CN113882991A - 一种可为海洋漂流浮体供电的惯性波能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可为海洋漂流浮体供电的惯性波能装置，包括弹簧振子机构、支撑机构、传动机构、发电机构；支撑机构包括支撑轴、直线滑动轴承，支撑轴分别穿过直线滑动轴承固定安装在上下盖板之间；弹簧振子机构包括弹簧、齿条和振子，弹簧一端安装在上下盖板上，另一端连接振子上下表面，振子中心做对称切割处理，振子侧面固定安装齿条；传动机构包括传动轴，传动轴一端连接一个立式轴承，再依次穿过齿轮和另一立式轴承，传动轴另一端连接联轴器；发电机构包括行星齿轮增速装置，行星齿轮增速装置一端与联轴器连接，另一端连接电磁发电机。本发明将波浪能转换结构的一部分集成到振子上，提高了振子在系统中质量占比，能够提高俘获波浪能的效率。
Description
技术领域
本发明属于海洋波浪能发电领域，具体涉及一种可为海洋漂流浮体供电的惯性波能装置。
背景技术
海洋中蕴藏着巨大的能量，而波浪能是众多海洋能蕴藏量最大的一种，然而目前人类对于化石能源的依赖还是远超对于海洋能的开发和利用。近年来，化石能源引发的环境问题层出不穷，开发和利用清洁能源已经成为当务之急。
海洋漂流浮体随波浪漂流，观测记录海洋气象等各方面数据，并将数据传输回观测站，为海洋观测提供数据支持。大部分漂流浮体携带一次性锂电池，更换电池十分不便，很多浮体电量耗尽即被抛弃，造成大量的浪费。如何就地取材地为这些浮体长期有效供能是延长漂流浮体工作寿命的一个瓶颈问题。因此，收集海洋环境中丰富的波浪能，转化为电能，为浮标供电，是解决当前问题的一种具有良好前景的方案。然而，波浪频率较低，现有的波浪能转换装置存在输出功率低、可靠性低、环境适应性差等问题，难以高效地收集波浪能，无法满足长期有效地为漂流浮体供电的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构较为简单、发电效率高、稳定性好、寿命长的共振式波能转换的可为海洋漂流浮体供电的惯性波能装置。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种可为海洋漂流浮体供电的惯性波能装置，包括支撑机构、弹簧振子机构、传动机构、发电机构；所述支撑机构包括上盖板、下底板、支撑轴及直线滑动轴承，三个支撑轴分别穿过直线滑动轴承固定安装在上盖板和下盖板之间；所述弹簧振子机构包括两个弹簧、齿条和振子，一个弹簧一端安装在上盖板下面表，另一端连接振子上表面，另一个弹簧一端安装在下底板上表面，另一端连接振子连下表面，振子中心做对称切割处理，上下两表面均开有三个轴承安装槽，振子侧面固定安装齿条，振子上下表面的轴承安装槽均安装直线滑动轴承；所述传动机构包括齿轮、两个立式轴承、传动轴及联轴器，传动轴的一端连接一个立式轴承，再依次穿过齿轮和另一立式轴承，传动轴的另一端连接联轴器，两个立式轴承下面连接支架，支架与下盖板固定连接；所述发电机构包括行星齿轮增速装置和电磁发电机，行星齿轮增速装置一端与联轴器连接，另一端连接电磁发电机。
进一步地，所述支撑轴为光滑轴杆，直线滑动轴承安装于振子表面中心周围，与支撑轴相配合以使得振子沿着支撑轴滑动。
进一步地，所述振子为三棱柱式，可以同时安装三组传动机构及发电机构。
本发明的有益效果在于：
1、将波浪能转换结构的一部分集成到振子上，提高了振子在系统中质量占比，能够提高俘获波浪能的效率。
2、采用齿轮齿条传动机构，结构简单，能够高效地将直线运动转换为转动。
3、采用立式轴承作为传动轴的支撑，能够有效地减小传动轴转动的摩擦阻力，提高了直线运动转换为转动的能量转换效率。
4、采用行星齿轮增速装置，提高电磁发电机的输入转速，保证了电磁发电机转速的稳定性，有效提高了电磁发电机的发电效率。
5、采用弹簧振子系统，弹簧刚度与振子质量配合，能够使振子实现与波浪运动的共振，增大了振子运动行程及齿轮转速，有效增大了电磁发电机的输入转速，显著提升了电磁发电机的转换效率。
