CN212130663U - 一种波浪能收集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种波浪能收集装置，属于波浪利用的绿色再生能源领域。包括工作平台、N个波浪能收集系统、传动装置、调速装置和能量转换系统；传动装置包括固定在传动轴上的N个第一伞齿轮；各波浪能收集系统平行地安装于工作平台内，各波浪能收集系统均分别包括在框架上分别安装的一个水平主轴和M个平行设置的竖直滑轨，各滑轨上分别设有一个波浪能收集构件；各水平主轴一端分别设有一个第二伞齿轮，与相应的一个第一伞齿轮啮合；能量转换系统通过调速装置与传动轴一端连接。本装置充分利用波浪的三维性、随机性和不恒定性，各波浪能收集构件独立运行，通过棘轮驱动主轴沿一致方向旋转，经传动轴汇聚后获得稳定的机械能，实现波浪能的收集。

Description

一种波浪能收集装置

技术领域

本实用新型属于波浪能利用的绿色再生能源领域，特别涉及一种波浪能收集装置。

背景技术

波浪能是指水面波浪所具有的能量，在海洋、胡泊、水库中分布范围广、能量密度高，是一种快速发展的绿色再生能源。全球海洋波浪能蕴藏量约21亿千瓦，我国沿岸波浪能资源理论平均功率约0.13亿千瓦，具有良好的开发应用价值。

目前波浪能收集装置的类型主要有：聚波沉潜压差式、波浪衰减式、水柱振荡式、浪涌摆荡式、点头鸭式、越顶式、鹰式、筏式等等。按照波浪能收集方式大致可分为四类：离合器齿轮箱式、液压式、气压式和直驱式，但基本都是单体收集波浪能。近年来，采用直线转换电机直接将波浪能转换为电能的直驱式转换系统得到大力的发展。

波浪在空间上具有三维性，在时间上具有随机性，在频率、相位、波幅和方向等方面则具有不恒定性。这些特性对波浪能收集的负面影响很大，使单体波浪能收集装置的设计极为复杂，所收集的波浪能也很不稳定。现有各式波浪能转换装置的研发都在致力于降低波浪的三维性、随机性和不恒定性对波浪能转换的不利影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种波浪能收集装置，本实用新型装置充分利用波浪的三维性、随机性和不恒定性，对波浪能进行收集。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提出的一种波浪能收集装置，其特征在于，包括工作平台、N个波浪能收集系统、传动装置、调速装置和能量转换系统；其中，

所述工作平台为一框架结构，用于为所述波浪能收集装置内的其他部件提供安装基础；

所述传动装置包括固定在一传动轴上的N个第一伞齿轮，所述传动轴安装在所述工作平台上；

N个所述波浪能收集系统，平行地安装于所述工作平台内，各波浪能收集系统均分别包括一框架，该框架上分别安装有一个水平主轴和M个平行设置的竖直滑轨，各滑轨上分别设有一个可沿滑轨上下滑动的波浪能收集构件；各水平主轴一端分别设有一个第二伞齿轮，与所述传动装置内的相应的一个第一伞齿轮啮合，将各自波浪能收集构件产生的旋转力通过水平主轴汇聚成传动轴的集成旋转力，且每个波浪能收集系统中的各波浪能收集构件独立运动；

所述调速装置与所述传动轴一端通过直齿轮啮合连接，用于进一步调节各水平主轴传递给所述传动轴的集成旋转力，并为所述能量转换系统提供均匀的旋转力；

所述能量转换系统与所述调速装置通过齿轮箱连接，用于产生有效的机械能输出。

优选地，所述波浪能收集系统中，所述框架由下梁、左右立柱、上梁依次首尾相接构成；下梁上设有M个直线轴承；各所述波浪能收集构件均分别包括由下至上依次固连的浮球、连杆和支架，各连杆受固定于所述框架下梁的相应直线轴承的摆动约束，各支架的中部开设直齿条，各直齿条分别与一个棘轮啮合，且各棘轮的内环内缘均与所述水平主轴键配合，各直齿条、棘轮啮合产生的旋转力传递给所述水平主轴，所述支架的上下端分别安装有燕尾型滑块，燕尾型滑块与滑轨配合。

