本实用新型涉及一种可用于波浪发电的浮体波浪集中取力装置，具体涉及一种浮体波浪集中取力装置及其组合单元，属于波浪能发电领域。
背景技术：
海洋中蕴藏着丰富的能量，海洋能包含潮汐能、潮流能、波浪能、海流能，其中波浪能占约70％。波浪能作为可再生能源，储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。
现有的一些关于波浪发电的专利有：中国发明专利(申请号：200910214221.8，申请日：2009.12.25)提供了一种水母式波浪能利用装置；中国发明专利(申请号：2012101570982提供了一种浮管海洋能发电装置；中国发明专利(专利号：ZL201210148948.2)提供了一种具有半潜船特征的新型漂浮鹰式波浪能发电装置。
目前对于包括以上以浮体为波浪能采集方式的装置中，都是将浮体在浮力或重力(双向方式)作用下产生的浮体运动，转换成液压、气流或机械转动等方式，最后再转换成电能。无论是哪种方式，都会在浮体上产生一个阻碍浮体浮力或重力的反作用力。只要浮体受到的浮力或重力大于这个反作用力，浮体就会产生运动，并驱动发电装置输出电能。
如图5所示，浮体上有三根线，其中中间线为浮体内的水面线，下面两根线的水量重力与反作用力相等。上面两根线所包含的空间产生的浮力与反作用力相等。
在波浪下降过程中，如图5中的1～6状态，浮体受到的重力略大于反作用力，所以浮体以滞后一个高度随波浪下降；在波浪上升过程中，如图5中的6～11状态，浮体受到的浮力略大于反作用力，所以浮体以滞后一个高度随波浪上升。在整个波浪周期，浮体对外做的功为2倍的反作用力与波浪高度的乘积(双向方式)。由于这个反作用力是由浮体之后的发电装置决定的，与波浪高度无关，为了能被较小的波浪推动，这个反作用力不大。这正是现在的波浪能发电装置的效率很低的原因。
尽管人们做了很多开发波浪能发电的工作，但是直到现在都没有大规模开发利用，目前阻碍波浪能装置规模化应用还存以下主要技术问题：1.能量转换效率低，尤其是在波浪周期长，浮体(浮力单元)一般随着波浪边上升边做功(发电)，其浮力不大且速度慢，导致发电电压低，效率低下；2.波浪能量具有很强的随机性，目前的装置规模小，无法适应宽范围波动，输出功率波动很大；3.发电平台体积大，而浮体占比不高，建造和维修费用高，单位电量成本过高；4.装置的安装和维修都必须在海里进行，难度大且成本高。
有鉴于此，本实用新型提出一种浮体波浪集中取力装置及其组合单元，以解决上述问题。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于克服现有产品的不足，提供一种浮体波浪集中取力装置及其组合单元，旨在提高现有波浪能发电装置效率与适应性，组建大规模与大功率输出的波浪能发电站，降低建造与维修成本，降低单位电量成本等。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种浮体波浪集中取力装置，包括：框架、浮筒、驱动轴和输出轴，所述浮筒固定于所述框架内，所述浮筒上端设置有齿条；所述驱动轴固定在所述框架上，所述驱动轴上设置有直齿轮、驱动伞齿轮、浮体运动速度测量装置和制动器，所述制动器控制浮筒，所述直齿轮与所述齿条咬合；所述输出轴固定在所述框架上并与所述驱动轴垂直，所述输出轴的输出端设置有联轴器。
进一步的，上升驱动伞齿轮和下降驱动伞齿轮，所述上升驱动伞齿轮和下降驱动伞齿轮不仅与所述驱动伞齿轮咬合，还与所述输出轴连接。
进一步的，波浪高度传感器和微电脑控制器，所述微电脑控制器与波浪高度传感器、浮体运动速度测量装置和制动器相连接。
进一步的，所述微电脑控制器和波浪高度传感器及浮体运动速度测量装置通过制动器实现浮筒在波峰制动点或波谷制动点制动；所述微电脑控制器和波浪高度传感器通过制动器实现浮筒在波峰释放点或波谷释放点释放。
