CN116201676B - 一种波浪能能量收集与转化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪能能量收集与转化装置，包括防护舱、系于海底固定的稳定模块、执行模块、输出模块和浮力结构；稳定模块始终正对海浪方向并处于授能位置，稳定模块接受海浪冲击将波浪能收集并转化为机械能传递给执行模块；执行模块输入端与稳定模块连接，执行模块输出端与输出模块连接；稳定模块安装在防护舱下部，执行模块位于防护舱内部，输出模块安装在防护舱上，输出模块与外接发电装置连接；浮力结构安装在防护舱下部。本装置结构紧凑，可时刻迎着海浪方向，增强接受海浪的能量，具有多个自由度，提高能量利用效率；装置可靠性强、寿命长，结构实现模块化，扩展性强，应用范围广，过程控制简单，成本低，易实现技术成果转化和商业化。

Description

一种波浪能能量收集与转化装置

技术领域

本发明涉及波浪能转化设备技术领域，尤其涉及一种波浪能能量收集与转化装置。

背景技术

波浪能作为可再生清洁能源中的一种，具有以下优点：一是清洁且可再生，二是能量密度高、分布广泛、易于直接利用、取之不尽用之不竭，三是防止土地破坏。因其分布广、储量巨大受到了诸多科研人员的重点关注。波浪能研究队伍不断壮大，技术研发投入不断增加，对丰富的波浪能资源的开发利用之势方兴未艾。根据中国地质调查局相关测算数据，我国沿岸和近海及毗邻海域的各类海洋能资源理论总储量约为6.11×10¹¹kW，其中波浪能占比最大，约为5.74×10¹¹kW，其可开发量巨大。所以在波浪能开发技术上实现创新与突破，开发储量丰富的波浪能，推进波浪能规模化、商业化利用，是有效缓解能源枯竭、电力供应紧缺的重要途经，是实现“碳达峰”与“碳中和”目标，和加速我国能源转型，建设清洁低碳、安全高效的能源体系的必经之路。

但是波浪能自身存在以下缺点：（1）效率偏低，一般需要多级（至少是三级）能量转化才可转化为电能，过程中存在较大的能量损耗。（2）不稳定性，波浪并不是持续稳定存在的，时大时小有时无。（3）技术要求高，由于波浪能发电装置需要在海洋中，对装置材料的防腐蚀性和稳固性要求较高。（4）成本较高，要高于风能、太阳能发电成本。（5）占用海洋空间，严重时可能会影响海洋生态。

所以波浪能转化装置须满足以下要求：（1）波浪能发电装置能够充分吸收分散在海面上的大面积波浪能，并驱动发电机；（2）波浪能转化装置可组网运行，模块化安装；（3）波浪能发电装置内部，外部结构要能适应恶劣工况；（4）能量转化效率高，能收集低，中，高频的波浪能源。（5）成本不宜过高，方便布设安装及后期维护。

目前波浪能发电装置形式多样，但是大致原理基本一致，即先通过波浪能捕捉装置将波浪吸收，再通过传动机构将波浪能转化为稳定输出的机械能，然后利用发电装置将机械能转化为电能。当前波浪能发电装置主要有：“点头鸭”式、震荡水柱式、推摆式、聚波蓄能式、振荡浮子式、阀式等装置。各类型装置普遍存在下列问题，“点头鸭”式的缺点是：结构复杂，过多的活动部件暴露在海水中，装置可靠性较差，容易损坏，不适合在海况恶劣地区使用；震荡水柱式的缺点是：造价昂贵，转换效率低（约10%-30%），成本较高；推摆式的缺点是：可靠性较差，极易损坏，维护较为困难，转换效率不稳定；聚波蓄能式缺点是：对地形和坡道有严格的要求，难以推广；振荡浮子式缺点是：浮子遭受过多的冲击，容易损坏；阀式的缺点是系泊困难，波面阀制造费过高。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种波浪能能量收集与转化装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种波浪能能量收集与转化装置，包括防护舱、系于海底固定的稳定模块、执行模块、输出模块和浮力结构；所述稳定模块与所述执行模块连接，所述稳定模块始终正对海浪方向并处于授能位置，所述稳定模块接受海浪冲击将波浪能收集并转化为机械能传递给所述执行模块；所述执行模块输入端与所述稳定模块连接，所述执行模块输出端与所述输出模块连接；所述稳定模块安装在所述防护舱下部，所述执行模块位于所述防护舱内部，所述输出模块安装在所述防护舱上，所述输出模块与外接发电装置连接；所述浮力结构安装在所述防护舱下部。

