能量俘获和转化设备的制作方法

专利名称：能量俘获和转化设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及新能源利用、机电、电力领域，提出了一种能量俘获和转化设备，尤其是波 浪能利用领域中的波浪能俘获和转化。
背景技术：
能源的短缺使得新能源的开发利用越来越重要，波浪能尤其是海浪能由于蕴藏量大、环 保等优势，对其开发利用的技术发展很快。国外曾提出过大量波浪能利用的技术，如，已经 试运行的"海蛇"，它是由三段铰接的钢制大圆柱组成，半浮于海面，海浪的起伏使组件上 下运动，铰链部件带动液压泵，高压液体再驱动液压马达和发电机。
中国国家知识产权局公开了一些利用摆动的运动方式俘获波浪能量的技术方案，如 200610080780.0， 200610119444.2， 200680000890.x， 200620046606.x， 200510061518.7， 200520089059.9， 200410009793.x， 200480031350.9， 01111004.x， 01211831.1， 96121290. x，92112767.7， 87106457。这些技术方案中，主要是设置一套摆锤，利用外壳 的摆动使摆锤摆动，以便获取波浪能。正因为采用这种原理和结构的原因，使这一类技术方 案具有如下缺陷。
波浪能中铅直方向的能量要远大于水平方向的能量，而上述方案的设计意图都是主要利 用水平方向的能量使摆锤摆动，因此对波浪能的获取比例较低。如果摆锤质量较小则无法获 取更多能量；如果质量较大则不利于摆动，与外壳和框架一起随海浪作整体飘荡将会成为主 要的运动方式，也无法获取较多能量。即使不考虑上述两点，这些方案的机械结构也过于 复杂，因此损耗高效率低，而且制造成本高，维护费用高。

发明内容
为充分获取和利用各种波动携带的能量，尤其是海浪波动在铅直方向的能量，本发明提 出了一种能量俘获和转化设备，基本原理是利用设备水平角度随波动发生变化，而设备内部 质量较大的换能锤要维持稳定状态，因此框架(或壳体或它们的组合，下同)与换能锤之间 发生相对运动，能量被俘获；框架通过能量转化部件或传动部件与锤体连接，从而转化或传 递能量。本发明所提出的设备从功能上可分为三部分 一、壳体或框架或它们的组合，二、 一套 或多套换能锤系统，三、能量传递系统或能量转化系统或它们的组合。其中部分部件有时既 是属于第二部分的部件又是属于第三部分的部件，这也正是本发明结构简单、高效率的关键 因素之一。能量传递系统主要由各种传动部件组成；能量转化系统主要由将各种形式的能量
互相转化的部件组成，如，发电机、流体压縮机等。
每套换能锤系统至少包括一套换能锤锤体，锤体是换能锤质量最大和最集中的部件，有
时还是零部件最集中、作用最重要的地方；不同实施方式下换能锤系统还可以包括悬挂方 式换能锤系统的锤杆、锤轴，以及支撑方式下的导轨，导轨有时不是单独的部件，而是框架 的一部分，另外还包括一部分传动部件。
悬挂式的换能锤锤体通过锤杆与锤轴连接，悬挂于设备中，框架与换能锤可以相对运动 ，设备水平角度发生变化时，换能锤维持悬垂状态，框架发生相对于换能锤的摆动。
支撑方式维持稳定的换能锤，其锤体直接以接触或非接触方式由支架(或框架、或壳体 ，下同)支撑于设备中，支撑部件可以兼作导轨，控制锤体的运动轨迹，并且可以为传动部 件的连接和固定提供帮助；设备在外部能量和重力等的共同作用下，导轨水平方向一旦发生 倾斜，锤体立即会向低处移动。
上述两类相对运动(除特别声明外，以下所称相对运动均指此处的两类相对运动)的发 生表明外部能量被俘获并首先被转化为机械能，该能量可以多种方式转化为其它形式的能量 或直接通过传动部件输出。为利用上述相对运动，框架还通过传动部件或能量转化部件等与 锤体连接。
能量转化部件或大多数传动部件连接于框架和锤体之间，可以直接将相对运动传递给能 量转化部件，或者通过传动部件直接输出机械能。
换能锤锤体也可以含有可动的部分，这里的可动所涉及的运动是指区别于换能锤整体与 框架所发生的相对运动，而是由锤体组成部分相对于锤体整体所发生的运动，或者，由锤体 整体所发生的相对于锤体自身原来状态的相对运动(此时锤体的可动部分即是整个锤体)； 此时，前述连接是指框架与锤体的可动部分的连接，因此换能锤与框架的相对运动使得换能 锤锤体中可动的部分发生相对于锤体的运动，获取的能量可以由设置在锤体处的能量转化部 件转化为其它形式的能量，或直接输出机械能。
