CN114352466B - 海水浮动动力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海水浮动动力发电装置，包括支架、发电机、单向飞轮、浮体，以及链条；支架的顶端设有传动轴；发电机的动力轴与传动轴连接；单向飞轮套设于传动轴上，且轮缘具有链齿；浮体位于单向飞轮的正下方，用于随海水的浮动而上下浮动；链条与链齿啮合连接，且两端分别与浮体和坠子连接；在浮体随海水的上浮而上浮时，坠子牵引链条以带动单向飞轮反向空转，在浮体随海水的下浮而下浮时，浮体通过链条带动单向飞轮正转，进而带动传动轴旋转。本发明提供的海水浮动动力发电装置，能够将海水的上下浮动转换为传动轴的连续旋转，从而为发电机连续性发电提供运转动力，发电效率高。

Description

海水浮动动力发电装置

技术领域

本发明属于海水发电技术领域，具体涉及一种海水浮动动力发电装置。

背景技术

在当前致力于实现碳中和目标的大环境下，发展清洁能源和再生能源是减少能源消耗的重要途径，其中，利用自然风能、太阳能、海水潮汐效应进行发电的技术也在逐渐成熟。

相对而言，海水能源的利用难度最大，设备投资建设成本也最高，通常潮汐发电需要构筑高位水槽和低位水槽，涨潮期低位水槽内浮板上浮而将内部海水灌入高位水槽，落潮期高位水槽内海水流向低位水槽，整个过程是将海水的高度势能转换为发电系统的运行动能而发电，由于海水涨潮落潮的高度差有限，而这就直接导致了高位水槽与低位水槽之间的高度落差上限较低，因此海水势能难以转化形成较高的动能，进而制约发电量的提升。

相较于利用海水的潮汐效应发电，利用海水的浪涌发电是当前新兴的一种发电思路，基于海风而使海水产生不断的上下律动形成浪涌，以浪涌为动力进行发电，但是现有的浪涌发电系统只能够利用海浪的上涌或回落动力，无法形成连续的动力输出，因此大多为间歇式发电，发电量与设备投入不成正比，因此，如何利用海水浪涌动力进行连续的发电是当前亟需解决的问题，将对海水发电的大规模推广产生重要意义。

发明内容

本发明实施例提供一种海水浮动动力发电装置，旨在解决当前海水发电效率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种海水浮动动力发电装置，包括支架、发电机、单向飞轮、浮体，以及链条；支架用于固定直立于海水中，且顶端伸出于海平面之上，支架的顶端转动连接有沿水平方向延伸的传动轴；发电机固定连接于支架上，发电机的动力轴与传动轴连接；单向飞轮固定套设于传动轴上，单向飞轮的轮缘具有链齿；浮体适于漂浮于海平面上，且位于单向飞轮的正下方，用于随海水的浮动而上下浮动；链条与链齿啮合连接，且两端分别向下悬垂，其中一个悬垂端与浮体的顶端连接，另一个悬垂端连接有坠子；其中，在浮体随海水的上浮而上浮时，坠子牵引链条以带动单向飞轮反向空转，在浮体随海水的下浮而下浮时，浮体在其自身重力作用下牵引链条以带动单向飞轮正转，进而带动传动轴旋转。

在一种可能的实现方式中，传动轴上同轴套接有惯性轮，惯性轮用于在浮体带动传动轴旋转时储能，并用于在浮体静止或上浮时释能以带动传动轴连续旋转。

一些实施例中，海水浮动动力发电装置还包括控制器和测速组件；控制器设于支架或发电机上，与发电机电连接；测速组件用于检测传动轴的转速，且与控制器电连接；其中，控制器用于获取测速组件的检测数据，并根据检测数据控制发电机的负荷。

示例性的，测速组件包括导磁性齿轮和传感器；其中，导磁性齿轮同轴套接于传动轴上；传感器沿导磁性齿轮的径向固定连接于支架上，且感应端靠近导磁性齿轮的轮齿。

举例说明，发电机包括一组主线圈和至少两组副线圈，主线圈和至少两组副线圈依次串联，主线圈与副线圈之间、相邻副线圈之间均串接有常闭继电开关，每个副线圈上均并联有常开继电开关，常闭继电开关、常开继电开关均与控制器电连接。

