CN110410263B - 垂荡浮子式发电增氧装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能通过简单且低廉的丝杠齿轮式传动机构实现波浪能捕获和传递，并同时实现发电与增氧双重功能的垂荡浮子式发电增氧装置及方法。具备：捕能系统、位于捕能系统内部的换向系统、增氧系统及发电系统；其中，捕能系统具备：钢架、基座、作为传动机构而形成为可轻微摆动地贯穿基座并沿钢架的平行方向延伸的丝杠、柔性防水外壳、以及与丝杠的下端固定连接的垂荡浮子；换向系统具备：套轴、输出轴、棘轮、丝杠齿轮、以及换向轮；增氧系统具备：多个进气管、多个单向进气电磁阀、多个下出气管、多个下单向出气电磁阀、多个上出气管、以及多个上单向出气电磁阀；发电系统位于输出轴上端。

Description

垂荡浮子式发电增氧装置及方法

技术领域

本发明属于波浪能发电领域，具体涉及一种垂荡浮子式发电增氧装置及方法。

背景技术

随着化石能源的日趋枯竭、温室气体排放导致的气候变化日益严重，开发可再生能源成为世界能源发展的重要方向。海洋波浪能作为一种清洁无污染的绿色可再生新能源，具有储量大、分布广、能量密度高且易于转化等优点，成为新能源研究的重点。开发并利用海洋波浪能对于缓解能源紧张，降低环境污染，发展沿海及岛屿经济，巩固海防等具有重要意义。

波浪能装置是进行波浪能利用的主要形式，波浪能装置根据其获能方式的不同，主要有垂荡浮子式、垂荡水柱式以及越浪式。与垂荡水柱式和越浪式相比，垂荡浮子式波浪能装置具有结构简单、安装维护方便、能量转换效率较高的优点、适合于小波浪条件等优点。

目前，国内的垂荡浮子式波浪能装置的传动机构有齿条式和液压式，齿条式因其可靠性低不利于维护，所以大规模应用较少。然而当前广泛使用的液压式传动机构又存在成本高昂、维护费用高等问题。因此，结构简单且成本低廉丝杠齿轮式传动机构逐渐进入人们视野，但与其相关的传动机构研究较少。

发明内容

发明要解决的问题：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能通过简单且低廉的丝杠齿轮式传动机构实现波浪能捕获和传递，并同时实现发电与增氧双重功能的垂荡浮子式发电增氧装置及方法。

