CN117028125A - 一种新型复合式波浪能采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型复合式波浪能采集装置，包括涡轮机结构、浮板直线运动结构以及顶部传动结构。工作时，将装置通过筒体支架固定在合适的高度。当水面波动时，筒体内产生振荡水柱，一方面筒体内的空气会随着水面的起伏而溢出或吸入，带动涡轮叶片旋转；另一方面浮板会随着水面的波动而上下运动，从而带动皮带绕皮带轮转动，该旋转运动为双向旋转运动。最后通过顶部传动结构将该双向旋转运动转化为单向旋转运动，同时整合涡轮叶片输出的旋转运动共同驱动发电机齿轮工作。该装置结构稳定、适应性强，充分考虑水下工作环境，整合两种波浪能采集原理并有效结合，结构紧凑高效，长时间运行可靠稳定，可提供新的技术途径用于波浪能采集研究。

Description

一种新型复合式波浪能采集装置
技术领域
本发明属于工程和技术研究以及试验发展技术领域，特别涉及一种新型复合式波浪能采集装置。
背景技术
随着全球经济的增长和对能源需求的增加，传统能源供应逐渐变得紧张，这导致能源安全问题上升到国家战略层面。与此同时，传统能源所引发的温室效应和环境污染等问题也日益凸显，因此，人们对可再生清洁能源的关注越来越高。绿色环保和无污染成为当前全球发展的主要目标。尽管太阳能和风能已逐渐成为可再生能源的支柱，但它们都存在明显的缺点，太阳能只在白天可利用，而风能受天气条件限制，两者都无法提供持续稳定的能源输出。作为一种清洁且可再生的能源，波浪能由于其丰富的资源量和便于大规模开发利用的特点，正受到全球各国的广泛欢迎和高度关注。
大部分海洋波浪是由风能产生的，且与风速成正比。由海洋表面波浪运动形成的波浪能可用于多种用途，例如发电和推进船舶。相较于风能，波浪能具有更集中的能量密度。根据统计数据，全球海上风能的平均密度为0.5KW/m2，而波浪能的平均密度则为2-3KW/m2。全球范围内，冲击海岸线的波浪能达到了1TW(太瓦)的数量级。因此，波浪能的采集和利用具有重要意义。
目前，波浪能的利用主要包括将波浪动能转化为涡轮机动能、液压能或直接利用波浪动能的方式。针对这三种利用方式，已经出现相应的采集装置。然而，这些采集装置都存在一些问题和限制条件，例如通流面积过小，采集形式单一，复杂的安装结构和严格的位置要求等。如何提高波浪能采集装置的效率，在有限的装置内充分采集利用波浪能，是当前亟需解决的问题。
发明内容
本发明旨在提出一种新型的复合式波浪能采集装置。一方面，通过筒体和涡轮叶片，将波浪的动能转化为涡轮机的动能；另一方面，通过浮板和传动结构直接利用波浪的动能。同时，通过顶部传动结构将两种能量输出整合在一起，驱动发电机发电，更充分的采集利用波浪能。该装置结构紧凑且相对独立，适应范围广，长时间工作稳定可靠，提高了波浪能的利用效率，为波浪能的持续采集提供了新的技术途径。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种新型复合式波浪能采集装置，包括涡轮机结构、浮板直线运动结构以及顶部传动结构；
涡轮机结构包括筒体、筒体支架、叶片支架、涡轮叶片、中心转轴和顶部支架；筒体支架固连于筒体大口径侧，即底部，用来确定整体装置的高度位置；叶片支架离心末端固连于筒体喉部内壁，涡轮叶片与中心转轴固连，中心转轴通过轴承与叶片支架和顶部支架配合，实现涡轮叶片相对于筒体的相对转动；
