CN112373663A - 利用波浪能发电的波浪滑翔机构 - Google Patents

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CN112373663A CN202011254149.4A CN202011254149A CN112373663A CN 112373663 A CN112373663 A CN 112373663A CN 202011254149 A CN202011254149 A CN 202011254149A CN 112373663 A CN112373663 A CN 112373663A
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Abstract

本发明提供了一种利用波浪能发电的波浪滑翔机构，包括水面浮体、缆绳以及水下滑翔器，所述水面浮体上设置有电池、中间传动体、绞盘机构、太阳能光伏板以及发电组件，所述水下滑翔器与缆绳的一端连接，所述缆绳的另一端缠绕在所述绞盘机构上；在波浪的驱使下，水下滑翔器通过缆绳使绞盘机构上所具有的绞盘转动进而都能够通过中间传动体驱使发电组件发电，发电组件、太阳能光伏板分别与电池连接，本发明将波浪能发电装置应用到波浪滑翔器上，且中间传动体采用换向器实现了缆绳驱使和涡卷盘簧驱使下的双向运动发电，实现波浪、光伏混合发电，有效避免了在遇到持续阴天时电子器件失去供电能力的风险，提高了能源供应稳定性。

Description

利用波浪能发电的波浪滑翔机构
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程领域，具体地，涉及一种利用波浪能发电的波浪滑翔机构。
背景技术
波浪滑翔器是一种以波浪动力前进，利用太阳能为仪器通讯、控制、定位、导航、传感器数据采集等供应能量的新型海洋移动观测平台。波浪滑翔器是近十年来涌现出来的一种新型海洋无人航行器，能够将海洋中无穷无尽的波浪能转化为自身前进的推力而无须提供额外的助力，为部署海洋仪器提供了一种全新的解决方法。凭借其续航力和自主生存能力，波浪滑翔器技术日益成为了国内外研究热点，相关产品已在海洋科学、海洋工程甚至军事领域得到了广泛应用。
现有的波浪滑翔器是一种将波浪能直接转化为前进推力，利用光伏发电给传感通讯电子设备供电，几乎可以实现无限续航的海洋自主航行器，其中利用波浪动力的技术已有广泛的应用，如专利文献CN101622173A公开的漂浮物，适合于用作浮标或用作波浪动力载体的一个部件，再如专利文献CN101405179A公开了一种波浪能水面航行器,其包括水面浮子、水下游动物和绳索,该绳索连接浮子和游动物,以便游动物因波浪运动而上下移动，又如专利文献CN102126546B、CN104590496A也都对波浪能进行了利用。
专利文献CN110395376A提出在水面浮体和水下滑翔器上分别加入主动推进器以提高机动性能，专利文献CN111498064A提出在波浪滑翔机后面加入水声拖体，以增强探测能力，这些都对波浪滑翔机自身电力供应提出了更高的要求。但受限于船体尺寸，光伏发电量相对有限，难以持续为推进器提供电能。并且在持续恶劣天气下工作时，太阳辐射受到大气乌云遮挡，通讯电子设备亦存在失去供电能力的风险。专利文献CN110344996A提出在波浪滑翔器的浮体下方增加波浪发电装置，但波浪发电系统置于船体外侧，抵抗风浪能力相对有限，且对浮体流线型有较大破坏，不利于降低浮体阻力。
