CN111336056B - 一种带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，该装置主要由平台、直线发电系统、具有大传动比的能量传递系统和浮子采能系统构成。浮子采能系统采集波浪能，通过基于齿轮传递的能量传递系统，将能量传递给直线发电系统，使直线发电机动子与定子之间形成快速、高频的往复运动，进行发电。基于齿轮传递的能量传递系统可以有效提高直线发电机动子运动速度和频率，有利于解决由于波浪本身的运动速度慢和频率低导致无法有效带动直线发电系统高效发电的问题，在波浪较小时也能采集波浪能发电。另外，通过限位装置限定采能浮子的运动方向，提高了采能效率并保障能量传递机构运行的安全可靠性。

Description

一种带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及能源采集领域，尤其涉及一种带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置。
背景技术
近年来，人们对新能源的开发和利用越来越重视。地球表面积的71％是海洋，海洋中蕴藏着巨大的能源资源，包括潮汐能、海流能、波浪能和海水温差能等。其中，波浪能是海洋能源中蕴藏量最为丰富的能源之一，据估算，全世界可利用波浪能的理论值约为109kW量级，有着广阔的商用利用前景，因而也是当前世界各国海洋能源研究开发的重点。
振荡浮子式波浪能发电装置通常是将浮子作为波浪能的吸收载体，然后把浮子吸收的能量通过机械或液压装置进行转换，用来驱动电机发电，发电装置一般由浮子、连杆、液压传动机构、发电机和保护装置几部分组成。振荡浮子式发电装置是目前波浪能发电装置中具有一定优势的一种能量利用方式，不仅转换效率比较高，而且减少了水下施工，建造容易，成本低廉。由于振荡浮子式波浪能发电装置中浮子对波浪能量的吸收和传递过程直接影响整个系统的发电效率，因此，一套合理的波浪能采集和能量传递系统对提升振荡浮子式波浪能发电装置效能至关重要。
同时，直线发电机具有能量利用率和发电效率都比较高，阻力小，结构简单、坚固，制作成本低，环境适应性好等优点，在波浪能发电领域中被广泛应用。但是直线发电机的发电效率依赖于较大的定子和动子的相对速度和运动频率，而海洋环境中波浪的特点往往是低速和低频，因此利用波浪运动直接带动直线发电机发电，其发电效率和发电功率往往较低。所以有必要创新能量传递系统结构，把低速、低频和相对大推力的波浪运动转化为直线发电机定子和动子之间的高速高频相对运动，提高波浪能发电效率。
发明内容
为更高效地采集波浪能，提高波浪能发电装置的发电效率，使波浪能被更有效地利用，本发明设计了一种带直线发电系统、具有大传动比的能量传递系统和带运动限位装置的浮子采能系统的波浪能发电装置，使波浪能发电过程更加高效、稳定、可靠，其结构简单，容易布置，对环境适应性强。
本发明采用以下技术方案。
一种带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，包括：
平台；
直线发电系统，固定在所述平台上；
能量传递系统，包括传动件、传动齿轮、与传动齿轮啮合连接的扇形齿轮以及固定于所述扇形齿轮的联动件；所述传动件分别铰接于所述直线发电系统和所述传动齿轮；所述联动件运动以带动所述扇形齿轮转动，所述传动齿轮传递能量至所述直线发电系统；
浮子采能系统，受波浪力推动，并推动所述联动件运动。
进一步的，所述直线发电系统包括直线发电机定子和直线发电机动子；其中：直线发电机定子固定在平台上；直线发电机动子套在直线发电机定子上，并与所述传动件铰接。
进一步的，所述传动件为动子连杆；所述动子连杆的一端通过第一铰链与直线发电机动子铰接，另一端通过第二铰链与传动齿轮铰接。
进一步的，直线发电机定子、直线发电机动子、动子连杆和传动齿轮构造为曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构布置多组并与扇形齿轮的齿周啮合连接。
进一步的，传动齿轮的中心轴安装于传动齿轮支架上，传动齿轮可绕其中心轴转动；传动齿轮支架固定在平台上。
进一步的，扇形齿轮的圆心处通过第三铰链连接安置于扇形齿轮架上，扇形齿轮可绕扇形齿轮的圆心转动；扇形齿轮架固定在平台上。
进一步的，所述联动件为扇形齿轮连杆，其一端连接至扇形齿轮的圆心处；另一端通过第四铰链铰接于所述浮子采能系统。
进一步的，扇形齿轮连杆的长度小于扇形齿轮的半径。
进一步的，所述浮子采能系统包括：浮子连杆、浮子连杆限位架以及浮子；其中，浮子连杆限位架固定在平台上，浮子连杆限位架上设有条状的浮子连杆限位孔，浮子连杆限位孔的长轴在所述联动件的运动轨迹正下方；浮子连杆一端与所述联动件铰接，另一端穿过浮子连杆限位孔并与浮子固定连接。