解决问题的技术手段：

本发明提供一种垂荡浮子式发电增氧装置，具备：捕能系统、位于所述捕能系统内部的换向系统、增氧系统及发电系统；其中，

所述捕能系统具备：

下端固定于海底而上端伸出海面的至少四根平行的钢架、

固定安装于所述钢架顶端的基座、

作为传动机构而形成为可轻微摆动地贯穿所述基座并沿所述钢架的平行方向延伸的丝杠、

位于所述基座下方并从外部包围所述丝杠、且形成为能沿所述丝杠的轴向伸缩的柔性防水外壳、以及

与所述丝杠的下端固定连接的垂荡浮子；

所述换向系统具备：

与所述丝杠同轴地安装的套轴、

与所述套轴不同轴地安装的输出轴、

同向安装于所述输出轴上的两个棘轮、

安装于所述套轴上的两个丝杠齿轮、以及

与所述丝杠齿轮中的一个和所述棘轮中的一个分别啮合的换向轮；

所述增氧系统具备：

从上方嵌插于所述基座且下部伸入所述柔性防水外壳内部而形成空气通路的多个进气管、

对应地设于所述进气管的管口且可调节进气量的多个单向进气电磁阀、

与所述垂荡浮子的底端连接从而使所述柔性防水外壳围成的内部空间与外部连通的多个下出气管、

对应地设于所述下出气管的管口且可调节进气量的多个下单向出气电磁阀、

从上方嵌插于所述基座并伸入所述柔性防水外壳内部的多个上出气管、以及

对应地设于所述上出气管的管口且可调节进气量的多个上单向出气电磁阀；

所述发电系统位于所述输出轴上端。

根据本发明，通过采用上述新型的垂荡浮子捕能的丝杠齿轮式传动机构，解决了原有齿条传动不可靠、寿命低的缺陷，发挥了丝杠齿轮式系统成本低廉的特点。此外，通过柔性防水外壳与丝杠与各进出气管的配合，本发明还能实现增氧与发电的双功能使用，并且通过设置电磁阀进行气阀控制，从而能够不影响两个功能单独工作时的效益。因此，本发明为海洋能浮子的垂荡方向能量捕获提供了新思路，不仅在风浪较大时能通过调节进气管大小限制浮体运动幅度保护浮体，还同时能为特定区域提供增氧功能。此外，设置柔性保护外壳和刚性保护外壳能对丝杠形成保护。

也可以是，本发明中，在所述柔性防水外壳绕周向配设有刚性圈。借助于此，能够限制柔性防水外壳径向的体积膨胀，确保气体可以排出。

也可以是，本发明中，所述捕能系统还具备位于所述基座上方并从外部覆盖所述丝杠的刚性保护外壳。从而能够对丝杠起到保护的作用。

也可以是，本发明中，所述丝杠上的所述丝杠齿轮中的一个与所述输出轴上的所述棘轮中的一个相啮合，所述丝杠上的所述丝杠齿轮中的另一个与所述换向轮啮合，所述换向轮再与所述输出轴上的所述棘轮中的另一个啮合。

也可以是，本发明中，当所述垂荡浮子向下运动时，所述柔性防水外壳围成的内部腔体的体积增大，空气因压强作用经过所述空气过滤器以较少的含水量从所述进气管进入腔体，关闭下单向出气电磁阀阻止海水进入腔体；当所述垂荡浮子向上运动时，所述柔性防水外壳围成的内部腔体的体积减小，所述单向进气电磁阀阻止腔体中的空气从上方返回大气，空气经过所述下单向出气电磁阀进入海水。借助于此，当垂荡浮子作垂荡运动时，内部腔体的体积也随之增大或减小，从而吸入或排出空气，能够增大海水中的氧气含量。

也可以是，本发明中，所述增氧系统还具备安装于所述基座上表面的多个空气过滤器，所述空气过滤器分别与所述单向进气电磁阀连接。借助于此，空气经过空气过滤器以较少的含水量从进气管进入腔体。

也可以是，本发明中，当海上波高较大时，调节所述上单向出气电磁阀使出气量减小，并调节所述下单向出气电磁阀使出气量增大，从而使所述垂荡浮子运动的阻力加大；当波高大于规定值，关闭所述单向进气电磁阀、所述上单向出气电磁阀、所述下单向出气电磁阀使所述垂荡浮子悬停在较高的位置。借助于此，通过调节出气量的大小风浪较大时限制浮体运动幅度，从而保护装置免受过大的波浪的破坏，当风浪过大时使浮子在最高处悬停不再进行工作，从而进一步保护装置。