稳定模块系于海底固定，可防止整个装置在海浪作用下漂离布设海域；稳定结构始终对着海浪方向，可保持对海浪能进行收集及转化；执行模块将机械能传输给输出模块，从而带动发电装置进行发电，实现机械能向电能的转化；浮力结构可将本装置漂浮在海面上。

所述防护舱内安装有固定架，所述固定架包括第一支杆、第二支杆、第三支杆和连接杆，所述第一支杆与所述第二支杆结构相同且相对设置，其两端分别通过所述连接杆连接固定；所述稳定模块包括导向板、锚定环、锚定环上轴、授能板、第一转动轴和第一底座；所述锚定环上轴安装在所述导向板上，其下端位于所述导向板的外部并与所述锚定环连接；所述导向板两端分别固定在两所述连接杆上，所述第一底座安装在所述第一支杆上，所述第一转动轴穿设在所述第一底座上，所述授能板中部安装在所述第一转动轴一端，所述执行模块的驱动结构安装在所述第一转动轴另一端上并与所述授能板联动，所述授能板一边端部设有偏置重物。

所述执行模块的驱动结构为主动齿轮，所述执行模块还包括不完全齿轮、摆杆、第二转动轴、拨杆、离合器、飞轮、主动轮、第三转动轴、第二底座和第三底座；所述主动齿轮安装在所述第一转动轴端部并与所述授能板联动；所述第二底座安装在所述第二支杆上，所述第三底座安装在所述第三支杆上；所述第三转动轴穿设在所述第三底座内，所述不完全齿轮、摆杆分别套设在第三转动轴上并实现联动，所述不完全齿轮的齿轮啮合所述主动齿轮；所述摆杆沿其轴向方向开设有槽轨；所述第二转动轴穿设在所述第二底座内，所述离合器安装在所述第二转动轴一端，所述飞轮和所述主动轮安装在所述第二转动轴另一端，所述飞轮位于内侧，所述主动轮位于外侧；所述拨杆一端与所述离合器连接，其另一端设有拨动轴，所述拨动轴设置在所述槽轨上并沿其滑动；所述输出模块设有从动轮，所述主动轮通过皮带与所述从动轮连接并实现联动。

所述输出模块包括第四转动轴、第四底座、保护舱和输出端子，所述防护舱顶部开设有将其上下侧贯穿的安装槽，所述第四底座设有两个，分别安装在所述安装槽的相对的两侧，所述第四转动轴两端分别安装在两侧所述第四底座内，所述从动轮安装在所述第四转动轴上，所述输出端子一端与所述第四转动轴连接并随其联动，所述输出端子另一端穿出所述保护舱外与外接发电装置的发电机连接。

所述导向板为楔形板。

所述浮力结构为环状结构的浮力环，所述浮力环内侧设有若干卡口，所述防护舱外周下部朝外凸起形成一圈衬边，若干所述卡口卡设在衬边上并通过螺栓与其连接固定。

所述离合器包括外圈、复位销、压头、弹簧和设有底座的内轴；所述外圈内侧开设有若干定位槽，所述内轴外周开设有若干导向槽；所述压头包括柄部及与其连接的桨叶，所述压头设有若干个，每个压头的柄部插入所述导向槽内，其桨叶卡入所述定位槽内，每个所述压头的柄部设有中空结构，每个所述导向槽内安装有所述复位销，所述弹簧安装在中空结构内，其一端顶着柄部内壁，其另一端顶着所述复位销，所述复位销插入中空结构内；所述压头的桨叶的头部自一侧向对侧方向具有圆弧形过渡面，圆弧形过渡面使得桨叶头部两端具有高度差，若干压头的圆弧形过渡面的朝向均处于一致方向；所述外圈与所述拨杆刚性连接，所述第二转动轴与所述内轴的底座固定连接。