综上，现有的波浪滑翔器随着应用的扩展，对供电能力提出了更高的要求，现有的设计存在供电能力不足、结构不合理、抵抗恶劣天气能力差等缺陷，需要设计一种新型的发电装置已解决现有技术的不足。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用波浪能发电的波浪滑翔机构。
根据本发明提供的一种利用波浪能发电的波浪滑翔机构，包括水面浮体、缆绳以及水下滑翔器；
所述水面浮体上设置有电池、中间传动体、绞盘机构、太阳能光伏板以及发电组件，所述水下滑翔器与缆绳的一端连接，所述缆绳的另一端缠绕在所述绞盘机构上；
在波浪的驱使下，所述水下滑翔器通过缆绳使所述绞盘机构上所具有的绞盘转动进而能够通过所述中间传动体驱使所述发电组件发电；
所述发电组件、太阳能光伏板分别与电池连接。
优选地，所述绞盘采用圆柱绞盘、偏心绞盘、多边形绞盘、辐条绞盘中的任一种。
优选地，所述绞盘内部设置有涡卷盘簧，当所述缆绳张紧拉力大于水下滑翔器湿重时，缆绳拉动所述绞盘转动，所述涡卷盘簧弹性蓄能，当所述缆绳张紧拉力小于水下滑翔器的湿重时，涡卷盘簧弹性释放，进而驱使所述绞盘反向转动。
优选地，所述水下滑翔器安装有螺旋桨；
所述螺旋桨包括转动副以及多个桨叶；
多个所述桨叶与转动副活动配合并能够在折叠状态和展开状态之间进行切换。
优选地，所述水面浮体上设置有船体、传感通讯器件以及密封箱；
所述中间传动体、绞盘机构、发电组件都安装在所述密封箱的内部，所述传感通讯器件安装在船体上并与电池电连接。
优选地，所述船体上设置有第一导向滑轮以及第二导向滑轮，所述船体沿高度方向设置有月池；
所述月池的底端的两侧对称布置有两个第一导向滑轮，所述月池的顶端的两侧对称布置有两个第二导向滑轮，所述缆绳贯穿所述月池且底端分别从两个第一导向滑轮之间穿过、顶端分别从两个第二导向滑轮之间穿过。
优选地，所述绞盘的两侧设置有锁止销孔，在不需要波浪能发电的情况下，通过锁止销孔固定所述绞盘。
优选地，所述发电组件包括变速器以及发电机，所述变速器与发电机驱动连接，所述变速器采用行星减速器，运动输入端为低速高扭矩，输出端为高速低扭矩。
优选地，所述中间传动体采用换向器，所述换向器包括输入轴、第一单向轴承、第一大齿轮、第一小齿轮、输出轴、第二大齿轮、第二单向轴承、惰轮以及第二小齿轮；
所述输入轴依次穿过间隔布置的第一大齿轮、第二大齿轮且所述输入轴分别与第一大齿轮、第二大齿轮之间安装有第一单向轴承、第二单向轴承，其中，所述第一单向轴承和第二单向轴承转向相反；
所述第一小齿轮、第二小齿轮依次安装在输出轴上，所述第一小齿轮与第一大齿轮匹配啮合，所述惰轮的两侧分别与第二大齿轮、第二小齿轮匹配啮合。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明将波浪能发电装置应用到波浪滑翔器上，实现波浪、光伏混合发电，实现波浪能和太阳能的综合利用，且通过采用中间传动体实现了缆绳驱使和涡卷盘簧驱使下的双向运动发电，扩大了电能来源，提高了波浪滑翔器负载能力，有效避免了在遇到持续阴天时电子器件失去供电能力的风险，提高了能源供应稳定性。
2、本发明所提供的波浪滑翔器，不仅可以利用波浪能发电，而且还可以将波浪能直接转化为前进推力，实用性强。
3、本发明通过设置锁止机构，在海况不适宜波浪能发电时，锁止机构将所述绞盘机构运动锁死，保护了设备的安全。