浮板直线运动结构包括浮板、气囊、皮带、皮带轮以及支撑杆；浮板下侧与气囊固连，使浮板始终漂浮于水面上，皮带竖直方向两侧穿过浮板，其中一侧与浮板固连，另一侧与浮板能够相对运动，皮带上下与皮带轮配合，皮带轮固连于支撑杆上，支撑杆与筒体通过轴承连接，当浮板上下运动时，能够带动皮带绕皮带轮以及支撑杆转动；
顶部传动结构放置于筒体顶部，用于将浮板直线运动结构的双向旋转运动转化为单向旋转运动，便于和涡轮叶片输出的单向旋转运动整合。
本发明进一步的改进在于，在工作状态，根据当地水位变化将装置布置在合适的高度，保持筒体竖直位置不变，浮板随水面起伏变化。
本发明进一步的改进在于，叶片支架与筒体固连，涡轮叶片转轴通过轴承支撑实现转动。
本发明进一步的改进在于，浮板与皮带一侧固连，与另一侧分离，浮板上下运动会转化为皮带绕皮带轮的旋转运动。
本发明进一步的改进在于，涡轮叶片由三枚轴对称的翼型叶片组成，其中心固结于中心转轴上。
本发明进一步的改进在于，顶部传动结构包括第一齿轮组、第二齿轮组、第三齿轮组以及发电机；
第一齿轮组用于传递浮板直线运动结构输出的能量，第二齿轮组用于将第一齿轮组所传递的双向旋转运动转化为单向旋转运动，第三齿轮组用于将涡轮叶片输出的旋转运动和第二齿轮组传递的旋转运动整合，用来带动发电机工作。
本发明进一步的改进在于，第一齿轮组的下侧齿轮与支撑杆固结，能够随支撑杆的转动而转动。
本发明进一步的改进在于，第二齿轮组包括第一棘轮刺、棘轮轴、第一棘轮、输入轴、第一锥齿轮、第二棘轮刺、第二棘轮、第二锥齿轮、输出齿轮、中间锥齿轮以及齿轮组支架；
输入轴与第一锥齿轮固连，两者实现同步转动；第一棘轮、棘轮轴、第二棘轮以及输出齿轮四者固连，实现同步转动；第一棘轮刺固定于第一锥齿轮，第二棘轮刺固定于第二锥齿轮，两组棘轮-棘轮刺结构相同，第二棘轮刺尾部装有弹簧，能够实现沿棘轮径向位移，并且头部与第二棘轮呈特殊的形状配合，保证第二锥齿轮与第二棘轮单方向的相对运动；第一锥齿轮与第二锥齿轮通过中间锥齿轮配合传动；整个齿轮组由齿轮组支架固定。
本发明进一步的改进在于，第三齿轮组包括叶片齿轮和整合齿轮，叶片齿轮固结于中心转轴上，能够随中心转轴的转动而转动；整合齿轮与叶片齿轮以及第二齿轮组通过齿轮配合实现整合能量的作用，并且与发电机自带的齿轮进行配合。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种新型复合式波浪能采集装置，该装置通过渐缩筒体与涡轮叶片将波浪的动能转化为涡轮机的动能，通过浮板与皮带结构直接利用波浪的动能，再通过特殊的传动整合齿轮结构将两者输出的旋转运动整合在一起，带动发电机工作，实现波浪能更充分的利用。
首先，该装置部分位于水下工作，所以充分考虑了长期水下运行的可靠性与稳定性，对关键部件，如筒体、筒体支架、皮带轮以及轴承选用了防水防腐蚀的材料，确保满足长期水下工作的要求。
并且针对不同的工作环境，不如湖泊、浅海以及深海等根据当地水平面高度变化设计不同高度的筒体，通过合适的连接使装置筒体在竖直位置的高度基本不变，保证装置始终处于稳定的工作环境。
