CN114294149B - 一种球形多维度运动波浪能发电装置及其发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种球形多维度运动波浪能发电装置及发电方法，该装置包括球形外壳，在球形外壳内设置中间箱体，在中间箱体的内部放置重块和整流储能系统，在中间箱体的六个侧面上各安装一个万向节，还包括六个结构相同的齿轮齿条机构，所述的齿轮齿条机构包括外壳，外壳的一端通过连接体与中间箱体一个侧面上的万向节相连接，另一端安装限位块，在限位块上设置一个仅供齿条通过的通孔，齿条的一端插入上述通孔，另一端通过连接体与安装在球形外壳内壁上的万向节相连接。本发明所公开的发电装置，球形外壳可以充分利用波浪运动的多向性和往复性，从而最大化地收集入射波浪的能量。

Description

一种球形多维度运动波浪能发电装置及其发电方法
技术领域
本发明属于波浪能发电技术领域，特别涉及该领域中的一种球形多维度运动波浪能发电装置及其发电方法。
背景技术
振荡体式波能发电装置是目前应用最广泛的波能发电装置，其原理是利用浮体在波浪作用下的运动来进行能量转换，具有适应性强，形式多样，移动和控制灵活等特点。
但是为了方便控制和锚固，大多数振荡体式波能发电装置只利用了随波浪运动的单个自由度，导致波能利用效率偏低。我国波浪能的分布特点是分布面积广阔，但能流密度偏低，相对于具有丰富波能资源的欧美国家，使用单自由度的振荡体式波能发电装置发电效率太低，无法满足实际需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提高振荡体式波能发电装置的能量转换效率，提供一种多自由度、可以既投既用的球形振荡体式多维度运动波浪能发电装置及其发电方法。
本发明采用如下技术方案：
一种球形多维度运动波浪能发电装置，其改进之处在于：包括球形外壳，在球形外壳内设置中间箱体，在中间箱体的内部放置重块和整流储能系统，在中间箱体的六个侧面上各安装一个万向节，还包括六个结构相同的齿轮齿条机构，所述的齿轮齿条机构包括外壳，外壳的一端通过连接体与中间箱体一个侧面上的万向节相连接，另一端安装限位块，在限位块上设置一个仅供齿条通过的通孔，齿条的一端插入上述通孔，另一端通过连接体与安装在球形外壳内壁上的万向节相连接，在外壳内设置第一齿轮轴和电机，在第一齿轮轴上设置小齿轮和大齿轮，在电机轴上也设置齿轮，上述小齿轮与齿条啮合，大齿轮与电机轴上的齿轮啮合，电机发出的电送入整流储能系统。
进一步的，球形外壳由两个半球外壳通过螺栓连接组成。
进一步的，齿轮齿条机构的外壳由两片盖板组成，两片盖板之间通过第一轴套和第二轴套相连接，在第一轴套内安装螺钉，在第二轴套内安装第一齿轮轴。
进一步的，连接体通过螺栓、螺母固定在外壳上，并在螺母和外壳之间设置垫片。
进一步的，限位块通过轴镶嵌在外壳上。
进一步的，在外壳内还设置第二齿轮轴，在第二齿轮轴上设置小齿轮和大齿轮，小齿轮在外壳内并与第一齿轮轴上的大齿轮啮合，大齿轮在外壳外并与电机轴上的齿轮啮合。
进一步的，电机通过螺钉固定在外壳上。
一种发电方法，适用于上述的发电装置，其改进之处在于：发电装置漂浮在海面上并通过缆绳与海底或海洋平台相连，在发电装置随波浪起伏运动的过程中，其内部的中间箱体在惯性作用下会分别挤压或拉伸其侧面的六个齿轮齿条机构，使齿条通过小齿轮、大齿轮和电机轴上的齿轮带动电机轴旋转发电。