在一种可能的实现方式中，浮体的顶端中心位置设有球头铰接件，球头铰接件与链条连接。

一些实施例中，支架具有多个竖立于浮体外围的立柱，各个立柱用于配合限制浮体的水平摆动自由度。

示例性的，支架上设有限位板，限位板用于承托下浮至极限位置的浮体。

举例说明，单向飞轮的上半部分罩设有用于阻挡链条与链齿脱离的防脱罩。

进一步地，传动轴上间隔分布有多个单向飞轮，每个单向飞轮上均通过一条链条连接有一个浮体。

本发明提供的海水浮动动力发电装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明海水浮动动力发电装置，利用坠子和浮体对链条两端的牵引作用而确保链条始终处于紧绷状态，能够避免链条与链齿脱离，确保运行稳定性，由于无论海水如何律动，浮体始终受海水的浮力作用而漂浮于海平面上，因此当浪涌来时海水带动浮体上浮，此时坠子牵引链条而带动单向飞轮反向空转，当浪涌去后海水下沉，此时浮体在其重力作用下回落，在回落的同时带动单向飞轮正转、从而带动传动轴一并旋转，促使发电机做功发电，由于单向飞轮能够存储一定的转动惯量，因此在浮体下落后传动轴仍然能够在单向飞轮释放的转量作用下继续运转，直至下一次浪涌经过后浮体再次下落过程中使单向飞轮进行重新蓄能，从而实现传动轴的连续运转，进而实现发电机的连续发电，提高发电效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的海水浮动动力发电装置的正视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的海水浮动动力发电装置的侧视结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的海水浮动动力发电装置的结构示意图；

图4为本发明实施例所采用的发电机的线圈电路连接示意图；

图5为本发明实施例提供的海水浮动动力发电装置的控制原理框图。

图中：100、支架；101、传动轴；102、立柱；103、限位板；104、防脱罩；200、发电机；201、主线圈；202、副线圈；203、常闭继电开关；204、常开继电开关；300、单向飞轮；301、链齿；400、浮体；401、球头铰接件；500、链条；501、坠子；600、惯性轮；700、控制器；800、测速组件；801、导磁性齿轮；802、传感器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。

应当说明，海水受海风和自然规律的影响会连续不断的产生浪涌现象，因地理位置的不同、海况不同，海面上所产生的波动情况也不相同，若想全面利用各种情况下的海水拨动能量目前而言是不可能的，因此综合各种因素的影响，只能够选择地理位置相对较好的位置进行合理利用，才能够获得较佳的投入产出比。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的海水浮动动力发电装置进行说明。所述海水浮动动力发电装置，包括支架100、发电机200、单向飞轮300、浮体400，以及链条500；支架100用于固定直立于海水中，且顶端伸出于海平面之上，支架100的顶端转动连接有沿水平方向延伸的传动轴101；发电机200固定连接于支架100上，发电机200的动力轴与传动轴101连接；单向飞轮300固定套设于传动轴101上，单向飞轮300的轮缘具有链齿301；浮体400适于漂浮于海平面上，且位于单向飞轮300的正下方，用于随海水的浮动而上下浮动；链条500与链齿301啮合连接，且两端分别向下悬垂，其中一个悬垂端与浮体400的顶端连接，另一个悬垂端连接有坠子501；其中，在浮体400随海水的上浮而上浮时，坠子501牵引链条500以带动单向飞轮300反向空转，在浮体400随海水的下浮而下浮时，浮体400在其自身重力作用下牵引链条500以带动单向飞轮300正转，进而带动传动轴101旋转。

需要解释的是，单向飞轮300属于一种单向传动机构，自身具备较大的转动惯量，当动力源带动其正转时，能够驱动转轴一并转动，并在转动的同时进行蓄能，当失去动力源时开始释能而推动转轴继续转动，其目的一方面在于将间断性的动力源转换为连续的动力输出，另一方面在于提高动力输出的平稳性；浮体400具体可以是一个空心的壳体结构，或者为被浮力较大的气囊结构所包裹的实体结构，应当注意的是，由于驱动单向飞轮300带动传动轴101正转的动力为浮体400的重力，因此浮体400的重量应当于发电机200的符合相匹配，同时需要保证浮体400所受到海水的浮力应当大于其自身重力。

