CN204677360U - 自适应潮位的波浪能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种自适应潮位的波浪能量收集装置，其浮箱及浮力摆摆板安置在支撑台上，浮力摆摆板可绕转轴转动。机械能量转换系统安置在海底基础结构上，液压能量转换系统可安置在海底基础结构或支撑台上。所有齿轮通过支撑架固定在海底基础结构上。可自动适应潮位变化，保证浮力摆摆板的有效作用高度，从而提高能量捕获效率。可同时纵摇、垂荡，从而同时收集海水动能和势能，大大提高了海水能量的转换、利用效率。在潮位变化较大时，机械能量转换系统将进一步捕获海水势能，使得能量转换效率再次得到提升。浮力摆摆板的支撑结构长度可伸缩，可以到中等海洋深度工作。

Description

自适应潮位的波浪能量收集装置

技术领域

本实用新型涉及一种能量收集装置，特别是涉及一种自适应潮位的波浪能量收集装置。

背景技术

当今世界能源紧缺，开发使用传统能源而造成的环境污染也日益严重。寻找绿色无污染的可持续新能源得到各国的重视。全世界理论上可利用的海洋能总量共计766亿千瓦，目前技术可利用发电64亿千瓦。由于海洋所具有的庞大能量，开发和使用海洋能得到广泛的青睐。自日本从1974年开始研究“海明号”开始，目前已有28个国家和地区相继进行海洋波浪能的使用和开发，建设大小波力电站、装置、机组、船体上千台(座)。

目前能够有效地利用海洋波浪发电的技术有以下几种：振荡水柱式波浪能利用技术、振荡浮子式波浪能利用技术、筏式波浪能利用技术、收缩波道式波浪能利用技术、鸭式波浪能利用技术、摆式波浪能利用技术。考虑到能量转换效率、适用的海域范围、抗浪能力等问题，针对振荡浮子式波浪能利用技术及摆式波浪能利用技术的研究成果较多。而已经存在的以浮力摆为主体进行能量收集的装置都是布置在近海岸且固定在海底基础结构处。不同的季节近海处的潮位也会不同。每年10到11月份，我国沿海潮位差大致为1.5米，部分地区达到3米。而日本最大潮位差可达到13米。现有的浮力摆不能自动适应潮位变化，当海水涨潮时有可能没过浮力摆，使其不能收集海水表面最为丰富的海水动能。而海水落潮时，摆板的有效力矩过小降低能量转换效率。且由海洋波浪力学可知，波浪的动能约占总能量的三分之二，势能约占总能量的三分之一。目前的能量收集装置大多只能单一地利用波浪势能或动能无法使波浪能最大化地利用。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种自适应潮位的波浪能量收集装置，能同时纵摇和垂荡，并且可以自动适应潮位变化，从而大大提高了能量转换效率。

为了实现上述目的，本实用新型通过下述技术方案得以解决：

包括浮箱、密封装置、转轴、浮力摆摆板、弯管、液压缸、支撑台、撑臂、支撑架、海底基础结构、齿条及与齿条配合的齿轮、液压能量转换系统及机械能量转换系统。浮箱及浮力摆摆板安置在支撑台上，浮力摆摆板可绕转轴转动。机械能量转换系统安置在海底基础结构上，液压能量转换系统可安置在海底基础结构或支撑台上；所有齿轮通过支撑架固定在海底基础结构上。

按上述方案，所述的浮箱通过密封装置、弯管后，经置于浮力摆摆板内部的转动副与内部液压缸相连。内部液压缸通过浮力摆摆板上具有密封装置的小孔后与外部的液压能量转换系统相连。浮箱对称布置在浮力摆摆板的两侧非主要工作面处。

按上述方案，所述的撑臂均由滑动支撑臂、固定支撑臂构成；固定支撑臂、上设有橡胶垫、滑轨、弹簧限位器、滑槽；固定支撑臂两侧滑槽内部设有滑轨，滑动支撑臂可沿固定支撑臂的滑槽上下移动；弹簧限位器安置在正常潮位线所在的位置；固定支撑臂具有三种潮位线，从上到下分别为最高潮位线、正常潮位线和最低潮位线，固定支撑臂凸台处设有缓冲的橡胶垫。