进一步的，六个齿轮齿条机构电机发出的电在送入整流储能系统后，既可进行存储，也可通过缆绳内的电缆向外输出。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的发电装置，球形外壳可以充分利用波浪运动的多向性和往复性，从而最大化地收集入射波浪的能量；在波浪的作用下，球形外壳会产生垂荡、横荡、纵荡、横摇、纵摇多个自由度的运动，摆脱了以往单自由度运动的限制，经试验验证，该发电装置在以往单自由度振荡体式波能发电装置的基础上，进一步提高了波能利用效率；结构简单，制造成本低，可通过缆绳固定安装在海上平台支架上或与其他海上结构物相耦合，便于回收利用。
本发明所公开的发电方法，不受水深、地点等条件限制，可实现就地取能及原位供能，为海上结构物的供电提供了新途径。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开发电装置的总装配图；
图2是本发明实施例1所公开发电装置总装配后的内部结构主视图；
图3是本发明实施例1所公开发电装置总装配后的内部结构俯视图；
图4是本发明实施例1所公开发电装置中齿轮齿条机构的结构示意图；
图5是本发明实施例1所公开发电装置中齿轮齿条机构的内部结构示意图；
图6是本发明实施例1所公开发电装置中齿轮齿条机构内各齿轮间的配合关系示意图；
图7是将本发明所公开发电装置直接投放在海面上的示意图；
图8是将本发明所公开发电装置与海洋结构物相耦合的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1—3所示，本实施例公开了一种球形多维度运动波浪能发电装置，包括球形外壳1，球形外壳可以充分提高发电装置的随波性，在球形外壳内设置中间箱体5，在中间箱体的内部放置重块和整流储能系统，在中间箱体的六个侧面上各安装一个万向节2，还包括六个结构相同的齿轮齿条机构3，如图4—5所示，所述的齿轮齿条机构包括外壳9，外壳的一端通过连接体10与中间箱体一个侧面上的万向节相连接，另一端安装限位块18，在限位块上设置一个仅供齿条通过的通孔，通孔可以确保齿条的轴向运动，防止齿条因受弯矩过大而产生扭转受损。齿条8的一端插入上述通孔，另一端通过连接体7与安装在球形外壳内壁上的万向节6相连接，即齿轮齿条机构与球形外壳和中间箱体之间均采用万向节连接，这样可以释放发电装置的自由度，充分吸收入射波浪的能量。如图6所示，在外壳内设置第一齿轮轴、第二齿轮轴和电机15，在第一齿轮轴上设置小齿轮17和大齿轮21，第一齿轮轴上的小齿轮和大齿轮均在外壳内，在第二齿轮轴上设置小齿轮16和大齿轮22，第二齿轮轴上的小齿轮在外壳内，大齿轮在外壳外，在电机轴上也设置齿轮23，电机轴上的齿轮在外壳外，上述第一齿轮轴上的小齿轮与齿条8啮合，将齿条的直线运动转化为旋转运动，第一齿轮轴上的大齿轮与第二齿轮轴上的小齿轮啮合，第二齿轮轴上的大齿轮与电机轴上的齿轮啮合，由第一齿轮轴上的大齿轮带动第二齿轮轴上的小齿轮转动，第二齿轮轴上的大齿轮带动电机轴上的齿轮（该齿轮比第二齿轮轴上的大齿轮小）转动，即经过二级齿轮加速机构，一次压缩带动电机轴更多次的旋转，可以更加充分的将直线运动的动能转化为旋转机械能。电机发出的电送入整流储能系统。
在本实施例中，球形外壳由两个半球外壳通过螺栓4连接组成。齿轮齿条机构的外壳由两片盖板组成，两片盖板之间通过第一轴套14和第二轴套19相连接，在第一轴套内安装螺钉25，在第二轴套内安装第一齿轮轴。连接体10通过螺栓13、螺母11固定在外壳上，并在螺母和外壳之间设置垫片12。限位块18通过轴20镶嵌在外壳上。电机15通过螺钉24固定在外壳上。
该发电装置的能量转换原理为：
（1）当波浪作用到发电装置上时，球形外壳会首先产生多个自由度的运动，实现波浪能到发电装置运动动能的一级转换；
