CN115013227A - 一种波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种波浪能发电装置，包括浮体（1)、能量转化系统（2）、导向轴（5）和阻尼盘（6）。所述传输杆与能量转化系统（2）之间连接有缓冲机构（4），所述缓冲机构（4）包含竖轴（44）、滑板（41）和弹簧；所述滑板（41）与传输杆（3）连接，所述滑板（41）与竖轴（44）滑动连接，可相对于竖轴（44）上下滑动，滑板（41）上下各与一组弹簧的一端连接，竖轴（44）的上端和下端分别与一组弹簧的另一端连接，所述竖轴（44）的下端与能量转化系统（2）的输入端连接；所述滑板的平衡静态位置在竖轴（44）的中间位置区域，当波浪产生的动能经由传输杆（3）传入能量转化系统（2）时，经过所述缓冲机构（4）的缓冲，对能量转化系统（2）起到保护作用。能量转化系统（2）包含齿轮和发电机，由纯粹的机械结构组成，实现了能量的高效传输和转化，该波浪能发电装置能有效的提高发电效率。

Description

一种波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及发电装置，具体是波浪能发电技术。
背景技术
海洋面积占地球总面积的71％，波浪中蕴含了巨大的能量，波浪能发电成为很有潜力的新能源开发方向。但是到目前为止，波浪能的开发还没有很成熟的技术，还未能商业化，原因多种多样，但是最主要的原因有两个，即转化效率低和可靠性差。
为了改进波浪能开发中存在的效率低，可靠性差的问题，本申请人此前公开了一种波浪能发电装置WO2021/043049A1，参见图1，其包括安装在浮体中的液压缸，液压马达，以及发电机，以及通过能量输出轴与浮体中的发电机连接的水轮机。浮体下方连接有一条导向轴，导向轴穿过阻尼盘中心位置，阻尼盘可以在导向轴上滑动。
该装置从原理上是可行的，而且装置的90％以上结构处于水下，避免了海面上极端天气对装置的破坏，装置的可靠性在实际运行中得到验证，装置的能量传输系统采用了液压传递结构，液压传递结构工作性能稳定，是目前波浪能发电中常用的技术。但是由于液压传输结构相对比较复杂，能量传递路程长，总体效率不高，平均水平大约60％左右。要提高波浪能发电的效率，使之尽快商业化，就需要找到效率更高的能量传输方式。而机械传输方式，即采用齿轮直接传输，由于其结构相对简单，传递路程短，具有较高的传输效率。但是机械传输的最大缺点是可靠性较差，在实际海况，波浪能的输入很不规则，很容易对机械结构产生破坏作用。因此，如果能够解决不规则波浪对机械结构的破坏，就能有效的提高波浪能发电的效率和可靠性。另一方面，由于波浪能上下运动的，如何将两个方向的运动无间隙地转换成发电机需要的单向运动，并又要满足波浪能吸收转化装置较小的位置空间要求，也是目前该技术需要进一步改进之处。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种波浪能发电装置，在前面公开的技术的基础上，作了进一步改进，以更大程度地提高装置对波浪能利用率，并且提高可靠性，并使空间结构更加紧凑。
为实现本发明上述目的而采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种波浪能发电装置，包括浮体、阻尼盘、导向轴和能量转化系统。所述导向轴连接在浮体底部，导向轴从阻尼盘中心穿过，阻尼盘可以在导向轴上滑动，即阻尼盘是相对活动地套在导向轴上，在阻尼盘的上方和/或下方设有限位结构，限制阻尼盘在导向轴上的运动区间。当浮体在波浪作用下，带动导向轴一起上下运动，从而与阻尼盘之间产生相对运动，输出机械动能，通过传输杆将动能传入能量转化系统。
在本方案中，所述传输杆与能量转化系统之间连接有缓冲机构(4)，所述缓冲机构(4)包含竖轴(44)、滑板(41)和弹簧；所述滑板(41)与传输杆(3)连接，所述滑板(41)与竖轴(44)滑动连接，可相对于竖轴(44)上下滑动，滑板(41)上下各与一组弹簧的一端连接，竖轴(44)的上端和下端分别与一组弹簧的另一端连接，这样，所述竖轴(44)的下端与能量转化系统(2)的输入端连接，竖轴(44)即相当于通过两组弹簧挂在了滑板上；所述滑板的平衡静态位置在竖轴(44)的中间位置区域，当波浪产生的动能经由传输杆(3)传入能量转化系统(2)时，先由滑板传递给弹簧，经过所述缓冲的缓冲后，再传给竖轴(44)，再输出给后面的能量转化系统(2)，对其起到保护作用。