4、本发明通过变速器将低速的波浪运动转化为高速的机械运动，有利于增大电磁发电机发电量。
5、本发明中的螺旋桨自适应的实现收拢与展开，可以降低螺旋桨不工作时，水下滑翔器在水中前进的流体阻力。
6、本发明中绞盘置于水线以上，可以降低海水对设备的腐蚀，同时降低设备对密封的要求。同时将涡卷盘簧置于所述绞盘内部，提高了空间利用率。
7、本发明中月池两端设置导向滑轮，不仅对缆绳的运动起到限位的作用，同时也降低了缆绳往复运动中的磨损，延长了使用寿命。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明装置的总体结构示意图；
图2为水面浮体的整体结构示意图；
图3为展示缆绳和圆柱绞盘机构的结构示意图；
图4为展示缆绳连接方式和绞盘内部的结构示意图；
图5为展示缆绳和偏心绞盘机构的结构示意图；
图6为展示缆绳和多边形绞盘机构的结构示意图；
图7为展示缆绳和辐条绞盘机构的结构示意图；
图8为中间传动体内部齿轮传动的结构示意图；
图9为行星减速器和发电机的结构示意图；
图10为螺旋桨收拢状态下的水下滑翔器的结构示意图；
图11为本发明装置整体构架图；
图12为缆绳张紧力与水下滑翔器湿重的对比示意图。
图中示出：
1-水面浮体 27-第二单向轴承 42-行星齿轮
11-太阳能光伏板 28-惰轮 43-太阳轮
12-传感通讯器件 29-第二小齿轮 44-行星架
14-密封箱 3-绞盘机构 5-发电机
15-第一导向滑轮 31-绞盘 51-发电机支架
2-中间传动体 32-锁止销孔 6-缆绳
21-输入轴 33-第二导向滑轮 7-水下滑翔器
22-第一单向轴承 34-月池 71-水翼
23-第一大齿轮 35-涡卷盘簧 8-螺旋桨
24-第一小齿轮 36-密封盖 81-桨叶
25-输出轴 4-变速器
26-第二大齿轮 41-固定轮座
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本发明提供了一种利用波浪能发电的波浪滑翔机构，如图1～图11所示，包括水面浮体1、缆绳6以及水下滑翔器7，所述水面浮体1上设置有电池、中间传动体2、绞盘机构3、太阳能光伏板11以及发电组件，所述水下滑翔器7与缆绳6的一端连接，所述缆绳6的另一端缠绕在所述绞盘机构3上，绞盘机构3的旋转轴位于水线面以上，在波浪的驱使下，所述水下滑翔器7通过缆绳6使所述绞盘机构3上所具有的绞盘31转动进而能够通过所述中间传动体2驱使所述发电组件发电，本发明中既可以在绞盘31单向转动的情况下驱使所述发电组件发电，也能够通过设置采用双向发电的模式，当中间传动体2采用换向器时，在绞盘31正转或反转时都能够通过所述中间传动体2驱使所述发电组件发电，所述发电组件、太阳能光伏板11分别与电池连接，所述电池优选采用蓄电池。
具体地，所述船体上设置有第一导向滑轮15以及第二导向滑轮33，所述船体沿高度方向设置有月池34，所述月池34的底端的两侧对称布置有两个第一导向滑轮15，所述月池34的顶端的两侧对称布置有两个第二导向滑轮33，所述缆绳6贯穿所述月池34且底端从两个第一导向滑轮15之间穿过、顶端从两个第二导向滑轮33之间穿过。第一导向滑轮15和第二导向滑轮33的设置对缆绳6起到导引和限位的作用，可以适应所述缆绳6朝不同方向的运动。
