CN1730937A - 圆弧齿形链式风浪潮流联合发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由圆弧齿形链作为传动机构的海洋能与风能联合发电装置。链轮的轮齿由滚子和圆柱头内六角螺钉组装而成，链条的链板为与链轮齿相啮合及联结圆弧组成，叶片安装在链条上，叶片偏角的方向及角度的大小由波浪水流的方向和速度决定，将波动的或定向的水流转化为旋转的运动，用控制机构就可得到可控制转速和可调功率的机械能，它可以把风能、海洋能和不能用筑拦河坝开发的水能转化为电能。

Description

圆弧齿形链式风浪潮流联合发电装置

一、技术领域

本发明涉及一种利用风能与海洋能的发电装置，特别涉及一种应用圆弧齿形链传动的联合风能、波浪、潮汐、海流和河流的发电装置。

二、背景技术

机械工业出版社1980年3月出版的《圆弧齿轮》、1984年12月出版的《链传动》和1992年9月出版的《链传动设计与应用手册》分别介绍了圆弧齿轮的优越性和各种链传动的结构与特点。1982年出版的《新能源发电》一书介绍了各种风轮机、波浪、潮汐、海流发电装置，其优点是没有任何污染，缺点是结构复杂，造价高，转速慢，效率低，没有经济竞争力。

本发明综合了圆弧齿轮和链传动的技术要素而形成圆弧齿形链，在链上安装叶片，用同一种方式就可把风能、波浪能、潮汐能以及潮流、海流、河流的能量转化为可控的旋转机械运动，再转化为电能。

三、发明内容

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：齿轮传动是靠主动轮的轮齿依次推压从动轮的轮齿，以实现传递运动和动力。齿轮传动由摆线齿轮发展为渐开线齿轮，最后又发展为圆弧齿轮。圆弧齿轮的特点是两啮合齿轮的齿面是凸齿齿廓与凹齿齿廓，啮合时的凹齿包住凸齿，以提高其接触强度。凸凹齿廓的圆弧半径相等，这样才能得到沿整个齿高的瞬时线接触，圆弧齿轮传动是凸、凹齿面接触，接触区以相当高的滚动速度沿齿宽方向移动。另外圆弧齿轮传动中，滑动速度较低，磨擦损失较小。

链传动是一种具有中间挠性件的啮合传动，可作传动用、输送用，拽引提升用以及许多结构巧妙的性能特异的专门用途。它兼有齿轮传动和带传动的一些特点。由于它具有结构简单、传力大、效率高、传动比准确，维修保养容易等主要特点。链传动主要有套筒滚子链和齿形链，滚子链具有滚动的小滚子，滚动摩擦力较小，齿形链无声传动速度较大，但易于从链板中间断裂。

综合以上各基本技术要素，形成圆弧齿形链的特征：将链轮节圆分为2N等分，作2N个相切的圆，相邻的圆留一去一，留下的N个圆即为链轮齿形，链轮基本结构是在转动轴两端固定法兰，每个法兰各钻N个孔，安装N个圆柱体组成链轮齿。链条链板为与链轮齿相接触的圆柱体作基础的四段圆弧组成。这种结构的链齿与链轮贴合紧密，提高了接触强度，链条齿根断面宽厚，提高了折断强度，传动时齿面间滑动小，滚动磨擦减小了磨损，提高了效率，齿廓为圆弧形，形状简单，便于制造，降低成本，并容易达到较高的精度。

波浪是由风引起的海水运动最常见的形式，海水在风的作用下，质点产生椭圆运动，因此波浪既有上、下起伏的纵向运动，又有前后摇摆的横向运动。波浪能与波高、波长和周期有关。海洋无风三尺浪，遇到大风浪更高，波浪能与风速的六次方成正比。在每秒10米的风速下，每米宽的波浪能为2 4千瓦；风速为每秒12米，每米宽的波浪能为59千瓦；当风速为每秒15米时每米宽的能量达247千瓦。据估计，我国沿海的波浪能大约每米20-40千瓦。