进一步地，在各所述支架的上端还均分别设有弹簧槽和弹簧片。

本实用新型装置的特点及有益效果

本实用新型装置布设多个由若干波浪能收集构件组成的波浪能收集系统，多个波浪能收集系统组合构成整体能量收集系统，每个波浪能收集系统的主轴通过啮合齿轮将各自的旋转力汇聚成传动轴的集成旋转力。由于每个波浪能收集构件之间均为独立的自主运动，有机会就出力推动主轴沿一致的方向(如本实用新型的逆时针方向)旋转，没有机会则绝不阻碍其它波浪能收集构件的运动。虽然每个波浪能收集构件感受到的波浪作用具有三维性、随机性和不恒定性，但对整体系统而言每个波浪能收集构件出力的概率又是均等的，即其综合效果等效为白噪音输入，所以当波浪能收集构件具有足够的数量时，主轴的转速趋于均匀，通过调速装置的调节使汇聚的波浪能转换成匀速旋转的机械能。

本装置充分利用波浪的三维性、随机性和不恒定性，采用公知的棘轮技术，保证每个波浪能收集构件独立运动，各尽所能地驱动主轴沿一致的方向旋转，将波浪能最大限度地转换成转动机械能，实现绿色再生能源的有效利用。本装置可配合风能设备一起建造，相互协调补充，共用基础平台和电力配送资源。本装置可在海洋、胡泊和水库(包括库区和电站尾水的消力池)等地建造，可用于岛礁和远洋作业平台供电，能节省大量运输资源。

附图说明

图1是本实用新型实施例装置的总体结构示意图。

图2是图1中工作平台的结构示意图。

图3是图1中波浪能收集系统的结构示意图。

图4是图3所示波浪能收集系统中单个波浪能收集构件的结构示意图。

具体实施方式

基本结构和功能

以下将结合附图1～附图4及实施例对本实用新型的一种波浪能收集装置进行详细说明。

图1为本实用新型实施例的总体结构示意图，包括工作平台A、N个波浪能收集系统B、传动装置C、调速装置D和能量转换系统E。

工作平台A为一框架结构，用于为本波浪能收集装置内的其他部件提供安装基础；

传动装置C包括固定在一传动轴C2上的N个伞齿轮C1，传动轴C2安装在工作平台A左侧两边的立柱A7上，参见图2；

N个波浪能收集系统B，平行地安装于工作平台A内，参见图2，各波浪能收集系统B均分别包括一框架，该框架上分别安装有一个水平主轴B13和M个平行设置的竖直滑轨B12，各滑轨B12上分别设有一个可沿滑轨上下滑动的波浪能收集构件；各水平主轴B13一端分别设有一个伞齿轮B14，与传动装置C内的相应的一个伞齿轮C1啮合，将各自波浪能收集构件产生的旋转力通过水平主轴B13汇聚成传动轴C2的集成旋转力，且每个波浪能收集系统B中的各波浪能收集构件独立运动。

调速装置D与传动轴C2一端通过直齿轮啮合连接，用于进一步调节各水平主轴B13传递给传动轴C2的集成旋转力，为能量转换系统D提供均匀的旋转力。

能量转换系统E与调速装置D通过齿轮箱连接，用于产生有效的机械能输出。

本实用新型实施例各组成部件的具体实现方式及功能分别说明如下：

本实施例工作平台A的结构见图2，该工作平台由底部平台A4和顶部平台A5两部分固连而成；底部平台A4和顶部平台A5均为由若干立柱和横梁围合而成的矩形空间。工作平台A的平面尺度应足够大，只随水位或潮位(如一日潮或半日潮，其涨落频率为一日或半日一次)涨落而不受波浪起伏的影响。其中，在位于底部平台A4左端的横梁上设有用于固定传动轴C2的支柱A7，底部平台A4、顶部平台A5的左、右端横梁还用于固定所有波浪能收集系统B中的框架。

当本装置位于浅水或浅海区域时，将底部平台A4的立柱A3直接固定在底床上。在底部平台A4台上，各立柱靠近横梁的一端均设有一个自动升降系统A6，本实施例的各个自动升降系统采用上海衡拓船舶设备公司生产的液压齿轮齿条式升降系统(http://www.huntermarine.com.cn/html/products/hgzb/clctsptsjxt/2017/0929/96.html)。自动升降系统A6随水位或潮位的变化而升降，保持底部平台A4与平均水位或平均潮位的相对高差基本不变。