本实施例提供的海水浮动动力发电装置，与现有技术相比，利用坠子501和浮体400对链条500两端的牵引作用而确保链条500始终处于紧绷状态，能够避免链条500与链齿301脱离，确保运行稳定性，由于无论海水如何律动，浮体400始终受海水的浮力作用而漂浮于海平面上，因此当浪涌来时海水带动浮体400上浮，此时坠子501牵引链条500而带动单向飞轮300反向空转，当浪涌去后海水下沉，此时浮体400在其重力作用下回落，在回落的同时带动单向飞轮300正转、从而带动传动轴101一并旋转，促使发电机200做功发电，由于单向飞轮300能够存储一定的转动惯量，因此在浮体400下落后传动轴101仍然能够在单向飞轮300释放的转量作用下继续运转，直至下一次浪涌经过后浮体400再次下落过程中使单向飞轮300进行重新蓄能，从而实现传动轴101的连续运转，进而实现发电机200的连续发电，提高发电效率。

在一些实施例中，参见图1，传动轴101上同轴套接有惯性轮600，惯性轮600用于在浮体400带动传动轴101旋转时储能，并用于在浮体400静止或上浮时释能以带动传动轴101连续旋转。应当理解，由于单向飞轮300自身结构所限，使其能够储存大量的转动能量并不现实，因此单纯依靠单向飞轮300进行蓄能容易导致传动轴101的转速时高时低，尤其在海水浮动频率较低时，容易出现传动轴101停转的情况，在此通过设置惯性轮600，能够进一步提高传动轴101整体的蓄能能力，从而确保在海水浮动频率低时传动轴101仍然能够连续稳定的转动，提高发电机200的发电连续性，同时，还能够避免出现因传动轴101的频繁加减速而导致浮体400的回落势能有效利用率低的情况。

进一步地，请参阅图1，上述海水浮动动力发电装置还包括控制器700和测速组件800；控制器700设于支架100或发电机200上，与发电机200电连接；测速组件800用于检测传动轴101的转速，且与控制器700电连接；其中，控制器700用于获取测速组件800的检测数据，并根据检测数据控制发电机200的负荷。

需要理解，发电机200的输入转速越高，其发电量越大，而伴随着其输入转速的提高，其所需要的动力也越大，基于这一情况，当海水浮动频率大时，浮体400上下运动频率增加，浮体400通过单行飞轮对传动轴101的做功越多，动力越足，此时传动轴101的转速较高，此时发电机200可满负荷发电，而当海水浮动频率低时浮体400做功少的情况，或者在开机阶段传动轴101尚处于加速过程中(单向飞轮300和惯性轮600蓄能较少)时，传动轴101的动力相对较小，转速低，此时若发电机200继续满负荷发电，容易因动力不足而出现停摆，基于这种情况，在此通过设置测速组件800实时检测传动轴101的转速，并将检测结果传输给控制器700，通过控制器700根据传动轴101的实时转速控制发电机200的负荷量，也就是说，转速低时减小发电负荷，转速高时提高发电负荷，从而确保发电机200始终能够适应实际情况，实现连续发电。

具体的，如图1和图5所示，上述测速组件800包括导磁性齿轮801和传感器802；其中，导磁性齿轮801同轴套接于传动轴101上；传感器802沿导磁性齿轮801的径向固定连接于支架100上，且感应端靠近导磁性齿轮801的轮齿。测速组件800具有多种实现形式，具体包括采用编码器、角度传感器，或者上述导磁性齿轮801和传感器802配合的方式，在此优选后者是基于海上恶劣的作业环境考虑，当然，传感器802可以是巨磁阻传感器或霍尔传感器中一种，利用传感器802感应导磁性齿轮801上各个轮齿的经过信号而获得传动轴101转速，灵敏度高，且对于高潮湿度环境的适应性强。

