一种自锚式波浪能发电装置

本发明属于深海海洋能源技术领域,具体涉及为一种自锚式波浪能发电装置。

背景技术：

随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，人们对能源的需求日益增长。占地球表面积70％的广阔海洋，集中了97％的水量，蕴藏着大量的能源，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。其中，波浪能作为一种清洁可再生能源,其储量巨大，利用其发电成了世界各海洋大国研究趋势。波浪发电是波浪能利用的主要方式，远海区域比起近海岸基区域蕴藏着更多更丰富的波浪能资源，可选取的区域广，适合建大规模波浪发电场。同时装机容量一般也比岸基装置高很多，这一优点使其更适用于远距离输电以及一些岛屿的用电。因此,对深海波浪能进行开发和利用将具有广泛的应用潜力和经济价值。

目前波浪能发电装置的种类繁多，关于波浪能发电装置的发明专利超过千项，也已经有很多成熟的波浪发电装置，但是这些都是岸基装置或者近岸的浅海装置，只能适用于近海发电，无法在深海使用，在中国发明专利说明书cn110671258b中公开了一种深海波浪能发电装置，这种装置提供了一种锚定机构，该锚定机构依靠钻杆钻入实现锚定，但是能够钻进深度受钻杆长度限制，而钻杆长度有限，无法钻入很深的地方，导致锚定不够牢靠，不能承受太大的拉力作用，无法将发电装置很牢靠的锚定在海上。目前实现波浪能发电主要面临以下问题：

1.现有波浪能发电装置通常通过人工在海底打锚定桩的方式或者直接修建混凝土平台实现锚定，但是在深海海底无法人工下潜安装锚定桩，也无法修建平台作为发电装置的固定支点，而且打锚定桩或者直接修建混凝土平台实现锚定的方式成本高，需要人工施工，危险性高，因此需要一种能够自动在海底锚定的发电装置。

2.传统的波浪能发电方式按能量转化分有机械式、液压式以及气动式，其中气动式需要有稳定的平台作为安装支撑，所以不适合在深海使用，而液压式发电过程为波浪能-机械能-液压能-机械能-电能，机械式发电过程为波浪能-机械能-电能，因此机械式发电能量中间损耗更低，并且液压式发电容易发生泄漏，但是传统的机械式发电会直接与海水接触导致装置腐蚀速度快，因此需要一种将核心部件与海水隔离的发电装置，解决机械式发电装置寿命周期短的问题。

3.目前的波浪能发电装置大多只能收集纵向方向的波浪能，能量收集效率低，横向波浪能往往没有被利用起来，因此需要一种简单的结构实现收集横向和纵向的波浪能。

4.目前的波浪能发电装置通常都设置在海面，而海上天气恶劣，在极端天气状况下装置极易损坏。

5.目前的波浪能发电装置都是单独的个体，在海上覆盖的区域有限，没有建立大规模的发电机群，导致发电功率偏低。

针对目前现有的波浪能发电装置所存在的问题及深海波浪能发电的需求,亟需发明一种自锚式波浪能发电装置,使得装置可在深海中海床上自主锚定；同时核心部件能够避免受到海水腐蚀，延长装置寿命周期；可实现同时收集横向和纵向的波浪能,以提高发电效率；还可应对深海中恶劣的工况；能够建立大规模发电机群，实现波浪能发电的商业化应用。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种自锚式波浪能发电装置，本发明设置有自动锚定模块，自动锚定模块通过缆绳i与箱体上的收放机构相连，密封的箱体在浮力作用下漂浮在海上，通过自动锚定模块钻入海底岩层，将箱体拉入水下只漏出浮漂在水面上，通过下入的两个自动锚定模块，解决了现有波浪能发电装置无法在深海锚定的问题；本发明设置使用一个箱体将发电的主要模块封装起来，在外部只留出与浮漂相连接的轴，轴与箱盖之间采用密封圈连接，并且使用压环压紧密封圈保证密封效果，箱体和箱盖表面镀锌处理，延长了装置寿命，解决了传统机械式发电装置不耐腐蚀的问题；本发明设置有与缆绳ii相连的挡块和浮漂，浮漂可以收集纵向的波浪能，挡块可以收集横向的波浪能，提高了波浪能量收集效率；本发明设置有收放机构，在恶劣天气情况下，充气泵首先将浮漂可以将装置收缩到海平面以下相对安全的地方，避免装置被台风或者巨浪破坏，因此本发明能够抵御深海严峻的工况；本发明设置有三个浮漂以及相应的三根双面齿条，一方面增加了收集的波浪能范围，另一方面由于波浪具有随机性，三根双面齿条在各自相连的浮漂带动下上下往复运动，可以保证在一个波浪周期内，发电机不会停滞半个波浪周期，而是被三个运动不同步的双面齿条带动棘轮转动，从而驱动发电机以相对稳定的转速进行发电，除此之外本发明箱体下方设置有连接耳，可以很方便的将多个发电装置组合成起来，根据目标海域可以用于发电的区域面积，决定布置的发电装置数量，建立发电网络，实现了发电装置模块化，解决了单个发电装置发电功率小的问题。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自锚式波浪能发电装置，它由吸能模块、能量转化模块、收放机构、自动锚定模块组成，自动锚定模块位于整个装置的最下端，自动锚定模块通过缆绳i连接收放机构的卷轴；