进一步的，在波浪达到最高点后浮体运动速度测量装置检测到浮体运动方向反转时制动器制动，此时为波峰制动点；在波浪达到最低点后浮体运动速度测量装置检测到浮体运动方向反转时制动器制动，此时为波谷制动点；当波浪高度传感器检测到波浪上升到前次波峰高度的H％时，制动器释放，此时为波谷释放点，其中，所述H为设定值，其取值范围为75≤H＜100，且最佳波谷释放点为释放后浮筒与波浪同时达到最高点的释放点；当波浪高度传感器检测到波浪下降到前次波谷深度的H％时，制动器释放，此时为波峰释放点，其中，所述H为设定值，其取值范围为75≤H＜100，最佳波峰释放点为释放后浮筒与波浪同时达到最低点的释放点；综上，释放点存在一个释放区。
进一步的，所述微电脑控制器和波浪高度传感器用于实时测量波浪的周期、高度、最低点和最高点；所述浮体运动速度测量装置用于测量浮筒运动的速度和方向。
进一步的，所述波浪高度传感器和微电脑控制器固定在所述框架上，所述微电脑控制器设置有与外部通讯的接口以实现与多个所述发电装置的微电脑控制器之间的通讯连接以及信息交流。
进一步的，所述微电脑控制器的通讯串口与其他取力装置的微电脑控制器连接，实现各取力装置的微电脑控制器的波浪测量参数、状态及控制命令信息的交换。
进一步的，所述联轴器为轴长可伸缩的弹性万向节联轴器，以实现多个所述发电装置进行机械连接，形成大规模的发电平台。
进一步的，所述上升驱动伞齿轮和下降驱动伞齿轮的轴芯与所述输出轴的轴心重合。
进一步的，所述上升驱动伞齿轮通过上升超越轴承与所述输出轴连接，下降驱动伞齿轮通过下降超越轴承与所述输出轴连接，且所述上升驱动伞齿轮与所述下降驱动伞齿轮的超越方向相反。
进一步的，所述浮筒的高度为波浪高度的1～2倍，所述齿条的长度为浮筒高度的1～2倍。
进一步的，所述驱动轴和输出轴均通过轴承固定在所述框架上。
进一步的，所述浮筒上端还设置有导气管，所述浮筒下端设置有电控阀，所述电控阀连接所述微电脑控制器，以实现浮筒的注水和出水；当制动器在波峰制动时，浮筒内水量较多，随后当波浪高度传感器测量到波浪下降到大于前次波谷深度的50％时，微电脑控制器发出指令打开电控阀，浮筒内的水面高于外部波浪的水面，浮筒向外排水；当制动器在波谷制动时，浮筒内水量较少，随后当波浪高度传感器测量到波浪上升到大于前次波峰高度的50％时，微电脑控制器发出指令打开电控阀，浮筒内的水面低于外部波浪的水面，浮筒向内注水。
本实用新型的目的还可以通过以下技术方案实现：一种浮体波浪集中取力装置的组合单元，所述组合单元包括四个所述浮体波浪集中取力装置，该四个所述浮体波浪集中取力装置共用一根长输出轴和一个联轴器，所述联轴器设置于长输出轴的末端；
所述组合单元的四个浮体波浪集中取力装置还共用一个波浪高度传感器和一个微电脑控制器，所述波浪高度传感器和微电脑控制器设置于所述组合单元的中心。
进一步的，所述长输出轴的长度是所述输出轴的两倍。
本实用新型所述的浮体波浪集中取力装置所采用的集中取力方法包括下降取力做功方法和/或上升取力做功方法。
所述下降取力做功方法具体包括以下步骤：
步骤(1)，波峰制动：当波浪高度传感器测量到波浪到达最高点后浮体运动速度测量装置检测到浮体运动方向反转时，微电脑控制器发出指令使制动器制动，将浮体固定于波峰，然后波浪逐渐下降；
步骤(2)，波峰释放：当波浪高度传感器测量到波浪下降到前次波谷深度的H％时，微电脑控制器发出指令使制动器释放，浮体在重力作用下下降做功，完成一个下降取力做功的过程；所述H为设定值，其取值范围为75≤H＜100；
所述上升取力做功方法具体包括以下步骤：
步骤(1)，波谷制动：当波浪高度传感器测量到波浪到达最低点后浮体运动速度测量装置检测到浮体运动方向反转时，微电脑控制器发出指令使制动器制动，将浮体固定于波谷，然后波浪逐渐上升；
步骤(2)，波谷释放：当波浪高度传感器测量到波浪上升到前次波峰高度的H％时，微电脑控制器发出指令使制动器释放，浮体在浮力作用下上升做功，所述H为设定值，完成一个上升取力做功的过程；其取值范围为75≤H＜100。
本实用新型的工作原理：当制动器经上升取力做功中的步骤(2)波谷释放后，浮筒在浮力作用下上浮，会经过齿条、直齿轮、驱动轴、驱动伞齿轮、上升驱动伞齿轮、上升驱动超越轴承、输出轴，并经过长度可伸缩的弹性万向联轴器向发电机或下级单元传递转矩；
