一种航行船舶利用波浪能的发电装置

1.本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种航行船舶利用波浪能的发电装置。


背景技术：

2.船舶在海上航行，需要燃烧大量的燃油为航行提供动力，随之排放出氮氧化物、硫氧化物等污染物加剧了对环境的污染。为降低船舶油耗，减小船舶排放对环境的污染，国际海事组织(imo)对船舶的排放提出了更高的要求，因此，降低能耗和寻找新型能源成为船舶业亟待解决的问题。
3.波浪能作为一种理想的可再生能源，其应用在航行船舶上有着得天独厚的优势。船舶在海洋中航行时，受波浪等因素的影响，会发生横摇、纵摇、艏摇、纵荡、横荡和垂荡六个自由度的运动，其中，船舶横摇运动最为剧烈，船体本身蕴含着丰富的机械能。
4.基于波浪能在海洋中能流密度大、储量丰富等优势，波浪能发展至今也有了各种应用形式，如振荡水柱式、摆式、筏式等波浪能利用形式，但这些波浪能利用装置都是一些岸基装置或是安装在趸船这种固定不动船舶的装置，由于这些装置需与海水进行接触，应用在航行船舶上会增加额外的阻力，装置产生的能量无法抵消克服阻力所消耗的能量，出现得不偿失的现象，因此这些波浪能利用装置无法应用在航行船舶。
5.基于此，若是设计出一种航行船舶在波浪作用下利用船体机械能的发电装置，那么这种装置将具有非常大的实际应用价值。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对上述提到的问题，提出一种航行船舶利用波浪能的发电装置，本装置在安装船舶之前，先对所用船舶船体中间一段进行改造，使改造段的船体部分沿船长方向截面形状为圆心角大于230
°
的扇形，底部为圆弧，本发明巧妙地与改造段船体进行结合，当船舶因波浪作用发生横摇运动时，装置可以实现与船体改造段之间相对转动，进而通过齿条和发电机齿轮传动使得发电机发电，达到了利用波浪能的目的，解决了航行船舶难以利用波浪能的难题。
7.本发明上述提到对船体进行改造，将改造后的这段船体定义为改造段，设改造段沿船长方向的宽度为d，改造段的船体在安装本发明装置后依然与船体前部分和船体后部分保持流线型，船体无任何凹陷和凸出现象，因此不会增加船体的航行阻力。
8.一种航行船舶利用波浪能的发电装置，该装置包括：转动面、外壳、捕能板、齿条、齿条轨道、发电机、发电机齿轮和轴封。
9.所述转动面是上述船体改造段中的圆弧面部分，设转动面的圆弧半径为r；设与改造段前后相连接的船体圆弧部分半径为r。
10.所述外壳套于船体改造段的外部，可以实现与转动面相对转动，设外壳沿船长方向的宽度为d，d略小于d，外壳与改造段为间隙配合；设外壳的壳厚为t，通过调整r与t，使r+t＝r，所以安装外壳的船体依然保持流线型。
11.所述捕能板与外壳底部连接，捕能板沿船长方向的长度较长；所述齿条固定在外壳的内表面中间位置。
12.所述齿条轨道是船体改造段中的开设的弧形凹槽。
13.所述发电机设于船体货舱内，其转轴通过轴封与发电机齿轮连接，所述发电机齿轮在齿条轨道中，可以与齿条啮合传动。
14.当船舶因波浪作用发生横摇运动时，此时船舶的左倾和右倾交替进行，船体产生较大的转动角度，由于与外壳连接的捕能板长度长、面积大，所以捕能板受到海水较大的阻尼作用，外壳与船体产生非常大的相对转动角度，并且捕能板因海水的阻尼产生的作用力大，外壳上的齿条与发电机齿轮产生较大的扭矩，使得发电机的输出功率非常大，实现了船舶对波浪能的间接利用。
15.本发明的有益效果：
16.1.本发明巧妙地与船体相结合，船舶在波浪作用下发生横摇运动时，船体会产生较大的转动角度，捕能板因受到海水较大的阻尼作用，故外壳与船体产生非常大的相对转动角度，并且产生非常大的相对扭矩，使得装置发电功率非常大，实现了船舶对波浪能的间接利用，解决了航行船舶难以利用波浪能的难题。
17.2.当船舶在航行过程中发生横摇运动时，由于捕能板的长度长、面积大，捕能板对船舶横摇有较大的阻尼作用，故本发明装置可适当降低船舶的横摇幅度，提高了航行船舶航向的稳定性。