按上述方案，所述的撑臂外部具有相互配合的齿条及齿轮。齿条与滑动支撑臂固接。齿轮固定在海底基础结构上。第一齿条、第三齿条在两个撑臂上对称布置。第二齿条、第四齿条在另两个撑臂上对称布置。齿条边缘能够沿滑轨滑动。为保证机械能量转换系统的正常工作，齿条长度大于所设定的最大潮位差之间的距离；齿条底部距海底基础结构的距离大于正常潮位线与最低潮位线的距离。

按上述方案，所述的液压能量转换系统包括第一外部液压缸、第一内部液压缸，第二外部液压缸、第二内部液压缸、单向阀、溢流阀，蓄能器、液压马达、第二发电机、过滤器、油箱、安全阀。第一内部液压缸、第二内部液压缸置于浮力摆摆板内，分别与两个活塞杆相连。两个活塞杆通过转动副、密封装置分别与浮力摆摆板外部的两个浮箱相连。输送液压油的管线通过浮力摆摆板上具有密封装置的孔后与单向阀相连。第一外部液压缸、第二外部液压缸分别与两个单向阀相连。通过输出的高压油控制各单向阀及溢流阀的的通断从而控制第二发电机发电。溢流阀与液压马达之间设有蓄能器以保证在海浪较小的时候能量收集装置也能正常发电。为保证液压油的纯度从而减少杂质对系统的磨损而造成卡死或堵塞的现象，液压能量转换系统中各液压油的输送管线都与过滤器相连，经过过滤器过滤后流入(或流出)油箱。在液压马达及过滤器之间设有安全阀。

按上述方案，所述的机械能量转换系统包括五个圆锥齿轮副、增速箱、卧式增速机、超越离合器、联轴器、发电机。第三齿条与第三齿轮配合后通过第一轴驱动配合的第八圆锥齿轮、第九圆锥齿轮转动。第一齿条与第一齿轮配合后通过第二轴驱动配合的第一圆锥齿轮、第二圆锥齿轮转动。第二圆锥齿轮、第九圆锥齿轮、卧式增速机分别安装在第三轴上。卧式增速机通过第四轴与第一超越离合器、第三圆锥齿轮相连。第二齿条与第二齿轮配合后通过第五轴驱动第六圆锥齿轮、第七圆锥齿轮转动。第四齿条与第四齿轮配合后通过第六轴驱动配合的第五圆锥齿轮、第十圆锥齿轮转动。第四圆锥齿轮、第五圆锥齿轮、第七圆锥齿轮、增速箱、第二超越离合器分别安装在第七轴上。通过第三圆锥齿轮与第四圆锥齿轮的配合将两个驱动轴的动力合并，合并动力后的驱动轴通过联轴器的连接驱动第一发电机。

本实用新型的有益效果是：(1)可自动适应潮位变化，保证浮力摆摆板的有效作用高度、俘获水的宽度不发生较大的变化，从而保证装置的能量捕获效率。(2)可同时纵摇、垂荡，从而同时收集海水动能和势能，大大提高了海水能量的转换、利用效率。(3)在潮位变化较大时，机械能量转换系统将进一步捕获海水势能，使得能量转换效率再次得到提升。(3)浮力摆支撑结构的长度可伸缩，可以到中等海洋深度工作。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的浮箱与浮力摆摆板内部连接示意图。

图3为本实用新型的第一撑臂结构的剖视示意图。

图4为本实用新型的第二撑臂结构的剖视示意图。

图5为本实用新型的第一撑臂结构的侧视示意图。

图6为本实用新型的液压能量转换系统结构示意图。

图7为本实用新型的机械能量转换系统结构示意图。

图中：1.浮箱，2.密封装置，3.转轴，4.浮力摆摆板，5.弯管，6.第一外部液压缸，7.支撑台，8.第一撑臂，9.海底基础结构，10.第一齿条，11.第一齿轮，12.支撑架，13.第二撑臂，14.第一内部液压缸，15.第一圆锥齿轮，16.第二圆锥齿轮，17.卧式增速机，18.第一超越离合器、19.第三圆锥齿轮，20.第四圆锥齿轮，21.第一发电机，22.联轴器，23.第二超越离合器，24.增速箱，25.第五圆锥齿轮，26.第二齿条，27.第二齿轮，28.第六圆锥齿轮，29.第七圆锥齿轮，30.第三齿条，31.第三齿轮，32.第八圆锥齿轮，33.第九圆锥齿轮，34.第四齿轮，35.第四齿条，36.第十圆锥齿轮，37.橡胶垫，38.滑轨，39.弹簧限位器，40.第三撑臂，41.第四撑臂，42.滑动支撑臂，43.固定支撑臂，44.第二外部液压缸，45.单向阀，46.溢流阀，47.蓄能器，48.液压马达、49.第二发电机，50.过滤器，51.油箱，52.第二内部液压缸，53.滑槽、54.安全阀。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