也可以是，本发明中，所述规定值为超过装置能安全工作的极限波高。

本发明还提供一种利用以上发电增氧装置实现的发电增氧方法，

当所述垂荡浮子因波浪作用而发生垂荡运动时，与所述垂荡浮子刚性连接的所述丝杠也随之发生竖向位移；

两个所述套轴因与所述基座存在竖向约束关系从而与所述丝杠产生相对位移进而发生转动，并带动分别啮合的所述丝杠齿轮转动；

所述丝杠齿轮中的一个经所述换向轮实现一次换向后，以相同的转动方向传导至两个同向安装的所述棘轮，从而带动所述输出轴单向转动；

所述输出轴通过转动使直流发电机实现发电。

发明效果：

据上述，本发明能提供一种能通过简单且低廉的机械式传动机构实现波浪能捕获和传递，并同时实现发电与增氧双重功能的垂荡浮子式发电增氧装置及方法。

附图说明

图1是示出根据本发明一实施形态的垂荡浮子式发电增氧装置的立体图；

图2是图1所示的装置的局部剖视图；

图3为图1所示的装置的内部结构的放大图；

图4为图1所示的换向系统的放大图；

符号说明：

101 钢架；

102 垂荡浮子；

103 丝杠；

104 刚性保护外壳；

105 柔性防水外壳；

106 基座；

107 下支座

108 上支座

201 套轴；

202 换向轮；

203 丝杠齿轮；

204 棘轮；

205 输出轴；

206 换向轴

301 空气过滤器；

302 进气管；

303 单向进气电磁阀；

304 上出气管；

305 下出气管；

306 下单向出气电磁阀；

307 上单向出气电磁阀；

401 发电机。

具体实施方式

以下结合下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。在各图中相同或相应的附图标记表示同一部件，并省略重复说明。

在此公开一种垂荡浮子式发电增氧装置，具备捕能系统、位于捕能系统内部的换向系统、用于增氧的增氧系统及用于发电的发电系统。具体地，图1示出了根据本发明一实施形态的垂荡浮子式发电增氧装置的立体图，图2是图1所示的装置的局部剖视图，图3为图1所示的装置的内部结构的放大图，图4为图1所示的换向系统的放大图。

如图1、2所示，捕能系统具备四根钢架101、垂荡浮子102、丝杠103、刚性保护外壳104、柔性防水外壳105和基座106。其中，四根钢架101下端固定于海底而上端伸出海面，基座106固定安装于钢架101顶端呈水平状态，丝杠103作为机械式传动机构而形成为可轻微摆动地贯穿基座106并沿竖直方向延伸，垂荡浮子102与丝杠103的下端固定连接，刚性保护外壳104位于基座106上方并从外部覆盖丝杠103、换向系统和发电系统，柔性防水外壳105位于基座106下方并从外部包围丝杠103，从而与下方的垂荡浮子102和上方的基座106下表面一起形成封闭的内部腔体空间。柔性防水外壳105形成为能沿丝杠103的轴向伸缩的结构，因此内部腔体空间可增大或缩小。

又，如图2、3、4所示，换向系统具备一个套轴201、下支座107、上支座108、换向轮202、两个丝杠齿轮203、两个棘轮204、输出轴205和换向轴206。其中，套轴201与丝杠103同轴地安装，具体地，套轴201套设在丝杠103。上支座108及下支座107限制套轴201上下运动，套轴201只能发生转动，没有竖向位移。输出轴205、换向轴206与套轴201不同轴地安装，两个棘轮204上下同轴同向地安装于输出轴205上，两个丝杠齿轮203上下同轴安装于套轴201上，换向轮202安装在换向轴上并与丝杠齿轮203中的一个和棘轮204中的一个分别啮合，具体而言，丝杠齿轮203中的一个与棘轮204中的一个直接啮合，丝杠齿轮203中的另一个与换向轮202啮合，换向轮202再与棘轮204中的另一个啮合，换向轴206与换向轮202同步运动，即换向轮202套在换向轴206上。本发明图2所示的实施形态中为上方的棘轮204在换向轮202的转换下反向转动，但不限于此。

又，如图2、3所示，增氧系统具备多个空气过滤器301、进气管302、单向进气电磁阀303、上出气管304、下出气管305、上单向出气电磁阀307、下单向出气电磁阀306。其中，多个进气管302从上方嵌插于基座106，其下部伸入柔性防水外壳105内部，从而形成内部腔体空间与外部空气相连通的空气通路，其管口对应地设置有可调节进气量的多个单向进气电磁阀303，单向进气电磁阀303分别与设于基座106上表面的多个空气过滤器301连接。该空气过滤器301位于所述刚性保护外壳外部，用于滤掉水气减缓锈蚀，保护内部构件。下出气管305穿过垂荡浮子102并在其底部与其底端连接，从而形成内部腔体空间与外部连通的空气通路，其管口对应地设置有可调节进气量的下单向出气电磁阀306。多个上出气管304从上方嵌插于基座106，其下部并伸入柔性防水外壳105内部，从而形成内部腔体空间与外部空气相连通的另一空气通路，其管口对应地设置有可调节进气量的多个上单向出气电磁阀307。通过设置该上出气管304，能保证在发电功能作用时不会因为内部腔体密闭而产生过大的压阻力，防止发电效率降低。上出气管与进气管为相同构造。