进一步的，传动齿轮的半径小于扇形齿轮的半径。
本发明的有益效果是：
1、通过基于齿轮传动的能量传递系统能将浮子采集的波浪能高效地传递至直线发电系统。
2、进一步的，利用较小的扇形齿轮连杆长度与扇形齿轮半径的比值，较大的扇形齿轮半径与传动齿轮半径的比值，构成具有大传动比的能量传递系统，结合曲柄滑块机构，将低速、低频、运动距离短，但是推力大的波浪运动有效地转化为直线发电机动子相对直线发电机定子的快速、高频往复运动，有效地提高波浪能的采集利用效率和发电效率。
3、进一步的，通过浮子连杆限位架限制浮子连杆及浮子在波浪水平横向运动作用下对能量传递系统破坏性的扭动，有效减小波浪的横向水平运动对能量传递系统安全性和稳定性的威胁。另外，浮子连杆限位孔可在浮子连杆限位架的反作用力下将部分水平运动转化为浮子的上下运动，从而进一步提高浮子对波浪能的采集效率。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置的总体结构示意图。
图2为本发明实施例1提供的浮子采能系统和能量传递系统的连接示意图。
图3为本发明实施例1提供的传动齿轮与直线发电系统构成的曲柄滑块机构示意图。
图4为本发明实施例1提供的浮子连杆限位架示意图。
图5为本发明实施例提供的多组曲柄滑块机构连接在扇形齿轮上的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详述。
实施例1
如图1所示，一种带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，包括平台2、直线发电机定子3、直线发电机动子4、动子连杆5、传动齿轮6、扇形齿轮7、扇形齿轮连杆8、浮子连杆9、浮子连杆限位架10和浮子11。直线发电机定子3和直线发电机动子4构成直线发电系统。动子连杆5、传动齿轮6、扇形齿轮7和扇形齿轮连杆8构成能量传递系统，且上述系统均设置在平台2上，平台2位于水面1上，避免海水对各系统的腐蚀和破坏。
波浪运动往往为不规则的往复运动，并且具有较强的破坏力。因此需要设计可靠的机械传动装置，才能将波浪能传递给直线发电机动子。齿轮传递的最大优势在于能够有效改变力的方向，高效增加传动比，并且具有非常高的传动效率，其传动效率一般在90％以上。因此，通过基于齿轮传动的能量传递系统可将浮子采集的波浪能高效地传递至直线发电系统。
如图1和2所示，浮子11部分或全部浸入水中，浮子11与浮子连杆9固定连接，浮子11在波浪力、浮力和重力的作用下运动，并推动浮子连杆9运动。浮子连杆9通过第四铰链802与扇形齿轮连杆8连接，并带动扇形齿轮连杆8。扇形齿轮连杆8连接至扇形齿轮7的圆心处，并与扇形齿轮7一体成型。扇形齿轮7通过第三铰链801可转动地连接在扇形齿轮架701上，扇形齿轮架701固定在平台2上。扇形齿轮连杆8带动扇形齿轮7进行圆弧运动。
同时，扇形齿轮连杆8的长度L小于扇形齿轮7的半径R，从而通过杠杆作用增加扇形齿轮分度圆上的运动距离和速度。因为波浪运动高度随环境不断变化，且波高一般较小，导致浮子11上下运动的距离也一般较小。但是波浪往往具有较大的推力，通过较大的扇形齿轮半径R和扇形齿轮连杆长度L的比值，可有效的将低速、小幅度的浮子运动转化为扇形齿轮7分度圆上的快速、大幅度运动，是进一步提高直线发电机动子运动速度和运动频率的有益做法。本实施例中，R:L＝3:1,在本发明的其他实施例中，可以取R:L＝(1.5～10):1。
如图1和3所示，传动齿轮6可绕其轴心转动，并连接于传动齿轮支架601上，传动齿轮支架601固定在平台2上。传动齿轮6与扇形齿轮7啮合连接，扇形齿轮7带动传动齿轮6运动。传动齿轮6的半径r小于扇形齿轮7的半径R。扇形齿轮7的半径R与传动齿轮6的半径r之间较大的比值可以产生大的传动比，从而提高传动齿轮6的转动速度，将扇形齿轮7的运动转化为传动齿轮6更高速度的运动。本实施例中，R:r＝6:1,在本发明的其它实施例中，可以取R:r＝(2～30):1。
同时，传动齿轮6的侧面通过第二铰链502与动子连杆5连接，同时，动子连杆5通过第一铰链501与直线发电机动子4连接，直线发电机动子4套在圆柱形的直线发电机定子3上，直线发电机定子3固定在平台上。传动齿轮6、动子连杆5、直线发电机动子4和直线发电机定子3构成曲柄滑块机构，该曲柄滑块机构将传动齿轮6的快速旋转运动转化为直线发电机动子4相对直线发电机定子3的快速、高频往复运动，从而有效提高直线发电系统的发电效率。
如图5所示，由于波浪的推力较大，而直线发电系统的阻力较小，因此，在本发明的其它实施例中，设置较大的扇形齿轮7的半径R与传动齿轮6的半径r的比例，平台2上可以装有多组上述的曲柄滑块机构，并围绕扇形齿轮7的齿周啮合连接，从而充分利用波浪推力较大、直线发电系统阻力较小的特点，提高波浪能利用率和装置的发电效率。图5示例性的给出两组曲柄滑块机构，但本发明的实施例不限于两组。