每个所述压头的中空结构并排设有若干个，每个所述导向槽内并排设有若干个所述复位销，单个所述导向槽内定位销的数量均与单个所述压头中空结构的数量相匹配。

所述锚定环通过圆锥滚子轴承安装在所述锚定环上轴上。

所述授能板的一单侧短边的整个边线均覆盖有偏置重物。

与现有技术对比，本发明的优点在于：本装置结构紧凑，发电效率高；可时刻迎着海浪方向，增强接受海浪的能量，具有多个自由度，可有效提高能量利用效率；装置可靠性强、寿命长，结构实现模块化，扩展性强，应用范围广，适合深远海、长期无人值守海域；过程控制简单，成本低，易实现技术成果转化和商业化。

附图说明

图1为本发明实施例下侧方向的结构示意图之一；

图2为本发明实施例下侧方向的结构示意图之二；

图3为本发明实施例沿纵向方向剖开的立体方向剖视图；

图4为本发明实施例沿纵向方向剖开的主视方向剖视图；

图5为本发明实施例局部剖开的剖视图；

图6为本发明实施例去掉防护舱等局部结构后的机构示意图；

图7为本发明实施例输出模块的透视图；

图8为本发明实施例执行模块的局部结构示意图；

图9为本发明实施例沿一纵向剖开的剖视图；

图10为本发明实施例去除局部结构后沿纵向剖开的剖视图；

图11为本发明实施例去除局部结构后沿横向剖开的剖视图；

图12为本发明实施例离合器的结构分解示意图；

图13为本发明实施例离合器的侧视图；

图14为图13中A-A向剖视图；

图15为本发明实施例离合器沿纵向剖开的剖视图；

图16为本发明实施例离合器的正视剖视图；

图17为本发明实施例外圈与拨杆配合的结构示意图；

图18为本发明实施例离合器的轴测剖视图；

图19为本发明实施例若干个压头的结构示意图。

图中附图标记含义：1、防护舱；11、固定架；12、第一支杆；13、第二支杆；14、第三支杆；15、连接杆；16、衬边； 21、导向板；22、锚定环；23、锚定环上轴；24、授能板；25、第一转动轴；26、第一底座； 31、主动齿轮；32、不完全齿轮；33、摆杆；34、第二转动轴；35、拨杆；36、离合器；361、外圈；362、复位销；363、压头；364、弹簧；365、内轴；366、定位槽；367、导向槽；368、中空结构；37、飞轮；38、主动轮；39、第三转动轴；310、第二底座；311、第三底座；312、拨动轴； 41、从动轮；42、第四转动轴；43、第四底座；44、保护舱；45、输出端子；5、浮力环；51、卡口；6、皮带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1至图19，为一种波浪能能量收集与转化装置，包括防护舱1、系于海底固定的稳定模块、执行模块、输出模块和浮力结构；稳定模块与执行模块连接，稳定模块始终正对海浪方向并处于授能位置，稳定模块接受海浪冲击将波浪能收集并转化为机械能传递给执行模块；执行模块安装在防护舱1内，执行模块输入端与稳定模块连接，执行模块输出端与输出模块连接；稳定模块安装在防护舱1下部，执行模块位于防护舱1内部，输出模块安装在防护舱1上，输出模块与外接发电装置连接；浮力结构安装在防护舱1下部。

稳定模块系于海底固定，可防止整个装置在海浪作用下漂离布设海域；稳定结构始终对着海浪方向，可保持对海浪能进行收集及转化；执行模块将机械能传输给输出模块，从而带动发电装置进行发电，实现机械能向电能的转化；浮力结构可将本装置漂浮在海面上。本实施例中，锚定环22用于系缆与海底连接，可避免装置整体发生漂移。防护舱1的设置，可保持装置内部机构避免海水侵袭。本申请中，发电装置为现有设备，为市购产品，故无需展开具体结构分析。