又，发电系统具备发电机401且位于输出轴205上端，可产生直流电，但不限于此。具体地，本发明中，垂荡浮子102在波浪的作用下发生垂荡运动，进而带动与其刚性连接的丝杠103上下运动。丝杠103的上下运动时，由于丝杠103的机械式结构特点使该竖向相对位移转换为套轴201及丝杠齿轮203的转动。更具体而言，本发明所例举的实施形态中，当丝杠103向上运动时，两个丝杠齿轮203顺时针转动，下方的棘轮204逆时针转动，上方的棘轮204在换向轮202的转换下顺时针转动，从而逆时针转动的棘轮204带动发电机401发电，顺时针转动的棘轮204与输出轴205相对运动，不带动发电机401发电。当丝杠103向下运动时，两个丝杠齿轮203逆时针转动，下方的棘轮204顺时针转动，上方的棘轮204在换向轮202的转换下逆时针转动，逆时针转动的棘轮204带动发电机401发电，顺时针转动的棘轮204与输出轴205相对运动，不带动发电机401发电。

此外，柔性防水外壳105所形成的内部腔体的尺寸大小可依据具体海况进行适应性调整，并不做特殊限定。此外，在柔性防水外壳105的周向配设有刚性圈，例如本发明中如图1所示，柔性防水外壳105形成为折叠状伸缩结构，在其突起部分设有钢圈，由此能够限制柔性防水外壳105径向的体积膨胀，确保气体可以顺利排出。

本发明通过形成为上述结构，当垂荡浮子102向下运动时，柔性防水外壳105围成的内部腔体的体积增大，空气因压强作用经过空气过滤器301以较少的含水量从进气管302进入腔体，此时关闭下单向出气电磁阀306阻止海水进入腔体；当垂荡浮子102向上运动时，柔性防水外壳105围成的内部腔体的体积减小，单向进气电磁阀303阻止腔体中的空气从上方返回大气，空气经过下单向出气电磁阀306进入海水。借助于此，当垂荡浮子102作垂荡运动时，内部腔体的体积也随之增大或减小，从而吸入或排出空气，能够增大海水中的氧气含量。

此外，当海上波高较大时，调节上单向出气电磁阀307使出气量减小，并调节下单向出气电磁阀306使出气量增大，从而使垂荡浮子102运动的阻力加大；当波高大于规定值，关闭单向进气电磁阀303、上单向出气电磁阀307、下单向出气电磁阀306使垂荡浮子102悬停在较高的位置。借助于此，通过调节出气量的大小能在风浪较大时限制浮体运动幅度，从而保护装置免受过大的波浪的破坏，当风浪过大时使浮子在最高处悬停不再进行工作，从而进一步保护装置。其中，规定值为装置安全工作的极限波高，可根据具体情况而定。

根据本发明，通过采用上述新型的垂荡浮子102捕能的机械式传动机构，解决了原有齿轮齿条传动不可靠、寿命低的缺陷，发挥了机械式系统成本低廉的特点。此外，通过柔性防水外壳105与丝杠103与各进出气管的配合，本发明还能实现增氧与发电的双功能使用，并且通过设置电磁阀进行气阀控制，从而能够不影响两个功能单独工作时的效益。因此，本发明为海洋能浮子的垂荡方向能量捕获提供了新思路，不仅在风浪较大时能通过调节进气管302大小限制浮体运动幅度保护浮体，还同时能为特定区域提供增氧功能。此外，设置柔性保护外壳105和刚性保护外壳104能对丝杠形成保护。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种垂荡浮子式发电增氧装置，其特征在于，具备：捕能系统、位于所述捕能系统内部的换向系统、增氧系统及发电系统；其中，