所述的吸能模块由浮漂i、浮漂ii、浮漂iii、充气泵、缆绳ii、挡块组成，浮漂i、浮漂ii与浮漂iii为橡胶材质制成的中空圆环，与缆绳ii一端相连；缆绳ii另一端连接充气泵，缆绳ii为复合绳缆，中间包裹有气管，气管连接充气泵，充气泵可通过气管给浮漂充气或者放气，缆绳ii上连接有若干个挡块。

所述的能量转化模块由双面齿条、压环、箱盖、密封条、棘轮、转轴、键、小齿轮、大齿轮、发电机、底板、箱体、蓄电池i组成，箱盖与箱体之间通过螺栓i连接，使用密封条进行密封，双面齿条与箱盖之间使用压环压紧密封圈进行密封，压环与箱盖通过螺纹连接；箱体内安装有两根转轴，两根转轴两端分别通过轴承ii安装在箱体的凹槽i内，小轴瓦通过螺栓ii安装在凹槽i上限制转轴的轴向位移和径向位移，两根转轴上有三个棘轮分别通过键连接在转轴上，三个棘轮分别与对应位置的双面齿条一侧啮合，三根双面齿条两侧分别啮合有棘轮，当双面齿条向上运动时，棘轮可以给转轴传递扭矩，当双面齿条向下运动时，棘轮不向转轴输出扭矩，每根转轴有一端安装有一个小齿轮，两个小齿轮分别啮合有大齿轮，两个大齿轮分别安装在两个发电机的输入轴上，发电机输入轴的一端通过轴承iii安装在箱体的凹槽内，大轴瓦通过螺栓iii安装在凹槽ii上限制发电机输入轴的轴向位移和径向位移，发电机通过螺钉i连接安装在底板上，两个发电机用电缆连接蓄电池i，底板通过螺钉ii连接安装在箱体上；

所述的收放机构包括小箱体、卷轴、电动机、轴承i、缆绳i、密封圈、联轴器，缆绳i一端缠绕在卷轴上，另一端从箱体下部孔中伸出与自动锚定模块相连，电动机输出轴与卷轴通过联轴器相连，小箱体通过螺钉iii安装在箱体上，小箱体两端开孔使用密封圈进行密封。

所述的箱体下部四周设有四个用于连接别的箱体的连接耳，两个箱体的连接耳之间可以通过铁索连接；箱体下方开有两个用于穿过缆绳i的孔；中部设有四个台阶并且开有螺纹孔，用于安装固定底板；在台阶ii上方设有凹槽i和凹槽ii，箱体上方内壁四周设有用于安装密封条的台阶i。

