CN202040004U - 波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是利用波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的装置，其结构特点是由一个钢架结构平台固定连接固定浮体和中空固定滑轨，悬浮浮体随波浪升降推动双面齿条直板在中空固定滑轨内上下运动，棘轮获得旋转机械能，通过能量传递和转换组合，发电机获得连续稳定单向旋转的能量。本装置设计简单、运行安全、制作成本低、转换效率高、适应性强，利用现有技术单装置传递动力可与50kW发电机匹配，并适合多装置组合形成规模发电。

Description

波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的装置

技术领域

本实用新型涉及一种将波浪动势能直接转换为单向旋转机械能获得连续稳定发电的装置。 

背景技术

海洋波浪能源是一种清洁的可再生能量，但因其受复杂的自然因素影响较大，如：波浪大小、潮汐起伏、风向变化等等，加上利用波浪能量发电成本与效益、安全和设施使用寿命的问题，制约了人们利用海洋波浪能源来进行发电的能力。 

目前，关于波浪能源发电的各种专利已超过1500项，归纳起来有振荡水柱波能装置、聚波水库波能装置、摆式波能装置。 

振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便。其缺点是二级能量转换效率较低、装置固定难度较高，对小波浪适应性也不强。 

聚波水库装置的优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定。不足之处是电站建造对地形要求高，不易推广。 

摆式波能装置摆体运动适合波浪大推力和低频的特性，摆式装置的转换效率较高，但现有的装置机械维护较为困难，对环境要求高。 

实用新型内容

为了解决利用波浪能量发电技术中存在的对发电装置所处环境、海洋气象条件要求高和建设成本大、设施转换能量小、效率低等问题，本实用新型提供一种将波浪动势能直接转换为单向旋转机械能获得连续稳定发电的装置，本装置能量转换简单、效率高、获得能量大，单装置发电功率可达50kw以上，装置设计制造简单、成本低、维护方便，可适应复杂气象和环境。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：由一个钢架结构平台[A]固定连接4个固定浮体[B]、3个中空固定滑轨[C]，悬浮连接悬浮浮体[E]、连接柱[D]、双面齿条直板[F]，固定浮体[B]横向间隔距离大于悬浮浮体横向宽度，悬浮浮体[E]、连接柱[D]、双面齿条直板[F]三者成一线连接，连接柱[D]为长方体，双面齿条直板[F]为两侧铸有轮齿的长方体构件；双面齿条直板[F]、连接柱[D]总长度的二分之一通过控制轴承置于中空固定滑轨[C]内部，悬浮浮体[E]浮在海面。 

利用棘轮组棘爪单方向传递动力给棘轮的功能，波浪依次冲撞经过悬浮浮体[E]、固定浮体[B]，使其升降带动双面齿条直扳[F]升降，主动棘轮组棘轮获取单向旋转的机械能，通过链条[3]集合传输到被动棘轮组[5]，被动棘轮组轴[17]与变速箱[18]输入轴同轴，发电机[19]输入轴与变速箱[18]输出轴相连，发电机获得的能量是各棘轮综合传递的能量，一定时间内波浪升降速度相等，该能量在一定时间内是连续和稳定的，从而实现了发电的连续和稳定。 

当波浪运动沿着箭头所指方向经过第一个工作单元悬浮浮体时，悬浮浮体因受波浪的冲击力和浮力作用，被波浪推动上升，带动与悬浮浮体成直线连接的双面齿条直板[F]上升，当上升到接近双面齿条直板[F]下限时，上限位杆[20]被阻挡板[21]制动，完成一个上升动作；当波浪掠过悬浮浮体时，悬浮浮体受重力的作用下降，带动与悬浮浮体成直线连接的双面齿条直板下降，当下降到接近双面齿条直板上限时，下限位杆[23]被阻挡板制动，完成一个下降动作。双面齿条直板[F]上升时，后主动棘轮组[30]飞轮设计为带动棘轮顺时针旋转，前主动棘轮组飞轮[24]设计为不带动前主动棘轮组棘轮[26]旋转；同样原理，双面齿条直板下降时，前主动棘轮组飞轮设计为带动棘轮顺时针旋转，后主动棘轮组飞轮设计不带动棘轮旋转；安装在中空固定滑轨[C]两侧与前主动棘轮组[25]和后主动棘轮组[30]同轴的主动齿轮同样随着双面齿条直板[F]上升或下降都做顺时针旋转，与主动齿轮通过链条[3]连接的被动棘轮组飞轮[16]同样顺时针旋转。被动棘轮组飞轮[16]与被动棘轮组棘轮[15]的旋转关系，均设定为飞轮顺时针旋转时带动棘轮旋转，逆时针时飞轮不带动棘轮旋转；其他工作单元按照上述同样方法和原理设计与安装；被动棘轮组[5]6组棘轮同轴，与变速箱连接，变速箱与发电机相连，完成了波浪动势能转换机械能、机械能转换电能的过程。 