目前波浪能发电装置就原理来说大致分为三种：(1)利用海面波浪的上下运动产生空气流或水流而使轮机转动；(2)利用波浪装置前后摆动或转动产生空气流或水流而使轮机转动；(3)把低压大波浪变为小体积高压水，然后把水引入某一高位水池积蓄起来，使其产生一个水头，从而冲动水轮机。波浪能发电装置按其位置不同分为海岸式和海洋式两类。

波浪运动的特点就是能量巨大而速度缓慢，现在的技术装置都善于利用高速运动，因此就千方百计地把低速运动转化为高速运动，其结果是这种速度变换装置耗费了大量材料，造价高，另一方面这种变换装置效率低，大部分能量没有得到合量利用，这样所耗费的资金和所获得的能量是得不偿失的，因此在经济上没有竞争力。

把叶片安装在圆弧齿形链上，像风链轮机那样就可以把波浪的缓慢运动直接转化为迅速的链轮旋转运动。在海岸建筑固定支架安装转动轴，在转动轴上安装活动支架，活动支架与固定支架有一共同的固定转动轴，在活动支架的另一端安装可用螺栓调距的活动轴，在固定轴和活动轴上分别对应安装二对链轮，在链轮上安装两条圆弧齿形链，两链条间安装叶片，叶片用薄胶板制造，具有弹性。叶片一边位置固定，另一边可摆动，摆动的角度向一边较小，向另一边较大。波浪从一边冲向叶片，叶片将张开一较小的角度，大部分海水被挡住，一小部分海水以较大速度从斜缝冲出；叶片像百叶窗一样带动链条在水流的反冲力作用下向水流反方向运动，水流继续运动，把另一面叶片推开较大的角度，水流速度放慢，水流动能减少转化为叶片带动链条的运动，两链条的对偶力矩转化为链轮的定向旋转运动。当波浪从另一方向冲向叶片时，两面叶片的角度将改变，但受力方向未变，链轮仍向原方向旋转。沿海岸修建许多固定的支架，在其上安装许多浪动链轮机，用联轴器，万向节和离合器将它们联为一整体，就可组成功率较大的发动机。在海岸波浪总是和风相伴而生，利用波浪能和风能的发动机在原理和结构上是一致的，这就为联合开发它们创造了条件。波浪是海水波动过程，波浪的波长很长，波浪能利用设备如果较小，波浪就能绕过设备使它无法利用，这也是波浪能利用效率不高的原因，因此波浪能利用设备必须很大，大于波浪的波长，捕抓全部波浪，才能有效地利用波浪能。大风大浪和高速水流叶片采用数目较少的流线型，可以减小压力，提高速度。本发明可以把许多设备连接起来，可以有效地利用波浪能。

波浪在深水处既有缓慢的上下波动，又有缓慢的前后摆动。在海岸却表现为急速的水流冲向岸边，然后再退去，循环往复继续运动。这种水流具有很大的能量，面积不大的浪动链轮机就可以发出较大的功率。海水每天都发生涨潮与退潮现象，退潮时建在海边的浪动链轮机无法工作，只能靠风链轮机工作。如果在退潮时海水仍有1米深以上的地方再建一道风浪联合链轮机，它仍可继续工作。在涨潮或退潮时，它不但能利用波浪工作，还可利用定向的潮流工作。用同样结构的设备，也可以开发海流、河流及瀑布的能量。这些能量有一个共同的特点就是能量密度较低，要利用这种能量的基本条件就是简化结构，降低造价。基本的措施是圆弧齿形链板除了一般的用钢板冲压轧制，还可以用塑料、玻璃和陶瓷制造。链轮采用组装的滚子轮，摩损的零件可以更换。安装在链条上的叶片较小，对材质要求不严格，可用材料较多，价格便宜，叶片的张角随运动的方向而不同，角度的大小由力的大小决定。叶片的这种性质就省略了调向机构和简化了调速机构，再利用改变活动支架的角度也可起调速作用。将风能与海洋能联合开发，既可起到互补的作用，又可扩大能量的来源。发电形式部分采用交流发电，以满足现行需要，大部分采用小型直流发电形式，直流发电可随功率变化增减发电装置，直流电可制氢、海水淡化等用途。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现在利用河流的水力，主要采用拦河筑坝蓄水抬高水位，然后开闸放水推动水轮机带动发电机发电的形式，水库要淹没大片土地，要迁移大量移民，改变河流上、下游的生态环境。本发明用于开发河流上游水力，可直接利用动能发电，不用修筑堤坝、不占用耕地，不迁移居民，不改变生态环境，还能起到保护河岸的作用，在海岸建设风浪潮流联合发电装置，可以为海水养殖、海水化工、海水淡化、海底资源开发提供动力和电力。它可以联合开发风能、波浪能、潮汐能、潮流、海流与海底潜流。这对于缺乏常规能源的东南沿海各省，都可以开发自己得天独厚的清洁能源。另外，本发明结构简单，原材料价格便宜，容易加工，转速快，效率高，这是大规模开发风能和海洋能的先决条件。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