当将能量转化系统作为换能锤锤体的组成部分时，上述相对运动将驱动能量转化系统在 锤体处产生其它形式的能量，如将发电机或流体压縮机作为锤体的组成部分，则可以直接产 生电能或高压流体；高压流体含有的能量可以直接使用也可以再次转化为电能、机械能或其它形式的能量，转化部件可以在本设备内也可以在本设备外；当然，再次转化部件也可以作 为锤体的组成部分，这样的设计与本发明简单、高效的思路更一致。
多套换能锤系统产生的高压流体集中后使用，将会使压力更稳定。流体压縮机也可以相 应的被负压产生部件代替，以产生满足需要的负压。
本发明中的应用方式之一是海浪发电设备，此时，壳体应该是防水结构，设备能够漂浮 在海面，壳体的摆动方向与波浪传播方向基本一致，由于海浪的波动，设备水平角度不断变 化，壳体相对于换能锤的摆动运动不断进行，波浪能被俘获并转化为电能。外形可以设计为 水平方向面积较大，每套设备可以布置多套换能锤系统，同时多套设备还可以再连接使用， 这样可以获取更多波浪能量和提高抗风浪性能。产生的电能可以经过附带的电力电子设备转 变为稳定电流后并网；还可以附带潜水装置，以便在风浪较大时下潜躲避风浪；或者附带航 行驱动装置，自动或受控进出避风场所，平时驱动装置可以用来调整设备与波浪传播方向的 角度。
能量转化系统或传动部件或蓄能部件或配重部件或它们的组合构成换能锤锤体的组成部 分，或者，换能锤锤体作为能量转化系统或传动部件或蓄能部件或配重部件或它们的组合的 组成部分，这样的设计可以充分利用某些部件，简化结构、降低制造成本、减少传动损耗、 提高效率，最重要的是可以大大延长维护周期，大幅度降低维护成本，甚至在一定条件下可 以实现寿命周期内设备免维护。
采用本发明的海浪发电设备除具有上述优势外，由于是全封闭结构所以内部不存在海水 腐蚀问题，如果设计合适的外形既可以俘获更多能量又可以具有极高的抗风浪性，而且生产 制造工作可以全部在岸上完成，水面安装作业量极少，甚至可以在工厂水域下水、连接后自 行行驶或拖拽至工作水域；连接后使用也能大大提高抗风浪性，因此整体优势相当明显。


图l为壳体相对于换能锤摆动的示意图，每套设备含有两套换能锤。
图2为实施方式三中换能锤悬垂结构情况下，换能锤系统的剖视图(含上下齿条)，剖 视方向如图3所示。图中6为外部带有传动齿轮的内啮合超越离合器，实施方式二中仅传动齿 轮不含超越离合器。
图3为图2所述的换能锤系统的左视图。
图4为实施方式三中框架既支撑换能锤又起导向作用的结构中，换能锤系统的剖视图( 含上下齿条)，剖视方向如图5所示。
6图5为图4所述的换能锤系统的左视图。
图6为多台设备链接并沿海浪传播布置的示意图，图中虚曲线为波动的海面，每台设备 含有三套悬垂式换能锤。
具体实施方式
实施方式一
换能锤锤体无可动部分，能量转化部件或多数传动部件连接于框架和锤体之间，并位于 锤体之外，该方式无明显优势，仅在特定情形下采用。
海浪能量俘获和转化设备的框架、锤体作为传动部件，直接输出机械能或给能量转化系 统提供机械能。该方式下，设备具有防水外壳，内部设置一套或多套换能锤系统，每套换能 锤至少包括一套锤体。换能锤通过锤杆2、锤轴l悬垂于设备内，或者，以接触或非接触方式 由支架ll支撑，支撑方式下锤体的运动轨迹可以由导轨或类似装置控制(参考附图2、 3、 4 、5)，设备水平方向的面积远大于锤体作相对运动占用的空间在水平方向的面积；在波浪 和重力共同作用下，设备与水平方向的角度不断发生变化，框架相对于换能锤摆动，或者换 能锤在设备中向低处移动，波浪能被俘获并首先转化为机械能。本方式下能量转化部件与框 架相对固定，随壳体水平角度的变化而与其一起运动；或者无能量转化部件，仅包含传动部 件，直接输出机械能。
悬垂方式下，锤体维持悬垂状态，与框架通过传动部件连接，直接输出机械能；或者通 过能量转化部件连接，输出其它形式的能量，比如框架、锤体直接带动往复活塞式流体压縮 机工作，或者通过传动机构驱动旋转式流体压縮机或发电机工作。