上述说明是一个工作单元工作和能量传递全过程的理论解释，实际情况是：由于3个悬浮浮体和2组固定浮体纵向之间等距离安装、波浪能量依次传递、波浪上升浮力和下降重力差别小、浮体个体横向迎浪面积小能量衰减小和棘轮单方向获取旋转能量等特点，悬浮浮体和固定浮体上升或下降工作过程是始终重叠和交错，被动棘轮组轴[17]获取的能量是3个悬浮浮体上升或下降时，6个主动齿轮综合传递给被动棘轮组轴的能量，在一定时间内该能量是单向、连续和稳定的，这是本装置将波浪动势能直接转换单向旋转机械能获得连续和稳定发电的突出特点。 

4个固定浮体总体积大小依据钢架结构平台[A]总重确定，每个固定浮体在无波浪条件下应有2米在吃水线以上；每个悬浮浮体体积大小依据悬浮浮体、连接柱、双面齿条直板等合计重量确定，达到：一、主动棘轮组在无波浪状态下处在双面齿条直板中间位置，二、波浪覆盖悬浮浮体0.5米高度时，悬浮浮体产生的浮力大于主动棘轮组带动发电机达到额定功率和转速所需要的动力；固定浮体与悬浮浮体之间纵向保持0.5米距离，固定浮体横向之间保持3米以上距离；一般海域浮体纵向长度在2米以下、横向宽度在3米以下为获取能量和节约成本的最佳配置；特殊海域或波浪较高的海域，需综合考虑获取能量、安全、节约的统一。 

钢架结构平台[A]为长方形框架结构，固定浮体[B]、悬浮浮体[E]形状前部为三棱锥体，可最大限度减少海浪对平台和浮体的冲击，增加安全性和设备的使用寿命；3个中空固定滑轨向后倾斜成15°角，相互之间等距离固定安置在钢架结构平台[A]上，可使悬浮浮体即可获取波浪冲击产生的动能，又能减弱对悬浮浮体和钢架结构平台纵向冲击力；固定浮体安装在钢架结构平台两侧，可增加钢架结构平台的稳定性；横向对称的2个固定浮体横向间隔距离大于悬浮浮体横向宽度，利于后2个悬浮浮体更好的捕获海浪能量；浮体卡槽便于根据需要增加浮力或重力；传动系统、轴承、连接柱沟槽、滑动区域等承重部位采用优质钢材，保证性能发挥，该部分构件应采用抗腐蚀材料全部密封或半密封，减少海水的腐蚀，增强滑动的顺畅；钢架结构平台由牵引钢索与海底固定桩连接，可适应风向和潮汐的变化，减少控制调节设备，实现装置的简单化和节约化。 

当发电机所需负载较大时，钢架结构平台、连接柱、悬浮浮体、固定浮体钢筋混凝土浇筑。 

当海域波浪波高、波宽和频率较小时，固定浮体、悬浮浮体纵向、横向间隔一定距离，实行错位安装。 

当需要规模发电时，由一个海底固定桩通过多个牵引钢索，分前后依次间隔一定距离连接多个钢架结构平台，或以海底固定桩为圆点，牵引钢索、钢架结构平台总体长度为半径为一区域，多桩连接多个钢架结构平台。 