当本装置位于深水或深海区域时，在底部平台各立柱A3的底端架设主浮体A1，在各立柱A3的中部架设自动充气调节浮筒A2。根据不同地区和不同时间的水位(潮位)情况，采用自动充气调节浮筒A2调节底部平台A4的高度，使之与平均水位或平均潮位的相对高差基本不变，本实施例设置主浮体A1和自动充气调节浮筒A2各两个。本装置在深水或深海区域用缆绳锚泊定位，本实施例采用中国海洋大学研发的锚链张力腿式锚泊装置。

本实施例中，各波浪能收集系统B的结构相同，现以N个波浪能收集系统B中的任意一个为例进行说明，参见图3。波浪能收集系统B由框架和M个(为便于图形显示，本实施例设有7个)独立运动的波浪能收集构件(参见图4)组成。整体装置则可包括任意数量的波浪能收集系统B(图1中示意性地画出了3个波浪能收集系统B)。其中，框架由下梁B9、左右立柱B10、上梁B11依次首尾相接构成，在上、下梁之间均匀设有平行设置的多个竖直滑轨B12，在左右立柱之间设有一个水平主轴B13，在水平主轴B13左端设有伞齿轮B14，该伞齿轮B14与传动系统C相应的一个伞齿轮C1啮合。各波浪能收集构件的结构相同，均分别包括由下至上依次固连的浮球B1(浮球的浮力应大于波浪能收集构件的总重量)、连杆B2和支架B4，各连杆B2受固定于框架下梁的相应直线轴承B3的摆动约束，各支架B4的中部开设直齿条B5，各直齿条B5分别与一个棘轮B6啮合，且各棘轮的内环内缘均与水平主轴B13键配合，各齿条、棘轮啮合产生的旋转力传递给水平主轴B13，支架B14的上下端分别安装有燕尾型滑块B7，燕尾型滑块B7与滑轨B12配合，用于保证棘轮与齿条啮合、浪能收集构件上下自由运动但不会产生扭转。

各棘轮B6采用公知的棘轮技术，本实施例采用常见的自行车飞轮技术。其中，棘轮内环的内缘与水平主轴B13键配合，棘轮内环的外缘为棘齿；棘轮外环的内缘设置棘爪，棘轮外环的外缘为与直齿条B5啮合的外齿轮。当存在波浪时，在浮球B1的驱动下波浪能收集构件会产生升降运动。

波浪能收集系统B整体安装在工作平台A上。

本实用新型的传动装置C采用常规的力矩传动设备，本实施例采用传动轴C2加伞齿轮C1的传动模式。

本实用新型的调速装置D采用常规的调速装置实现，本实施例的调速装置D采用实用新型专利200720019077的现有技术。

本实用新型的能量转换系统E采用成熟的技术，本实施例的能量转换系统E采用V164-8.0Mw风力发电机组。

进一步地，为了保证在遭遇风暴潮、台风等极端气象事件时本波浪能收集装置不致损坏，在支架B14的上端还设有弹簧槽和弹簧片B8。当各波浪能收集构件在不同的时刻上升至设定上限后，设置在支架B4上端的弹簧片B8弹出，将支架B4卡在上梁B11的上平面，使波浪能收集构件处于安全的高位。被卡住的波浪能收集构件对水平主轴B13不再起作用，当全部波浪能收集构件均被卡住时水平主轴B13即停转。在极端气象事件过后，用常备的起吊装置将波浪能收集构件逐个吊起，松开弹簧片B8后将波浪能收集构件下降，使浮球降至水中即可恢复正常运行。

参数选择

升降幅度：波浪能收集构件的升降幅度应根据不同区域的波浪情况设计，升降幅度太大将增大设备投资，太小则不能充分利用波浪的能量。波浪能收集构件运动的下限优先采用多年最低波谷的平均值；上限优先采用多年最大波峰的平均值(根据使用地区所能提供的气象水文资料而定，十年以上的资料已具有代表性)。波浪能收集构件可在上下限的范围内随波浪起伏在任何位置自由运动。

