电压与转速成线性关系，这是因为转子转速越大，线圈切割磁场速度越快，因此产生感生电动势越大。所以，负载阻值一定时候，加速比越大，负载两端电压升高，最终输出功率越大。

两种加速比下，输出端负载阻值都有一个最小阻值，当负载阻值小于最小阻值时，曲轴完成一个周期的运动，使得发电机无法输出一个连续稳定的电压。加速比为3.64时，最小负载阻值为3Ω；加速比为6.34时，最小负载阻值为80Ω。

实际操作中结论分析：如图8可知，负载阻值变小时，电流逐渐增大。又由图9可知，随着电流逐渐增大，在曲轴端点处的磁阻力矩也逐渐增大，并且为线性关系。因此，当负载阻值减小到一定值时，磁阻力过大而导致浮子不能随波浪上下运动而完成连续周期的上下运动；加速比越大，一定负载阻值下输出电流越大，因此达到最大磁阻力的阻值升高。

速比不同时，最大输出功率对应的负载阻值不同：加速比越大，最大输出功率对应的负载阻值越大。加速比为3.64时，最大输出功率对应负载阻值为10Ω；加速比为3.64时，最大输出功率对应负载阻值为120Ω。

实际操作中结论分析：由外电路(发电机与负载电阻组成的回路) 的欧姆定律可知：

P为负载输出功率，ε为电动势，R为负载阻值，r为内阻阻值。

由上述公式可知，当负载阻值与内阻阻值相同时，负载输出功率有最大值。由上述公式可知，速比越大，产生感生电动势越大，因此回路电流越大。又下述公式可知，回路电流越大，磁阻越大。因此，加速比越大，发电机内阻阻值越大，最大输出功率对应负载阻值越大。

发电效率计算

P₁为浮力输入功率；T为模拟海浪运动周期，测得为1s；W为浮力做功；ρ为海水密度，取1025kg/m^3；g为重力加速度，取9.8m/s²； S为浮子底面积，量得为0.04m²；a为最大吃水深度，测得为0.06m；γ为最大发电效率；P为最大输出功率。

各个数值代入上述公式，经计算得到最大输出功率约为40.11％。

综上所述，此发电装置最大输出功率为0.29瓦；此装置采用限位装置11、超越离合器7使得曲轴机构4单向转动；并且针对海浪运动低频的特点，加入了二级加速齿轮组，使得输出功率更加稳定、连续。

加大齿轮加速比时，为了减小磁阻力矩，使得浮子随波浪周期连续地运动，需要通过提高负载阻值来降低输出电流。并且输出功率最大值对应的负载阻值随加速比增大而增大。

实际运用中，我们的小型波浪发电装置结构较为模块化，结实耐用，适应性好，运行稳定，实际操作中装置体积小，便于携带，可用于船只、岛屿发电，即可作为单一海岸浮漂装置发电；扩大体积后也可以成规模的发电，广泛用于沿海地区。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，不是旨在限制本发明。

Claims (9)

1.基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，其特征在于：包括，传动装置、发电输出装置和限位装置；所述传动装置包括：能够稳定立于海面上的固定支架、套至于固定支架上的浮子，所述浮子通过直线轴承与固定支架连接；设置在浮子上的曲轴机构，所述曲轴机构的延伸方向与固定支架的延伸方向相同，浮子能够沿着固定支架的延伸方向自由往复移动；所述曲轴机构连接动力齿轮组，所述动力齿轮组连接发电输出装置；所述限位装置包括设置在曲轴机构上的超越离合器及连接超越离合器的限位轮。

2.根据权利要求1所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，其特征在于，所述曲轴机构包括曲柄滑块、连杆、转动轴；所述连杆连接浮子，浮子往复运动时，连杆带动曲柄滑块及传动轴，传递动力到动力齿轮组，动力齿轮组带动发电机工作。

3.根据权利要求2所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，其特征在于，所述传动轴上设置有超越离合器，所述超越离合器配合限位轮，防止曲轴机构逆时针方向运动。

4.根据权利要求1所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，其特征在于，所述动力齿轮组包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮，上述齿轮两两啮合，形成二级加速齿轮组。

5.根据权利要求1所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，其特征在于，所述发电输出装置包括线圈中间层、转动磁极层、及穿过线圈中间层和转动磁极层的轴承；所述线圈中间层设置在两转动磁极层之间；所述轴承一端固定连接转动磁极层。

6.根据权利要求5所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，其特征在于，所述轴承另一端连接动力齿轮组，所述发电输出装置还包括壳体，所述线圈中间层固定在壳体内，所述转动磁极层随着轴承转动。

7.根据权利要求6所述基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置，其特征在于，所述转动磁极层的磁极排列为N极和S极交错排列。

8.一种用于实施权利要求1-7中任一项所述采用基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的发电系统，其特征在于：海水的涨落使所述浮子上下往复运动，浮子的上下往复运动通过传动装置、发电输出装置和限位装置，形成传动装置连续稳定的转动，带动发电输出装置输出电能，使得输出功率稳定连续。

9.根据权利要求8所述采用基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的发电系统，其特征在于，基于范围的海面，所述单个基于波浪能驱动的曲轴连接发电装置的输出功率不大于0.29W。