CN110671258B - 一种深海波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深海波浪能发电装置，包括波浪能发电机构、补偿机构、锚定机构。所述波浪能发电机构包括齿轮、直齿条、转动轴、棘轮、发电机、无线通讯模块，所述补偿机构包括滚筒马达、滚筒、深海缆绳，所述锚定机构包括螺纹钻杆、马达、支撑杆，与直齿条啮合的齿轮沿直齿条滚动带动转动轴转动，转动轴驱动棘轮并带动齿轮转动，最终驱动发电机发电；滚筒马达带动滚筒转动，收放深海缆绳；马达驱动螺纹钻杆钻入海底。本发明实现在深海中同时利用波浪垂向及水平两向运动进行发电，有效保证了波浪能发电效率；也具有深水自主锚定功能，可以将装置可靠固定在海底，保持稳定工作；并设置有升沉补偿机制，可以应对深海恶劣天气及复杂海况。

Description

一种深海波浪能发电装置
一种深海波浪能发电装置。
技术领域
本发明属于深海海洋能源技术领域，具体涉及为一种深海波浪能发电装置。
背景技术
地球表面约71%的面积被海洋所覆盖，而海洋中除了拥有已被人类所熟知的水产、矿产资源外，更贮藏了大量的以潮汐、波浪、海水温差、海流等形式存在的能源资源。其中波浪能作为一种可再生能源，相比于其他可再生能源（风能、太阳能），具有以下优点：①波浪能在可再生能源中具有最高的能量密度；②波浪能开发利用中产生很小的负面环境影响；③波浪传输很长的距离，而其能量的损失却很小；④波浪能利用设备可以在90%的时间内运行，而风能利用设备和太阳能利用设备只有约20%～30%的时间可以运行。而在深海中的波浪能密度较近海的更大，加之，大洋科学仪器，海洋军事装备以及深海资源开发作业设备等都需要电能供应，因此，对深海波浪能进行开发和利用将具有广泛的应用潜力和经济价值。
当前大量波浪能发电装置只能适用于近海发电，且只能收集单一方向上的波浪能，因而存在收集波浪能的效率低的问题。同时，由于深海相比近海的水深更深，达几千米，而一般的波浪能发电装置尚未考虑在深水环境中锚定安装功能，因而无法在深海中实现波浪能发电；加之，深海天气恶劣及海况复杂，现有波浪能发电装置尚未无法适应深海工况，无法满足装置在深海中持续稳定的工作要求。
针对目前现有的波浪能发电装置所存在的问题及深海波浪能发电的需求，亟需发明一种深海波浪能发电装置，可实现同时利用垂向及水平两向相对运动的波浪能发电，以提高发电效率；可以使得装置在深海中海床上的自主锚定固定，使得其可固定持续发电；还可应对深海中恶劣的工况，实现装置在深海能源开发中持续稳定地工作。
发明内容
本发明在于克服深海中严峻的工作环境，充分收集深海中蕴藏的大量波浪能，提供了一种深海波浪能发电装置。该装置的锚定机构能通过深海缆绳内的控制电缆利用蓄电池内的电能进行锚定和卸载，使得整个深海波浪能发电装置能方便地锚定和卸载，且该装置设有补偿机构，具有补偿缓冲作用，使得整个装置能够抵抗深海严峻的工作环境，即使在严酷的深海环境中也可以实现波浪能发电的功能，实现对深海能源的利用，并且该装置能够在波浪往复过程中同时收集垂直和水平方向上的深海波浪能，其输出轴能够持续同向的转动带动发电机发电，提高了波浪能的收集和利用效率，提高了波浪能发电效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种深海波浪能发电装置，包括波浪能发电机构、补偿机构、锚定机构，其特征在于：
所述的深海波浪能发电装置，其特征在于：包括波浪能发电机构（1）、补偿机构（2）、锚定机构（3）。其中锚定机构位于整个装置的最下端，锚定机构通过深海缆绳连接于补偿机构的下方，补偿机构通过螺栓固定在波浪能发电机构的下方。