波浪能收集装置的规模：本实用新型的核心技术为充分利用波浪的三维性、随机性和不恒定性而最有效地收集波浪能。为获得基本均匀的波浪能量输出，需要满足波浪能收集构件的相互独立性。波浪能的能量来自波浪的起伏，其表征参数为波浪升降的瞬时速度，而该速度又是平面位置的函数。定义某一平面位置(x,y)处波浪的升降速度为V₁,距离该点(dx,dy)处波浪的升降速度为V₂,则两点波浪升降速度的相关系数R趋于零时，即表明两者相互独立。

本实施例设定每个波浪能收集系统B的波浪能收集构件按x(规定水平主轴所在方向为x方向)方向排列，则：

式中的积分表示长时间T的平均，根号内的值代表相应速度的平均强度。当dx＝0时为自相关，R₍₀₎＝1；随着dx的加大，相关系数逐渐减小，当R_(dx＝Lx)→0时，距离L_X即为两个位置的波浪升降速度相互独立的最小距离，如某一水域的L_X≈5m。参考随机过程的一般规律，当一个波浪能收集系统B的长度大于10倍L_X(50m)时，每个波浪对它的作用即近似于白噪音。本实施例根据波浪的一般特性设定波浪能收集构件的间距为2m，则一个波浪能收集系统B包含的波浪能收集构件的数量为M＝25个。

本实施例设定每个波浪能收集系统B按y方向布置，与x方向的分析方法相同，求出L_y，取L_y＝8m。根据某水域的波浪特性，每个波浪能收集系统B的间距设定为4m。根据工程规模，工作平台A设计为60m×50m(有效布置面积为50m×40m)，可布设N＝10个波浪能收集系统B。由于一个波浪能收集系统B已经满足波浪能收集构件相互独立运行的条件，N个波浪能收集系统B将进一步增加波浪能输出的稳定性。

根据开发水域的条件，可以布置多套波浪能收集装置联网运行。

工作模式及原理

当存在波浪时，在浮球B1的驱动下波浪能收集构件将沿滑轨B12产生升降运动。齿条B5与棘轮B6的外齿轮啮合，棘轮B6始终随齿条B5的升降而正反转动。具体地，当齿条B5上升时，棘轮B5的棘爪卡住棘齿，驱动水平主轴B13沿一个方向(本实施例为逆时针)旋转；当齿条B5下降时，带动棘轮B6的外齿轮顺时针自由旋转，棘爪相对棘齿滑动，对水平主轴B13无影响。每一个波浪能收集构件独立运动、互不影响，各尽所能地驱动水平主轴B13沿逆时针方向旋转。在任何时刻，当齿条B5的上升速度大于棘轮B6旋转的线速度时，将推动水平主轴B13旋转；当齿条B5的上升速度小于棘轮B6旋转的线速度、或者齿条B5下降时，则棘轮B6相对于水平主轴B13自由反转而完全不影响水平主轴B13在其它波浪能收集构件推动下的旋转。每个波浪能收集构件的运动与波浪的波长、方向、频率、相位及分布规律等基本特性无关，只受波浪起伏的作用，波浪的落差越大，收集的能量越多；但无论波浪大小，只要有波浪起伏，本装置就能收集到波浪的能量并转换成机械能。

本实用新型装置布置N组波浪能收集系统B，N组波浪能收集系统组合构成整体能量收集系统，每组波浪能收集系统B的水平主轴B13通过啮合齿轮将各自的旋转力汇聚成传动轴C2的集成旋转力。每组波浪能收集系统B布置M个波浪能收集构件，由于每个波浪能收集构件的位置固定不变，且相互之间均为独立的自主运动，有机会就出力推动水平主轴B13沿一致的方向(如本实用新型的逆时针方向)旋转，没有机会也绝不阻碍其它波浪能收集构件的运动。虽然每个波浪能收集构件感受到的波浪作用具有三维性、随机性和不恒定性，但对整体系统而言每个波浪能收集构件出力的概率又是均等的，即其综合效果等效为白噪音输入，所以当波浪能收集构件具有足够的数量时，传动轴C2的转速趋于均匀，通过调速装置D的调节使汇聚的波浪能转换成匀速旋转的机械能。N×M个波浪能收集构件目标一致而又各自为战，充分发挥整个系统的最大效益。经过合理的负荷设计(可参考海洋风电的负荷设计，此部分不属本实用新型的范围)，并充分利用波浪的三维性、随机性和不恒定性，可实现整个装置在各种波浪条件下均能最有效地收集到波浪的能量。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种波浪能收集装置，其特征在于，包括工作平台(A)、N个波浪能收集系统(B)、传动装置(C)、调速装置(D)和能量转换系统(E)；其中，