6、本发明设计的惯性波能转换装置可以实现海洋漂流浮体的自供能，替代或部分代替以往的蓄电池供电，并且一经使用，无需更换，更具有实用性。
7、本发明的波浪能转换装置结构简单，易于模块化，建造流程简单，建造成本低，且可以有效延长海洋漂流浮体的使用寿命，降低海洋观测成本。
附图说明
图1是本发明的可为海洋漂流浮体供电的惯性波能装置总体结构示意图。
图2是图1中传动机构及发电机构的局部放大图。
图3是振子的放大图。
图4是惯性装置与海洋漂流浮体耦合的效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
根据图1，本发明提供了一种可为海洋漂流浮体供电的惯性波能转换装置，包括支撑机构、弹簧振子机构、传动机构、发电机构。
所述支撑机构包括包括上盖板1、下底板9、支撑轴3及直线滑动轴承4，三个支撑轴3分别穿过直线滑动轴承4固定安装在上盖板1和下底板9之间，支撑轴3杆为光滑轴杆。
所述弹簧振子机构包括两个弹簧2、振子5和齿条6。其中一个弹簧2一端安装在上盖板1下面表，另一端连接振子5上表面；另一个弹簧2一端安装在下底板9上表面，另一端连接振子5连下表面；振子5通过两个弹簧2结构悬于装置中间，使振子5能够随着外界激励而运动。振子5侧面固定安装齿条6，齿条6随振子5一起运动，弹簧2的刚度要根据振子5的质量选取，保证弹簧振子系统在低频的波浪条件下，其自身的固有振动频率能够保持在波浪的共振频率范围内。直线滑动轴承4为圆法兰直线轴承，安装于振子5表面中心周围，与支撑轴3进行配合使振子5沿轴杆运动，既能限制振子5的其他自由度的位移，也能减小系统的摩擦阻力、保持振子5运动的流畅，增加了系统的稳定性。
传动机构及发电机构7与下盖板9固定连接，传动机构将振子5的垂荡运动输出为齿轮及轴承的转动，发电机构通过传动机构发电。
根据图2，传动机构包括传动轴11、齿轮10、立式轴承12、联轴器13及支架16。传动轴11一端连接一个立式轴承12，再依次穿过齿轮10和另一立式轴承12，传动轴11另一端连接联轴器13，两个立式轴承12下面连接支架16，支架16与下盖板9固定连接。齿轮10与齿条6啮合，齿条6上下移动带动齿轮10进行转动，传动轴11随着齿轮10一起转动。所述联轴器13安装于传动轴11与发电机轴杆之间，保证发电机与传动轴保持同等转速，所述立式轴承12为深沟球轴承，该轴承摩擦系数小，极限转速高，结构简单，精度高。采用该立式轴承能够有效减小转动地摩擦力，且能支撑传动轴，起到限制传动轴和齿轮结构的位移，防止齿条齿轮结构脱落，提高整个装置的可靠性。
发电机构包括行星齿轮增速装置14和电磁发电机15。行星齿轮增速装置14一端与联轴器13固定连接，另一端与电磁发电机15固定连接。联轴器11联接于传动轴11和行星齿轮增速装置14之间，可使传动轴11的转动更有效地输入到行星齿轮增速装置14中，电磁发电机15与传动轴11保持同等转速，传动轴11的旋转作为输入，通过行星齿轮增速装置14后输出，作为电磁发电机15的输入转速，传动轴11输入的旋转运动通过行星齿轮增速装置14后能够达到更快的转速输入给电磁发电机15，从而能够有效地提高电磁发电机15的输出功率。
根据图1和图2，振子5两面开有轴承安装槽，直线滑动轴承4安装在振子5两面，支撑轴3穿过振子5与轴承配合。振子5在波浪力和弹簧弹力共同作用下，沿着支撑轴3进行往复运动，带动齿条6运动，通过齿轮10和齿条6啮合传动，齿轮10将发生转动，此转动将通过传动轴11和联轴器13，经过行星齿轮增速装置14提高转速后传递到电磁发电机15，从而产生电能。
所述直线滑动轴承4与支撑轴3配合，可以极大地减小振子5在运动过程中的摩擦阻力，有效地提高能量的转换效率，同时，三根支撑轴3可以保持振子5位置平衡，防止齿轮10和齿条6之间出现位移而脱落。
所述立式轴承12与传动轴11配合，既可以减小传动轴11转动的摩擦阻力，提高能量的转换效率，又可以限制齿轮10位移，防止齿轮10和齿条6脱落，增强传动结构的可靠性。
