CN114382640A - 一种波浪能发电装置及充电桩 - Google Patents

一种波浪能发电装置及充电桩 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发电装置技术领域，公开了一种波浪能发电装置及充电桩，包括第一基准面、第二基准面和滚珠丝杠组件，所述第二基准面位于第一基准面的上方，所述第二基准面的上方设有受力机构，所述第一基准面与第二基准面之间的空间为发电空间，所述发电空间内设有双向发电机构；所述受力机构包括浮体和连接板，所述浮体和连接板之间设有支撑结构，所述支撑结构所围成的空间为活动空间；本发明提供的一种波浪能发电装置及充电桩，解决了现有设计存在结构设计复杂，生产及维护成本均较高，发电效率还有待提升的问题。

Description

一种波浪能发电装置及充电桩
技术领域
本发明涉及发电装置技术领域，具体涉及一种波浪能发电装置及充电桩。
背景技术
据统计，全世界有近万座小型波浪能发电装置在运行，主要用于航标灯、浮标等。但是现阶段的波浪能发电，从开始采集波浪能到最终的发电传输使用，涉及了多个学科的交叉，其中也包含有很多技术性难题。目前国内的采用波浪能发电技术从结构设计角度考虑，存在结构设计复杂的问题，生产及维护成本均较高，发电效率还有待提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种波浪能发电装置及充电桩，用以解决现有技术中存在的至少一个上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种波浪能发电装置，包括第一基准面、第二基准面和滚珠丝杠组件，所述第二基准面位于第一基准面的上方，所述第二基准面的上方设有受力机构，所述第一基准面与第二基准面之间的空间为发电空间，所述发电空间内设有双向发电机构；所述受力机构包括浮体和连接板，所述浮体和连接板之间设有支撑结构，所述支撑结构所围成的空间为活动空间；所述滚珠丝杠组件的丝杠通过滚珠螺母与连接板螺纹连接，所述丝杠的一端位于活动空间内，所述丝杠的另一端与第一基准面转动连接；所述双向发电机构包括第一发电机、第二发电机、中间齿轮和与中间齿轮啮合的第一单向齿轮和第二单向齿轮，所述中间齿轮固定在丝杠上，所述中间齿轮驱动第一单向齿轮和第二单向齿轮转动且第一单向齿轮的齿轮内圈的可转动方向与第二单向齿轮的齿轮内圈的可转动方向相反，所述第一单向齿轮和第二单向齿轮通过传动轴分别驱动第一发电机和第二发电机的输入轴转动。
本技术方案中，由于滚珠丝杠组件的丝杠通过滚珠螺母与连接板螺纹连接，浮体的上下移动驱动连接板沿着丝杠上下移动，由于丝杠的一端位于活动空间内，丝杠的另一端与第一基准面转动连接，连接板在上下移动的过程中丝杠同步转动，从而实现对中间齿轮的双向驱动，也即是，连接板将波浪的上下振荡运动转化为中间齿轮的双向旋转运动，之后再通过双向发电机构实现了将波浪能到机械能的转化。本发电装置将不规则的海洋波浪上下震荡运动分别通过第一单向齿轮和第二单向齿轮转化为单向旋转运动，同时通过中间齿轮和两个单向齿轮的啮合实现双重传动，在原有波浪能发电装置的基础上，简化了装置结构。通过第一单向齿轮和第二单向齿轮，充分利用了波浪作用在浮体上而驱使丝杠的正反转动而产生机械能，再经分别经由第一发电机和第二发电机输出得到电能，两个单向齿轮与中间齿轮的配合使得发电效率相比传统波浪能发电装置得到很大程度的提升，能够带动两个发电机的工作，提高了发电效率。
本发电装置将不规则的海洋波浪上下震荡运动转化为两个单向旋转运动，使两个发电机连续交替运转，从而提高了波浪能的转换效率与能量利用率。滚珠丝杠组件的直接使用简化了本发电装置的整体结构，使得整体结构简单紧凑，易于零件的拆卸更替和装置的维修。
进一步的，考虑到波浪产生的冲击力都是不规则的，因此为了实现多方向的传动，提高波浪能的利用率，进而提升发电效率，包括固定在海底的安装底座，所述安装底座与第一基准面之间活动或弹性连接，所述支撑结构包括周向均匀设置在浮体和连接板之间的多根连接柱，所述连接柱上设有万向节。