如图1和4所示，浮子连杆限位架10固定在平台2上，浮子连杆9穿过浮子连杆限位架10的浮子连杆限位孔1001，浮子连杆限位孔1001的宽度等于浮子连杆9的直径。浮子11在波浪的推动下主要以上下运动为主，但是也可能存在其他方向的运动。尤其是浮子11的水平横向运动，其将通过浮子连杆9对扇形齿轮连杆8造成较大破坏力的扭动，对能量传递系统和扇形齿轮架701的稳定性造成严重威胁。浮子连杆限位孔1001可有效避免浮子11和浮子连杆9的水平横向运动(如图4所示)，从而保护能量传递系统。同时，浮子连杆9的上下运动带动扇形齿轮连杆8的圆周运动，因此，浮子连杆9还存在水平纵向运动。故浮子连杆限位孔1001设为纵向长条形，以提供浮子连杆9的水平纵向运动空间。另外，在浮子连杆限位架10的限位作用下，浮子连杆限位孔1001可将部分波浪的斜向运动转化为浮子11的上下运动，进一步提高浮子11对波浪能的采集效率。
上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (8)

1.一种带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，其特征在于，包括：
平台(2)；
直线发电系统，固定在所述平台(2)上；
能量传递系统，包括传动件、传动齿轮(6)、与传动齿轮(6)啮合连接的扇形齿轮(7)以及固定于所述扇形齿轮(7)的联动件；所述传动件分别铰接于所述直线发电系统和所述传动齿轮(6)；所述联动件运动以带动所述扇形齿轮(7)转动，所述传动齿轮(6)传递能量至所述直线发电系统；
浮子采能系统，受波浪力推动，并推动所述联动件运动；
所述联动件为扇形齿轮连杆(8)，其一端连接至扇形齿轮(7)的圆心处，另一端通过第四铰链(802)铰接于所述浮子采能系统；扇形齿轮连杆(8)的长度小于扇形齿轮(7)的半径。
2.根据权利要求1所述的带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，其特征在于，所述直线发电系统包括直线发电机定子(3)和直线发电机动子(4)；
其中：直线发电机定子(3)固定在平台(2)上；直线发电机动子(4)套在直线发电机定子(3)上，并与所述传动件铰接。
3.根据权利要求2所述的带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，其特征在于：所述传动件为动子连杆(5)；所述动子连杆(5)的一端通过第一铰链(501)与直线发电机动子(4)铰接，另一端通过第二铰链(502)与传动齿轮(6)铰接。
4.根据权利要求3所述的带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，其特征在于：直线发电机定子(3)、直线发电机动子(4)、动子连杆(5)和传动齿轮(6)构造为曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构布置多组并与扇形齿轮(7)的齿周啮合连接。
5.根据权利要求1所述的带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，其特征在于：传动齿轮(6)的中心轴安装于传动齿轮支架(601)上，传动齿轮(6)可绕其中心轴转动；传动齿轮支架(601)固定在平台(2)上。
6.根据权利要求1所述的带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，其特征在于：扇形齿轮(7)的圆心处通过第三铰链(801)连接安置于扇形齿轮架(701)上，扇形齿轮(7)可绕扇形齿轮(7)的圆心转动；扇形齿轮架(701)固定在平台(2)上。
7.根据权利要求1所述的带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，其特征在于，所述浮子采能系统包括：浮子连杆(9)、浮子连杆限位架(10)以及浮子(11)；
其中，浮子连杆限位架(10)固定在平台(2)上，浮子连杆限位架(10)上设有条状的浮子连杆限位孔(1001)，浮子连杆限位孔(1001)的长轴在所述联动件的运动轨迹正下方；浮子连杆(9)一端与所述联动件铰接，另一端穿过浮子连杆限位孔(1001)并与浮子(11)固定连接。
8.根据权利要求1所述的带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置，其特征在于：传动齿轮(6)的半径小于扇形齿轮(7)的半径。
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