防护舱1内安装有固定架11，固定架11包括第一支杆12、第二支杆13、第三支杆14和连接杆15，第一支杆12与第二支杆13结构相同且相对设置，其两端分别通过连接杆15连接固定；稳定模块包括导向板21、锚定环22、锚定环上轴23、授能板24、第一转动轴25和第一底座26；锚定环上轴23安装在导向板21上，其下端位于导向板21的外部并与锚定环22连接；导向板21两端分别固定在两连接杆15上，第一底座26安装在第一支杆12上，第一转动轴25穿设在第一底座26上，授能板24中部安装在第一转动轴25一端，执行模块的驱动结构安装在第一转动轴25另一端上并与授能板24联动，授能板24一边端部设有偏置重物。本实施例中，锚定环上轴23采用单杆结构，用于安装锚定环22，具有抗拉性能。导向板21的设置，可保持授能板24正对海浪方向，始终处于授能区域。本实施例中，授能板24单边设有偏置设置的重物，保持其一端永远处于低位，使授能面与波浪始终处于能量接受角度范围内。

执行模块的驱动结构为主动齿轮31，执行模块还包括不完全齿轮32、摆杆33、第二转动轴34、拨杆35、离合器36、飞轮37、主动轮38、第三转动轴39、第二底座310和第三底座311；主动齿轮31安装在第一转动轴25端部并与授能板24联动；第二底座310安装在第二支杆13上，第三底座311安装在第三支杆14上；第三转动轴39穿设在第三底座311内，不完全齿轮32、摆杆33分别套设在第三转动轴39上并实现联动，不完全齿轮32的齿轮啮合主动齿轮31；摆杆33沿其轴向方向开设有槽轨；第二转动轴34穿设在第二底座310内，离合器36安装在第二转动轴34一端，飞轮37和主动轮38安装在第二转动轴34另一端，飞轮37位于内侧，主动轮38位于外侧；拨杆35一端与离合器36连接，其另一端设有拨动轴312，拨动轴312设置在槽轨上并沿其滑动；输出模块设有从动轮41，主动轮38通过皮带6与从动轮41连接并实现联动。槽轨的设置，用于驱动拨杆35运动。本实施例中，不完全齿轮32为现有技术，因此无需展开具体结构分析，不完全齿轮32的齿是不完整的，没有形成封闭圆形的齿轮圈，形成了扇形结构。不完全齿轮32用于传递来自主动齿轮31的动力，自身做摆动运动，并通过第三转动轴39带动摆杆33运动。本申请中，皮带6设有过载防护结构，可防过载冲击。拨杆35的一端带有拨动轴312，接收摆杆33传递的动力转化为圆周运动。本实施例的飞轮37，为现有设备，为市购产品，因此无需展开具体结构分析。

输出模块包括第四转动轴42、第四底座43、保护舱44和输出端子45，防护舱1顶部开设有将其上下侧贯穿的安装槽，第四底座43设有两个，分别安装在安装槽的相对的两侧，第四转动轴42两端分别安装在两侧第四底座43内，从动轮41安装在第四转动轴42上，输出端子45一端与第四转动轴42连接并随其联动，输出端子45另一端穿出保护舱44外与外接发电装置的发电机连接。保护舱44可对输出模块进行保护，避免内部结构遭受海水侵袭。

导向板21为楔形板。本实施例中，导向板21采用楔形板，这是一种正反面不平行的，具有一定夹角的基板，具有导向作用，从而保持授能板24正对海浪方向，始终处于授能区域。

浮力结构为环状结构的浮力环5，浮力环5内侧设有若干卡口51，防护舱1外周下部朝外凸起形成一圈衬边16，若干卡口51卡设在衬边16上并通过螺栓与其连接固定。

离合器36包括外圈361、复位销362、压头363、弹簧364和设有底座的内轴365；外圈361内侧开设有若干定位槽366，内轴365外周开设有若干导向槽367；压头363包括柄部及与其连接的桨叶，压头363设有若干个，每个压头363的柄部插入导向槽367内，其桨叶卡入定位槽366内，每个压头363的柄部设有中空结构368，每个导向槽367内安装有复位销362，弹簧364安装在中空结构368内，其一端顶着柄部内壁，其另一端顶着复位销362，复位销362插入中空结构368内；压头363的桨叶的头部自一侧向对侧方向具有圆弧形过渡面，圆弧形过渡面使得桨叶头部两端具有高度差，若干压头363的圆弧形过渡面的朝向均处于一致方向；外圈361与拨杆35刚性连接，第二转动轴34与内轴365的底座固定连接。本实施例中，每个压头363的结构都是相同的，每个复位销362的结构都是相同的，本实施例的附图只对其中一个压头363、一个复位销362的结构在附图中清楚展示，其它压头363及复位销362的结构都不在图中展示。