所述的箱盖上方开有三个用于安装双面齿条的孔，轴从孔中穿过，箱盖上共安装有3组等间距分布的双面齿条。

所述的双面齿条下方两侧为齿，齿上方为光滑的轴，轴上方为限位台阶。

自动锚定模块由膨胀固定模块、上部自动锚定模块、下部自动锚定模块、排屑模块和钻进模块组成；膨胀固定模块由膨胀盖、挤压头组成，膨胀盖内侧为锥面，与挤压头外侧锥面相配合实现径向固定，膨胀固定模块安装在上部自动锚定模块上方；上部自动锚定模块由锚定块i、锚定套i、液压套i、挤压筒i、密封圈i和密封圈ii组成，锚定套i上设有6个方孔用于安装锚定块i，锚定块i内侧为斜面，与挤压筒i上端锥面相配合，挤压筒i下方通过过渡配合安装在液压套i内，液压套i内设有注油口i和注油口ii，下方设有滑筒，滑筒内连接有液压套ii；下部自动锚定模块由液压套ii、密封圈iii、密封圈iv、挤压筒ii、锚定套ii和锚定块ii组成，锚定套ii上设有6个方孔用于安装锚定块ii，锚定块ii内侧为斜面，与挤压筒ii下端锥面相配合，挤压筒ii上方通过过渡配合安装在液压套ii内，液压套ii内设有注油口iii和注油口iv，挤压筒ii安装在连接套上方；排屑模块由排屑管、排屑筒、推杆、密封堵头和液压泵组成，推杆安装在排屑管内，排屑管下方设有液压腔，液压腔两侧分别设有液压通道i和液压通道ii，排屑管上端开有侧方孔，下方安装有液压泵、排屑管和排屑筒下端都安装在连接套上方；钻进模块由连接套、电机总成、连接键、钻头、推力轴承组成，电机总成安装在连接套上，电机总成下端通过连接键连接钻头，钻头中间设有螺旋通道，上方安装有推力轴承，通过连接键连接电机总成。

所述的液压套i的下方滑筒与液压套ii的滑套为间隙配合，滑套可以在滑筒内自由滑动。

所述的连接套中间设有三道等间距分布的岩屑通道，下方设有轴承安装槽

所述的膨胀盖设有等间距分布的槽，内部设有等间距分布的的卡板，膨胀盖通过卡板安装在滑槽内。

所述的挤压头上方设有等间距分布的吊环，外侧设有等间距分布的滑槽。

有益效果：

本发明具有的有益效果是：

1.使用一种能够在海底自动钻进的自动锚定模块，解决了在深海海底无法人工下潜安装锚定桩也无法修建平台作为发电装置固定支点的问题，实现了在深海地区利用波浪能进行发电，同时避免了人工下入海底安装锚定桩带来的危险性问题。

2.采用机械式发电，机械式发电能量转化利用率与液压式等发电方式相比较高，并使用箱体将发电装置的核心部分与海水隔离，解决了采用机械式发电的机械装置容易受海水腐蚀损坏的问题。

3.设置与缆绳ii相连的挡块和浮漂，浮漂可以收集纵向的波浪能，挡块在海水的水平往复冲击下可以收集横向的波浪能，提高了波浪能量收集效率。

4.设置有收放机构，在平时涨潮落潮时，收放机构可以根据实际情况适当收放缆绳i，调整装置在海平面下的深度，使浮漂振福达到最大，最大化利用波浪能能量；在恶劣天气时，通过充气泵将浮漂中的气体放掉，同时电动机带动卷轴收缩缆绳i，从而将整个发电装置拉到海平面以下较深的海域，远离波涛汹涌的海平面，达到保护发电装置的效果，并且收放机构安装在箱体内，采用密封圈与箱体内部隔开，防止浸入海水。

5.在发电装置上设置有三个浮漂，增加能够收集的波浪能范围，提高单个装置功率，同时通过箱体下方的连接耳可以将多个发电装置连接组成大规模的发电机群，解决现有波浪能发电装置发电功率偏低的问题。

