CN111878290A - 一种基于往复丝杠的海浪发电装置 - Google Patents

一种基于往复丝杠的海浪发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于往复丝杠的海浪发电装置，往复丝杠设置在所述内浮筒中，通过单向离合器连接至旋转发电机；往复丝杠上套设有能够沿其往复移动的丝杠螺母，丝杠螺母固定至活塞，活塞外侧固定所述环形永磁体，内浮筒与海底连接；外浮筒套设在内浮筒外侧，内圈固定有所述环形护铁；外浮筒在海浪激励作用下与内浮筒发生相对运动，通过环形永磁体带动所述丝杠螺母往复运动，驱动往复丝杠旋转，当往复丝杠沿设定方向旋转时通过单向离合器带动旋转发电机的转子旋转，进而产生电能。本发明使用丝杠传动装置，可靠性和效率提升；电机单向旋转，简化了电机的驱动和控制。只需要一个丝杠结构，一个发电机，大大降低了成本、提升了设备利用率。

Description

一种基于往复丝杠的海浪发电装置
技术领域
本发明涉及海浪发电技术领域，尤其涉及一种基于往复丝杠的海浪发电装置。
背景技术
随着能源危机与环境污染问题的日益加剧，更多种类、更大规模的对可再生能源的利用成为人类发展的必然趋势。海浪能具有清洁无污染、功率密度大、可预测性好、不占用土地等显著优点，具有广阔良好的研究与应用前景。我国沿海地区及海上岛屿具有丰富的海浪能资源，若能够通过有效的海浪能提取装置使其得到充分利用，将进一步促进能源结构转形，对长期经济发展具有重大意义。
现有的海浪发电技术按照能量传递方式可分为气动式、液压式、直驱式和机械式。
1.各类气动式海浪发电装置，其将波浪能转换成空气的压能和动能，在气室和大气的通路上安装空气透平并将透平转轴与旋转发电机相连。各类气动式方案的主要缺陷在于：a.采用三级能量转换设计，能量转化效率较低；b.发电机噪声大，安装位置有限，对陆地影响较大；c.岸基型和近岸型的海洋波浪能密度比较低。
2.各类液压式海浪发电装置，其利用波浪能驱动液压装置对液压涡轮机做功，继而带动发电机发电。各类液压式方案的主要缺陷在于：a.液压系统面临海水腐蚀和海洋微生物附着淤塞的问题，维护困难；b.存在液体泄露污染海水的潜在危险。
3.各类机械式海浪发电装置，其使用齿轮箱传动，将浮体的直线运动转换为电机转子的旋转运动。各类采用齿轮传动的机械式方案的主要缺陷在于：a.齿轮箱结构的使用增加了系统能量转换环节，降低了系统的能量转换效率和可靠性；b.维护成本高。
4.各类直驱式海浪发电装置。其使用浮体直接带动直线电机，取消了能量转换的中间环节。各类直驱式方案的主要缺陷在于：a.直线电机动子随浮体作往复直线运动，运行在四象限下，控制算法复杂；b.直线电机面临旋转电机所没有的端部效应，对应建模复杂；c.直线电机体积较大，且在海浪工况下的可靠性低于旋转电机。
一种基于双滚珠丝杠传动的海浪发电装置(公开号CN110725772A)。该方案使用两个螺纹方向相反的滚珠丝杠，配合离合器、传动齿轮及飞轮等部件，实现浮子往复直线运动到电机单向旋转运动的转换。主要缺陷在于：a.需要使用两个滚珠丝杠，在运行中总有一个得不到利用；b.使用了包括离合器和齿轮在内的运动整流装置，结构复杂。
一种基于永磁式磁力丝杠传动的直驱式海浪发电装置(公开号CN110307115A)。该方案使用永磁丝杠进行直线运动到旋转运动的转换，经变速器直接与发电机转轴相连从而进行发电。主要缺陷在于：a.永磁丝杠传动效率较低；b.永磁丝杠使用永磁体，降低了装置的可靠性，增加了维护成本；c.该装置将浮体的起伏运动转换为电机转子的双向交替旋转运动，电机工作在四象限下，优化控制算法复杂。
