CN202250573U - 陀螺定向的海浪采能装置 - Google Patents

Abstract

一种陀螺定向的海浪采能装置，包括浮筒，浮筒内的发电机经惯性轮、变速箱、棘轮而与主动轴连接，并有设置在主动轴下端的转杆和串装固定在转杆上的两个以上的螺旋桨，以及安装在浮筒上的两只扭杆；该浮筒漂浮在海面上处于海水的表层，转杆和螺旋桨均处于浅层海水中。本实用新型利用表层海水作起伏运动的海浪上漂浮的浮筒及其插入到浅层海水中的螺旋桨与相对平静的浅层海水间、竖直方向的相对往复运动，驱动螺旋桨单向旋转而实现海浪采能。本实用新型与海岸和海底不直接相关，结构简单、制造成本低、适应性强、采能效率高、可靠性高、抗风暴能力强等优点。

Description

陀螺定向的海浪采能装置

技术领域

本实用新型属于海浪发电装置，具体是涉及利用漂浮在表层海水上，在海浪作用下作起伏运动的浮筒与浅层海水间、竖直方向的相对往复运动，驱动螺旋桨单向旋转，陀螺定向的海浪采能装置。

背景技术

随着世界经济的发展，社会的进步和人们对能源的需求日益增长；传统能源正逐步趋于枯竭，因使用传统能源产生的温室气体也已经给人类造成了许多灾难；因此，各国都在努力地开展新能源方面的研究。除了利用风能、太阳能、地热能等资源外，由于海洋动能(如海浪、洋流、潮汐等)有着蕴藏量大、可再生、无污染等特点，是人们梦寐以求的清洁能源；特别是海浪发电正在蓬勃兴起，成为各国竞相开发的一种新能源。

早在上世纪初，法国发明家就开始寻求利用海浪发电的方法；日本后来居上，1964年首次研制成了世界上第一个用海浪发电点燃的航标灯，尽管电能只有60瓦，但是开创了人类利用海浪电能的新纪元。之后，世界上许多国家，如英国、日本、美国、加拿大、芬兰、丹麦、法国、以色列等都在研究和试验海浪发电，并相继提出了上千种发电装置设计方案。

随着研究和开发的深入，海浪发电开始从小型化走向中、大型化，人们正急于从试验阶段进入商业化运营阶段。但是，反复无常、千变万化的海洋环境，使现有发电设备稳定性和耐久性尚不能尽如人意；其次，海浪发电站建设、维护和管理成本较高；而采能效率不高也是制约当今海浪发电发展的一个重要方面；

由于海浪的稳定性和能量采集装置设计的不合理导致转换装置经常处于非设计工况，使有限的能流密度的转换效率很低，导致发电成本进一步加大，因此提高波能利用率，降低波能采集的成本始终是海浪发电研究的目标和难点。

目前世界上相对成熟的主流海浪发电装置，多数直接建造在海岸上或直接与近岸海底相连接，而不直接与海岸或近海海底相关联发电装置甚为少见，能够有效发电的就更是难寻；直接建造在海岸上或直接与近岸海底相连接的海浪发电装置如果大量出现在海岸上，对于沿岸的自然环境将是一个巨大的破坏，对沿岸生态平衡也将是一大挑战，我们决不能尚未走出传统能源的污染，又走进破坏自然生态和环境的怪圈。

直接建造在海岸上海浪发电装置，因适应潮汐变化而增加的工程量巨大，造成电站建造投资的大幅度增加；直接与近岸海底相连接海浪发电装置，一方面，为适应潮汐变化使采能装置复杂化，进一步提高了成本，另一方面，利用与海底间的相对运动的装备，难以抵御强风暴和异常环境条件的冲击。

由于研究方向一直在海岸和近岸海底间周旋。这就使海浪发电研究一直没有什么大的突破，也是海浪能的利用仍然落后于风能和潮汐能利用的根本原因。

发明内容

本实用新型目的是提供一种陀螺定向的海浪采能装置，以弥补已有技术的不足。

本实用新型的另一目的是提供一种便于组合的、小型的海浪采能装置(单体)，以实现根据需要的发电量灵活地联合成一定规模的电站。

本实用新型是利用表层海水作起伏运动的海浪上漂浮的浮筒及其与之连体、插入到浅层海水中的螺旋桨，与相对平静的浅层海水间、在竖直方向的相对往复运动而驱动螺旋桨单向旋转的陀螺定向的海浪采能装置；