应当说明的是，在本实施例中，参见图4，发电机200包括一组主线圈201和至少两组副线圈202，主线圈201和至少两组副线圈202依次串联，主线圈201与副线圈202之间、相邻副线圈202之间均串接有常闭继电开关203，每个副线圈202上均并联有常开继电开关204，常闭继电开关203、常开继电开关204均与控制器700电连接。

以两组副线圈202为例进行说明，如图4所示，主线圈201为Z1、Z2、Z3，第一组副线圈202为Z4、Z5、Z6，第二组副线圈202为Z7、Z8、Z9；其中，Z1和Z4之间串联常闭继电开关K1，Z2和Z5之间串联常闭继电开关K2，Z3和Z6之间串联常闭继电开关K3，Z4和Z7之间串联常闭继电开关K4，Z5和Z8之间串联常闭继电开关K5，Z6和Z9之间串联常闭继电开关K6，Z4和K1上共同并接有常开继电开关K7，Z5和K2上共同并接有常开继电开关K8，Z6和K3上共同并接有常开继电开关K9，Z7和K4上共同并接有常开继电开关K10，Z8和K5上共同并接有常开继电开关K11，Z9和K6上共同并接有常开继电开关K12。

由于一共有三组线圈，因此发电机200在同等转速条件下能够形成三种负荷状态：第一状态时主线圈201和两组副线圈202同时工作(K1至K6保持常闭状态、K7至K12保持常开状态)，适用于海水浮动频率高、传动轴101达到稳定转速状态的情况；第二状态时主线圈201和第一组副线圈202工作(K1至K3、K10至K12闭合，K4至K6、K7至K9断开)，或者主线圈201和第二组副线圈202工作(K1至K3、K10至K12断开，K4至K6、K7至K9闭合)，适用于海水浮动频率低、传动轴101加速过程；第三状态时主线圈201工作、两组副线圈202均不工作(K1至K6断开、K7至K12闭合)，适用于开机阶段启动转矩较大的情况。

当然，应当说明的是，为了提高发电机200的负荷调整精度，在此优选将两组副线圈202的匝数设置为不同量级(可实现同等转速条件下发电机具备四种负荷状态)，如第二组副线圈202的匝数是第一组副线圈202匝数的二倍，在开机到传动轴101达到稳定转速的整个过程中，采用负荷递增的方式，具体为：首先单独采用主线圈201发电，然后主线圈201和第一组副线圈202共同发电，然后主线圈201和第二组副线圈202共同发电，最后主线圈201和两组副线圈202共同发电，以提高设备运行的平稳性，避免出现负荷突变量过大而导致发电机200故障。

一些可能的实现方式中，参见图2，浮体400的顶端中心位置设有球头铰接件401，球头铰接件401与链条500连接。避免因海水的不规则浮动而使浮体400发生自传时引起链条500扭转变形、进而与链齿301脱离的情况，一方面能够使链条500的牵引作用不受浮体400自转的影响而扭曲，从而提高链条500的使用寿命，另一方面能够确保链条500与链齿301之间的啮合稳定性，确保设备运行安全可靠。

一些实施例中，为了避免浮体400在海水的推动下出现大幅晃动，结合图1和图2，支架100具有多个竖立于浮体400外围的立柱102，各个立柱102用于配合限制浮体400的水平摆动自由度。

举例说明，支架100上设有限位板103，限位板103用于承托下浮至极限位置的浮体400。应当理解，链条500不可能采用无限长度，为了实现投入产出最优化，链条500的长度通常为该海面区域的常规浪涌幅度的二倍，而当偶然出现的较大浪涌经过时，由于海水的上下浮动量变大，容易出现因链条500的长度不足而导致浮体400下浮过程带动其悬挂有坠子501的一端从链齿301上脱离的情况，而为了避免这种情况，在支架100的下限位置设置限位板103，通过限位板103对下浮至低于常规下位的浮体400进行承托，从而避免浮体400继续下落，确保链条500与链齿301的连接稳定性。

示例性的，参见图2，单向飞轮300的上半部分罩设有用于阻挡链条500与链齿301脱离的防脱罩104。通过设置防脱罩104能够与链齿301之间形成只能够容纳链条500正常通行的间隙，也就是说，当链条500从链齿301上脱落时会受到防脱罩104的阻挡作用而无法脱出，从而确保链条500和链齿301的连接稳定性，避免因浪涌过急而导致浮体400极速上升时链条500松动而与链齿301发生脱离。