18.3.本发明装置结构简单，易于实现，且产生的电力可直接用于航行船舶的推进，降低船舶废气的排放，符合当前“绿色船舶”发展方向。
附图说明
19.图1为本发明安装位置示意图；
20.图2为本发明改造段前后船体圆弧部分的半径示意图；
21.图3为本发明转动面与外壳的尺寸示意图；
22.图4为本发明安装在船舶改造段上的示意图；
23.图5为本发明捕能板和齿条安装位置示意图；
24.图6为本发明发电机转轴的轴封示意图；
25.图7为船舶正浮状态下的本发明示意图；
26.图8为船舶发生右倾时由船尾向船首视图下的装置截面示意图；
27.图1-图8中：1是转动面；2是外壳；3是捕能板；4是齿条；5是齿条轨道；6是发电机；7是发电机齿轮；8是轴封。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。
29.一种航行船舶利用波浪能的发电装置，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，该装置包括：转动面1、外壳2、捕能板3、齿条4、齿条轨道5、发电机6、发电机齿轮7和轴封8。
30.本装置在安装船舶之前，先对所用船中一小段的船体进行改造，使改造段的船体
部分沿船长方向截面形状为圆心角大于230
°
的扇形，底部为圆弧面，将改造后的这段船体定义为改造段，改造段的船体在安装本发明装置后依然与船体前部分和船体后部分保持流线型，无任何凹陷和凸出现象，因此不会增加船体的航行阻力。如图1所示，所述转动面1是船体改造段中的圆弧面部分，设改造段沿船长方向的宽度为d，圆弧半径为r；如图2所示，设与改造段前后相连接的船体圆弧部分半径为r。
31.如图3和图4所示，所述外壳2套于船体改造段的外部，可以实现与转动面1相对转动，设外壳2沿船长方向的宽度为d，d略小于d，外壳2与改造段为间隙配合；设外壳2的壳厚为t，通过调整r与t，使r+t＝r，所以套上外壳2后的改造段船体与前后船体圆弧部分的曲率半径相等，当外壳2与转动面1相对转动时，船体依然保持流线型。
32.如图5所示，所述捕能板3与外壳2底部连接，捕能板3沿船长方向的长度较长；所述齿条4固定在外壳2的内表面中间位置。
33.如图6所示，所述齿条轨道5是船体改造段中的开设的弧形凹槽，是齿条4转动走过的轨迹区域；所述发电机6设于船体货舱内，其转轴通过轴封8与发电机齿轮7连接，所述发电机齿轮7在齿条轨道5中，可以与齿条4啮合传动。
34.当船舶处于正浮状态时，本发明如图7所示，发电机齿轮7与齿条4中间的齿啮合，捕能板3处于船舶中纵剖面位置，发电机齿轮7与齿条4处于相对静止状态，本装置不发电。
35.当船舶因风浪作用发生横摇运动时，此时船舶的左倾和右倾交替进行。如图8所示，当船舶发生右倾，船体向右舷沿顺时针方向产生较大的转动角度，由于与外壳2连接的捕能板3的长度长、面积大，所以捕能板3受到较大的海水阻尼作用，因此外壳2不会随船体产生大幅度转动，从而使外壳2与船体产生非常大的相对转动角度，并且因捕能板3的阻尼产生的作用力大，外壳2上的齿条4与发电机齿轮7产生较大的扭矩，使得发电机6的输出功率非常大。同理，当船舶发生左倾时，装置发电原理和上述船舶右倾状态下的相同。在外壳2与船体发生相对转动的过程中，外壳2两侧的上端点一直处于水面以上，从而保证船舶航行发生横摇运动时船体水下部分没有任何凹陷和凸起现象，外壳2与前后船体依然保持流线型，因此不会产生额外航行阻力。
36.在船舶发生右倾与左倾过程中，由于水下捕能板3的长度长、面积大，因此捕能板3增大了船舶横摇时的阻尼，故本发明装置可适当降低船舶的横摇幅度，提高了船舶航行过程中航向的稳定性，此外，捕能板3的厚度非常薄，在船舶航向方向上投影面积极小，几乎集聚成一条线段，故捕能板3在捕获巨大的能量、增加航向稳定性的同时，其产生的阻力微乎其微，所以本发明装置具有非常高的实际应用价值。
37.以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。