附图说明

图1为本发明三维视图；

图2为发明上半部三维半剖视图；

图3为本发明局部剖视图；

图4为本发明去除箱盖后的俯视图；

图5为本发明能量转化模块三维视图；

图6为本发明自动锚定模块剖视图；

图7为本发明双面齿条二维示意图；

图8为本发明箱体二维示意图；

图9为本发明发电机群三维示意图。

在各附图中，相同的附图标记指相同部件。具体地，各附图中涉及的附图标记含义如下：

1-浮漂i，2-充气泵，3-压环，4-箱盖，5-密封条，6-螺栓i，7-棘轮，8-转轴，9-键，10-小齿轮，11-大齿轮，12-发电机，13-底板，14-螺钉i，15-小箱体，16-卷轴，17-箱体，1701-凹槽i，1702-凹槽ii,1703-台阶i，1704-连接耳，1705-孔，1706-台阶ii，18-螺钉ii，19-螺钉iii，20-大轴瓦，21-小轴瓦，22-螺栓ii，23-螺栓iii，24-轴承i，25-密封圈，26-电动机，27-联轴器，28-缆绳i，29-蓄电池i，30-x形密封圈，31-膨胀盖，32-挤压头，33-锚定块i，34-密封圈i，35-密封圈ii，36-液压套ii，37-密封圈iii，38-密封圈iv，39-锚定套ii，40-锚定块ii，41-连接键，42-钻头，43-排屑管，44-推杆，45-锚定套i，46-液压套i，47-挤压筒i，48-排屑筒，49-挤压筒ii，50-密封堵头，51-蓄电池，52-电机总成，53-推力轴承，54-连接套。55-双面齿条，5501-限位台阶，5502-轴，5503-齿，56-轴承ii，57-轴承iii，58-浮漂ii，59-浮漂iii，60-铁索，61-缆绳ii，62-挡块。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

一种自锚式波浪能发电装置，其特征在于，它由吸能模块、能量转化模块、收放机构、自动锚定模块组成，自动锚定模块位于整个装置的最下端，自动锚定模块通过缆绳i连接收放机构的卷轴；

所述的吸能模块由浮漂i、浮漂ii、浮漂iii、充气泵、缆绳ii、挡块组成，浮漂i、浮漂ii与浮漂iii为橡胶材质制成的中空圆环，与缆绳ii一端相连；缆绳ii另一端连接充气泵，缆绳ii为复合绳缆，中间包裹有气管，气管连接充气泵，充气泵可通过气管给浮漂充气或者放气，缆绳ii上连接有若干个挡块。

所述的能量转化模块由双面齿条、压环、箱盖、密封条、棘轮、转轴、键、小齿轮、大齿轮、发电机、底板、箱体、蓄电池i组成，箱盖与箱体之间通过螺栓i连接，使用密封条进行密封。箱体下部四周设有四个用于连接别的箱体的连接耳，两个箱体的连接耳之间可以通过铁索连接；箱体下方开有两个用于穿过缆绳i的孔；中部设有四个台阶并且开有螺纹孔，用于安装固定底板；在台阶ii上方设有凹槽i和凹槽ii，箱体上方内壁四周设有用于安装密封条的台阶i。箱盖上方开有三个用于安装双面齿条的孔，双面齿条下方两侧为齿，齿上方为光滑的轴，轴上方为限位台阶，轴从孔中穿过，箱盖上共安装有3组等间距分布的双面齿条。双面齿条与箱盖之间使用压环压紧密封圈进行密封，压环与箱盖通过螺纹连接；箱体内安装有两根转轴，两根转轴两端分别通过轴承ii安装在箱体的凹槽i内，小轴瓦通过螺栓ii安装在凹槽i上限制转轴的轴向位移和径向位移，两根转轴上有三个棘轮分别通过键连接在转轴上，三个棘轮分别与对应位置的双面齿条一侧啮合，三根双面齿条两侧分别啮合有棘轮，当双面齿条向上运动时，棘轮可以给转轴传递扭矩，当双面齿条向下运动时，棘轮不向转轴输出扭矩，每根转轴有一端安装有一个小齿轮，两个小齿轮分别啮合有大齿轮，两个大齿轮分别安装在两个发电机的输入轴上，发电机输入轴的一端通过轴承iii安装在箱体的凹槽内，大轴瓦通过螺栓iii安装在凹槽ii上限制发电机输入轴的轴向位移和径向位移，发电机通过螺钉i连接安装在底板上，两个发电机用电缆连接蓄电池i，底板通过螺钉ii连接安装在箱体上；

所述的收放机构包括小箱体、卷轴、电动机、轴承i、缆绳i、密封圈、联轴器，缆绳i一端缠绕在卷轴上，另一端从箱体下部孔中伸出与自动锚定模块相连，电动机输出轴与卷轴通过联轴器相连，小箱体通过螺钉iii安装在箱体上，小箱体两端开孔使用密封圈进行密封。