所述波浪能发电机构（1）包括圆环形水上浮体（101）、镂空浮杆（102）、导杆（103）、无线通讯天线（104）、上盖板（105）、直齿条（106）、齿轮上外壳（107）、齿轮下外壳（108）、下固定板（109）、大齿轮（110）、轴承（111）、小齿轮I（112）、传动轴I（113）、棘轮II（118）、蓄电池（119）、发电机（120）、输出轴（121）、输出齿轮（122）。其中下固定板（109）设置在波浪能发电机构（1）的最下方，4个导杆（103）通过螺纹与下固定板（109）连接，直齿条（106）固定在下固定板（109）上方，齿轮下外壳（108）与齿轮上外壳（107）通过导杆（103）和直齿条（106）设置在下固定板（109）上方并且可以沿着导杆（103）滑动，上盖板（105）通过螺纹与导杆（103）连接，无线通讯天线（104）固定在上盖板（105）上方，4个浮杆（102）通过销与齿轮上下外壳连接，水上浮体（101）通过销与浮杆（102）连接，传动轴I（113）和传动轴II（116）通过轴承（111）与齿轮上下外壳的凹槽配合在齿轮上下外壳内，小齿轮I（112）固定在传动轴I（113）上并与直齿条（106）啮合，小齿轮（115）II固定在传动轴II（116）上并与直齿条（106）啮合，大齿轮I（110）通过棘轮II（123）安装在传动轴I（113）上，大齿轮II（117）通过棘轮II（118）安装在传动轴II（116）上，大齿轮I（110）和大齿轮II（117）同时与输出齿轮（122）啮合，输出齿轮（122）固定在输出轴（121）上，输出轴（121）通过轴承与齿轮上下外壳的凹槽配合在齿轮上下外壳内，输出轴（121）与发电机（120）连接，发电机（120）与蓄电池（119）连接，发电机（120）和蓄电池（119）通过齿轮上下外壳的凹槽固定在齿轮上下外壳内。
所述补偿机构（2）包括圆台形水下浮体（201）、固定杆（202）、滚筒（203）、深海缆绳（204）、滚筒马达（205）、压力传感器（206）、深海缆绳接头（209）。其中深海缆绳接头（209）设置于补偿机构（2）的最下端，深海缆绳（204）缠绕在滚筒（203）上，滚筒（203）通过键连接与滚筒马达（205）连接，滚筒马达（205）固定在固定杆（202）内侧，固定杆（202）通过焊接固定在水下浮体（201）下方。当回弹性滚筒受到的拉力过大时，滚筒马达上的扭矩传感器收到信号，控制滚筒马达转动，从而带动回弹性滚筒转动，增长深海缆绳。当回弹性滚筒受到的拉力过小时，滚筒马达上的扭矩传感器收到信号，控制滚筒马达反向转动，回弹性滚筒便会反转收缩所述深海缆绳，从而达到对整个装置的补偿缓冲作用，使得装置在恶劣的深海工况下也能正常工作。
所述锚定机构（3）包括深海缆绳接口（301）、固定板（302）、支撑杆（303）、螺纹钻杆（304）、压力传感器（305）、钻杆支架（306）、钻杆套筒（307）、马达下外壳（308）、马达上外壳（309）、锚定马达（310）。其中深海缆绳接口（301）设置于锚定机构（3）的最上端，深海缆绳接口（301）通过螺纹连接固定在固定板（302）上方，4个支撑杆（303）通过螺纹固定在固定板（302）四周并位于整个锚定机构（3）的四周，马达上外壳（309）通过穿孔与支撑杆（303）固定在固定板（302）下方，马达下外壳（308）通过穿孔与支撑杆（303）固定在马达上外壳（309）的下方，锚定马达（310）固定在马达上下外壳内，锚定马达（310）的输出端与螺纹钻杆（304）通过联轴器连接，钻杆套筒（307）穿过螺纹钻杆（304）固定在马达下外壳（308）下方，钻杆支架（306）通过穿孔与支撑杆（303）固定在钻杆套筒（307）的下方，压力传感器（305）与螺纹钻杆（304）配合并固定在钻杆支架（306）下方。
进一步的，所述深海缆绳（204）内部含有能源电缆（207）、信号电缆（208）。
进一步的，所述马达上外壳（309）有散热通孔。