当制动器经下降取力做功中的步骤(2)波峰释放后，浮筒在重力作用下下降，会经过齿条、直齿轮、驱动轴、驱动伞齿轮、下降驱动伞齿轮、下降驱动超越轴承、输出轴，并经过长度可伸缩的弹性万向联轴器向发电机或下级单元传递转矩。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型在微电脑控制器的控制下，通过波浪高度传感器、浮体运动速度测量装置、制动器，可实现浮筒在波谷制动，随后在波浪接近最高点时释放让浮力做功；还可实现浮筒在波峰制动，在波浪接近最低点时释放，让重力(自重加浮筒中的水)做功；对于相同的波浪高度情况下，由于做功过程中的浮力或重力都比以往无制动直接连续缓慢做功时大很多，所以大幅提高了波浪发电效率；
2、本实用新型在微电脑控制器的控制下，通过波浪高度传感器、浮体运动速度测量装置、制动器，可在运行中实现浮筒在波谷制动后，微电脑控制器通过波浪高度传感器检测到波浪上升到大于前次波浪高度50％后，打开电控阀向浮筒内注水，还可实现浮筒在波峰制动后，微电脑控制器通过波浪高度传感器检测到波浪下降到大于前次波谷深度的50％后，打开电控阀向浮筒外排水，来调节浮筒内水面高度以更好的适应不同波浪高度与周期的波浪状况下的发电效率，也可以过量注水减少浮筒内的空气占比，即减少浮力来抑制输出功率；
3、本实用新型通过输出轴的输出端的轴长可伸缩量的弹性万向节联轴器，可与同类装置级联，非常适合组成大型波浪发电装置；只要能覆盖若干个波浪长度，从整体上看，所受的波浪的浮力是平衡的稳定的，浮筒浮力做功与重力做功也会成对连续出现，波浪发电装置的框架平台高度基本保持平衡不变，浮筒做功的位移基本上等于波浪的高度，因此可以实现连续高效大功率电能输出；但是以前的波浪发电装置，如果是浮动平台，一般都不可能覆盖一个波浪长度范围，因此在浮体单元随波浪波动做功的过程中，平台本身也会随波浪移动，且与浮体移动方向一致，结果相对减少了做功的位移，所以发电效率会下降；
4、本实用新型非常适合将几个单元组合在一起，由于体积不太大，可在岸边生产装配完成后，通过微电脑控制器，向浮筒内注入适量水，使整体设备像一个浮排一样，通过拖船拖到工作水域后再简单拼接组合成所需的规模大小；在最后拼接成的大型波浪发电装置四周用锚固定即可，没有方向要求，维修时，将有故障部分拆离整个系统，然后拖回岸边维修，因此生产，投放，维修成本都很低。
附图说明
图1为本实用新型所述的浮体波浪集中取力装置的俯视图；
图2为本实用新型所述的浮体波浪集中取力装置的侧视图。
图3为本实用新型所述的浮筒波浪能状态示意图。
图4为本实用新型所述的组合单元的俯视图。
图5为现有技术中浮筒波浪能状态示意图。
图中：1-框架，2-浮筒，21-齿条，22-导气管，23-电控阀，3-驱动轴，31-直齿轮，32-驱动伞齿轮，33-浮体运动速度测量装置，34-制动器，4-输出轴，41-长输出轴，5-上升驱动伞齿轮，51-上升超越轴承，6-下降驱动伞齿轮，61-下降超越轴承，7-波浪高度传感器，8-微电脑控制器，9-弹性万向节联轴器，10-组合单元。
具体实施方式
为了更好的理解本实用新型，下面结合附图与实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本实用新型所述的浮体波浪集中取力装置所采用的浮体波浪集中取力方法包括下降取力做功方法和/或上升取力做功方法，其核心为根据波浪高度控制浮筒的高度、运动状态(上升、下降或静止)，具体表现为：
(一)、下降取力做功方法
步骤(1)，波峰制动：当波浪高度传感器7测量到波浪到达最高点后浮体运动速度测量装置33检测到浮体运动方向反转时，微电脑控制器8发出指令使制动器34制动，将浮筒2固定，此时浮体也在波浪的顶端，然后波浪逐渐下降；
步骤(2)，波峰释放：当波浪高度传感器7测量到波浪下降到前次波谷深度的H％时，微电脑控制器8发出指令使制动器34释放，浮筒2带动齿条21下降，完成一个下降取力做功的过程；所述H为设定值，其取值范围为75≤H＜100；
(二)、上升取力做功方法
步骤(1)，波谷制动：当波浪高度传感器7测量到波浪到达最低点浮体运动速度测量装置33检测到浮体运动方向反转时，微电脑控制器8发出指令使制动器34制动，将浮筒(2)固定，此时浮体在波谷的底端，然后波浪逐渐上升；
步骤(2)，波谷释放：当波浪高度传感器7测量到波浪上升到前次波峰高度的H％时，微电脑控制器8发出指令使制动器34释放，浮筒2带动齿条21上升，完成一个上升取力做功的过程；所述H为设定值，其取值范围为75≤H＜100。