进一步地，所述绞盘31可以采用多种结构形式，用以匹配不同的实际需求，例如采用圆柱绞盘，如图3所示；再例如采用偏心绞盘，如图5所示；还可以采用多边形绞盘，如图6所示；又可以采用辐条绞盘，如图7所示。所述绞盘31内部设置有蓄能机构，例如采用涡卷盘簧35，如图4所示，当所述缆绳6张紧拉力大于水下滑翔器7湿重时，缆绳6拉动所述绞盘31转动，所述涡卷盘簧35弹性蓄能，当所述缆绳6张紧拉力小于水下滑翔器的湿重时，涡卷盘簧35弹性释放，进而驱使所述绞盘31反向转动。在实际应用中，所述绞盘31的两侧设置有锁止销孔32，在不需要波浪能发电的情况下，通过锁止销孔32固定所述绞盘31。
需要说明的是，水下滑翔器7本身的重力大于浮力，在静水中存在湿重。当无波浪存在时，涡卷盘簧35是处于预张紧状态，预张紧扭力等效水下滑翔器7的湿重。当存在波浪时，由于水面浮体1的上下震荡运动，缆绳6产生波动张紧力，张紧力在湿重上下波动，具体如图12所示，因此实际上缆绳6几乎一直处于有张力的状态。
具体地，如图1、图10所示，所述水下滑翔器7包括水下滑翔器支架、水翼71以及螺旋桨8，所述水翼71的数量为多个且依次间隔布置在所述水下滑翔器支架上，所述螺旋桨8安装在水下滑翔器支架的端部，所述电池与螺旋桨8电连接用于给螺旋桨8供电，螺旋桨8转动时可以给水下滑翔器7以及水面浮体1提供前进的动力。
进一步地，所述螺旋桨8包括转动副以及多个桨叶81，多个所述桨叶81与转动副活动配合并能够在折叠状态和展开状态之间进行切换。当螺旋桨不工作时，所述螺旋桨桨片81受到前进时水流相对作用向后收拢折叠，进入折叠状态，减小运动过程中的阻力。当使用所述螺旋桨工作时，桨叶81旋转产生离心力和推力，使得桨叶81绕所述转动副转动，直至达到末端限位状态，此时为展开状态。优选的，桨叶81到达末端限位状态时，桨叶81垂直于螺旋桨轴线
具体地，如图1、图2所示，所述水面浮体1上设置有船体、传感通讯器件12以及密封箱14，所述中间传动体2、绞盘机构3、发电组件都安装在所述密封箱14的内部，能够有效隔绝外部海水对内部结构的侵袭，延长设备的使用寿命，所述传感通讯器件12安装在船体上并与电池电连接，传感通讯器件12的用电来自电池。
本发明中绞盘31正转或反转都能够实现动能到电能的转化，所述中间传动体2采用换向器，所述换向器包括输入轴21、第一单向轴承22、第一大齿轮23、第一小齿轮24、输出轴25、第二大齿轮26、第二单向轴承27、惰轮28以及第二小齿轮29，如图8所示，所述输入轴21依次穿过间隔布置的第一大齿轮23、第二大齿轮26且所述输入轴21分别与第一大齿轮23、第二大齿轮26之间安装有第一单向轴承22、第二单向轴承27，其中，所述第一单向轴承22和第二单向轴承27转向相反，所述第一小齿轮24、第二小齿轮29依次安装在输出轴25上，所述第一小齿轮24与第一大齿轮23匹配啮合，所述惰轮28的两侧分别与第二大齿轮26、第二小齿轮29匹配啮合，因此不管输入轴21是顺时针转动还是逆时针转动都能够保证输出轴25朝向一个方向转动实现动力发电。
本发明中的发电组件包括变速器4以及发电机5，发电机5优选采用电磁发电机，所述变速器4与发电机5驱动连接，所述变速器4采用行星减速器，运动输入端为低速高扭矩，输出端为高速低扭矩。如图9所示，变速器4包括固定轮座41、行星齿轮42、太阳轮43以及行星架44，所述固定轮座41内部设置有圆柱形空间且周向设置有轮座内齿，三个行星齿轮42都安装在行星架44上且都安装在圆柱形空间中，三个行星齿轮42分别与所述轮座内齿匹配啮合，太阳轮43安装在发电机5的输入轴上且布置在三个行星齿轮42之间并分别与三个行星齿轮42匹配啮合，当驱动所述行星架44带动三个行星齿轮42沿轮座内齿转动时，能够驱使太阳轮43带动发电机5转动。