锤体运动的极限位置，可安装限位、缓冲装置，并可兼有能量转化功能，其它实施方式 类似。
实施方式二
换能锤锤体含有可动部分，框架与锤体的可动部分的连接，能量转化部件作为锤体的组 成部分。
俘获海浪能并通过旋转发电机转化为电能的设备。该方式下，设备具有防水外壳，内部 设置一套或多套换能锤系统，每套换能锤锤体均至少包括一台旋转发电机；壳体或框架处安 装有齿条。
参考附图2、 3、 4、 5。
该实施方式下附图中的6仅仅是传动齿轮，不包括超越离合器(或棘轮，下同)，锤体由定子3、转子4、转子轴8及传动齿轮6组成，传动齿轮6与转子轴8刚性连接。
换能锤通过锤杆2悬垂于锤轴1，锤杆与锤轴或者锤轴与框架均可以为活动连接。
或者，以接触或非接触方式由支架ll支撑，支撑方式下锤体的运动轨迹可以由导轨或类
似装置控制，支架ll也可以同时起导轨作用，而且可以利用导轨或支架ll使锤体的相对固定
部分(如，图3中的定子3)对于可动部分(如，图3中的转子4)而言保持相对固定，图中9
、12均为轴承。
设备水平方向的面积远大于锤体相对运动的空间在水平方向的面积；在波浪和重力共同 作用下，设备与水平方向的角度不断发生变化，换能锤与框架发生相对运动，波浪能被俘获 并首先转化为机械能。锤体上的传动齿轮6连接旋转发电机的转子4，并与框架上的齿条5或 7啮合；锤体的相对运动驱动发电机转子4旋转。
锤体相对运动为正、反往复，发电机转子4也作正、反方向旋转，产生的电流经过电力 电子装置变换为稳定电流。
经电力电子装置变换为稳定电流后，多台发电机可以并网发电，提供较大功率，其它实 施方式类似。
实施方式三
如附图2、 3、 4、 5所示，与实施方式二类似，只是锤体除传动齿轮和旋转发电机以外， 还包括超越离合器6、飞轮IO、锤体配重(图中未画)等。传动齿轮6、超越离合器6向旋转 发电机转子4传递机械能，转子4单向运动。
此方式下可以实现换能锤与框架的相对运动在不同方向时，均可向发电机输送机械能， 发电机转子4作单向旋转。对每一发电机转子成对使用齿条5和齿条7、传动齿轮6，每对齿条 的有齿面相对，位于转子轴8的两侧，分别与各自的传动齿轮6啮合，传动齿轮6分别通过超 越离合器6向转子4传递单向运动。在框架摆动运动的某一方向时，其中一条齿条和齿轮通过 超越离合器向发电机输送能量，此时，相应的另一超越离合器处于超越状态；框架摆动运动 的另一方向时，两超越离合器的工作状态均与上述情况下相反，但转子4的旋转方向始终不 变。当然也可以使用单一超越离合器，仅在框架摆动运动的某单一方向为发电机提供机械能
每套换能锤系统可以包括多套这样的传动装置，图中为两套，包括四只超越离合器。 实施方式四
与方式三和方式四类似，只是把发电机换为流体压縮机。每台设备中的多股高压流或多 台设备中的高压流集中后使用，将使压力更稳定。高压流体可以直接使用，也可以驱动马达或发电机，或者转化为其它形式的能量。 其它实施方式
如附图6所示，多台上述设备链接，方向与波浪传播方向相同，这样可以使设备处于良 好的工作状态，更多的俘获波浪能量，又可以抵抗较大的波浪，而且可以同时提供较大功率 ;纵向链接后，还可以再做横向链接。
设备可以增加潜水装置，如采用自动控制的压载水箱，当有较强风浪时可以潜入水下躲 避风浪。
设备也可以加装受控或自动行驶驱动装置，当有强风浪时可以转移到避风处，风浪过后 再回到工作场地。平时，驱动装置用来调整设备与波浪传播方向的角度，以便俘获更多能量 并输出较大的功率。
用于发电的上述设备均可以在内部集成电力电子装置，输出相对稳定的电流，以便于并 网，可以多台设备小范围并网后，再做进一步变换，并入主干网。
权利要求
1.一种能量俘获和转化设备，含有能量俘获转化部件或传动部件或蓄能部件或配重部件或它们的组合，其特征是至少存在一套换能锤系统，除换能锤通过锤杆(2)、锤轴(1)与框架(或壳体，或它们的组合，下同)的连接，或除支架(11)用来支撑锤体的连接以外，框架还另外通过传动部件或能量转化部件或它们的组合与换能锤锤体相互连接；外部能量使的设备与水平方向角度的变化、所导致的换能锤与框架的相对运动、利用上述连接驱动设备工作；能量转化部件或传动部件或蓄能部件或配重部件或它们的组合构成换能锤锤体的组成部分或锤体的整体，或者，换能锤锤体的组成部分或锤体的整体作为能量转化部件或传动部件或蓄能部件或配重部件或它们的组合的组成部分或整体。