所述的自动锚定模块由：自动锚定模块由膨胀固定模块、上部自动锚定模块、下部自动锚定模块、排屑模块和钻进模块组成；膨胀固定模块由膨胀盖、挤压头组成，膨胀盖内侧为锥面，设有等间距分布的槽，内部设有等间距分布的的卡板，膨胀盖通过卡板安装在滑槽内，与挤压头外侧锥面相配合实现径向固定，挤压头上方设有等间距分布的吊环，外侧设有等间距分布的滑槽。膨胀固定模块安装在上部自动锚定模块上方；上部自动锚定模块由锚定块i、锚定套i、液压套i、挤压筒i、密封圈i和密封圈ii组成，锚定套i上设有6个方孔用于安装锚定块i，锚定块i内侧为斜面，与挤压筒i上端锥面相配合，挤压筒i下方通过过渡配合安装在液压套i内，液压套i的下方滑筒与液压套ii的滑套为间隙配合，滑套可以在滑筒内自由滑动，液压套i内设有注油口i和注油口ii，下方设有滑筒，滑筒内连接有液压套ii；下部自动锚定模块由液压套ii、密封圈iii、密封圈iv、挤压筒ii、锚定套ii和锚定块ii组成，锚定套ii上设有6个方孔用于安装锚定块ii，锚定块ii内侧为斜面，与挤压筒ii下端锥面相配合，挤压筒ii上方通过过渡配合安装在液压套ii内，液压套ii内设有注油口iii和注油口iv，挤压筒ii安装在连接套上方，连接套中间设有三道等间距分布的岩屑通道，下方设有轴承安装槽；排屑模块由排屑管、排屑筒、推杆、密封堵头和液压泵组成，推杆安装在排屑管内，排屑管下方设有液压腔，液压腔两侧分别设有液压通道i和液压通道ii，排屑管上端开有侧方孔，下方安装有液压泵、排屑管和排屑筒下端都安装在连接套上方；钻进模块由连接套、电机总成、连接键、钻头、推力轴承组成，电机总成安装在连接套上，电机总成下端通过连接键连接钻头，钻头中间设有螺旋通道，上方安装有推力轴承，通过连接键连接电机总成。

安装方法：

将与缆绳i连接的自动锚定模块放入海底，在自重施加的钻压作用下，自动锚定模块的电机总成带动钻头开始钻进，钻出的岩屑被排出到自动锚定模块的后方，直到钻进到能够可靠锚定的深度。当钻进到足够深度后开始锚定时，分别注入液压油使锚定块i和锚定块ii挤出，与孔壁产生摩擦力起到辅助锚定作用，当缆绳i上的拉力大于上部自动锚定模块与下部自动锚定模块与孔壁摩擦力时，自动锚定模块将后退，膨胀盖受与孔壁的摩擦力和后方排出的岩屑阻挡作用将保持不动，因此挤压头后退时会挤压膨胀盖使其下端产生径向形变张开，膨胀盖形变后增大了与岩屑的接触面积，导致摩擦力增大，使该自动锚定模块的后退阻力大于缆绳i上施加的拉力，实现可靠锚定。

单个装置发电方法：

当自动锚定模块锚定好以后，箱体在浮力作用下漂浮在水面，充气泵分别给三个浮漂充气，浮漂上浮在海面，两个收放机构的电机转动带动卷轴收放缆绳i，拉动箱体下潜并将深度调整到最佳的位置，使在海面上的浮漂在波浪作用下振幅达到最大，在波浪作用下三个浮漂上下振动，带动三根双面齿条上下往复运动，当有双面齿条往上运动时，带动与双面齿条啮合的棘轮转动，棘轮向通过键相连的转轴施加扭矩，从而带动小齿轮转动，小齿轮与发电机输入轴上的大齿轮啮合，因此小齿轮将驱动大齿轮转动从而带动发电机发电，当有双面齿条往下运动时，棘轮不工作，不向轴施加扭矩，不会影响处于上升运动的双面齿条驱动发电机发电。

组建发电机群方法：

当一个能量转化模块锚定好后，通过箱体下方的连接耳连接另一个能量转化模块箱体下方的连接耳，连接耳上采用槽结构安装连接用的铁索，每个能量转化模块有两个收放机构，下方可以连接两个自动锚定模块，在组网使用时，可以根据实际情况决定每个能量转化模块下入一个自动锚定模块还是两个自动锚定模块，以降低成本。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。