上面对本申请的基本实施例进行了说明，下面结合基本实施例的优选例和/或变化例，对本申请进行更为具体的说明。
实施例2：
如图1、图2所示，本发明提供了一种利用波浪能发电的波浪滑翔机构，包括水面浮体1、缆绳6、水下滑翔器7，其中，水面浮体1包括船体、太阳能光伏板11、传感通讯器件12、密封箱14，密封箱14内设置有中间传动体2、绞盘机构3、变速器4和发电机5，水下滑翔器7包括水下滑翔器支架、水翼71和螺旋桨8。当水面浮体1在海洋波浪下运动时，水面浮体1随波浪做震荡运动，其中，震荡运动包括上下震荡、前后震荡或左右震荡的单独运动以及几种震荡的复合运动，缆绳6将会产生波动的张紧力，并驱动水面浮体1上的绞盘机构3运转，通过中间传动体2和变速器4驱动发电机5发电，波浪能发电和水面浮体1上的太阳能光伏板11转化产生的电能将存储在蓄电池内，其存储的电力可为电子元件供能，也可为驱动螺旋桨8供电，水下滑翔器7的水翼71在波浪的运动中与水相互作用，产生使水下滑翔器7水平前进的推力。
如图9所示，水下滑翔器7的尾部安装螺旋桨8，螺旋桨的桨叶81和桨毂通过转动副连接。当螺旋桨8不工作时，螺旋桨桨叶81受到前进时水流相对作用向后收拢折叠，减小运动过程中的阻力。当使用螺旋桨8工作时，桨叶81旋转产生离心力和推力，使得桨叶81绕转动副转动，直至达到末端限位状态。所述水下滑翔器的7尾部安装可折叠螺旋桨推进器，螺旋桨的桨片81和桨毂通过转动副连接，转动副的最大转动角度小于120°。
本发明具体实施的转换原理如下：
如图3、图4所示，在月池34的上端口设置有对称安装的第二导向滑轮33，月池34的下端口设置有对称安装的第一导向滑轮15，缆绳6穿过月池34后绕转在绞盘31上，绞盘31通过密封盖36密封。缆绳6上下往复运动过程中，通过绞盘31内部涡卷盘簧35的蓄能作用均匀绕转在绞盘31表面。绞盘31的两侧开有锁止销孔32，在不需要波浪能发电的情况下，通过锁止销孔32固定绞盘31。
如图8、图9所示，绞盘机构3产生的动力通过输入轴21传递给中间传动体2，当输入轴21顺时针转动时，第一单向轴承22传递动力，通过第一大齿轮23和第一小齿轮24的啮合传动，将运动传递给下一级，当输入轴21逆时针转动时，第二单向轴承27传递动力，通过第二大齿轮26、惰轮28和第二小齿轮29的啮合传动，将运动传递给下一级，从而将由水面浮体1的往复运动产生的输入轴21的双向转动转变为输出轴25的单向转动。旋转运动经由变速器4转化为高速转动输入发电机5，从而实现波浪能向电能的转化。
如图11所示，本发明装置可以实现太阳能和波浪能的综合利用。一方面，波浪产生的动力可以通过绞盘机构3、中间传动体2、变速器4和发电机5组成的波浪能吸收装置转化为电能储存在蓄电池中，还可以通过水下滑翔器7的水翼71直接转化为前进的推力。另一方面，太阳能光伏板可以将太阳能转化为电能，存储在蓄电池中，和波浪能的动能转化共同实现了能量的综合利用。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种利用波浪能发电的波浪滑翔机构，其特征在于，包括水面浮体(1)、缆绳(6)以及水下滑翔器(7)；
所述水面浮体(1)上设置有电池、中间传动体(2)、绞盘机构(3)、太阳能光伏板(11)以及发电组件，所述水下滑翔器(7)与缆绳(6)的一端连接，所述缆绳(6)的另一端缠绕在所述绞盘机构(3)上；