四、附图说明。

图1、圆弧齿形链轮齿形与链板齿形。

将链轮节圆(分度圆)作2N等分，作2N个圆相切，留一去一，留下的N个圆即为链轮轮齿，去掉的N个圆即为链板齿形的一部分。

图2，圆弧齿形链轮结构。

1、链轮轴，2、链轮板，3、滚动齿，4、圆柱头内六角螺钉，5、固定螺母。

图3，圆弧齿形链条结构。

6、四段圆弧链板，7、套筒，8、连接销轴，9、止销件。

图4，链条与叶片的安装。

10，梯形叶片，11，叶片固定丝杆，12、螺帽，13，叶片边缘固定胶绳，14，胶绳固定螺丝。

图5，浪动链轮机原理示意图。

A、浪动冲向叶片，叶片张开角度，叶片带动链条使链轮向顺时针方向旋转。

B、浪动反向冲向叶片，叶片向反方向张开角度，叶片带动链条运动，链轮仍向顺时针方向旋转。

图6，浪动链轮机发电示意图。

15、固定支架，16、活动支架，17、活动支架固定横梁，18、上活动轴承，19、固定轴承，20固定轴，21、固定横梁，22、上链轮，23、圆弧齿形链，10、梯形叶片，24、下链轮，25、活动轴，26、活动轴承，27、活动横梁，28、紧固螺栓，29、调速链索，30、调速轮。

图7、风浪联合发电示意图。

31、支架，32、风链轮机，33、风链轮机控制轮，34、浪动链轮机，35、变速器与发电机组合。

图8，高速浪动链轮机叶片安装示意图。

6、四段圆弧链板，36、流线型弹性叶片，11、叶片固定丝杆，37、叶片阻挡丝杆，38、叶片反向阻挡丝杆。

五、具体实施方式

我国幅员辽阔，地形高差大，降水量丰沛，众多河流蕴藏着丰富的水能资源。我国水能资源理论蕴藏量为6.8亿千瓦，由于技术上和经济上的种种条件限制，不可能全部得到利用。要去掉那些深山峡谷之中，施工场地狭窄，交通条件较困难，距离用电中心太远，地质条件太坏，淹没损失太大，工程造价太高等难以实现的项目。能用筑坝开发的仅3.7亿千瓦，还有3.1亿多千瓦水能无法用现有技术开发，水能利用采用拦河筑坝方式，是由于开闸放水可控制水轮机的转速和输出功率。将圆弧齿形链安装上叶片组成的水链轮机，由于叶片具有调速性能，再加上其他调速方法完全可以达到直接利用水流动能控制转速和输出功率的目的，这样我国3亿多千瓦不能用筑坝方式开发的水能，从乡间的小溪到飞流的瀑布，就获得开发的可能性。但是，大江大河中下游不能应用此项技术装置，它会影响防洪和航运。

我国有非常多的小水电，由于库容有限，到枯水季节无法正常工作。利用风浪联合转换装置，把水库中的波浪和水库边、河岸边的风能转化为机械能，带动水泵将下游的水再送往水库，这样就可使小水电设备得到充分利用，既延长了小水电全额发电时间，同时可简化风链轮机结构，降低造价，为新设备的应用找到了自己存在的空间。