由于浮体受到波浪冲击所产生的运动都是不规则的，因此浮体与连接板及安装底座与第一基准面之间的安装需要能够实现多方向随之活动的功能。
具体的，固定在海底的安装底座以刚性结构固定于海底，同时考虑到波浪水平力对装置稳定性影响，在安装底座上设置类似弹簧的弹性结构或万向节的设计使得安装底座与第一基准面之间活动或弹性连接，使本装置在轻微水平扰动情况下，依然能保证其正常工作状况。在浮体和连接板之间围绕活动空间设有三根连接柱，当然也可以是其他数量的连接柱，每根连接柱上具有万向节，万向节的设计，在保证了不影响波浪上下震荡对连接板的驱动的同时，也能够将来自其他方向的力转换为垂直方向的力，进而也能够实现对连接板的上下驱动，更高效的利用了波浪能，从而进一步提升了发电效率。
进一步的，为了更好的实现平稳传动，持续稳定的发电，所述丝杠的轴线与活动空间的轴线共线。
进一步的，为了实现更为平稳的传动，两个传动轴的一端与第二基准面转动连接，两个传动轴的另一端分别通过联轴器与第一发电机和第二发电机的输入轴连接。
进一步的，为了实现更为平稳的传动，及提升发电效率，所述第一发电机和第二发电机对称位于丝杠的两侧。
进一步的，还包括箱体，所述双向发电机构均设置在箱体内，所述第一基准面为箱体的下端面，所述第二基准面为箱体的上端面，所述发电空间为箱体内的空间，所述丝杠与箱体的上端面转动连接。通过箱体的保护，隔绝了双向发电机构与水的接触，使得装置的防水性能提升，不易被海水腐蚀，提高装置的使用寿命。
进一步的，为了达到防水效果，所述箱体为防水箱体，以防水材料制成。
进一步的，为了达到更好的浮动震荡效果，所述浮体为锥形浮体.
进一步的，为了给连接板的上下移动留足避让丝杠的空间，所述连接板的最大活动距离为活动距离L，所述活动距离L小于活动空间的高度H。
本发明还提供一种充电桩，包括所述的一种波浪能发电装置，所述第一发电机和第二发电机分别与储能器连接。储能器可以将电能存储起来，之后再利用。
本发明的有益效果为：本技术方案中，由于滚珠丝杠组件的丝杠通过滚珠螺母与连接板螺纹连接，浮体的上下移动驱动连接板沿着丝杠上下移动，由于丝杠的一端位于活动空间内，丝杠的另一端与第一基准面转动连接，连接板在上下移动的过程中丝杠同步转动，从而实现对中间齿轮的双向驱动，也即是，连接板将波浪的上下振荡运动转化为中间齿轮的双向旋转运动，之后再通过双向发电机构实现了将波浪能到机械能的转化。本发电装置将不规则的海洋波浪上下震荡运动分别通过第一单向齿轮和第二单向齿轮转化为单向旋转运动，同时通过中间齿轮和两个单向齿轮的啮合实现双重传动，在原有波浪能发电装置的基础上，简化了装置结构。通过第一单向齿轮和第二单向齿轮，充分利用了波浪作用在浮体上而驱使丝杠的正反转动而产生机械能，再经分别经由第一发电机和第二发电机输出得到电能，两个单向齿轮与中间齿轮的配合使得发电效率相比传统波浪能发电装置得到很大程度的提升，能够带动两个发电机的工作，提高了发电效率。
本发电装置将不规则的海洋波浪上下震荡运动转化为两个单向旋转运动，使两个发电机连续交替运转，从而提高了波浪能的转换效率与能量利用率。滚珠丝杠组件的直接使用简化了本发电装置的整体结构，使得整体结构简单紧凑，易于零件的拆卸更替和装置的维修。
附图说明
图1为本发明的正视结构示意图；
图2为本发明的立体结构示意图；
图3为本发明安装状态的结构示意图；
图4为本发明中的第一单向齿轮的结构示意图；
图5为本发明中整流稳压电路原理图。
图中：第一基准面1；第二基准面2；丝杠3；发电空间4；浮体5；连接板6；活动空间7；第一发电机8；第二发电机9；中间齿轮10；第一单向齿轮11；第二单向齿轮12；传动轴13；安装底座14；连接柱15；万向节16；联轴器17；箱体18；滚珠螺母19；弹性结构20；海底21；齿轮内圈22。
具体实施方式