应用本发明装置在发电规模与适用海洋波浪范围的设计中需要考虑的一些问题： 

发电机功率与转速和扭矩成正比关系。获得较大扭矩时，固定浮体、悬浮浮体体积、自重增大，同样受到波浪冲击造成损坏大、对传 动结构要求高，钢架结构平台同样要增加面积，钢架结构平台承受的负载也大；增大转速，传动比则增大，能量传递过程能量衰减大，发电机最后获取的能量则小。设计时应对成本、装置寿命、功率综合平衡，取合理最佳配置。 

钢架结构平台、中空固定滑轨、控制轴承、棘轮组、链条、牵引钢索随着发电机功率的增大，承受的负载增加，要求材料要具有良好的柔韧性和强度。 

本实用新型的有益效果是： 

(1)适应性强。在复杂气象、潮汐升降、波浪大小、风向变化时，无需人为调整，均能利用波浪能正常发电。 

(2)实用性强。由于平台由牵引钢索与海底固定桩连接，采用浮体获取波浪能量，对海域情况要求低，占用海域面积小，可单机发电，也可在一定海域组成多组形成大规模发电。 

(3)成本低、耐腐蚀。由于采用玻璃钢外壳或钢混结构，制造成本相对低，而且抗海水腐蚀能力强，延长使用寿命。 

(4)效率高、能量大。由于将波浪动势能直接转换为发电所需的机械能，减少了转换环节，提高了转换效率；采用钢质或钢混结构，承受负载大，抗击风浪能力强，采集的波浪能量大。 

(5)工作系统易于维护，实现无人值守。 

(6)技术、结构相对简单，易于设计制造、发展建设。 

(7)本实用新型放置在靠近海岸的海面上，很容易将获得的电能输送到陆地电网上，将它们放置在任何有可采集波浪能的海面上，获得的电能可用于淡化海水、制氢以及其它的工业或试验生产。 

(8)本发明装置符合政府低碳经济政策，可享受国家补贴，半年效益即可达到投资成本回收，之后实现无成本收益，发展前景广阔。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

图1是本装置钢架结构平台示意图(正视)。 

图2是本装置钢架结构平台示意图(俯视)。 

图3是主动齿轮与被动棘轮组能量传递示意图(俯视)。 

图4是中空固定滑轨内内置设施及连接控制示意图(正剖视)。 

图5是主动齿轮与被动棘轮组能量传递示意图(正视)。 

图6是连接柱及沟槽和控制轴承状况示意图(俯视)。 

图7是双面齿条直板上端控制轴承与中空固定滑轨状况示意图(俯视)。 

图8是前、后主动棘轮组与双面齿条直板啮合、中空固定滑轨连接、主动齿轮固定状况示意图(俯视)。 

图中[A].钢架结构平台、[B].固定浮体、[C].中空固定滑轨、[D].连接柱、[E].悬浮浮体、[F].双面齿条直板、[1].牵引钢索、[2].滑轨支撑架、[3].链条、[4].固定浮体与钢架结构连接架、[5].被动棘轮组、[6].滑轨垫块、[7].链条支撑架、[8].浮体卡槽、[9].钢架结构连接件、[10].与平台连接的控制轴承、[11].沟槽承重板、[12].连接杆、[13].主动齿轮、[14].滑动轴承、[15].被动棘轮组棘轮、[16].被动棘轮组飞轮、[17].被动棘轮组轴、[18].变速箱、[19].发电机、[20].上限位杆、[21].阻挡板、[22].与连接柱连接的控制轴承、[23].下限位杆、[24].前主动棘轮组飞轮、[25].前主动棘轮组、[26].前主动棘轮组棘轮、[27].与连接板连接的前控制轴承、[28].连接板、[29].与连接板连接的后控制轴承、[30].后主动棘轮组、[31].沟槽、[32].遮挡板、[33].主动齿轮控制轴承、[34].主动棘轮组控制轴承。 