一种基于永磁式磁力丝杠的海浪发电装置(公开号CN110454317A)。该方案同样使用永磁丝杠，但与发电机转子间通过齿轮传动；且需要使用两个发电机。主要缺陷在于：a.永磁丝杠传动效率较低；b.永磁丝杠使用永磁体，降低了装置的可靠性，增加了维护成本；c.为了使每个电机为单向旋转，需要两个发电机，增加了成本。
一种基于运动整流的海浪发电装置(公开号CN110374785A)。该方案使用滚珠丝杠外加由齿轮及离合器等组成的运动整流器，将浮子往复直线运动转换为发电机转子的单相旋转运动。主要缺陷在于：a.需要使用机械整流器作为传动装置，结构复杂；b.装置整体可靠性较低。
一种基于磁场能量传递的直驱海浪发电装置(公开号CN101285449A)。该方案利用磁铁的吸引作用使浮子运动能够带动封闭套筒内部件的运动，且在套筒内采用了滚珠丝杠作为机械传动部件，经离合器带动电机转子。主要缺陷在于：a.使用单向离合器进行传动，则浮体在某方向上运动时所吸收的海浪能无法传送至发电机。
发明内容
针对海浪发电中的运动形式转换问题，特别是从浮体往复直线运动到电机转子单向旋转运动的转换问题，提出一种基于往复丝杠的海浪发电装置，通过往复丝杠将浮体的往复直线运动转换为发电机转轴的单向旋转运动，与现有的其他机械式装置相比，本发明具有结构简单、转换效率高、电机控制方便等显著优点，具有良好的应用前景。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于往复丝杠的海浪发电装置，包括：往复丝杠、浮体以及旋转发电机；
所述往复丝杠具有正反向两条螺纹；
所述浮体能够在海中漂浮，限位为能够沿往复丝杠往复运动，并在返回时切换螺纹，使得往复丝杠单向旋转；
所述浮体在海浪激励作用下驱动所述往复丝杠旋转，所述往复丝杠带动所述旋转发电机的转子旋转，进而产生电能。
进一步地，还包括单向离合器，所述往复丝杠通过单向离合器带动所述旋转发电机的转子旋转。
进一步地，所述往复丝杠上设置与其匹配的丝杠螺母，所述浮体与所述丝杠螺母通过运动耦合装置耦合。
进一步地，所述浮体包括外浮筒和环形护铁；
所述往复丝杠设置在所述内浮筒中，一端通过单向离合器连接至旋转发电机，另一端可旋转地连接至所述内浮筒；往复丝杠上套设有能够沿其往复移动的丝杠螺母，所述丝杠螺母固定至所述活塞，活塞外侧固定所述环形永磁体；所述内浮筒与海底连接；
所述外浮筒套设在内浮筒外侧，内圈固定有所述环形护铁，与所述环形永磁体相互吸引；所述外浮筒在海浪激励作用下与所述内浮筒发生相对运动，通过环形永磁体带动所述丝杠螺母往复运动，驱动所述丝杠螺母往复运动，所述丝杠螺母返回时切换轨道，使得往复丝杠单向旋转。
所述运动耦合装置包括环形护铁和环形永磁体。
进一步地，所述往复丝杠具有两条对称设置正反向两条螺纹，两条螺纹一端通过过渡螺纹连接；所述丝杠螺母内设置滑舌沿其中一条螺纹轨道移动至端部，经过渡螺纹切换至另一条螺纹轨道上；当所述丝杠螺母返回时，滑舌沿另一条螺纹轨道返回，所述丝杠螺母移动至端部和返回过程中所述往复丝杠旋转方向保持不变，经所述单向离合器带动所述旋转发电机的转子旋转。
进一步地，所述丝杠螺母内滚珠沿其中一条螺纹轨道未移动至端部就沿当前螺纹返回时，所述往复丝杠反向转动，所述单向离合器避免所述往复丝杠带动所述旋转发电机的转子反向旋转。