进一步地，对于所述滑板(41)与竖轴(44)的滑动连接关系可以采用多种方式，较好的一种是，在所述竖轴(44)上设滑孔(42)，滑板(41)穿过滑孔(42)，可以上下滑动。另一种结构是，令所述滑板(41)通过其上的通孔套在竖轴(44)上，这样也可以沿竖轴(44)上下滑动。
在进一步的技术方案中，本发明还提供了一种纯机械结构的能量转化系统，取代以前使用的液压传输系统。所述能量转化系统(2)布置在浮体(1)内，该能量转化系统包含双面直条齿轮(22)、第一齿轮组，第二传动齿轮以及发电机(25)；所述双面直条齿轮(22)的输入端与缓冲机构的竖轴连接，接收传输杆传递的动力。所述第一齿轮组包括两组齿轮，对称设置在双面直条齿轮(22)的两侧，每组齿轮由两个齿轮同轴连接而成，其中一个齿轮与双面直条齿轮(22)的一面齿啮合，另一个齿轮与第二传动齿轮啮合，且该齿轮中心装配有超越离合器；第二传动齿轮的齿轮轴输出端装置所述发电机(25)。这种设计结构将双面直条齿轮的上下运动转化为齿轮的单项转动，从而带动发电机(25)单向转动，高效发电。
在更进一步的方案中，将浮体(1)设计为倒圆锥体结构，圆锥体的夹角可以为30-160度的角度，优选角度为90-120度。
经过仿真分析和试验验证，倒圆锥体浮体随波浪运动的跟随性强，能与波浪发生共振，显著提升波浪能发电装置对波浪的吸收效率。根据浮体自然振动频率的计算公式：
Figure BDA0003722173220000021
R为浮体水线面积的半径，由于倒圆锥体的吃水线位置随海浪运动发生变化，水线面积也会随之变化，半径R也随之变化，浮体的振动频率也随海浪的频率变化，使得浮体振动频率与波浪的振动频率保持相对一致，浮体与波浪发生共振，显著提升了浮体对波浪能量的吸收。这种倒圆锥体式的浮体结构，是本发明的一个显著特点，只有本发明装置的这种工作原理才适合采用这种浮体外形。该项发明也可以用于本发明人在WO2021/043049A1中公开的波浪能发电装置上。
更进一步，还可以在阻尼盘在导向轴上的运动区间的中间位置或附近设抗衡机构，抗衡阻尼盘的向上或向下运动趋势。所述抗衡机构的抗衡力为配重的重力或浮箱的浮力，抗衡力与阻尼盘的自然运动方向相反。当阻尼盘与抗衡机构接触后，在没有外力的作用下，阻尼盘会停留在与抗衡机构刚接触的位置，即不会自动的向上、下运动，在波浪的作用下，浮体带动导向轴一起与阻尼盘之间产生相对运动，阻尼盘的运动区间在上、下两个限位结构之间，阻尼盘通过自身的阻力作用，并在抗衡机构的协同作用之下，在水下导向轴上所述运动区间的中间位置保持相对静止的状态，且在一定的波高范围内，在上方和下方均不与限位结构或浮体或随浮体一体运动的部件触碰。
本发明具有波浪能利用率高、结构紧凑简单、运行可靠、抗风浪、抗腐蚀能力强、维护简单等优点，可以降低波浪能的发电成本，增加其与传统能源生产的竞争力，可以解决海上偏远岛礁，海上平台的的供电及海水淡化的用电需求。
附图说明
图1现有技术(WO2021/043049A1)中的波浪能发电装置图；
图2本发明的波浪能发电装置总图；
图3本发明的波浪能发电装置的能量传输及转化结构图；
图4本发明的缓冲结构侧视图。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本申请的实施方式，本领域技术人员可以根据本说明书中所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或者应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种装饰或者改变。应当理解，优选实施例仅是为了说明本申请，而不是为了限制本申请的保护范围。需要说明的是，以下实施例所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在本实施例中所使用的，“安装”、“相连”、“连接”，一元件“设置”于另一元件，应做广义理解，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合、传动或通讯关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合、传动或通讯，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图2，本实施例中展示一种将波浪能转化为电能的发电装置，其包括浮体(1)、能量转化系统(2)、导向轴(5)和阻尼盘(6)，导向轴(5)连接在浮体(1)底部，从阻尼盘(6)中心穿过，阻尼盘(6)可在导向轴(5)上滑动，导向轴(5)上设置限位结构(7a、7b、7c)，限制阻尼盘(6)的运动范围，浮体(1)与阻尼盘(6)在波浪的作用下产生相对运动，通过传输杆(3)将动能传入能量转化系统。