实施例1：
如图1-图4所示，本实施例提供一种波浪能发电装置，包括第一基准面1、第二基准面2和滚珠丝杠组件，可以选用SFE2020滚珠丝杠组件，第二基准面2位于第一基准面1的上方，第二基准面2的上方设有受力机构，第一基准面1与第二基准面2之间的空间为发电空间4，发电空间4内设有双向发电机构；受力机构包括浮体5和连接板6，浮体5和连接板6之间设有支撑结构，支撑结构所围成的空间为活动空间7；滚珠丝杠组件的丝杠3通过滚珠螺母19与连接板6螺纹连接，丝杠3的一端位于活动空间7内，丝杠3的另一端与第一基准面1转动连接；双向发电机构包括第一发电机8、第二发电机9、中间齿轮10和与中间齿轮10啮合的第一单向齿轮11和第二单向齿轮12，中间齿轮10固定在丝杠3上，中间齿轮10驱动第一单向齿轮11和第二单向齿轮12转动且第一单向齿轮11的齿轮内圈22的可转动方向与第二单向齿轮12的齿轮内圈22的可转动方向相反，第一单向齿轮11和第二单向齿轮12通过传动轴13分别驱动第一发电机8和第二发电机9的输入轴转动。
本技术方案中，由于滚珠丝杠组件的丝杠3通过滚珠螺母19与连接板6螺纹连接，浮体5的上下移动通过支撑结构驱动连接板6沿着丝杠3上下移动，由于丝杠3的一端位于活动空间7内，丝杠3的另一端与第一基准面1转动连接，连接板6在上下移动的过程中丝杠3同步转动，从而实现对中间齿轮10的双向驱动，也即是，连接板6将波浪的上下振荡运动转化为中间齿轮10的双向旋转运动，之后再通过双向发电机构实现了将波浪能到机械能的转化。本发电装置将不规则的海洋波浪上下震荡运动分别通过第一单向齿轮11和第二单向齿轮12转化为单向旋转运动，同时通过中间齿轮10和两个单向齿轮的啮合实现双重传动，在原有波浪能发电装置的基础上，简化了装置结构。通过第一单向齿轮11和第二单向齿轮12，充分利用了波浪作用在浮体5上而驱使丝杠3的正反转动而产生机械能，再经分别经由第一发电机8和第二发电机9输出得到电能，两个单向齿轮与中间齿轮10的配合使得发电效率相比传统波浪能发电装置得到很大程度的提升，能够带动两个发电机的工作，提高了发电效率。
本发电装置将不规则的海洋波浪上下震荡运动转化为两个单向旋转运动，使两个发电机连续交替运转，从而提高了波浪能的转换效率与能量利用率。滚珠丝杠组件的直接使用简化了本发电装置的整体结构，使得整体结构简单紧凑，易于零件的拆卸更替和装置的维修。
丝杠3与滚珠螺母19之间设有封闭循环的轨道，轨道间充以钢珠，在滚珠螺母19进行上下反复运动时，滚珠沿螺纹滚道循环滚动带动丝杠3做旋转运动，从而达到了机械运动的目的。为延长寿命，可为丝杠3设置润滑件和密封件。丝杠3采用304不锈钢材料制成。且在丝杠3上方通过固定焊接螺帽以控制滚珠螺母19(及浮体5)的运动范围。
实施例2：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
考虑到波浪产生的冲击力都是不规则的，因此为了实现多方向的传动，提高波浪能的利用率，进而提升发电效率，包括固定在海底的安装底座14，安装底座14与第一基准面1之间活动或弹性连接，本实施例采用弹性连接，支撑结构包括周向均匀设置在浮体5和连接板6之间的多根连接柱15，本实施例采用三根连接柱15，三根连接柱15周向均匀设置在浮体5和连接板6之间，连接柱15上设有万向节16。
由于浮体5受到波浪冲击所产生的运动都是不规则的，因此浮体5与连接板6及安装底座14与第一基准面1之间的安装需要能够实现多方向随之活动的功能。
具体的，固定在海底21的安装底座14以刚性结构固定于海底，同时考虑到波浪水平力对装置稳定性影响，在安装底座14上设置类似弹簧的弹性结构20或万向节16的设计使得安装底座14与第一基准面1之间活动或弹性连接，使本装置在轻微水平扰动情况下，依然能保证其正常工作状况。在浮体5和连接板6之间围绕活动空间7设有三根连接柱15，当然也可以是其他数量的连接柱15，本实施例中，每根连接柱15上具有万向节16，万向节16的设计，在保证了不影响波浪上下震荡对连接板6的驱动的同时，也能够将来自其他方向的力转换为垂直方向的力，进而也能够实现对连接板6的上下驱动，更高效的利用了波浪能，从而进一步提升了发电效率。