进一步地，所述往复丝杠的两端设置限位器，限制所述活塞及所述丝杠螺母的位移范围。
进一步地，所述环形护铁和环形永磁体长度相同。
进一步地，所述内浮筒为圆筒形密封结构，材质为聚氯乙烯，与海底通过系泊链连接。
进一步地，所述内浮筒两端设置限位器，限制外浮筒的运动范围。
进一步地，所述往复丝杠上设置与其匹配的丝杠螺母，所述浮体与所述丝杠螺母通过运动耦合装置钢性连接。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明使用往复丝杠而非永磁丝杠，可靠性和效率提升；电机单向旋转而非双向旋转，简化了电机的驱动和控制。本发明只需要一个丝杠结构，降低了成本；只需要一个发电机而非两个，大大降低了成本、提升了设备利用率。
(2)本发明不需要基于齿轮与离合器的运动整流装置，丝杆沿设定方向旋转时才能驱动电机转子转动，因此不需要使用机械整流装置，结构简单。
(3)本发明浮体在两个方向上都能吸收海浪能，即丝杆螺母上升和下降过程，通过变换螺纹，都可以驱动电机，大大提升了发电效率。
附图说明
图1是基于往复丝杠的海浪发电装置结构示意图；
图2为往复丝杠的海浪发电装置连接示意图；
图3是往复丝杠结构示意图；
图4为往复丝杠螺纹示意图；
图5为往复丝杠局部示意图；
图6为外浮筒和丝杠螺母直接连接的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明涉及一种基于往复丝杠的海浪发电装置往复丝杠、浮体以及旋转发电机；往复丝杠具有正反向两条螺纹；浮体能够在海中漂浮，限位为能够沿往复丝杠往复运动，并在返回时切换螺纹，使得往复丝杠单向旋转；所述浮体在海浪激励作用下驱动所述往复丝杠旋转，往复丝杠通过单向离合器带动所述旋转发电机的转子旋转，进而产生电能。
实施例1
本发明提供一种基于往复丝杠的海浪发电装置结构，如图1所示，包括：内浮筒1、旋转发电机2及其驱动控制电路、单向离合器3、限位器4、往复丝杠5、活塞6、外浮筒7、环形护铁8、环形永磁体9以及端部轴承10。
内浮筒1，为圆筒形密封结构，可由聚氯乙烯等材料制成，起到保护电气与机械设备的作用；内浮筒1与海底通过系泊链连接，结合图2。发出的电能经电缆传输至陆地上。
旋转发电机2及其驱动与控制电路，旋转发电机2可采用永磁电机，由于电机单向旋转，采用相应的双象限驱动电路即可。
单向离合器3，其一端连接发电机转子，一端连接丝杠，其作用在于使得往复丝杠5在某一方向的旋转能够带动发电机2的转子旋转，而在相反方向则不能，即使得作用在发电机转子上的转矩为单向的。
丝杠螺母限位器4，有两个，分别位于往复丝杠5的两端，其作用在于使活塞的运动位移不超出某个限值，从而使当往复丝杠螺母运动至过渡轨道时能够停止运动，防止损坏丝杠装置。
往复丝杠5，为本发明的核心机械传动部件，其螺纹示意图如图3至5所示，图中51为丝杠，52为丝杠双螺纹，53为丝杠螺母，54为滑舌。54是滑舌连接到丝杠螺母，带动丝杠螺母沿着丝杠螺纹滑动，实现直线运动和旋转运动的转换。往复丝杠具有两条不同方向，正反向螺纹及二者之间的过渡螺纹。丝杠螺母内滑舌沿其中一条螺纹轨道移动至端部，经过渡螺纹切换至另一条螺纹轨道上，于是当丝杠螺母返回时，其内滑舌沿该轨道返回，从而使得螺母沿不同方向的直线运动对应不同方向的螺纹，而丝杠旋转方向保持不变。