结合参见图3和图4，在本实施方案中，传输杆(3)与能量转化系统之间设置了缓冲机构(4)。
该缓冲机构(4)包含竖轴(44)，竖轴(44)上有条形滑孔(42)，滑板(41)穿过滑孔(42)可以上下滑动，滑板(41)与传输杆(32)连接，滑板(41)上下各安装有一组弹簧，上弹簧组(431)连接滑板(41)和竖轴(44)的上端，下弹簧组(432)连接滑板(41)和竖轴(44)的下端，同时竖轴(44)的下端与双面直条齿轮(22)顶端连接。止痒双面直条齿轮(22)与竖轴(44)连体，通过弹簧悬挂在滑板(41)上，此时滑板的平衡静态位置在条形滑孔(42)的中间位置区域，当波浪上下运动，引起浮体(1)与阻尼盘(6)之间产生相对运动，这种相对运动通过传输杆(31)和(32)变成直线运动传输进入浮体(1)中的能量传输和转化系统，这种直线运动首先作用在缓冲机构(4)的滑板(41)上，由于波浪具有不规则性，作用在滑板(41)上的直线运动具有较强的冲击力和破坏力，经过弹簧的缓冲作用后，传递给双面直齿轮条(22)的作用力就变得柔和和没有破坏力。
因此，当波浪产生的动能经由传输杆(32)传入能量转化系统(2)时，经过缓冲机构(4)的弹簧进行缓冲，可以对后面的齿轮结构起到保护作用，从而增加整个能量传输及转化系统的可靠性，保障能量的高效传输和转化，提升波浪能发电装置的效率。
参见图3，在进一步的实施例中，展示了发电装置采用的一种纯机械结构的能量转化系统(2)。
所述能量转化系统(2)布置在浮体(1)内，其包含双面直条齿轮(22)、第一齿轮组，第二传动齿轮以及发电机(25)。
所述双面直条齿轮(22)的输入端接收传输杆传递的动力。
所述第一齿轮组包括两组齿轮，每组齿轮由两个齿轮同轴连接而成，分别为齿轮(231)、(232)、(233)和(234)。两组齿轮对称设置在双面直条齿轮(22)的两侧，其中齿轮(231)、(232)分别与双面直条齿轮(22)的一面齿啮合，齿轮(233)和(234)分别与第二传动齿轮(235)啮合，齿轮(233)和(234)的中心装配有超越离合器(241)、(242)。
第二传动齿轮(235)的齿轮轴输出端装配所述发电机(25)。发电机(25)为外转子发电机，外转子起到飞轮的作用，第二传动齿轮(235)通过超越离合器(243)与发电外转子连接，在波浪能量输入的低点也可以保证发电机继续转动。
这种设计结构将双面直条齿轮的上下运动转化为齿轮(235)的单项转动，从而带动发电机(25)单向转动，高效发电。并且该结构只需要一个条形齿轮、几个圆盘齿轮和超越离合器，部件数量少，结构简单，便于在有限的浮体空间中进行布置。
在进一步的实施例方案中，齿轮盘(235)与发电机外转子连接之间，还可以安装调速器，控制发电机(25)的转速。
再参见图2，在另一个实施例中，采用了倒圆锥体的浮体结构外形，圆锥体的夹角为120度。这种结构在波浪上升的时候，浮体的浮力呈现快速增长的形式，响应波浪上升的速度加快。当波浪下降的时候，倒圆锥体浮力快速下降，响应波浪下降的速度加快，因为造成浮体与波浪的一起振动，发生共振。倒圆锥体的振动幅度较以前采用的直筒式浮体提高了80％，因为显著提高了浮体对波浪能的吸收，大大提高了装置的效率。
依然参见图2，在进一步的实施例中，还可以在阻尼盘在导向轴上的运动区间的中间位置或附近设抗衡机构，抗衡阻尼盘6的向上或向下运动趋势。所述抗衡机构的抗衡力为配重的重力或浮箱的浮力，本实施例中为配重8，通过软链9悬挂在阻尼盘6之下，抗衡力与阻尼盘的自然运动方向相反。当阻尼盘与抗衡机构接触后，在没有外力的作用下，阻尼盘会停留在与抗衡机构刚接触的位置，即不会自动的向上、下运动，在波浪的作用下，浮体带动导向轴一起与阻尼盘之间产生相对运动，阻尼盘的运动区间在上、下两个限位结构之间，阻尼盘通过自身的阻力作用，并在抗衡机构的协同作用之下，在水下导向轴上所述运动区间的中间位置保持相对静止的状态，且在一定的波高范围内，在上方和下方均不与限位结构或浮体或随浮体一体运动的部件触碰。