其次在浮板的下侧固连有气囊，随着水面的起伏波动，浮板会上下运动，单侧固连于浮板上的皮带会带动皮带轮与支撑杆旋转，此为第一输出系统。与此同时，水面以及浮板在筒体内的振荡运动会使筒体内的空气通过涡轮叶片，带动涡轮叶片旋转，此为第二输出系统。双系统复合式结构实现波浪能更充分的采集。
最后第一输出系统是由于浮板的上下运动产生的双向旋转运动，第二输出系统为涡轮叶片的单向旋转运动，通过特殊的棘轮齿轮复合结构(第二齿轮组)能够将第一输出系统的双向旋转运动转化为单向旋转运动，再通过第一齿轮组将两单向旋转运动整合，带动发电机工作，使装置功能更为紧凑，便于实施。
综上所述，本发明提出的新型复合式波浪能采集装置适用于广泛的工作环境，包括湖泊、浅海和深海等。该装置能够根据实际的工作环境灵活调整固定方式和装置高度，并且在水下工作部分稳定可靠。通过利用两种波浪能采集原理，在有限的装置内布置两组能量输出系统并通过特殊的机械结构整合，能够克服传统装置的局限，实现更充分的波浪能采集利用。在面对广阔的波浪能资源时，我们可以预见本发明能够成组阵列布置，在实际应用中具有很高的实用价值。
附图说明
图1是本发明的一种新型复合式波浪能采集装置结构示意图；
图2是本发明的筒体内部结构剖视示意图；
图3是本发明的顶部传动结构示意图；
图4是本发明的第二齿轮组结构示意图。
附图标记说明：
1、顶部传动结构；2、筒体；3、筒体支架；4、第一齿轮组；5、皮带轮；6、支撑杆；7、皮带；8、浮板；9、气囊；10、顶部支架；11、中心转轴；12、涡轮叶片；13、叶片支架；14、第二齿轮组；15、第三齿轮组；16、叶片齿轮；17、发电机；18、整合齿轮；19、第一棘轮刺；20、棘轮轴；21、第一棘轮；22、输入轴；23、第一锥齿轮；24、第二棘轮刺；25、第二棘轮；26、第二锥齿轮；27、输出齿轮；28、中间锥齿轮；29、齿轮组支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1。本发明提供的一种新型复合式波浪能采集装置整体结构，由顶部传动结构1、筒体2以及筒体支架3组成。其中顶部传动结构1放置于筒体2顶部，用来转换和整合所采集到的能量进行输出，筒体2内部含有波浪能采集部件，筒体支架3固结于筒体2底部，用来固定装置整体的位置。
请参阅图2。本发明的波浪能采集部件由第一齿轮组4、皮带轮5、支撑杆6、皮带7、浮板8、气囊9、顶部支架10、中心转轴11、涡轮叶片12、叶片支架13组成。其中气囊9固结于浮板8底部，可以保证浮板始终随水平面的变化而起伏，皮带7的一侧固结于浮板上，另一侧穿过浮板并且可以与浮板相对运动。皮带7两端绕在皮带轮5上，皮带轮5固结于支撑杆6上，支撑杆6与筒体2壁面通过轴承连接，可以实现转动。第一齿轮组4的下侧齿轮与支撑杆6固结，可以随支撑杆6的转动而转动。叶片支架13俯视图为Y型，三个断点固定于筒体2上，并且与顶部支架10共同与中心转轴11通过轴承连接，为中心转轴11提供支撑并可以实现相对转动，涡轮叶片12由三枚轴对称的翼型叶片组成，其中心固结于中心转轴上。
请参阅图3。本发明的顶部传动结构1由第二齿轮组14、第三齿轮组15以及发电机17组成。第三齿轮组由叶片齿轮16以及整合齿轮18组成。叶片齿轮16固结于中心转轴11上，随中心转轴11的转动而转动。整合齿轮18与叶片齿轮16以及第二齿轮组14通过齿轮配合实现整合能量的作用，并且与发电机17自带的齿轮进行配合。