活塞6，活塞固定连接与丝杠螺母外侧，其外侧固定连接有9环形永磁体，能够在内浮筒内上下运动。活塞6可以为圆筒型，内侧与丝杠螺母固连，外侧装设环形永磁体。
外浮筒7，其在海浪激励作用下与内浮筒发生相对运动，起到将海浪能转化为机械能的作用；其内圈固定连接有环形护铁，能够在内浮筒外侧上下运动。
环形护铁8与环形永磁体9，其中环形护铁固定连接于外浮筒7内圈，环形永磁体9固定连接于活塞6外圈。二者之间由于磁场的作用能够产生相互吸引力，使得外浮筒的上下运动能够带动内浮筒内活塞及丝杠螺母的上下运动，从而使丝杠产生旋转。二者起到了在内浮筒外壳两侧无接触式地传递海浪力的作用，使得内浮筒可以做成封闭结构，增加了装置的可靠性。
端部轴承10，其将丝杠固定在内浮筒底座上。
外浮筒两端设置，外浮筒限位器11，其设置在内浮筒的上下两端，防止外浮筒因运动幅度过大而脱离内浮筒。
装置的运行原理：在海浪力作用下，外浮筒7随海浪起伏而上下运动，而内浮筒1由于与海底连接，可近似认为与海底保持相对静止，从而内外浮筒1间产生相对运动。由于环形永磁体9与环形护铁8的吸引作用，外浮筒7运动能够带动内浮筒1内活塞6及与其固连的丝杠螺母一起运动；丝杠螺母的往复运动带动丝杠产生旋转，从而带动发电机转子旋转，进而产生电能。该过程按照外浮筒起伏运动的大小可分为两种情况：a.外浮筒7起伏运动幅度超出往复丝杠端部距离，b.外浮筒7起伏运动幅度小于往复丝杠端部距离。对于情况a，在丝杠螺母运动至端部时，由于限位器4的作用，使得活塞6、丝杠螺母及外浮筒7被迫停止运动，而此时丝杠螺母内滑舌位于过渡螺纹轨道54上；直至外浮筒7返回时，活塞6及丝杠螺母才跟随其返回，而丝杠螺母内滑舌也沿另一条螺纹轨道返回，从而使往复丝杠5的旋转方向不变。对于情况b，由于螺母的位移尚未到达过渡轨道，螺母内滑舌只能沿同一螺纹轨道返回，因此丝杠将反向旋转；但由于往复丝杠5与旋转发电机2转子间通过单向离合器3连接，往复丝杠5的反向旋转将不会对旋转发电机2转子产生反向转矩的作用，也因此返程所对应的海浪能将不能被发电机吸收。往复丝杠5端部螺纹的位置应该设计为外浮筒平均起伏幅度，使得最大程度地提升能量提取效率。在一个实施例中外浮筒的最大幅度是2米。
实施例2
在又一实施例中，如图6所示，外浮筒7和丝杠螺母53通过连接支架12相互固定，刚性连接。连接支架12的内侧的两个连接杆一端连接丝杠螺母53，另一端穿过内浮筒上部连接至连接支架底座，连接支架12的外侧的两个连接杆一端连接外浮筒，另一端连接支架底座。采用钢性连接的方式同样实现了外浮筒与丝杆螺母之间的传动，实现了二者的运动耦合，代替了永磁式的无接触式传动装置。同时避免了在内浮筒壁上开槽，通过对内浮筒上部孔道的防水处理，防止了内部进水，提升了装置可靠性。
综上所述，本发明涉及一种基于往复丝杠的海浪发电装置，往复丝杠设置在所述内浮筒中，通过单向离合器连接至旋转发电机；往复丝杠上套设有能够沿其往复移动的丝杠螺母，丝杠螺母固定至活塞，活塞外侧固定所述环形永磁体，内浮筒与海底连接；外浮筒套设在内浮筒外侧，内圈固定有所述环形护铁；外浮筒在海浪激励作用下与内浮筒发生相对运动，通过环形永磁体带动所述丝杠螺母往复运动，驱动往复丝杠旋转，当往复丝杠沿设定方向旋转时通过单向离合器带动旋转发电机的转子旋转，进而产生电能。本发明使用丝杠，可靠性和效率提升；电机单向旋转，简化了电机的驱动和控制。只需要一个丝杠结构，一个发电机，大大降低了成本、提升了设备利用率。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于往复丝杠的海浪发电装置，其特征在于，包括：往复丝杠(5)、浮体以及旋转发电机(2)；