（2）发电装置在运动过程中，中间箱体由于内部含有重物，在其因惯性移动时会挤压或拉伸齿轮齿条机构，齿轮齿条机构将直线运动转化为旋转运动，实现由运动动能到旋转机械能的二级转换；
（3）最后通过电机将旋转机械能转化为电能，并通过整流储能系统将电能收集汇总，实现就地取能及原位供能。
如图7所示，选择合适的海域将发电装置直接投放在海面上，实现既投既用。将发电装置28通过缆绳27与海底29进行连接固定，在波浪作用下发电装置可产生多个自由度的运动，从而充分吸收波浪能，有效发电。发出的电既可进行存储，也可通过缆绳（与电缆结合）向水下输能，从而实现水下供能。
如图8所示，发电装置也可以与海洋结构物相耦合，即将发电装置28通过缆绳27直接与海洋平台26相连，实现就地取能及原位供能。
发电装置本体漂浮在海面上，当与海洋平台等海上结构物相连时可通过缆绳直接进行回收；当单独投放在海面上时，可由人工操作进行回收，过程简单方便，遇到极端天气时可迅速做出避险措施，以便后续再次利用。
本实施例还公开了一种发电方法，适用于上述的发电装置：发电装置漂浮在海面上并通过缆绳与海底或海洋平台相连，在发电装置随波浪起伏运动的过程中，其内部的中间箱体在惯性作用下会分别挤压或拉伸其侧面的六个齿轮齿条机构，使齿条通过小齿轮、大齿轮和电机轴上的齿轮带动电机轴旋转发电。六个齿轮齿条机构电机发出的电在送入整流储能系统后，既可进行存储，也可通过缆绳内的电缆向外输出。

Claims (9)

1.一种球形多维度运动波浪能发电装置，其特征在于：包括球形外壳，在球形外壳内设置中间箱体，在中间箱体的内部放置重块和整流储能系统，在中间箱体的六个侧面上各安装一个万向节，还包括六个结构相同的齿轮齿条机构，所述的齿轮齿条机构包括外壳，外壳的一端通过连接体与中间箱体一个侧面上的万向节相连接，另一端安装限位块，在限位块上设置一个仅供齿条通过的通孔，齿条的一端插入上述通孔，另一端通过连接体与安装在球形外壳内壁上的万向节相连接，在外壳内设置第一齿轮轴和电机，在第一齿轮轴上设置小齿轮和大齿轮，在电机轴上也设置齿轮，上述小齿轮与齿条啮合，大齿轮与电机轴上的齿轮啮合，电机发出的电送入整流储能系统。
2.根据权利要求1所述球形多维度运动波浪能发电装置，其特征在于：球形外壳由两个半球外壳通过螺栓连接组成。
3.根据权利要求1所述球形多维度运动波浪能发电装置，其特征在于：齿轮齿条机构的外壳由两片盖板组成，两片盖板之间通过第一轴套和第二轴套相连接，在第一轴套内安装螺钉，在第二轴套内安装第一齿轮轴。
4.根据权利要求1所述球形多维度运动波浪能发电装置，其特征在于：连接体通过螺栓、螺母固定在外壳上，并在螺母和外壳之间设置垫片。
5.根据权利要求1所述球形多维度运动波浪能发电装置，其特征在于：限位块通过轴镶嵌在外壳上。
6.根据权利要求1所述球形多维度运动波浪能发电装置，其特征在于：在外壳内还设置第二齿轮轴，在第二齿轮轴上设置小齿轮和大齿轮，小齿轮在外壳内并与第一齿轮轴上的大齿轮啮合，大齿轮在外壳外并与电机轴上的齿轮啮合。
7.根据权利要求1所述球形多维度运动波浪能发电装置，其特征在于：电机通过螺钉固定在外壳上。
8.一种发电方法，适用于权利要求1所述的发电装置，其特征在于：发电装置漂浮在海面上并通过缆绳与海底或海洋平台相连，在发电装置随波浪起伏运动的过程中，其内部的中间箱体在惯性作用下会分别挤压或拉伸其侧面的六个齿轮齿条机构，使齿条通过小齿轮、大齿轮和电机轴上的齿轮带动电机轴旋转发电。
9.根据权利要求8所述的发电方法，其特征在于：六个齿轮齿条机构电机发出的电在送入整流储能系统后，既可进行存储，也可通过缆绳内的电缆向外输出。
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