请参阅图4，为本发明第二齿轮组14的详细结构，由第一棘轮刺19、棘轮轴20、第一棘轮21、输入轴22、第一锥齿轮23、第二棘轮刺24、第二棘轮25、第二锥齿轮26、输出齿轮27、中间锥齿轮28以及齿轮组支架29组成。输入轴22与第一锥齿轮23固连，两者实现同步转动。第一棘轮21、棘轮轴20、第二棘轮25以及输出齿轮27四者固连，实现同步转动。第一棘轮刺19固定于第一锥齿轮23，第二棘轮刺固定于第二锥齿轮26，两组棘轮-棘轮刺结构相同，以第二棘轮刺-第二棘轮为例，第二棘轮刺24与第二棘轮25间的配合如局部放大图所示，第二棘轮刺24尾部装有弹簧，可以实现沿棘轮径向位移，并且头部与第二棘轮25呈特殊的形状配合，保证第二锥齿轮26与第二棘轮25只有单方向的相对运动。第一棘轮刺-第一棘轮结构与此相同。第一锥齿轮23与第二锥齿轮26通过中间锥齿轮28配合传动。整个齿轮组由齿轮组支架29固定。
上述波浪能采集装置在工作时，首先会调查统计工作环境的水平面高度变化情况，设计出合适的筒体2高度，再用绳索或者气垫将筒体支架3固定在合适的高度，使水面高过筒体2的底部并且使本装置竖直位置基本不变，当水面波动时，会对本装置产生两个效果。
第一是由于筒体2内形成了振荡水柱，进而会使筒体2内的空气从顶部溢出或是吸入，空气会带动此处的涡轮叶片12转动，进而使中心转轴11转动形成第一能量采集结构，并且由于涡轮叶片12为轴对称结构，故气流溢出或是吸入使均会使涡轮叶片朝同一方向转动。
第二是由于筒体2内部水面高度的变化，会使浮板8和气囊9一同运动，此时筒体2被固定，故皮带7会被浮板8带动绕着皮带轮5转动，皮带轮5会带动支撑杆6转动，固结于支撑杆6上的第一齿轮组4会将能量传递给顶部传动结构1。需要注意的是，由于浮板8的上下往复运动会导致输入轴22为双向旋转运动，此时第二齿轮组14的功能是将双向的旋转运动转化为持续的单向旋转运动。
第二齿轮组14工作时，设定如图4所示方向为正方向，当输入轴22正方向转动时，固连于其上的第一锥齿轮23会正方向转动，固连于其上的第一棘轮刺19会正方向转动，此时会卡住第一棘轮21带动其正方向转动，与其相连的棘轮轴20与第二棘轮25均正向转动，虽然此时由于中间锥齿轮28的传动导致第二锥齿轮26与第二棘轮刺24反方向转动，但是由于棘轮刺特殊的结构，第二棘轮刺24的尾部弹簧会被压缩，从而第二棘轮刺24的转动方向不影响第二棘轮25的转动，上述所述第二棘轮25会正向转动，与其固连的输出齿轮27因此正向转动。当输入轴22出现反方向转动时，固连于其上的第一锥齿轮23会反方向转动，第一棘轮刺19会反方向转动，但是与正方向情况不同的是，此时的第一棘轮刺19无法卡住第一棘轮21使其反方向转动，而正确的传动路线变为，通过中间锥齿轮28的传动导致第二锥齿轮26正向转动，固连于其上的第二棘轮刺24正向转动，此时会卡住第二棘轮25进行正向转动，与其相连的输出齿轮27也会正向转动。综上所述，输入轴22正向或者反向转动时，输出齿轮27均会正向转动。
第三齿轮组15工作时，叶片齿轮16和第二齿轮组14的输出运动均为同向旋转运动，此时整合齿轮18接收两者的旋转运动并且自身开始转动，从而带动发电机17进行工作，完成对两种波浪能采集部件的整合传递。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型复合式波浪能采集装置，其特征在于，包括涡轮机结构、浮板直线运动结构以及顶部传动结构；