所述往复丝杠(5)具有正反向两条螺纹；
所述浮体能够在海中漂浮，限位为能够沿往复丝杠(5)往复运动，并在返回时切换螺纹，使得往复丝杠单向旋转；
所述浮体在海浪激励作用下驱动所述往复丝杠(5)旋转，所述往复丝杠(5)带动所述旋转发电机的转子旋转，进而产生电能。
2.根据权利要求1所述的基于往复丝杠的海浪发电装置，其特征在于，还包括单向离合器(3)，所述往复丝杠(5)通过单向离合器(3)带动所述旋转发电机的转子旋转。
3.根据权利要求2所述的基于往复丝杠的海浪发电装置，其特征在于，所述往复丝杠(5)上设置与其匹配的丝杠螺母(53)，所述浮体与所述丝杠螺母(53)通过运动耦合装置耦合。
4.根据权利要求3所述的基于往复丝杠的海浪发电装置，其特征在于，所述浮体包括外浮筒(7)和环形护铁(8)；
所述往复丝杠(5)设置在所述内浮筒(1)中，一端通过单向离合器(3)连接至旋转发电机(2)，另一端可旋转地连接至所述内浮筒(1)；往复丝杠(5)上套设有能够沿其往复移动的丝杠螺母(53)，所述丝杠螺母固定至所述活塞(6)，活塞(6)外侧固定所述环形永磁体(9)；所述内浮筒(1)与海底连接；
所述外浮筒(7)套设在内浮筒(1)外侧，内圈固定有所述环形护铁(8)，与所述环形永磁体(9)相互吸引；所述外浮筒(7)在海浪激励作用下与所述内浮筒发生相对运动，通过环形永磁体(9)带动所述丝杠螺母(53)往复运动，驱动所述丝杠螺母往复运动，所述丝杠螺母返回时切换轨道，使得往复丝杠单向旋转；
所述运动耦合装置包括环形护铁(8)和环形永磁体(9)。
5.根据权利要求4所述的基于往复丝杠的海浪发电装置，其特征在于，所述往复丝杠(5)具有两条对称设置正反向两条螺纹，两条螺纹一端通过过渡螺纹连接；所述丝杠螺母内设置滑舌(54)沿其中一条螺纹轨道移动至端部，经过渡螺纹切换至另一条螺纹轨道上；当所述丝杠螺母返回时，滑舌(54)沿另一条螺纹轨道返回，所述丝杠螺母移动至端部和返回过程中所述往复丝杠(5)旋转方向保持不变，经所述单向离合器(3)带动所述旋转发电机的转子旋转。
6.根据权利要求5所述的基于往复丝杠的海浪发电装置，其特征在于，所述丝杠螺母内滚珠沿其中一条螺纹轨道未移动至端部就沿当前螺纹返回时，所述往复丝杠(5)反向转动，所述单向离合器(3)避免所述往复丝杠(5)带动所述旋转发电机的转子反向旋转。
7.根据权利要求1或2所述的基于往复丝杠的海浪发电装置，其特征在于，所述往复丝杠(5)的两端设置限位器(4)，限制所述活塞(6)及所述丝杠螺母的位移范围。进一步地所述环形护铁(8)和环形永磁体(9)长度相同。
8.根据权利要求1或2所述的基于往复丝杠的海浪发电装置，其特征在于，所述内浮筒(1)为圆筒形密封结构，材质为聚氯乙烯，与海底通过系泊链连接。
9.根据权利要求1或2所述的基于往复丝杠的海浪发电装置，其特征在于，所述内浮筒(1)两端设置限位器(11)，限制外浮筒的运动范围。
10.根据权利要求1或2所述的基于往复丝杠的海浪发电装置，其特征在于，所述往复丝杠(5)上设置与其匹配的丝杠螺母(53)，所述浮体与所述丝杠螺母(53)通过运动耦合装置钢性连接。
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