在波浪的驱使下，所述水下滑翔器(7)通过缆绳(6)使所述绞盘机构(3)上所具有的绞盘(31)转动进而能够通过所述中间传动体(2)驱使所述发电组件发电；
所述发电组件、太阳能光伏板(11)分别与电池连接。
2.根据权利要求1所述的利用波浪能发电的波浪滑翔机构，其特征在于，所述绞盘(31)采用圆柱绞盘、偏心绞盘、多边形绞盘、辐条绞盘中的任一种。
3.根据权利要求1所述的利用波浪能发电的波浪滑翔机构，其特征在于，所述绞盘(31)内部设置有涡卷盘簧(35)，当所述缆绳(6)张紧拉力大于水下滑翔器(7)湿重时，缆绳(6)拉动所述绞盘(31)转动，所述涡卷盘簧(35)弹性蓄能，当所述缆绳(6)张紧拉力小于水下滑翔器的湿重时，涡卷盘簧(35)弹性释放，进而驱使所述绞盘(31)反向转动。
4.根据权利要求1所述的利用波浪能发电的波浪滑翔机构，其特征在于，所述水下滑翔器(7)安装有螺旋桨(8)；
所述螺旋桨(8)包括转动副以及多个桨叶(81)；
多个所述桨叶(81)与转动副活动配合并能够在折叠状态和展开状态之间进行切换。
5.根据权利要求1所述的利用波浪能发电的波浪滑翔机构，其特征在于，所述水面浮体(1)上设置有船体、传感通讯器件(12)以及密封箱(14)；
所述中间传动体(2)、绞盘机构(3)、发电组件都安装在所述密封箱(14)的内部，所述传感通讯器件(12)安装在船体上并与电池电连接。
6.根据权利要求1所述的利用波浪能发电的波浪滑翔机构，其特征在于，所述船体上设置有第一导向滑轮(15)以及第二导向滑轮(33)，所述船体沿高度方向设置有月池(34)；
所述月池(34)的底端的两侧对称布置有两个第一导向滑轮(15)，所述月池(34)的顶端的两侧对称布置有两个第二导向滑轮(33)，所述缆绳(6)贯穿所述月池(34)且底端分别从两个第一导向滑轮(15)之间穿过、顶端分别从两个第二导向滑轮(33)之间穿过。
7.根据权利要求1所述的利用波浪能发电的波浪滑翔机构，其特征在于，所述绞盘(31)的两侧设置有锁止销孔(32)，在不需要波浪能发电的情况下，通过锁止销孔(32)固定所述绞盘(31)。
8.根据权利要求1所述的利用波浪能发电的波浪滑翔机构，其特征在于，所述发电组件包括变速器(4)以及发电机(5)，所述变速器(4)与发电机(5)驱动连接，所述变速器(4)采用行星减速器，运动输入端为低速高扭矩，输出端为高速低扭矩。
9.根据权利要求1所述的利用波浪能发电的波浪滑翔机构，其特征在于，所述中间传动体(2)采用换向器，所述换向器包括输入轴(21)、第一单向轴承(22)、第一大齿轮(23)、第一小齿轮(24)、输出轴(25)、第二大齿轮(26)、第二单向轴承(27)、惰轮(28)以及第二小齿轮(29)；
所述输入轴(21)依次穿过间隔布置的第一大齿轮(23)、第二大齿轮(26)且所述输入轴(21)分别与第一大齿轮(23)、第二大齿轮(26)之间安装有第一单向轴承(22)、第二单向轴承(27)，其中，所述第一单向轴承(22)和第二单向轴承(27)转向相反；
所述第一小齿轮(24)、第二小齿轮(29)依次安装在输出轴(25)上，所述第一小齿轮(24)与第一大齿轮(23)匹配啮合，所述惰轮(28)的两侧分别与第二大齿轮(26)、第二小齿轮(29)匹配啮合。
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