如图1所示，本实用新型包括：两个浮箱1、密封装置2、转轴3、浮力摆摆板4、弯管5、第一外部液压缸6、第二外部液压缸44、第二内部液压缸52、支撑台7、第一撑臂8、第二撑臂13、第三撑臂40、第四撑臂41、海底基础结构9、第一齿条10、第二齿条26、第三齿条30、第四齿条35及与其配合的第一齿轮11、第二齿轮27、第三齿轮31、第四齿轮34、液压能量转换系统及机械能量转换系统。浮箱1及浮力摆摆板4安置在支撑台7上。机械能量转换系统安置在海底基础结构9上，液压能量转换系统可安置在海底基础结构9或支撑台7上。所有齿轮通过支撑架12固定在海底基础结构9上。

如图2所示。浮箱1通过密封装置2、弯管5后，经置于浮力摆摆板4内部的转动副与第一内部液压缸14相连。另一侧的浮箱1通过密封装置2、弯管3，经置于浮力摆摆板4内部的转动副与第二内部液压缸52相连.第一内部液压缸14、第二内部液压缸52分别通过浮力摆摆板4上设有密封装置的小孔后与外部的液压能量转换系统相连。为减小浮箱1对浮力摆摆板4的水动力性能的影响，浮箱1布置在浮力摆摆板4的两侧非主要工作面。

如图3、图4、图5所示，四个撑臂的结构形式相同。以第二撑臂13为例：撑臂由滑动支撑臂42、固定支撑臂43构成。固定支撑臂42上设有橡胶垫37、滑轨38、弹簧限位器39、滑槽53。滑动支撑臂42可沿固定支撑臂43的滑槽53上下移动。弹簧限位器39安置在正常潮位线所在的位置。为防止过大的潮位(超出设定的最高潮位线)的冲击，固定支撑臂凸台处设有缓冲的橡胶垫37。滑动支撑臂42与齿条之间固接。齿条边缘能够沿滑轨38滑动。图3中横的虚线分别为所设计的最高潮位线、正常潮位线、最低潮位线。为保证机械能量转换系统的正常工作，齿条长度应大于所设定的最大潮位差之间的距离。齿条底部距海底基础结构9的距离应大于正常潮位线与最低潮位线的距离。

如图6所示，液压能量转换系统包括：第一外部液压缸6，第一内部液压缸14，第二外部液压缸44，第二内部液压缸52，单向阀45，蓄能器47，液压马达48，第二发电机49，过滤器50，油箱51、54.安全阀。第一内部液压缸14、第二内部液压缸44置于浮力摆摆板4内，分别与两个活塞杆相连。两个活塞杆通过转动副、密封装置与分别于浮力摆摆板4外部的两个浮箱1相连。输送液压油的管线通过浮力摆摆板4上具有密封装置的孔后与单向阀45相连。第一内部液压缸14、第二内部液压缸52及第一外部液压缸6、第二外部液压缸44的输出液压油的管线合并后与溢流阀46相连。当输出的液压油达到溢流阀46的预调压力时，溢流阀46阀门打开，从而向液压马达48提供高压液压油，进而驱动第二发电机49发电。溢流阀46与液压马达48之间设有蓄能器47以保证在海浪较小的时候能量收集装置也能正常发电。为保证液压油的纯度从而减少杂质对系统的磨损而造成卡死或堵塞的现象，液压能量转换系统中各液压油的输送管线都与过滤器50相连，经过过滤器50过滤后流入(或流出)油箱51。在液压马达48及过滤器50之间布置安全阀54，防止液压马达48中液压油压力过高而造成机械的损坏。