具体实施方式

在图1、图2中，钢架结构平台[A]为长方形框架结构，前端由牵引钢索[1]与海底固定桩连接，钢架结构连接件[9]连接支撑其它配置；4个固定浮体[B]两两对称，通过固定浮体与钢架结构连接架[4]与钢架结构平台连接；3个中空固定滑轨[C]向后倾斜成15°角，前侧直接、后侧通过滑轨垫块[6]相互之间等距离固定安置在钢架结构平台[A]上；固定浮体[B]、悬浮浮体[E]纵向之间等距离安装，固定浮体横向间隔距离大于悬浮浮体横向宽度，每个浮体外安装浮体卡槽[8]，第一组固定浮体与第二个悬浮浮体之间固定安置被动棘轮组[5]；每个中空固定滑轨两侧安装滑轨支撑架[2]，链条下安装上端带齿轮的链条支撑架[7]；连接杆[12]固定在钢架结构平台[A]上；其他中空固定滑轨安装连接方式相同；固定浮体[B]、悬浮浮体[E]形状前部为三棱锥体、后端为长方体，其它浮体相同。 

在图3、图5、图8中，主动齿轮[13]由主动齿轮控制轴承[33]、主动棘轮组控制轴承[34]固定在中空固定滑轨[C]一侧，并与前主动棘轮组[25]同轴，通过链条[3]与纵向一线的被动棘轮组飞轮[16]相连，其它5个主动齿轮固定连接方式相同；被动棘轮组[5]6个棘轮同轴，一端由滑动轴承[14]固定，另一端与变速箱[18]输入轴连接，变速箱[18]输出轴与发电机[19]输入轴相连。 

在图4中，悬浮浮体[E]、连接柱[D]、双面齿条直板[F]三者成一线连接，通过与连接板连接的前控制轴承[27]、与连接板连接的后控 制轴承[29]、与连接柱连接的控制轴承[22]、与平台连接的控制轴承[10]控制在中空固定滑轨[C]内成15度角滑动，固定在中空固定滑轨[C]内部前主动棘轮组飞轮[24]和后主动棘轮组飞轮与双面齿条直板[F]两侧分别啮合，固定在连接柱[D]上下两端的下限位杆[23]、上限位杆[20]与固定在钢架平台[A]上的阻挡板[21]控制连接体升降范围。 

在图4、图6、图7中，与连接板连接的前控制轴承[27]和与连接板连接的后控制轴承[29]、与连接柱连接的控制轴承[22]，各由3个轴承组成，分别在中空固定滑轨[C]内部三面滑动；与平台连接的控制轴承[10]同样由3个轴承组成，分别在连接柱[D]后侧设置的沟槽[31]内三面滑动；遮挡板[32]固定安装在沟槽承重板[11]上；连接柱[D]为长方体，双面齿条直板[F]为两侧铸有轮齿的长方体构件；双面齿条直板[F]、连接柱[D]总长度的二分之一通过控制轴承置于中空固定滑轨[C]内部，悬浮浮体[E]浮在海面。 

本发明实例一：发电机功率20kw，转速120转/分；波浪高1.5米，升降速度2米/秒，主动棘轮组飞轮半径0.5米，双面齿条直板长3米。 

发电机扭矩＝9550×功率÷转速＝9550×20÷120＝1592牛·米÷9.8＝162.5公斤·米。 

波浪高1.5米，3个悬浮浮体交叉传递动力，被动棘轮组棘轮综合转速30转/分，变速箱一级变速，传动比为1/4，传递效率为0.95。 

主动棘轮飞轮扭矩×传动比×0.95＝扭矩×1/4×0.95＝162.5公斤·米，主动棘轮飞轮扭矩＝684公斤·米，主动棘轮组飞轮齿条受力＝684/0.5＝1368公斤。 

依据以上数据，本发明装置应作如下设计：钢架结构平台、中空固定滑轨、钢架结构连接件选用钢质材料，钢架结构平台长度为16米，宽度为3米，中空固定滑轨纵向长度2.8米，横向宽度为1米，控制轴承直径0.2米，连接柱纵向、横向长度各为1米，沟槽纵向深0.4米，横向0.6米。 