一望无际的汪洋大海，蕴藏着极其丰富的能量资源。我国有1.8万公里长的大陆海岸线和数千个岛屿的1.3万公里的岛屿海岸线。辽阔的海域和漫长的海岸线蕴藏着丰富的海水动力资源，都是宝贵的能源基地。采用圆弧齿形链的水轮机，叶片会随波浪运动改变方向，保持恒定的旋转方向，直接利用波浪的动能获得比较高的转速，这就节省了能量转换过程中所需要的大量材料，并提高了能量转换效率。我国近海沿岸波浪的能量为1.7亿千瓦，海流的能量大约1亿千瓦。其中以台湾海峡和南海的能量最为丰富。海流比陆地上的水力更为可靠，不受洪水和枯水等水文因素的影响，比较稳定。我国每一米海岸，每一个岛屿及其附近礁石或者暗礁，都具有使用价值，成为能量转换的必要条件。因为在运动的海水中，只有把能量转换装置固定在不动的物体上，才能有效地利用这种相对运动，才能为社会创造财富。

Claims (4)

1、一种圆弧齿形链式风浪潮流联合发电装置，将圆弧齿轮具有凸凹齿廓的圆弧半径相等，啮合时的凹齿包住凸齿，磨擦损失较小和兼有齿轮传动与带传动特点的具有中间挠性件啮合传动的齿形链的技术要素综合起来，形成圆弧齿形链，其特征在于：链轮结构是在转动轴两端固定法兰，每个法兰各钻N个孔，每个孔都用圆柱头内六角螺钉安装可滚动的轮齿，链条链板为与链轮齿相啮合的圆柱体作基础的四段圆弧组成，叶片安装在链条上，波浪或水流冲击叶片，带动链条，啮合链轮产生可控的旋转运动，与风链轮机一起带动发电机发电。

2、根据权利要求1所述的圆弧齿形链式风浪潮流联合发电装置，浪动链轮机是实现波浪水能与机械能的转换装置，其特征在于：把叶片安装在圆弧齿形链上，像风链轮机那样就可以把波浪的缓慢运动直接转化为迅速的链轮机旋转运动，在海岸建筑固定支架安装转动轴，在转动轴上安装活动支架，活动支架与固定支架有一共同的固定转动轴，在活动支架的另一端安装可用螺栓调距的活动轴，在固定轴和活动轴上分别对应安装两对链轮，在链轮上安装两条圆弧齿形链，两条链间安装叶片，叶片用薄胶板制造，具有弹性，叶片一边位置固定，另一边可在一定范围内摆动，摆动的角度向一边较小，向另一边较大，波浪从一边冲向叶片，叶片将张开较小的角度，大部分海水被挡住，一小部分水以较大的速度从斜缝冲出，叶片像百叶窗一样带动链条在水流的反方向运动，水流继续运动，把另一面叶片推开较大的角度，水流速度放缓，水流动能减少转化为链轮的定向旋转运动，当波浪从另一方向冲向叶片时，两面叶片的角度将改变，但受力方向未变，链轮仍向原方向旋转，沿海岸修建许多固定的支架，在其上安装许多滚动链轮机，用联轴器、万向节和离合器将它们联为一整体，就可组成功率较大的发动机。

3、根据权利要求2所述的圆弧齿形链式浪动链轮机，实现波浪能与机械能转换需要链条安装叶片，其特征在于：梯形叶片(10)的叶片固定丝杆(11)用螺帽(12)固定在链条上，叶片边缘固定胶绳(13)，用胶绳固定螺丝固定在链条的后一个链板上。

4、根据权利要求2所述的圆弧齿形链式浪动链轮机，实现大风大浪与机械能转换需要在链条上安装高速叶片，其特征在于：流线型弹性叶片(36)用叶片固定丝杆(11)安装在四段圆弧链板(6)上，叶片阻挡丝杆(37)、叶片反向阻挡丝杆(38)分别控制叶片的受力倾角。

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