所述工作平台(A)为一框架结构，用于为所述波浪能收集装置内的其他部件提供安装基础；

所述传动装置(C)包括固定在一传动轴(C2)上的N个第一伞齿轮(C1)，所述传动轴(C2)安装在所述工作平台(A)上；

N个所述波浪能收集系统(B)，平行地安装于所述工作平台(A)内，各波浪能收集系统(B)均分别包括一框架，该框架上分别安装有一个水平主轴(B13)和M个平行设置的竖直滑轨(B12)，各滑轨(B12)上分别设有一个可沿滑轨上下滑动的波浪能收集构件；各水平主轴(B13)一端分别设有一个第二伞齿轮(B14)，与所述传动装置(C)内的相应的一个第一伞齿轮(C1)啮合，将各自波浪能收集构件产生的旋转力通过水平主轴(B13)汇聚成传动轴(C2)的集成旋转力，且每个波浪能收集系统(B)中的各波浪能收集构件独立运动；

所述调速装置(D)与所述传动轴(C2)一端通过直齿轮啮合连接，用于进一步调节各水平主轴(B13)传递给所述传动轴(C2)的集成旋转力，并为所述能量转换系统(D)提供均匀的旋转力；

所述能量转换系统(E)与所述调速装置(D)通过齿轮箱连接，用于产生有效的机械能输出。

2.如权利要求1所述的波浪能收集装置，其特征在于，所述的工作平台(A)由底部平台(A4)和顶部平台(A5)两部分固连而成；底部平台(A4)和顶部平台(A5)均为由若干立柱和横梁围合而成的矩形空间；其中，在位于所述底部平台(A4)左端的横梁上设有用于固定所述传动轴(C2)的支柱(A7)，所述底部平台(A4)、顶部平台(A5)的左、右端横梁还用于固定所有波浪能收集系统(B)中的框架；在所述底部平台(A4)台上，各立柱靠近横梁的一端均设有一个自动升降系统(A6)，用于保持所述底部平台(A4)与平均水位或平均潮位的相对高差基本不变。

3.如权利要求1所述的波浪能收集装置，其特征在于，所述的工作平台(A)由底部平台(A4)和顶部平台(A5)两部分固连而成；底部平台(A4)和顶部平台(A5)均为由若干立柱和横梁围合而成的矩形空间；其中，在位于所述底部平台(A4)左端的横梁上设有用于固定所述传动轴(C2)的支柱(A7)，所述底部平台(A4)、顶部平台(A5)的左、右端横梁还用于固定所有波浪能收集系统(B)中的框架；所述底部平台通过缆绳锚泊定位；在所述底部平台各立柱的底端架设主浮体(A1)，在各立柱的中部架设自动充气调节浮筒(A2)，用于保持所述底部平台(A4)与平均水位或平均潮位的相对高差基本不变。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的波浪能收集装置，其特征在于，所述波浪能收集系统(B)中，

所述框架由下梁(B9)、左右立柱(B10)、上梁(B11)依次首尾相接构成；下梁上设有M个直线轴承(B3)；

各所述波浪能收集构件均分别包括由下至上依次固连的浮球(B1)、连杆(B2)和支架(B4)，各连杆(B2)受固定于所述框架下梁的相应直线轴承(B3)的摆动约束，各支架(B4)的中部开设直齿条(B5)，各直齿条(B5)分别与一个棘轮(B6)啮合，且各棘轮的内环内缘均与所述水平主轴(B13)键配合，各直齿条(B5)、棘轮(B6)啮合产生的旋转力传递给所述水平主轴(B13)，所述支架(B14)的上下端分别安装有燕尾型滑块(B7)，燕尾型滑块(B7)与滑轨(B12)配合。

5.根据权利要求4所述的波浪能收集装置，其特征在于，在各所述支架(B14)的上端还均分别设有弹簧槽和弹簧片(B8)。

Images