3个悬浮浮体、2组固定浮体纵向间隔0.2米距离，固定浮体横向间隔2米，固定浮体、悬浮浮体采用钢架结构内部支撑，外覆玻璃钢表皮，浮体尺寸均为长2米、宽1.5米、高3米、三棱锥体横截面三角形高1米，每个浮体总体积＝(2×1.5+1.5×1÷2)×3＝11.25立方米，产生浮力＝11.25×1.03×1000＝11587公斤；四个固定浮体产生总浮力＝11587×4＝46348公斤。悬浮浮体、连接柱、双面齿条直板总重4000公斤计算，悬浮浮体在吃水线以上高度为1.9米；固定浮体及连 接件、平台及固定设施重量20000公斤计算，固定浮体在吃水线以上高度为1.7米。 

当波浪覆盖悬浮浮体0.5米时，悬浮浮体产生1875公斤浮力，减低悬浮浮体浮力带动钢架结构平台上升产生的重力(约为悬浮浮体浮力的1/4)500公斤，剩余1375公斤浮力，上升浮力1375公斤开始大于发电机达到额定功率和转速主动棘轮飞轮旋转所需要的力1368公斤，随着波浪逐步升高，悬浮浮体开始推动双面齿条直板上升，带动主动棘轮组飞轮旋转。波浪升高到1.5米时，双面齿条直板带动半径为0.5米主动棘轮飞轮旋转1/3转，波浪由0.5米升高到1.5米的时间在0.5秒左右。 

波浪连续不断依次经过悬浮浮体、固定浮体，使其循环往复不停的升或降，3组6个主动棘轮组获取波浪能量传递的过程是交错或重叠进行的，被动棘轮组6个飞轮(棘轮)同轴，轴得到的能量是6个棘轮综合的能量，该能量等于或大于满足发电机额定工作状态的能量，在一定时间内又是稳定和连续的，满足了发电机输出额定功率的条件。 

本发明实例二：发电机功率50kw，转速300转，波浪高1.5米，升降速度2米/秒，主动棘轮组飞轮半径0.5米，双面齿条直板长3米。 

发电机扭矩＝9550×功率÷转速＝9550×50÷300＝1592牛·米÷9.8＝162.5公斤·米。 

波浪高1.5米，3个悬浮浮体交叉传递动力，被动棘轮组棘轮综合转速30转/分，变速箱二级变速，传动比为1/10，传递效率为0.92。 

主动棘轮飞轮扭矩×传动比×0.92＝扭矩×1/10×0.92＝162.5公斤·米，主动棘轮飞轮扭矩＝1766斤·米，主动棘轮飞轮齿条受力＝1766/0.5＝3532公斤。 

依据以上数据，本发明装置应作如下设计：钢架结构平台钢混浇筑、中空固定滑轨、钢架结构连接件选用钢质材料，钢架结构平台长度为19米，宽度为3米，滑轨纵向长度2.8米，横向宽度为1米，控制轴承直径0.2米，连接柱纵向、横向长度各为1米，滑动沟槽纵向深0.4米，横向0.6米。 

3个悬浮浮体、2组固定浮体纵向间隔0.2米距离，固定浮体横向间隔3米，固定浮体、悬浮浮体、连接柱采用钢架结构内部支撑，浮体外层钢混浇筑，浮体尺寸均为长2米、宽3米、高4米、三棱锥体横截面三角形高1.5米，连接柱为长1米、宽1米、高1.5米，每个浮体总体积＝(2×3+3×1.5÷2)×4＝33方米，产生浮力＝33×1.03 ×1000＝33990公斤；四个固定浮体产生总浮力＝33990×4＝136000公斤。悬浮浮体自重8000公斤、连接柱自重4000公斤、双面齿条直板自重1000公斤计算，合计13000公斤，悬浮浮体在吃水线以上高度为2.47米；钢架结构平台、连接件及固定设施自重按27000公斤、4个固定浮体自重按32000公斤计算，合计约59000公斤，每个固定浮体在吃水线以上高度为2.2米。 