Claims (10)

1.一种波浪能发电装置，包括浮体（1)、能量转化系统（2）、导向轴（5）和阻尼盘（6），导向轴（5）连接在浮体（1）底部，从阻尼盘（6）中心穿过，阻尼盘（6）可在导向轴（5）上滑动，导向轴（5）上设置限位结构（7），限制阻尼盘（6）的运动范围，浮体（1）与阻尼盘（6）在波浪的作用下产生相对运动，通过传输杆（3）将动能传入能量转化系统，所述能量转化系统（2）布置在浮体（1）内；其特征在于，所述传输杆与能量转化系统（2）之间连接有缓冲机构（4），所述缓冲机构（4）包含竖轴（44）、滑板（41）和弹簧；所述滑板（41）与传输杆（3）连接，所述滑板（41）与竖轴（44）滑动连接，可相对于竖轴（44）上下滑动，滑板（41）上下各与一组弹簧的一端连接，竖轴（44）的上端和下端分别与一组弹簧的另一端连接，所述竖轴（44）的下端与能量转化系统（2）的输入端连接；所述滑板的平衡静态位置在竖轴（44）的中间位置区域，当波浪产生的动能经由传输杆（3）传入能量转化系统（2）时，经过所述缓冲机构（4）的缓冲，对能量转化系统（2）起到保护作用。
2.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述竖轴（44）上有滑孔（42），滑板（41）穿过滑孔（42）可以上下滑动。
3.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述滑板（41）通过其上的通孔套在竖轴（44）上，可以沿竖轴（44）上下滑动。
4.根据权利要求1、2或3所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述能量转化系统为纯机械传能的能量转化系统。
5.根据权利要求4所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述能量转化系统包含双面直条齿轮（22）、第一齿轮组，第二传动齿轮以及发电机（25）；所述双面直条齿轮（22）的输入端与所述缓冲机构（4）的竖轴（44）连接，接收缓冲后的动力；所述第一齿轮组包括两组齿轮，对称设置在双面直条齿轮（22）的两侧，每组齿轮由两个齿轮同轴连接而成，其中一个齿轮与双面直条齿轮（22）的一面齿啮合，另一个齿轮与第二传动齿轮啮合，且该齿轮中心装配有超越离合器；第二传动齿轮的齿轮轴输出端装置所述发电机（25）。
6.根据权利要求5所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述发电机（25）通过超越离合器（243）与第二传动齿轮的齿轮轴输出端连接。
7.根据权利要求6所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述发电机（25）为外转子发电机，外转子起到飞轮的作用；进一步，在第二传动齿轮（235）与发电机连接之间，安装调速器，控制发电机（25）的转速。
8.根据权利要求6所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述第一齿轮组的各齿轮、第二传动齿轮均为圆盘齿轮。
9.根据权利要求5所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述浮体（1）为倒圆锥体外形，圆锥体的夹角为30-160度，优选90-120度。
10.根据权利要求5所述的波浪能发电装置，其特征在于，在阻尼盘（6）运动区间内，还设置抗衡机构（8），抗衡机构的作用是抵抗阻尼盘（6）的自然运动方向，使阻尼盘（6）能保持相对静止的状态，减少与上方和下方的限位结构相触碰。
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CN202210755016.8A Pending CN115013227A (zh) 2022-06-30 2022-06-30 一种波浪能发电装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116122238A (zh) * 2023-04-11 2023-05-16 河北工程大学 一种升沉式平板防波堤发电系统

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