进一步的，所述补偿机构（2）内的压力传感器（206）含有其对应的控制系统控制滚筒马达（205）的转动。所述锚定机构（3）内的压力传感器（305）含有其对应的控制系统控制锚定马达（310）的转动。
进一步的，所述深海波浪能发电装置内部的所有的控制系统与无线通讯天线（104）连接，深海波浪能发电装置内部的所有的马达与蓄电池（119）连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（一）本发明能够设置在深海环境中并正常工作，从而达到开采深海波浪能的目的，较近海波浪能发电装置而言能收集更多的波浪能，为部分深海工作设备提供了重要的能源支持。
（二）本发明的波浪能发电机构在波浪上升横移和下降归位的过程中，其来回过程以及水平和垂直两向上的波浪能都得以收集利用，并且发电机的转轴转动方向一直保持不变，从而达到持续高效收集利用深海波浪能的技术效果。
（三）本发明的补偿机构中的滚筒在受到非正常工作的外部应力时，能够在一定长度范围内伸长或收缩深海缆绳，使得当天气恶劣或海浪剧烈波动时，整个波浪能发电机构受到的不利于工况的应力得以补偿缓冲，从而达到整个装置在较为恶劣的深海工况下也能正常发电的技术效果。
（四）本发明的锚定机构能通过整个深海波浪能发电装置内部设置的蓄电池和马达及其相应的控制系统，简单地对整个装置进行锚定固定，从而能够灵活地根据实际工作需求选定工作环境进行发电。
附图说明
附图1：深海波浪能发电装置主视图；
附图2：深海波浪能发电装置俯视图；
附图3：波浪能发电机构视图；
附图4：波浪能发电机构内部图一；
附图5：波浪能发电机构内部图二；
附图6：补偿机构主视图；
附图7：补偿机构剖视图；
附图8：深海缆绳剖视图；
附图9：锚定机构主视图；
附图10：锚定机构剖视图。
1-波浪能发电机构；2-补偿机构；3-锚定机构；101-水上浮体；102-浮杆；103-导杆；104-无线通讯天线；105-上盖板；106-直齿条；107-齿轮上外壳；108-齿轮下外壳；109-下固定板；110-大齿轮I；111-轴承；112-小齿轮I；113-转动轴I；114-轴承；115-小齿轮II；116-转动轴II；117-大齿轮II；118-棘轮II；119-蓄电池；120-发电机；121-输出轴II；122-输出齿轮；123-棘轮I；201-水下浮体；202-固定杆；203-滚筒；204-深海缆绳；205-滚筒马达；206-压力传感器；207-能源电缆；208-信号电缆；209-深海缆绳接头；301-深海缆绳接口；302-固定板；303-支撑杆；304-螺纹钻杆；305-压力传感器；306-钻杆支架；307-钻杆套筒；308-马达下外壳；309-马达上外壳；310-锚定马达。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加的清楚明了，下面结合具体的实施方式并参照附图，对本发明作进一步详细说明。值得一提的是，这些知实例性的，并非要限制本发明的应用范围。
深海波浪能发电装置的一个实施例如下：
如附图1-2所示，一种深海波浪能发电装置，其特征在于：包括波浪能发电机构（1）、补偿机构（2）、锚定机构（3）。其中锚定机构位于整个装置的最下端，锚定机构通过深海缆绳连接于补偿机构的下方，补偿机构通过螺栓固定在波浪能发电机构的下方。
如附图3-5所示，所述波浪能发电机构（1）包括圆环形水上浮体（101）、镂空浮杆（102）、导杆（103）、无线通讯天线（104）、上盖板（105）、直齿条（106）、齿轮上外壳（107）、齿轮下外壳（108）、下固定板（109）、大齿轮（110）、轴承（111）、小齿轮I（112）、传动轴I（113）、棘轮II（118）、蓄电池（119）、发电机（120）、输出轴（121）、输出齿轮（122）。