本实用新型是一种直接将海浪垂直方向起伏能量转换成旋转动能、完全自动适应海洋复杂环境的海浪采能装置，解决的主要技术问题：一是，自然漂浮在海上的采能装置在风浪作用下很容易发生倾覆，轻则影响采能效率，重则完全失去采能功效；本实用新型利用降低重心实现自然定向，又利用巨大的惯性轮作为陀螺实现强制定向，达到了维持竖直和提高抵御风暴能力之目的。二是，浮筒带动螺旋桨上、下运动过程中，如果采用固定桨叶，螺旋桨的旋转方向相反，在正传和反转变换过程中能量损失巨大；因此本实用新型把螺旋桨的桨叶专门设计成了菜刀形的柔性变向的桨叶，静止状态下桨叶处于中性面上，无论浮筒带动螺旋桨上升还是下降，桨叶上产生的旋转力矩都朝向刀背方向。三是，如果用单个螺旋桨在浮筒上产生的动力与螺旋桨的阻力间达成平衡，螺旋桨尺寸必须做得很大，而转速就会很慢，变速箱的变比必须增加，其能量损失就会增大，螺旋桨自身的转换效率也会降低；本实用新型采用在同一根转杆(轴)上串联两个以上螺旋桨的方式，解决了上述问题；且使桨叶中性面与转杆截面成一定角度，以减小螺旋桨间的相互影响。四是，考虑到螺旋桨上产生的旋转力矩，在驱动齿轮箱带动惯性轮旋转的同时，也会使安装惯性轮和发电机的浮筒旋转，造成发电机壳体与电机轴同时旋转而不能发电；本实用新型在浮筒的腰间增设了两根，向两侧伸展与浮筒铰链的扭杆，便于扭杆远端固定在相对大地不动的物体上，以抑制浮筒旋转，也有利于采能装置在海上固定。一个浮筒就能组成一个发电单元或称之为单体发电机组。

考虑到降低发电成本扩大电站规模是非常必要的；只要将多个采能装置的扭杆远端首尾相连接，两端以泊锚固定于海底(或采用其他固定模式)，就能联合形成一个一定规模的电站。

考虑到提高发电装置的灵敏性和采能效率，采用柔性变向的螺旋桨叶，在浮筒以很低速度上下运动时，因桨叶扭转角度较小，虽然不能在螺旋桨上获得大的转矩，却能得到较高的旋转速度，这是非常需要得到的螺旋桨的跟随性能。

该桨叶是菜刀形，刀把部分称之为扭转轴，各桨叶成辐射状设置在桨座上，即桨叶与桨叶座间通过扭簧相连接，初始状态时桨叶处于螺旋桨的中性面上，这就使得螺旋桨在延续惯性旋转时的阻力最小，螺旋桨沿轴向运动时，桨叶在相对安装座发生扭转的同时，产生朝向刀背方向的扭矩，且桨叶扭转角度随着螺旋桨轴向力的增大而增大，产生的转矩也随之增加。

本实用新型的具体结构如下：

本实用新型包括浮筒、与主动轴紧固为一体的棘轮，通过棘轮、棘舌与变速箱相连接，变速箱的输出端连接惯性轮，该惯性轮与发电机相连接，其特征在于还包括设置在浮筒底部的转杆和固定在转杆上的两个以上的螺旋桨，以及安装在浮筒上的两只阻止浮筒随惯性轮转动的、且与浮筒铰链的扭杆；上述变速箱、惯性轮和发电机设置安装在浮筒之内，而转杆上端与主动轴下端相接，所有螺旋桨串装并紧固在转杆上的中下部；且所述惯性轮与转杆和螺旋桨的轴线相互重合；该浮筒漂浮在海面上处于海水的表层，转杆和螺旋桨均处于浅层海水中；该浮筒经由扭杆上的绳索连接在相对大地静止的物体上。

所述的陀螺定向的海浪采能装置，其特征是所述惯性轮与转杆和螺旋桨的轴线相互重合；惯性轮就是实际意义上的陀螺；

所述的螺旋桨上的桨叶总成沿浆座圆周均布，且螺旋桨是由桨叶总成、轴套和浆座构成，鉴于在多桨串联状态下，减小桨叶搅动起来的水流对相邻螺旋桨的影响，使桨叶中性面与转杆4的截面间成一定夹角，夹角在±30度之内。

上述桨叶总成是由桨叶、桨叶座、扭簧构成；且扭簧套在桨叶的扭转轴上，并有一端与之固定为一体，另一端固定在套在扭簧外的桨叶座上，扭簧在弹性变形范围内，桨叶相对桨叶座至少能够扭转±60度。