每个压头363的中空结构368并排设有若干个，每个导向槽367内并排设有若干个复位销362，单个导向槽367内定位销的数量均与单个压头363中空结构368的数量相匹配。

锚定环22通过圆锥滚子轴承安装在锚定环上轴23上。锚定环22配置有圆锥滚子轴承，可保持装置在水中的高自由度，可以任意随着海浪或海流作用发生旋转，保持授能板24始终处于最佳授能位置，进一步增强接受海浪的能量。

授能板24的一单侧短边的整个边线均覆盖有偏置重物。

本实施例中，第一底座26、第二底座310、第三底座311、第四底座43为设有轴承的底座，转动轴套设在轴承上且可绕轴承旋转，这几个底座通过螺栓固定在支杆或者固定在防护舱1顶部。

本实施例中，离合器36采用单向离合器36，在摆杆33和外圈361运动时，能在离合器36内部机构作用下带动第二转动轴34，传递动力。这样设置的目的是，在波浪动力减弱或者切断的时候，第二转动轴34在飞轮37的作用下，可以继续转动，这个时候外圈361和第二转动轴34无动力连接，不会挂载外圈361和拨杆35这些装置，也是防止装置发生破坏的考虑。离合器36外圈361和拨杆35刚性连接一体，外圈361挤压压头363，促使内轴365转动而带动第二转动轴34，进而传递动力。当外圈361不动的时候，第二转动轴34在内部弹簧364、导向槽367和复位销362的作用下能继续转动，不受外圈361影响。

本实施例的工作过程为：

step1：装置整体布设于海面，底部有锚定环22系于海底固定，防止装置整体在海浪作用下漂离布设海域。

step2：授能板24接受一定幅度和频次的海浪冲击而发生摇摆，带动第一转动轴25发生转动，进而带动同轴的主动齿轮31发生转动，主动齿轮31接着带动不完全齿轮32运动，不完全齿轮32这里的运动形式是往复摆动，不完全齿轮32带动第三转动轴39上的摆杆33发生摆动，摆杆33上的槽轨驱动拨杆35进行圆周运动，拨杆35一端通过离合器36与第二转动轴34相连接，从而带动同轴的飞轮37和主动轮38，主动轮38通过皮带6或链带带动从动轮41发生旋转，此时动力到达输出模块，此处连接至发电机即可完成能力输出转化。