实施例3：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
为了更好的实现平稳传动，持续稳定的发电，丝杠3的轴线与活动空间7的轴线共线。
实施例4：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
为了实现更为平稳的传动，两个传动轴13的一端与第二基准面2转动连接，两个传动轴13的另一端分别通过联轴器17与第一发电机8和第二发电机9的输入轴连接。
实施例5：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
为了实现更为平稳的传动，及提升发电效率，第一发电机8和第二发电机9对称位于丝杠3的两侧。
实施例6：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
还包括箱体18，双向发电机构均设置在箱体18内，第一基准面1为箱体18的下端面，第二基准面2为箱体18的上端面，发电空间4为箱体18内的空间，丝杠3与箱体18的上端面转动连接。通过箱体18的保护，隔绝了双向发电机构与水的接触，使得装置的防水性能提升，不易被海水腐蚀，提高装置的使用寿命。
实施例7：
本实施例是在上述实施例6的基础上进行优化。
为了达到防水效果，箱体18为防水箱体，以防水材料制成，可以是金属材料，且采用箱体密封设计。通过箱体18的保护，隔绝了双向发电机构与水的接触，使得装置的防水性能提升，不易被海水腐蚀，提高装置的使用寿命。
实施例8：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
为了达到更好的浮动震荡效果，浮体5为锥形浮体5，锥形浮体5的锥角为120°。
实施例9：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
为了给连接板6的上下移动留足避让丝杠3的空间，连接板6的最大活动距离为活动距离L，活动距离L小于活动空间7的高度H。
实施例10：
本发明还提供一种充电桩，包括如实施例1-9中任一实施例所述的一种波浪能发电装置，第一发电机8和第二发电机9分别与储能器连接。储能器可以将电能存储起来，之后再利用。
由于海洋波浪的运动具有随机性，以至发电装置输出的电能具有时断性和波动性。为了保护与发电机相连的储能器，要尽可能使其输入电能稳定，因此发电机(第一发电机和第二发电机)和储能器之间设置有整流稳压电路，其电路原理如图5所示。首先由变压器(T)将发电机发出的电压进行升压处理，接着通过整流桥(D)将交流电转化为直流电，电容(C)进行整流后的滤波，电阻(R)和稳压管(D’)组成稳压电路，将不稳定的直流电转化为稳定直流电，最后输入储存单元(铅蓄电池)。
波浪能发电装置的工作原理：丝杠3旋转传递力矩给中间齿轮10，再通过中间齿轮10两边分别啮合的第一单向齿轮11和第二单向齿轮12，使得一个双向旋转分解成两个单向旋转。单向齿轮的传动轴13和发电机的输入轴之间通过使用联轴器17连接和传递力矩。浮体5在波浪垂荡运动的作用下，通过连接杆和连接板6带动滚珠螺母19做上下往复运动，经过滚珠螺旋传动转换为丝杠3的双向旋转运动，再经过中间齿轮10传动使得两侧的单向齿轮做单向旋转运动，由联轴器17将单向齿轮的单向旋转运动的机械能输入发电机转化为电能。
波浪能转换为电能的一个发电周期的过程如下：
浮体5向上运动时，经过滚珠丝杠组件传动转换成中间齿轮10顺时针旋转，再经过中间齿轮10传动使得第一单向齿轮11逆时针旋转，从而使得第一发电机8发电，此时，第二单向齿轮12空转，不对第二发电机9作用；浮体5向下运动时，经过滚珠丝杠组件传动转换成中间齿轮10逆时针旋转，再经过中间齿轮10传动使得第二单向齿轮顺时针旋转，从而使得第二发电机9发电，此时，第一单向齿轮11空转，不对第一发电机8作用。