涡轮机结构包括筒体、筒体支架、叶片支架、涡轮叶片、中心转轴和顶部支架；筒体支架固连于筒体大口径侧，即底部，用来确定整体装置的高度位置；叶片支架离心末端固连于筒体喉部内壁，涡轮叶片与中心转轴固连，中心转轴通过轴承与叶片支架和顶部支架配合，实现涡轮叶片相对于筒体的相对转动；
浮板直线运动结构包括浮板、气囊、皮带、皮带轮以及支撑杆；浮板下侧与气囊固连，使浮板始终漂浮于水面上，皮带竖直方向两侧穿过浮板，其中一侧与浮板固连，另一侧与浮板能够相对运动，皮带上下与皮带轮配合，皮带轮固连于支撑杆上，支撑杆与筒体通过轴承连接，当浮板上下运动时，能够带动皮带绕皮带轮以及支撑杆转动；
顶部传动结构放置于筒体顶部，用于将浮板直线运动结构的双向旋转运动转化为单向旋转运动，便于和涡轮叶片输出的单向旋转运动整合。
2.根据权利要求1所述的一种新型复合式波浪能采集装置，其特征在于，在工作状态，根据当地水位变化将装置布置在合适的高度，保持筒体竖直位置不变，浮板随水面起伏变化。
3.根据权利要求1所述的一种新型复合式波浪能采集装置，其特征在于，叶片支架与筒体固连，涡轮叶片转轴通过轴承支撑实现转动。
4.根据权利要求1所述的一种新型复合式波浪能采集装置，其特征在于，浮板与皮带一侧固连，与另一侧分离，浮板上下运动会转化为皮带绕皮带轮的旋转运动。
5.根据权利要求1所述的一种新型复合式波浪能采集装置，其特征在于，涡轮叶片由三枚轴对称的翼型叶片组成，其中心固结于中心转轴上。
6.根据权利要求1所述的一种新型复合式波浪能采集装置，其特征在于，顶部传动结构包括第一齿轮组、第二齿轮组、第三齿轮组以及发电机；
第一齿轮组用于传递浮板直线运动结构输出的能量，第二齿轮组用于将第一齿轮组所传递的双向旋转运动转化为单向旋转运动，第三齿轮组用于将涡轮叶片输出的旋转运动和第二齿轮组传递的旋转运动整合，用来带动发电机工作。
7.根据权利要求6所述的一种新型复合式波浪能采集装置，其特征在于，第一齿轮组的下侧齿轮与支撑杆固结，能够随支撑杆的转动而转动。
8.根据权利要求6所述的一种新型复合式波浪能采集装置，其特征在于，第二齿轮组包括第一棘轮刺、棘轮轴、第一棘轮、输入轴、第一锥齿轮、第二棘轮刺、第二棘轮、第二锥齿轮、输出齿轮、中间锥齿轮以及齿轮组支架；
输入轴与第一锥齿轮固连，两者实现同步转动；第一棘轮、棘轮轴、第二棘轮以及输出齿轮四者固连，实现同步转动；第一棘轮刺固定于第一锥齿轮，第二棘轮刺固定于第二锥齿轮，两组棘轮-棘轮刺结构相同，第二棘轮刺尾部装有弹簧，能够实现沿棘轮径向位移，并且头部与第二棘轮呈特殊的形状配合，保证第二锥齿轮与第二棘轮单方向的相对运动；第一锥齿轮与第二锥齿轮通过中间锥齿轮配合传动；整个齿轮组由齿轮组支架固定。
9.根据权利要求6所述的一种新型复合式波浪能采集装置，其特征在于，第三齿轮组包括叶片齿轮和整合齿轮，叶片齿轮固结于中心转轴上，能够随中心转轴的转动而转动；整合齿轮与叶片齿轮以及第二齿轮组通过齿轮配合实现整合能量的作用，并且与发电机自带的齿轮进行配合。
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