其中下固定板（109）设置在波浪能发电机构（1）的最下方，4个导杆（103）通过螺纹与下固定板（109）连接，直齿条（106）固定在下固定板（109）上方，齿轮下外壳（108）与齿轮上外壳（107）通过导杆（103）和直齿条（106）设置在下固定板（109）上方并且可以沿着导杆（103）滑动，上盖板（105）通过螺纹与导杆（103）连接，无线通讯天线（104）固定在上盖板（105）上方，4个浮杆（102）通过销与齿轮上下外壳连接，水上浮体（101）通过销与浮杆（102）连接，传动轴I（113）和传动轴II（116）通过轴承（111）与齿轮上下外壳的凹槽配合在齿轮上下外壳内，小齿轮I（112）固定在传动轴I（113）上并与直齿条（106）啮合，小齿轮（115）II固定在传动轴II（116）上并与直齿条（106）啮合，大齿轮I（110）通过棘轮II（123）安装在传动轴I（113）上，大齿轮II（117）通过棘轮II（118）安装在传动轴II（116）上，大齿轮I（110）和大齿轮II（117）同时与输出齿轮（122）啮合，输出齿轮（122）固定在输出轴（121）上，输出轴（121）通过轴承与齿轮上下外壳的凹槽配合在齿轮上下外壳内，输出轴（121）与发电机（120）连接，发电机（120）与蓄电池（119）连接，发电机（120）和蓄电池（119）通过齿轮上下外壳的凹槽固定在齿轮上下外壳内。
在波浪上升横移或下降归位时，圆环形水上浮体（101）驱动四个镂空浮杆浮杆（102）带动齿轮上外壳（107）、齿轮下外壳（108）沿着四个导杆（103）进行竖直方向上的移动，棘轮I（123）、棘轮II（118）所允许转动的方向相互相反，在波浪上升横移时，发电机构沿着四个导杆（103）垂直上升，小齿轮I(112)、小齿轮II(115)随着波浪能发电机构上升沿着直齿条（106）啮合转动，小齿轮I（112）、小齿轮II（115）分别带动转动轴I（113）、转动轴II（116）转动，且转动方向相反，转动轴I（113）、转动轴II（116）分别带动棘轮I（123）、棘轮II（118）动，且转动方向相反，大齿轮I（110）、大齿轮II（117）由于棘轮I（123）、棘轮II（118）的限制作用，只有其中一个大齿轮I（110）能被棘轮I（123）带动进行转动，大齿轮I（110）驱动输出齿轮（122）转动，从而带动输出轴（116）转动，大齿轮II（117）被输出齿轮（122）带动转动，此时动力来源为大齿轮I（110），而另一个大齿轮II（117）则会与棘轮II（118）打滑。在波浪下降归位时，波浪能发电机构沿着四个导杆（103）垂直下降，小齿轮I（112）、小齿轮II（115）随着波浪能发电机构上升沿着直齿条（106）啮合转动，小齿轮I（112）、小齿轮II（115）分别带动转动轴I（113）、转动轴II（116）转动，且转动方向相反，转动轴I（113）、转动轴II（116）分别带动棘轮I（123）、棘轮II（118）转动，且转动方向相反，大齿轮I（110）、大齿轮II（115）由于棘轮I（123）、棘轮II（118）的限制作用，只有其中一个大齿轮II（115）能被棘轮II（118）带动进行转动，大齿轮II（117）驱动输出齿轮（122）转动，从而带动输出轴（121）转动，大齿轮I（110）被输出齿轮（122）带动转动，此时动力来源为大齿轮II（117），而另一个大齿轮I（110）则会与棘轮I（123）打滑。无论是波浪上升横移还是下降归位，输出轴（121）的转向始终不变并且持续转动，输出轴（121）与发电机（120）连接，蓄电池（119）安装在齿轮下外壳（108）内部凹槽中并固定在发电机（120）两侧。