本实用新型上述技术方案的特点是：

本实用新型不与海岸和近海海底直接关联，对海岸自然环境的影响较小。

本实用新型漂浮在海面上，由于采用了陀螺强制定向使自身的工作姿态保持稳定；同时完全能适应恶劣海洋环境，哪怕是在美洲的飓风中也能免遭伤害。

本实用新型的螺旋桨在浮筒带动下产生扭矩的方向相同，消除了机械换向损耗，提高了海浪能量的采集效率。

本实用新型制造成本仅仅相当于同等功率的一套柴油发电机组的费用。

本实用新型与海底或海岸不直接关联，没有庞大的基础工程，不涉及现场维护与保养，定期的维修保养工作可以像修船一样安排在特定的船坞里；维修周期可定为2年。

本实用新型具有结构简单、制造成本极低、采能效率高、适应性强、可靠性高等特点，是一种极具实用价值海浪采能装置。

下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步详细描述。

附图说明

图1.本实用新型立体结构示意图。

图2.本实用新型总体结构剖示图。

图3.本实用新型图2的局部放大示意图。

图4.本实用新型的螺旋桨结构示意图。

其中<A>螺旋桨主视图  <B>立体结构示意图

图5.本实用新型的桨叶总成结构示意图。

其中<A>桨叶总成立体结构示意图  <B>桨叶总成主视图  <C>桨叶总成局部剖视图

图中：1.浮筒  2.螺旋桨  3.变速箱  4.转杆  5.惯性轮  6.发电机  7.主动轴8.棘轮  9.扭杆  21.桨叶总成  22.轴套  23.桨座  211.桨叶  212.桨叶座213.扭簧。

具体实施方式

如图1、图2、图3，本实用新型包括浮筒1、螺旋桨2、变速箱3、转杆4、惯性轮5、发电机6、主动轴7、棘轮8、扭杆9构成；与主动轴7紧固为一体的棘轮8，通过棘轮8、棘舌与变速箱3相连接，变速箱3的输出端连接惯性轮5，该惯性轮5与发电机6相连接，其特征在于设置在浮筒1底部的转杆4和固定在转杆4上的两个以上的螺旋桨2，以及安装在浮筒1上的两只阻止浮筒1随惯性轮5转动的、且与浮筒1铰链的扭杆9；上述变速箱3、惯性轮5和发电机6安装在浮筒1之内，固定在与浮筒下半截连体的安装梁上，而转杆4上端与主动轴7下端相接，所有螺旋桨2串装并紧固在转杆4的中下部；且所述惯性轮5与转杆4和螺旋桨2的轴线相互重合；该浮筒1漂浮在海面上处于海水的表层，转杆4和螺旋桨2均处于浅层海水中；该浮筒1经由扭杆9上的绳索连接在相对大地静止的物体上。

在海浪浮力和自身重力的作用下产生的动力，通过主动轴7、转杆4传递到每个螺旋桨2上；又通过各螺旋桨2的桨叶与海水间的相互作用转变成旋转动力---产生旋转；旋转动力再一次通过转杆4传递到主动轴7上；主动轴7上的旋转动力再通过与之紧固为一体的棘轮8传递给变速箱3，经变速箱3提速后驱动惯性轮5旋转；惯性轮5与发电机6同轴，因而带动发电机6旋转发电。

如图4所示，本实用新型螺旋桨2是由桨叶总成21、轴套22和浆座23主要部件构成，所述的螺旋桨2上的桨叶总成21沿浆座23圆周呈放射状均布；鉴于在多个螺旋桨串联状态下，为减小桨叶搅动起来的水流对相邻螺旋桨的影响，采用把桨叶的中性面与转杆4的截面间设计成一定夹角，夹角在±30度之内。

上述桨叶总成2如图5所示，是由桨叶211、桨叶座212、扭簧213构成；且扭簧213套在桨叶211的扭转轴上，并有一端与之固定为一体，另一端固定在套在扭簧213外的桨叶座212上，即扭簧213的两端分别固定在桨叶211和桨叶座212上，扭转桨叶211时扭簧213变形，释放后桨叶211复位，这就是前面所述的柔变桨叶的概念，扭簧213应有较小的尺寸和足够的刚度也必须有足够的变形角度，扭簧213在弹性变形范围内，桨叶211相对桨叶座212至少能够扭转±60度。

实施例1以浮筒直径为1.5米，转杆上安装两个螺旋桨为例。

如图1、图2所示的一个浮筒1的直径为1.5米，转杆4上安装两个螺旋桨2，转杆4长度为6米，桨间距离为2.5米的陀螺定向的海浪采能装置；平均浪高为1米时采能功率为5KW。通常采能功率与浪高的平方成正比；一般情况下以1米浪高时的发电能力作为采能装置的标称功率。

本实施例的主要技术参数为：

1.功率：      5KW

2.变速箱变比：1∶64(2级)