所述捕能系统具备：

下端固定于海底而上端伸出海面的多根平行的钢架、

固定安装于所述钢架顶端的基座、

作为传动机构而形成为可轻微摆动地贯穿所述基座并沿所述钢架的平行方向延伸的丝杠、

位于所述基座下方并从外部包围所述丝杠、且形成为能沿所述丝杠的轴向伸缩的柔性防水外壳、以及

与所述丝杠的下端固定连接并且能带动所述丝杠上下运动的垂荡浮子；

所述换向系统具备：

与所述丝杠同轴地安装的套轴、

与所述套轴不同轴地安装的输出轴、

同向安装于所述输出轴上的两个棘轮、

安装于所述套轴上的两个丝杠齿轮、以及

与所述丝杠齿轮中的一个和所述棘轮中的一个分别啮合的换向轮；

所述增氧系统具备：

从上方嵌插于所述基座且下部伸入所述柔性防水外壳内部而形成空气通路的多个进气管、

对应地设于所述进气管的管口且可调节进气量的多个单向进气电磁阀、

与所述垂荡浮子的底端连接从而使所述柔性防水外壳围成的内部空间与外部连通的多个下出气管、

对应地设于所述下出气管的管口且可调节进气量的多个下单向出气电磁阀、

从上方嵌插于所述基座并伸入所述柔性防水外壳内部的多个上出气管、以及

对应地设于所述上出气管的管口且可调节进气量的多个上单向出气电磁阀；

所述发电系统位于所述输出轴上端。

2.根据权利要求1所述的垂荡浮子式发电增氧装置，其特征在于，在所述柔性防水外壳绕周向配设有刚性圈。

3.根据权利要求1所述的垂荡浮子式发电增氧装置，其特征在于，所述捕能系统还具备位于所述基座上方并从外部覆盖所述丝杠的刚性保护外壳。

4.根据权利要求1所述的垂荡浮子式发电增氧装置，其特征在于，所述丝杠上的所述丝杠齿轮中的一个与所述输出轴上的所述棘轮中的一个相啮合，所述丝杠上的所述丝杠齿轮中的另一个与所述换向轮啮合，所述换向轮再与所述输出轴上的所述棘轮中的另一个啮合。

5.根据权利要求1所述的垂荡浮子式发电增氧装置，其特征在于，

当所述垂荡浮子向下运动时，所述柔性防水外壳围成的内部腔体的体积增大，空气因压强作用经过空气过滤器以较少的含水量从所述进气管进入腔体，关闭下单向出气电磁阀阻止海水进入腔体；

当所述垂荡浮子向上运动时，所述柔性防水外壳围成的内部腔体的体积减小，所述单向进气电磁阀阻止腔体中的空气从上方返回大气，空气经过所述下单向出气电磁阀进入海水。

6.根据权利要求1所述的垂荡浮子式发电增氧装置，其特征在于，所述增氧系统还具备安装于所述基座上表面的多个空气过滤器，所述空气过滤器分别与所述单向进气电磁阀连接。

7.根据权利要求1所述的垂荡浮子式发电增氧装置，其特征在于，

当海上波高较大时，调节所述上单向出气电磁阀使出气量减小，并调节所述下单向出气电磁阀使出气量增大，从而使所述垂荡浮子运动的阻力加大；

当波高大于规定值，关闭所述单向进气电磁阀、所述上单向出气电磁阀、所述下单向出气电磁阀使所述垂荡浮子悬停在较高的位置。

8.根据权利要求7所述的垂荡浮子式发电增氧装置，其特征在于，所述规定值为装置能安全工作的极限波高。

9.一种垂荡浮子式发电增氧方法，其特征在于，利用权利要求1至8中任意一项所述的垂荡浮子式发电增氧装置，

当所述垂荡浮子因波浪作用而发生垂荡运动时，与所述垂荡浮子刚性连接的所述丝杠也随之发生竖向位移；

两个所述套轴因与所述基座存在竖向约束关系从而与所述丝杠产生相对位移进而发生转动，并带动分别啮合的所述丝杠齿轮转动；

所述丝杠齿轮中的一个经所述换向轮实现一次换向后，以相同的转动方向传导至两个同向安装的所述棘轮，从而带动所述输出轴单向转动；

所述输出轴通过转动使直流发电机实现发电。

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