如附图6-8所示，所述补偿机构（2）包括圆台形水下浮体（201）、固定杆（202）、滚筒（203）、深海缆绳（204）、滚筒马达（205）、压力传感器（206）、深海缆绳接头（209）。其中深海缆绳接头（209）设置于补偿机构（2）的最下端，深海缆绳（204）缠绕在滚筒（203）上，滚筒（203）通过键连接与滚筒马达（205）连接，滚筒马达（205）固定在固定杆（202）内侧，固定杆（202）通过焊接固定在水下浮体（201）下方。当海况危险，波浪汹涌时，滚筒（203）受到的拉力过大，滚筒马达（205）上的压力传感器（206）收到信号，控制滚筒马达（205）转动，从而带动滚筒（203）转动，增长深海缆绳（204）。当深海缆绳（204）需要收紧的时候，滚筒（203）受到的拉力过小，滚筒马达（205）上的压力传感器（206）收到信号，控制滚筒马达（205）反向转动，滚筒（203）便会反转收缩深海缆绳（204），从而达到对整个深海波浪能发电装置的补偿缓冲作用，使得装置在恶劣的深海工况下也能正常工作。
如附图9-10所示，所述锚定机构（3）包括深海缆绳接口（301）、固定板（302）、支撑杆（303）、螺纹钻杆（304）、压力传感器（305）、钻杆支架（306）、钻杆套筒（307）、马达下外壳（308）、马达上外壳（309）、锚定马达（310）。其中深海缆绳接口（301）设置于锚定机构（3）的最上端，深海缆绳接口（301）通过螺纹连接固定在固定板（302）上方，4个支撑杆（303）通过螺纹固定在固定板（302）四周并位于整个锚定机构（3）的四周，马达上外壳（309）通过穿孔与支撑杆（303）固定在固定板（302）下方，马达下外壳（308）通过穿孔与支撑杆（303）固定在马达上外壳（309）的下方，锚定马达（310）固定在马达上下外壳内，马达上外壳（309）周围开有散热孔，可以流通海水，使得马达外壳(14)在既能保护马达(21)在工作中避免意外的磕碰，又能利用利用海水散热，避免马达(21)过热而失效，锚定马达（310）的输出端与螺纹钻杆（304）通过联轴器连接，钻杆套筒（307）穿过螺纹钻杆（304）固定在马达下外壳（308）下方，钻杆支架（306）通过穿孔与支撑杆（303）固定在钻杆套筒（307）的下方，压力传感器（305）与螺纹钻杆（304）配合并固定在钻杆支架（306）下方，这样使得螺纹钻杆（304）的钻头方向得以固定，避免出现钻头因大幅振动使工作失效的情况，最终螺纹钻杆（304）钻头的方向垂直指向海底。锚定机构（3）在锚定时，先通过自重沉入海底，四个支撑杆（303）对螺纹钻杆（304）进行初步定位，使得螺纹钻杆（304）的钻头方向指向海底，接着由无线通讯模块（104）接收到工作人员发出的锚定信号，通过信号电缆（208）控制锚定机构（3）锚定工作的开始，然后能源电缆（207）驱动锚定马达（310）带动螺纹钻杆（304）进行钻入。锚定机构（3）在卸载时，无线通讯模块（104）接收到工作人员发出的卸载信号，通过深海缆绳（204）附带的信号电缆（208）控制锚定机构（3）卸载工作的开始，深海缆绳（204）附带的能源电缆（207）驱动锚定马达（310）带动螺纹钻杆（304）进行反转松卸，使得钻入在海底的螺纹钻杆（304）松开，此时锚定机构（3）便没有锚定在海底了，可以通过在海面上方工作人员操作将锚定机构（3）打捞出来，从而达到卸载和回收整个深海波浪能发电装置的目的。

Claims (5)

1.一种深海波浪能发电装置，其特征在于：包括波浪能发电机构(1)、补偿机构(2)、锚定机构(3)， 其中锚定机构位于整个装置的最下端，锚定机构通过深海缆绳连接于补偿机构的下方，补偿机构通过螺栓固定在波浪能发电机构的下方；