当波浪高度覆盖悬浮浮体0.5米时，悬浮浮体产生4250公斤浮力，减低悬浮浮体浮力带动钢架结构平台上升产生的重力(约为悬浮浮体浮力的1/6)700公斤，剩余3550公斤浮力，上升浮力3550公斤开始大于发电机达到额定功率和转速主动棘轮飞轮旋转所需要的力3532公斤，随着波浪逐步升高，悬浮浮体开始推动双面齿条直板上升，带动飞轮旋转，波浪升高到1.5米时，双面齿条直板带动半径为0.5米主动棘轮飞轮旋转1/3转。 

根据以上两个实例，本实用新型发电功率适合10-50kw范围。 

Claims (7)

1.一种利用波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的装置，其特征是：由一个钢架结构平台[A]固定连接4个固定浮体[B]，悬浮连接悬浮浮体[E]、连接柱[D]、双面齿条直板[F]，前、后主动棘轮组和被动棘轮组将波浪升降能量转换为单向旋转的机械能，达到利用波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的目的。

2.根据权利要求1所述的利用波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的装置，其特征是：钢架结构平台[A]为长方形框架，前端由牵引钢索[1]与海底固定桩连接，4个固定浮体[B]两两对称，通过固定浮体与钢架结构连接架[4]固定在钢架结构平台[A]两侧，横向间隔距离大于悬浮浮体横向宽度，固定浮体前部为三棱锥体，后为长方体，内由钢架结构支撑，3个中空固定滑轨[C]向后倾斜成15°角，相互之间等距离固定安置在钢架结构平台[A]上。

3.根据权利要求1所述的利用波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的装置，其特征是：悬浮浮体[E]、连接柱[D]、双面齿条直板[F]三者成一线连接，悬浮浮体[E]前部为三棱锥体，后为长方体，内由钢架结构支撑，连接柱[D]为长方体，后侧设置沟槽[31]，双面齿条直板[F]为两侧铸有轮齿的长方体构件，双面齿条直板[F]、连接柱[D]总长度的二分之一通过控制轴承置于中空固定滑轨[C]内部，悬浮浮体[E]浮在海面。

4.根据权利要求1所述的利用波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的装置，其特征是：固定在中空固定滑轨[C]内的前主动棘轮组飞轮[24]和后主动棘轮组[30]飞轮与双面齿条直板[F]啮合，前主动棘轮组棘轮[26]与主动齿轮[13]同轴，其它工作单元相同，利用棘爪单方向传递动力的功能，主动棘轮组和被动棘轮组[5]统一设计安装为飞轮顺时针旋转时，棘爪单方向传递动力到棘轮，棘轮顺时针旋转，波浪依次经过悬浮浮体、固定浮体，带动双面齿条直板上升或下降，与双面齿条直板啮合的飞轮带动前、后主动棘轮组棘轮顺时针旋转，与主动棘轮组棘轮同轴的主动齿轮获取能量同样顺时针旋转，通过链条[3]带动被动棘轮组飞轮顺时针旋转，被动棘轮组[5]6个棘轮与变速箱[18]输入轴同轴，变速箱[18]输出轴与发电机[19]输入轴相连，3个工作单元升降过程重叠和交错，一定时间内波浪升降速度相等，发电机输入轴在一定时间获得的能量是单向、连续和稳定的。

5.根据权利要求1所述的利用波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的装置，当发电机所需负载较大时，其特征是：钢架结构平台[A]、连接柱[D]、悬浮浮体[E]、固定浮体[B]用钢筋混凝土浇筑。 

6.根据权利要求1所述的利用波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的装置，当海域波浪波高、波宽和频率较小时，其特征是：固定浮体、悬浮浮体纵向、横向间隔一定距离，实行错位安装。

7.根据权利要求1所述的利用波浪动势能直接转换机械能获得连续稳定发电的装置，当需要获得更多规模的发电时，其特征是：由一个海底固定桩通过多个牵引钢索，分前后依次间隔一定距离连接多个钢架结构平台，或以海底固定桩为圆点，牵引钢索、钢架结构平台总体长度为半径为一区域，多桩连接多个钢架结构平台。 

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