需要说明的是，经验证，当浮体5上下振荡频率不变的时候，随着波高的不断增加平均输出功率也相应增加，验证了波浪的波高对于波浪能发电的输出功率有正向影响，在后续的装置安装运行过程中可以选择波高较高的海域进行安装以及可以安装可提高波高的辅助装置进行优化处理。
本发电装置主要安装位置为近大陆海岸线、海岛附近等浅水区域，同时，其还可以依托海上钻井平台或其他能源开采设施安装本发电装置。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。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 (10)

1.一种波浪能发电装置，其特征在于：包括第一基准面、第二基准面和滚珠丝杠组件，所述第二基准面位于第一基准面的上方，所述第二基准面的上方设有受力机构，所述第一基准面与第二基准面之间的空间为发电空间，所述发电空间内设有双向发电机构；所述受力机构包括浮体和连接板，所述浮体和连接板之间设有支撑结构，所述支撑结构所围成的空间为活动空间；所述滚珠丝杠组件的丝杠通过滚珠螺母与连接板螺纹连接，所述丝杠的一端位于活动空间内，所述丝杠的另一端与第一基准面转动连接；所述双向发电机构包括第一发电机、第二发电机、中间齿轮和与中间齿轮啮合的第一单向齿轮和第二单向齿轮，所述中间齿轮固定在丝杠上，所述中间齿轮驱动第一单向齿轮和第二单向齿轮转动且第一单向齿轮的齿轮内圈的可转动方向与第二单向齿轮的齿轮内圈的可转动方向相反，所述第一单向齿轮和第二单向齿轮通过传动轴分别驱动第一发电机和第二发电机的输入轴转动。
2.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：包括固定在海底的安装底座，所述安装底座与第一基准面之间活动或弹性连接，所述支撑结构包括周向均匀设置在浮体和连接板之间的多根连接柱，所述连接柱上设有万向节。
3.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述丝杠的轴线与活动空间的轴线共线。
4.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：两个传动轴的一端与第二基准面转动连接，两个传动轴的另一端分别通过联轴器与第一发电机和第二发电机的输入轴连接。
5.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述第一发电机和第二发电机对称位于丝杠的两侧。
6.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：还包括箱体，所述双向发电机构均设置在箱体内，所述第一基准面为箱体的下端面，所述第二基准面为箱体的上端面，所述发电空间为箱体内的空间，所述丝杠与箱体的上端面转动连接。
7.根据权利要求7所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述箱体为防水箱体。
8.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，，其特征在于：所述浮体为锥形浮体。
9.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述连接板的最大活动距离为活动距离L，所述活动距离L小于活动空间的高度H。
10.一种充电桩，其特征在于：包括如权利要求1-9中任一项所述的一种波浪能发电装置，所述第一发电机和第二发电机分别与储能器连接。
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