3.螺旋桨外径：              1200mm

4.单桨桨叶数：              8

5.单桨叶面积：              1120cm²

6.工作环境温度：            -5℃---+50℃

7.转杆截面与桨叶中性面夹角：0°

8.惯性轮直径                1200mm

9.发电机极数                4极

浮筒1外形下部呈倒圆锥状、上部为圆柱状、顶部凸起；下部用不锈钢材料制成，上部由玻璃钢制成；柱状圆筒直径为1.5米、高1.2米，与倒圆锥部分结合部采用橡胶密封，以三道钢索紧固为一体。倒圆锥部分与惯性轮5和发电机6的安装架焊接成一体，主动轴7由倒圆锥顶尖部伸出与转杆4相连接。如图2所示

转杆4的长度取6米，转杆4上装有两个直径为1.2米螺旋桨2，桨间距离为2.5米；由于螺旋桨数量有限，桨间距较大，桨叶211中性面与转杆4的端面没有必要设置夹角。

变速箱采用两级齿轮增速，变比为64倍。发电机采用5KW、4极永磁发电机。动力线由浮筒1的下半部引出，拉至测试船与电热器相连接。

向两侧伸展与浮筒1铰链的扭杆9，两端各设有一个小浮筒保证浮筒1上下运动自由，以麻绳连接泊锚沉入海底，防止浮筒1旋转和漂离安装点。

实施例2以浮筒直径为2米，转杆上安装6个螺旋桨为例。

如图1、图2所示的一个浮筒1的直径为2米，转杆4上安装6个螺旋桨2，转杆4长度为12米，桨间距离为1.5米的陀螺定向的海浪采能装置；平均浪高为1米时采能功率为10KW。

本实施例的主要技术参数为：

1功率：                    10KW

2变速箱变比：              1∶64(2级)

3螺旋桨外径：              1000mm

4单桨桨叶数：              8

5单桨叶面积：              1120cm²

6工作环境温度：            -5℃---+50℃

7转杆截面与桨叶中性面夹角：15°

8惯性轮直径                1600mm

9发电机极数                4极

上述浮筒1外形下部呈倒圆锥状、上部为圆柱状、顶部凸起；下部用不锈钢材料制成，上部由玻璃钢制成；柱状圆筒直径为2米、高1.2米，与倒圆锥部分结合部采用橡胶密封，以三道钢索紧固为一体。倒圆锥部分与惯性轮5和发电机6的安装架焊接成一体，主动轴7由倒圆锥顶尖部伸出与转杆4相连接。如图2所示

转杆4的长度取12米，转杆4上装有两个直径为1米螺旋桨2，桨间距离为1.5米；由于螺旋桨数量较大，桨间距较小，桨叶211中性面与转杆4的端面间的夹角为20°以扩大扰动水域。

变速箱采用两级齿轮增速，变比为64倍。发电机采用20KW、4极永磁发电机。动力线由浮筒1的下半部引出，拉至测试船与电热器相连接。

为方便实施，向两侧伸展与浮筒1铰链的扭杆9的两端各增加一个小浮筒以保证浮筒1自由上下运动；再以绳索连接沉入海底泊锚，防止浮筒1旋转和漂离安装点。

Claims (3)

1.一种陀螺定向的海浪采能装置，包括浮筒(1)、与主动轴(7)紧固为一体的棘轮(8)，通过棘轮(8)、棘舌与变速箱(3)相连接，变速箱(3)的输出端连接惯性轮(5)，该惯性轮(5)与发电机(6)相连接，其特征在于还包括设置在浮筒(1)底部的转杆(4)和固定在转杆(4)上的两个以上的螺旋桨(2)，以及安装在浮筒(1)上的两只阻止浮筒(1)随惯性轮(5)转动的、且与浮筒(1)铰链的扭杆(9)；上述变速箱(3)、惯性轮(5)和发电机(6)设置在浮筒(1)之内，而转杆(4)上端与主动轴(7)下端相接，所有螺旋桨(2)串装并紧固在转杆(4)上的中下部；且所述惯性轮(5)与转杆(4)和螺旋桨(2)的轴线相互重合；该浮筒(1)漂浮在海面上处于海水的表层，转杆(4)和螺旋桨(2)均处于浅层海水中；该浮筒(1)经由扭杆(9)上的绳索连接在相对大地静止的物体上。

2.如权利要求1所述的陀螺定向的海浪采能装置，其特征是所述的螺旋桨(2)上的桨叶总成(21)沿浆座(23)圆周均布，且螺旋桨(2)是由桨叶总成(21)、轴套(22)和浆座(23)构成，且使桨叶中性面与转杆(4)的截面间成一定夹角，夹角在±30度之内。

3.如权利要求2所述的陀螺定向的海浪采能装置，其特征是上述桨叶总成(21)是由桨叶(211)、桨叶座(212)、扭簧(213)构成；且扭簧(213)套在桨叶(211)的扭转轴上，并有一端与之固定为一体，另一端固定在套在扭簧(213)外的桨叶座(212)上，扭簧(213)在弹性变形范围内，桨叶(211)相对桨叶座(212)至少能够扭转±60度。

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