一些实施例中，参见图3，传动轴101上间隔分布有多个单向飞轮300，每个单向飞轮300上均通过一条链条500连接有一个浮体400。通过设置多组单行飞轮和浮体400的动力结构对传动轴101进行驱动，从而提高传动轴101的动力，进而提升发电机200的发电量，确保发电机200能够保持满负荷发电的工作状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.海水浮动动力发电装置，其特征在于，包括：

支架，用于固定直立于海水中，且顶端伸出于海平面之上，所述支架的顶端转动连接有沿水平方向延伸的传动轴；

发电机，固定连接于所述支架上，所述发电机的动力轴与所述传动轴连接；

单向飞轮，固定套设于所述传动轴上，所述单向飞轮的轮缘具有链齿；

浮体，适于漂浮于所述海平面上，且位于所述单向飞轮的正下方，用于随海水的浮动而上下浮动；

链条，与所述链齿啮合连接，且两端分别向下悬垂，其中一个悬垂端与所述浮体的顶端连接，另一个悬垂端连接有坠子；

其中，在所述浮体随所述海水的上浮而上浮时，所述坠子牵引所述链条以带动所述单向飞轮反向空转，在所述浮体随所述海水的下浮而下浮时，所述浮体在其自身重力作用下牵引所述链条以带动所述单向飞轮正转，进而带动所述传动轴旋转；

所述传动轴上同轴套接有惯性轮，所述惯性轮用于在所述浮体带动所述传动轴旋转时储能，并用于在所述浮体静止或上浮时释能以带动所述传动轴连续旋转；

所述海水浮动动力发电装置还包括：

控制器，设于所述支架或所述发电机上，与所述发电机电连接；

测速组件，用于检测所述传动轴的转速，且与所述控制器电连接；

其中，所述控制器用于获取所述测速组件的检测数据，并根据所述检测数据控制所述发电机的负荷；

所述发电机包括一组主线圈和至少两组副线圈，所述主线圈和至少两组所述副线圈依次串联，所述主线圈与所述副线圈之间、相邻所述副线圈之间均串接有常闭继电开关，每个所述副线圈上均并联有常开继电开关，所述常闭继电开关、所述常开继电开关均与所述控制器电连接；

所述发电机在同等转速条件下能够形成三种负荷状态：第一状态时所述主线圈和两组所述副线圈同时工作，适用于海水浮动频率高、所述传动轴达到稳定转速状态的情况；第二状态时所述主线圈和第一组所述副线圈工作，或者所述主线圈和第二组所述副线圈工作，适用于海水浮动频率低、传动轴加速过程；第三状态时所述主线圈工作、两组所述副线圈均不工作，适用于开机阶段启动转矩较大的情况；两组所述副线圈的匝数设置为不同量级。

2.如权利要求1所述的海水浮动动力发电装置，其特征在于，所述测速组件包括：

导磁性齿轮，同轴套接于所述传动轴上；

传感器，沿所述导磁性齿轮的径向固定连接于所述支架上，且感应端靠近所述导磁性齿轮的轮齿。

3.如权利要求1所述的海水浮动动力发电装置，其特征在于，所述浮体的顶端中心位置设有球头铰接件，所述球头铰接件与所述链条连接。

4.如权利要求1所述的海水浮动动力发电装置，其特征在于，所述支架具有多个竖立于所述浮体外围的立柱，各个所述立柱用于配合限制所述浮体的水平摆动自由度。

5.如权利要求1所述的海水浮动动力发电装置，其特征在于，所述支架上设有限位板，所述限位板用于承托下浮至极限位置的所述浮体。

6.如权利要求1所述的海水浮动动力发电装置，其特征在于，所述单向飞轮的上半部分罩设有用于阻挡所述链条与所述链齿脱离的防脱罩。

7.如权利要求1-6任一项所述的海水浮动动力发电装置，其特征在于，所述传动轴上间隔分布有多个所述单向飞轮，每个所述单向飞轮上均通过一条所述链条连接有一个所述浮体。