所述波浪能发电机构(1)包括圆环形水上浮体(101)、镂空浮杆(102)、导杆(103)、无线通讯天线(104)、上盖板(105)、直齿条(106)、齿轮上外壳(107)、齿轮下外壳(108)、下固定板(109)、大齿轮(110)、轴承(111)、小齿轮I(112)、传动轴I(113)、棘轮II(118)、蓄电池(119)、发电机(120)、输出轴(121)、输出齿轮(122)， 其中下固定板(109)设置在波浪能发电机构(1)的最下方，4个导杆(103)通过螺纹与下固定板(109)连接，直齿条(106)固定在下固定板(109)上方，齿轮下外壳(108)与齿轮上外壳(107)通过导杆(103)和直齿条(106)设置在下固定板(109)上方并且可以沿着导杆(103)滑动，上盖板(105)通过螺纹与导杆(103)连接，无线通讯天线(104)固定在上盖板(105)上方，4个浮杆(102)通过销与齿轮上下外壳连接，水上浮体(101)通过销与浮杆(102)连接，传动轴I(113)和传动轴II(116)通过轴承(111)与齿轮上下外壳的凹槽配合在齿轮上下外壳内，小齿轮I(112)固定在传动轴I(113)上并与直齿条(106)啮合，小齿轮(115)II固定在传动轴II(116)上并与直齿条(106)啮合，大齿轮I(110)通过棘轮II(123)安装在传动轴I(113)上，大齿轮II(117)通过棘轮II(118)安装在传动轴II(116)上，大齿轮I(110)和大齿轮II(117)同时与输出齿轮(122)啮合，输出齿轮(122)固定在输出轴(121)上，输出轴(121)通过轴承与齿轮上下外壳的凹槽配合在齿轮上下外壳内，输出轴(121)与发电机(120)连接，发电机(120)与蓄电池(119)连接，发电机(120)和蓄电池(119)通过齿轮上下外壳的凹槽固定在齿轮上下外壳内；
所述补偿机构(2)包括圆台形水下浮体(201)、固定杆(202)、滚筒(203)、深海缆绳(204)、滚筒马达(205)、压力传感器(206)、深海缆绳接头(209)， 其中深海缆绳接头(209)设置于补偿机构(2)的最下端，深海缆绳(204)缠绕在滚筒(203)上，滚筒(203)通过键连接与滚筒马达(205)连接，滚筒马达(205)固定在固定杆(202)内侧，固定杆(202)通过焊接固定在水下浮体(201)下方；
所述锚定机构(3)包括深海缆绳接口(301)、固定板(302)、支撑杆(303)、螺纹钻杆(304)、压力传感器(305)、钻杆支架(306)、钻杆套筒(307)、马达下外壳(308)、马达上外壳(309)、锚定马达(310)， 其中深海缆绳接口(301)设置于锚定机构(3)的最上端，深海缆绳接口(301)通过螺纹连接固定在固定板(302)上方，4个支撑杆(303)通过螺纹固定在固定板(302)四周并位于整个锚定机构(3)的四周，马达上外壳(309)通过穿孔与支撑杆(303)固定在固定板(302)下方，马达下外壳(308)通过穿孔与支撑杆(303)固定在马达上外壳(309)的下方，锚定马达(310)固定在马达上下外壳内，锚定马达(310)的输出端与螺纹钻杆(304)通过联轴器连接，钻杆套筒(307)穿过螺纹钻杆(304)固定在马达下外壳(308)下方，钻杆支架(306)通过穿孔与支撑杆(303)固定在钻杆套筒(307)的下方，压力传感器(305)与螺纹钻杆(304)配合并固定在钻杆支架(306)下方。
2.根据权利要求1所述的一种深海波浪能发电装置，其特征在于：所述深海缆绳(204)内部含有能源电缆(207)、信号电缆(208)。
3.根据权利要求1所述的一种深海波浪能发电装置，其特征在于：所述马达上外壳(309)有散热通孔。
4.根据权利要求1所述的一种深海波浪能发电装置，其特征在于：所述补偿机构(2)内的压力传感器(206)含有其对应的控制系统控制滚筒马达(205)的转动， 所述锚定机构(3)内的压力传感器(305)含有其对应的控制系统控制锚定马达(310)的转动。
5.根据权利要求1所述的一种深海波浪能发电装置，其特征在于：所述深海波浪能发电装置内部的所有的控制系统与无线通讯天线(104)连接，深海波浪能发电装置内部的所有的马达与蓄电池(119)连接。
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