如图7所示，机械能量转换系统包括第一圆锥齿轮15、第二圆锥齿轮16、卧式增速机17、第一超越离合器18、第三圆锥齿轮19、第四圆锥齿轮20、第一发电机21、联轴器22、第二超越离合器23、增速箱24、第五圆锥齿轮25、第六圆锥齿轮28、第七圆锥齿轮29、第八圆锥齿轮32、第九圆锥齿轮33、第十圆锥齿轮36。第三齿条30与第三齿轮31配合后通过第一轴驱动配合的第八圆锥齿轮32、第九圆锥齿轮33转动。第一齿条10与第一齿轮11配合后通过第二轴驱动配合的第一圆锥齿轮15、第二圆锥齿轮16转动。第二圆锥齿轮15、第九圆锥齿轮33、卧式增速机17安装在第三轴上。卧式增速机17通过第四轴与第一超越离合器18、第三圆锥齿轮19相连。第二齿条26与第二齿轮27配合后通过第五轴驱动的第六圆锥齿轮28、第七圆锥齿轮29转动。第四齿条35与第四齿轮34配合后通过第六轴驱动配合的第五圆锥齿轮25、第十圆锥齿轮36转动。第四圆锥齿轮20、第五圆锥齿轮25、第七圆锥齿轮29、增速箱24、第二超越离合器23分别安装在第七轴上。通过第三圆锥齿轮19与第四圆锥齿轮20的配合将两个驱动轴的动力合并，合并动力后的驱动轴通过联轴器22的连接驱动第一发电机21发电。

本实用新型的工作过程是这样的：

潮位变化较小时，装置受到的浮力变化较小。在各机械元件的摩擦力及弹簧限位器39的共同作用下滑动支撑臂42保持静止，装置整体不能够上下浮动。机械能量转换系统不工作，浮力摆摆板4则在海水的冲击下发生纵摇，浮箱1则发生垂荡。第一外部液压缸6、第二外部液压缸44与浮力摆摆板4相连对称地安置在浮力摆摆板4两侧，并通过浮力摆摆板4的纵摇推动外部液压缸活塞杆移动，两个浮箱1分别通过转动副与第一内部液压缸14、第二内部液压缸52相连，推动其活塞杆上下移动，四个液压缸输出高压液压油通过输油管路合并后推动液压马达48工作，从而使液压能量转换系统中的第二发电机49发电。

当潮位差发生较大变化时，整个装置所受的浮力也发生较大改变。当能量收集装置所受的浮力与其所受重力及齿轮副之间的摩擦力不等时，整个装置会发生上下移动。液压能量转换系统正常工作。同时机械能量转换系统也开始工作。滑动支撑臂42上下移动的同时，与滑动支撑臂42之间固接的齿条也会上下移动从而驱动齿轮转动。齿轮通过轴带动圆锥齿轮副转动进而带动驱动轴转动。在迎水方向上，第一撑臂8与第二撑臂13，第三撑臂40与第四撑臂41是同时向上或向下移动，因此两个撑臂外部的齿条与齿轮是沿撑臂对称布置，以保证驱动轴能获得最大的驱动力矩。两根驱动轴通过增速箱24及卧式增速机17增速后分别与第一超越离合器18、第二超越离合器23相连并通过第三圆锥齿轮19、第四圆锥齿轮20的配合将两者的驱动力合并，通过连轴器22将合并驱动力后的驱动轴与第一发电机21相连驱动其发电。本实用新型无论潮位是否变化都可以同时捕获海水动能及势能，从而提高波浪能的利用效率。

Claims (6)

1.一种自适应潮位的波浪能量收集装置，其特征在于：包括浮箱(1)、密封装置(2)、转轴(3)、浮力摆摆板(4)、弯管(5)、支撑台(7)、撑臂、支撑架(12)、海底基础结构(9)、液压缸、齿条及与齿条配合的齿轮、液压能量转换系统及机械能量转换系统；浮箱(1)及浮力摆摆板(4)安置在支撑台(7)上；机械能量转换系统安置在海底基础结构(9)上，液压能量转换系统可安置在海底基础结构(9)或支撑台(7)上；所有齿轮通过支撑架(12)固定在海底基础结构(9)上。

2.根据权利要求1所述的自适应潮位的波浪能量收集装置，其特征在于：所述的浮箱(1)通过密封装置(2)、弯管(5)后，经置于浮力摆摆板(4)内部的转动副与内部液压缸相连；内部液压缸通过浮力摆摆板(4)上设有密封装置的小孔后与外部的液压能量转换系统相连；浮箱(1)对称布置在浮力摆摆板(4)的两侧非主要工作面。