海浪或海流推动导向板21转动，使得授能板24正面迎向波浪，波浪拍打授能板24，使授能板24发生摇摆，进而通过第一传动轴传递动能给主动齿轮31，主动齿轮31啮合不完全齿轮32转动，带动摆杆33做摆动运动，进而通过拨动轴312带动拨杆35做圆周运动，从而将力通过离合器36传递给第二转动轴34，由第二传动轴传递给飞轮37和主动轮38，主动轮38通过皮带6（链带或同步轮）带动从动轮41转动，从动轮41带动第四转动轴42通过输出端子45将机械能传递给发电装置，从而利用波浪能实现能量的收集与转化。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种波浪能能量收集与转化装置，其特征在于：包括防护舱、系于海底固定的稳定模块、执行模块、输出模块和浮力结构；所述稳定模块与所述执行模块连接，所述稳定模块始终正对海浪方向并处于授能位置，所述稳定模块接受海浪冲击将波浪能收集并转化为机械能传递给所述执行模块；所述执行模块输入端与所述稳定模块连接，所述执行模块输出端与所述输出模块连接；所述稳定模块安装在所述防护舱下部，所述执行模块位于所述防护舱内部，所述输出模块安装在所述防护舱上，所述输出模块与外接发电装置连接；所述浮力结构安装在所述防护舱下部；所述防护舱内安装有固定架，所述固定架包括第一支杆、第二支杆、第三支杆和连接杆，所述第一支杆与所述第二支杆结构相同且相对设置，其两端分别通过所述连接杆连接固定；所述稳定模块包括导向板、锚定环、锚定环上轴、授能板、第一转动轴和第一底座；所述锚定环上轴安装在所述导向板上，其下端位于所述导向板的外部并与所述锚定环连接；所述导向板两端分别固定在两所述连接杆上，所述第一底座安装在所述第一支杆上，所述第一转动轴穿设在所述第一底座上，所述授能板中部安装在所述第一转动轴一端，所述执行模块的驱动结构安装在所述第一转动轴另一端上并与所述授能板联动，所述授能板一边端部设有偏置重物；所述执行模块的驱动结构为主动齿轮，所述执行模块还包括不完全齿轮、摆杆、第二转动轴、拨杆、离合器、飞轮、主动轮、第三转动轴、第二底座和第三底座；所述主动齿轮安装在所述第一转动轴端部并与所述授能板联动；所述第二底座安装在所述第二支杆上，所述第三底座安装在所述第三支杆上；所述第三转动轴穿设在所述第三底座内，所述不完全齿轮、摆杆分别套设在第三转动轴上并实现联动，所述不完全齿轮的齿轮啮合所述主动齿轮；所述摆杆沿其轴向方向开设有槽轨；所述第二转动轴穿设在所述第二底座内，所述离合器安装在所述第二转动轴一端，所述飞轮和所述主动轮安装在所述第二转动轴另一端，所述飞轮位于内侧，所述主动轮位于外侧；所述拨杆一端与所述离合器连接，其另一端设有拨动轴，所述拨动轴设置在所述槽轨上并沿其滑动；所述输出模块设有从动轮，所述主动轮通过皮带与所述从动轮连接并实现联动。

2.根据权利要求1所述的波浪能能量收集与转化装置，其特征在于：所述输出模块包括第四转动轴、第四底座、保护舱和输出端子，所述防护舱顶部开设有将其上下侧贯穿的安装槽，所述第四底座设有两个，分别安装在所述安装槽的相对的两侧，所述第四转动轴两端分别安装在两侧所述第四底座内，所述从动轮安装在所述第四转动轴上，所述输出端子一端与所述第四转动轴连接并随其联动，所述输出端子另一端穿出所述保护舱外与外接发电装置的发电机连接。

3.根据权利要求1所述的波浪能能量收集与转化装置，其特征在于：所述导向板为楔形板。

4.根据权利要求1所述的波浪能能量收集与转化装置，其特征在于：所述浮力结构为环状结构的浮力环，所述浮力环内侧设有若干卡口，所述防护舱外周下部朝外凸起形成一圈衬边，若干所述卡口卡设在衬边上并通过螺栓与其连接固定。

5.根据权利要求1所述的波浪能能量收集与转化装置，其特征在于：所述离合器包括外圈、复位销、压头、弹簧和设有底座的内轴；所述外圈内侧开设有若干定位槽，所述内轴外周开设有若干导向槽；所述压头包括柄部及与其连接的桨叶，所述压头设有若干个，每个压头的柄部插入所述导向槽内，其桨叶卡入所述定位槽内，每个所述压头的柄部设有中空结构，每个所述导向槽内安装有所述复位销，所述弹簧安装在中空结构内，其一端顶着柄部内壁，其另一端顶着所述复位销，所述复位销插入中空结构内；所述压头的桨叶的头部自一侧向对侧方向具有圆弧形过渡面，圆弧形过渡面使得桨叶头部两端具有高度差，若干压头的圆弧形过渡面的朝向均处于一致方向；所述外圈与所述拨杆刚性连接，所述第二转动轴与所述内轴的底座固定连接。

6.根据权利要求5所述的波浪能能量收集与转化装置，其特征在于：每个所述压头的中空结构并排设有若干个，每个所述导向槽内并排设有若干个所述复位销，单个所述导向槽内定位销的数量均与单个所述压头中空结构的数量相匹配。

7.根据权利要求1所述的波浪能能量收集与转化装置，其特征在于：所述锚定环通过圆锥滚子轴承安装在所述锚定环上轴上。

8.根据权利要求1所述的波浪能能量收集与转化装置，其特征在于：所述授能板的一单侧短边的整个边线均覆盖有偏置重物。