根据图3，振子5为近似于三棱柱结构，使整个装置对称性更好，在水中姿态更稳定；振子5中心做对称切割处理，在不影响振子结构强度的前提下，能够有效地减轻振子的质量；振子5采用三棱柱式的设计，可以同时带动三组发电机进行发电，在保证装备稳定性的情况下，可以有效地提高收集能量的效率。
根据图4，所述惯性波能装置利用封装外壳8整体封装，防止与海水直接接触。封装后的装置整体与浮体耦合，随着浮体在波浪中运动，为浮体提供电能。
结合附图对本发明的工作过程进一步详细描述：
本发明的可为海洋漂流浮体供电的惯性波能转换装置与海洋漂流浮体耦合，在波浪力的作用下，装置整体受迫振动，波能转换装置中的振子5在波浪力和弹簧2的共同作用下，沿着支撑轴3做往复运动，通过支撑轴3和直线滑动轴承4的配合，有效地减小了运动过程中的摩擦力，使运动更加流程平稳。在运动过程中，齿条6随着振子5一起做直线运动，齿轮10与齿条6啮合，齿条10带动齿轮10转动，将直线运动转化为旋转运动。由于齿轮10固定于传动轴11上，齿轮10则带动传动轴11一起转动，再通过联轴器13，将此旋转运动经过行星齿轮增速装置14后被传递到电磁发电机15，从而利用电磁发电机15产生电流。电磁发电机15前端布置行星齿轮增速装置14，可以增加输入转速，提高电磁发电机15的发电效率。
本发明的可为海洋漂流浮体供电的惯性波能转换装置随着波浪升沉运动，浮标带动波能装置做垂荡运动，弹簧振子结构由于受到激励，也会进行往复运动，然后通过齿条6和齿轮10结构将直线运动转化为旋转运动，齿轮10再通过传动轴11和联轴器13将旋转运动传递到电磁发电机15，提高了转动速度，有效提高了装置的输出功率，将低频波浪能转换为中高频转动，从而高效地带动发电机发电。
本发明的可为海洋漂流浮体供电的惯性波能转换装置可以应用于海洋漂流浮体自供能。在随着波浪起伏运动的过程中，浮体将带动波能转换装置运动，在这个过程中波浪能将被转化为电能，使海洋浮体可以实现自供电，从而延长浮标的工作寿命。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种可为海洋漂流浮体供电的惯性波能装置，其特征在于：支撑机构、包括弹簧振子机构、传动机构、发电机构；
所述支撑机构包括上盖板(1)、下盖板(9)、支撑轴(3)及直线滑动轴承(4)，三个支撑轴(3)分别穿过直线滑动轴承(4)固定安装在上盖板(1)和下盖板(9)之间；
所述弹簧振子机构包括两个弹簧(2)、齿条(6)和振子(5)，一个弹簧(2)一端安装在上盖板(1)下面表，另一端连接振子(5)上表面，另一个弹簧(2)一端安装在下盖板(9)上表面，另一端连接振子(5)连下表面，振子(5)中心做对称切割处理，上下两表面均开有三个轴承安装槽，振子(5)侧面固定安装齿条(6)，振子(5)上下表面的轴承安装槽均安装直线滑动轴承(4)；
所述传动机构包括齿轮(10)、两个立式轴承(12)、传动轴(11)及联轴器(13)，传动轴(11)的一端连接一个立式轴承(12)，再依次穿过齿轮(10)和另一立式轴承(12)，传动轴(11)的另一端连接联轴器(13)，两个立式轴承(12)下面连接支架(16)，支架(16)与下盖板(9)固定连接；
所述发电机构包括行星齿轮增速装置(14)和电磁发电机(15)，行星齿轮增速装置(14)一端与联轴器(13)连接，另一端连接电磁发电机(15)。
2.根据权利要求1所述一种可为海洋漂流浮体供电的惯性波能装置，其特征在于：支撑轴(3)为光滑轴杆，直线滑动轴承(4)安装于振子(5)表面中心周围，与支撑轴相配合以使得振子沿着支撑轴滑动。
3.根据权利要求1所述一种可为海洋漂流浮体供电的惯性波能装置，其特征在于：振子(5)为三棱柱式，可以同时安装三组传动机构及发电机构。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113882991B (zh) | 2024-07-09 |
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