3.根据权利要求1或2所述的自适应潮位的波浪能量收集装置，其特征在于：所述的撑臂均由滑动支撑臂(42)、固定支撑臂(43)构成；固定支撑臂(43)上设有橡胶垫(37)、滑轨(38)、弹簧限位器(39)、滑槽(53)；固定支撑臂(43)两侧滑槽(53)内部设有滑轨(38)，滑动支撑臂(42)可沿固定支撑臂(43)的滑槽(53)上下移动；弹簧限位器(39)安置在正常潮位线所在的位置；固定支撑臂(43)凸台处设有缓冲的橡胶垫(37)。

4.根据权利要求3所述的自适应潮位的波浪能量收集装置，其特征在于：所述的撑臂外部均具有相互配合的齿条及齿轮；齿条与滑动支撑臂(42)固接；齿轮固定在海底基础结构(9)上；第一齿条和第三齿条在两个撑臂上对称布置，第二齿条和第四齿条在另两个撑臂上对称布置；齿条边缘能够沿滑轨(38)滑动；为保证机械能量转换系统的正常工作，齿条长度大于所设定的最大潮位差之间的距离；齿条底部距海底基础结构的距离大于正常潮位线与最低潮位线的距离。

5.根据权利要求4所述的自适应潮位的波浪能量收集装置，其特征在于：所述的液压能量转换系统包括：第一外部液压缸(6)、第一内部液压缸(14)、第二外部液压缸(44)、第二内部液压缸(52)、单向阀(45)、溢流阀(46)、蓄能器(47)、液压马达(48)、第二发电机(49)、过滤器(50)、油箱(51)、安全阀(54)；第一内部液压缸(14)、第二内部液压缸(44)置于浮力摆摆板(4)内，分别与两个活塞杆相连；两个活塞杆通过转动副、密封装置与分别于浮力摆摆板(4)外部的两个浮箱(1)相连；输送液压油的管线通过浮力摆摆板(4)上具有密封装置的孔后与单向阀(45)相连；第一外部液压缸(6)、第二外部 液压缸(44)分别与两个单向阀(45)相连；通过输出的高压油控制各单向阀(45)及溢流阀(46)的的通断从而控制第二发电机(49)发电；溢流阀(46)与液压马达(48)之间设有蓄能器(47)；各液压油的输送管线都与过滤器(50)相连，经过滤器(50)过滤后流入(或流出)油箱(51)；在液压马达(48)及过滤器(50)之间设有安全阀(54)。

6.根据权利要求5所述的自适应潮位的波浪能量收集装置，其特征在于：所述的机械能量转换系统包括第一圆锥齿轮(15)、第二圆锥齿轮(16)、卧式增速机(17)、第一超越离合器(18)、第三圆锥齿轮(19)、第四圆锥齿轮(20)、第一发电机(21)、联轴器(22)、第二超越离合器(23)、增速箱(24)、第五圆锥齿轮(25)、第六圆锥齿轮(28)、第七圆锥齿轮(29)、第八圆锥齿轮(32)、第九圆锥齿轮(33)、第十圆锥齿轮(36)；第三齿条(30)与第三齿轮(31)配合后通过第一轴驱动配合的第八圆锥齿轮(32)、第九圆锥齿轮(33)转动；第一齿条(10)与第一齿轮(11)配合后通过第二轴驱动配合的第一圆锥齿轮(15)、第二圆锥齿轮(16)转动；第二圆锥齿轮(15)、第九圆锥齿轮(33)、卧式增速机(17)安装在第三轴上；卧式增速机(17)通过第四轴与第一超越离合器(18)、第三圆锥齿轮(19)相连；第二齿条(26)与第二齿轮(27)配合后通过第五轴驱动的第六圆锥齿轮(28)、第七圆锥齿轮(29)转动；第四齿条(35)与第四齿轮(34)配合后通过第六轴驱动配合的第五圆锥齿轮(25)、第十圆锥齿轮(36)转动；第四圆锥齿轮(20)、第五圆锥齿轮(25)、第七圆锥齿轮(29)、增速箱(24)、第二超越离合器(23)分别安装在第七轴上；通过第三圆锥齿轮(19)与第四圆锥齿轮(20)的配合将两个驱动轴的动力合并，合并动力后的驱动轴通过联轴器(22)的连接驱动第一发电机(21)发电。