2.根据权利要求l所述的一种能量俘获和转化设备，其特征是换能 锤锤体含有可动的部分，这里的可动所涉及的运动是指区别于换能锤整体与框架所发生的相 对运动，而是由锤体组成部分相对于锤体整体所作的运动，或者，由锤体整体所发生的相对 于自身原来状态的运动；利用权力要求l所述的连接，锤体的可动部分被框架与锤体的相对 运动所驱动。
3.根据权利要求2所述的一种能量俘获和转化设备，其特征是能量 转化系统由发电部件或流体压縮部件或负压产生部件或它们的组合构成，发电部件或流体压 縮部件或负压产生部件或传动部件或蓄能部件或配重部件或它们的组合构成换能锤锤体的组 成部分；或者，换能锤锤体作为发电部件或流体压縮部件或负压产生部件或传动部件或蓄能 部件或配重部件或它们的组合的组成部分。
4.根据权利要求3所述的一种能量俘获和转化设备，其特征是所述 发电部件或流体压縮部件或负压产生部件或它们的组合由旋转运动驱动；旋转发电机或旋转流体压縮部件或旋转负压产生部件或传动部件或蓄能部件或配重部件或它们的组合构成换能 锤锤体的组成部分;或者，换能锤锤体作为旋转发电机或旋转流体压縮部件或旋转负压产生 部件或传动部件或蓄能部件或配重部件或它们的组合的组成部分。
5.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种 能量俘获和转化设备，其特征是部分传动部件或配重部件或蓄能部件作为锤体的组成部分 ，框架上装有齿条，齿条与换能锤锤体上的传动齿轮啮合，框架相对于锤体的摆动运动驱动 锤体的可动部件，每套换能锤系统可以包括多套这样的传动齿条和齿轮。
6.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种 能量俘获和转化设备，其特征是包括超越离合器(或棘轮，下同)在内的部分传动部件或 配重部件或蓄能部件作为锤体的组成部分；框架上装有齿条(5或7)，齿条与换能锤锤体上 的传动齿轮(6)啮合，传动齿轮(6)通过超越离合器(6)连接锤体的可动部件，框架相 对于锤体的摆动运动驱动锤体的可动部件单向运动，每套换能锤系统可以包括多套这样的传 动装置；或者，传动装置中的齿条为成对的齿条(5和7)，有齿面成相对方向，分别与传动 齿轮啮合，传动齿轮分别经超越离合器连接锤体的可动部件，从而使得在框架在相对于锤体 摆动运动的不同方向时，均可以驱动锤体的可动部件作单方向运动，每套换能锤系统中可以 包括多套这样的由成对齿条、成对齿轮和成对超越离合器组成的传动装置。
7.权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种能量 俘获和转化设备，其特征是具备以下特征之一或具备以下特征的任意组合，l附带电力电 子装置，2壳体为防水结构，并使设备可以浮于水面，或者，附带潜水装置，使的设备既可 以浮于水面又可以下潜到水下，3附带自动或受控行驶装置，4锤体与框架或锤体与支架相对 运动的极限位置，装有缓冲部件或能量转化部件或它们的组合。
8. 一种上述能量俘获和转化设备的使用方法，其特征是多套上述 各项权利要求所述的设备，连接起来使用。
全文摘要
本发明涉及新能源利用、机电、电力领域，提出了一种能量俘获和转化设备，尤其是波浪能利用领域中的波浪能俘获和转化。基本原理是利用设备水平角度随波动发生变化，而设备内部质量较大的换能锤维持稳定状态，壳体或框架与换能锤发生相对运动，从而俘获能量。将能量转化系统或能量传递系统作为换能锤锤体的组成部分，上述相对运动驱动能量转化系统或传递系统，从而可以将能量由锤体传递给其它部件或向设备外部输出，或者在锤体处产生其它形式的能量。如，将发电机或流体压缩机作为锤体的组成部分，则可以直接产生电能或高压流体；既可以直接使用也可以再次转化其它形式的能量，再次转化部件也可以作为锤体的组成部分。本发明尤其适用于海浪发电。
文档编号F03B13/16GK101619701SQ20081030245
公开日2010年1月6日 申请日期2008年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者强 李 申请人:强 李