如图1和2所示，本实用新型所述的一种浮体波浪集中取力装置，包括：框架1、浮筒2、驱动轴3和输出轴4，所述浮筒2固定于所述框架1内，所述浮筒2上端设置有齿条21和导气管22，所述浮筒2下端设置有电控阀23；所述驱动轴3固定在所述框架1上，所述驱动轴3上设置有直齿轮31、驱动伞齿轮32、浮体运动速度测量装置33和制动器34，所述制动器34控制浮筒2，所述直齿轮31与所述齿条21咬合；所述输出轴4固定在所述框架1上并与所述驱动轴3垂直，所述输出轴4的输出端设置有联轴器9。
还包括，波浪高度传感器7和微电脑控制器8，所述微电脑控制器8与波浪高度传感器7、浮体运动速度测量装置33、制动器34和电控阀23相连接。
还包括，上升驱动伞齿轮5和下降驱动伞齿轮6，所述上升驱动伞齿轮5和下降驱动伞齿轮6不仅与所述驱动伞齿轮32咬合，还与所述输出轴4连接。
所述微电脑控制器8和波浪高度传感器7用于实时测量波浪的周期、高度、最高点与最低点；所述浮体运动速度测量装置33用于测量浮筒2运动速度位移与方向；所述的微电脑控制器8和波浪高度传感器7及浮体运动速度测量装置33通过制动器34实现浮筒2在波峰制动点或波谷制动点制动；所述的微电脑控制器8和波浪高度传感器7通过制动器34实现浮筒2在波峰释放点或波谷释放点释放。
所述波峰制动点为波浪达到最高点后浮体运动速度测量装置33检测到浮筒2速度反向时，所述波谷制动点为波浪达到最低点后浮体运动速度测量装置33检测到浮筒2速度反向时。一般情况下，波浪会先到达最高点或者最低点，随后浮筒2再到达最高点或者最低点。所述波谷释放点为波浪上升到前次波浪高度的H％时，所述波峰释放点为波浪下降到前次波谷深度的H％时，其中，所述H为设定值，其取值范围为75≤H＜100。其中，所述释放区的最佳释放点为释放后所述浮筒2与波浪同时达到波浪的最高点或者最低点。最佳波谷释放点为释放后浮筒2与波浪同时达到最高点的释放点，最佳波峰释放点为释放后浮筒2与波浪同时达到最低点的释放点。
综上，释放点存在一个释放区，在该释放区内均可以释放浮筒2，但在最佳释放点释放浮筒2，可以获得最大的能量输出。
下面结合图3中浮筒做功过程，描述一个波浪周期的工作过程。
在初始非制动状态下，当波浪高度传感器7测量到波浪处于最高点后浮体运动速度测量装置33检测到浮筒2速度反向时，表明浮筒2已升至最高点，即图3状态位置(1)，此时制动器34在该波峰制动点制动。
随后波浪开始下降，但是浮筒2不会随着波浪表面下降，而是停留在如图3状态位置(2)、(3)、(4)，即波峰制动点位置。当微电脑控制器8通过波浪高度传感器7检测到波浪降到前次波谷深度的H％(75≤H＜100)时，如图3状态位置(4)，浮筒2已经悬在水面之上，微电脑控制器8发出信号使制动器34在波峰释放点释放浮筒2，随后浮筒2在重力作用下带着齿条21向下移动，齿条21经直齿轮31，驱动轴3，驱动伞齿轮32，下降驱动伞齿轮6，下降驱动超越轴承61传动链，驱动输出轴4转动即对外输出机械功率，直到浮筒2到达图3状态位置(6)。
此时，波浪高度传感器7测量到波浪处于最低点后浮体运动速度测量装置33检测到浮筒2速度反向时，表明浮筒2已降至最低点，即图3状态位置(6)，此时制动器34在该波谷制动点制动。
随后波浪开始上升，但是浮筒2不会随着波浪表面上升，而是停留在如图3状态位置(7)、(8)、(9)，即波谷制动点。当微电脑控制器8通过波浪高度传感器7检测到波浪升到前次波浪高度的H％(75≤H＜100)时，如图3状态位置(9)，浮筒2已经处在水面之下，微电脑控制器8发出信号使制动器34在波谷释放点释放浮筒2，随后浮筒2在浮力作用下，带着齿条21向上移动，齿条21经直齿轮31，驱动轴3，驱动伞齿轮32，上升驱动伞齿轮5，上升驱动超越轴承51传动链，驱动输出轴4转动即对外输出机械功率，直到浮筒2到达图3状态位置(11)。
其中，最佳波谷释放点为释放后浮筒2和波浪同时到达波浪的最高点的释放点，最佳波峰释放点为释放后浮筒2和波浪同时到达波浪的最低点的释放点。
如图3所示，状态位置(11)为下一个波浪周期起点，与状态位置(1)的状态相同，因此开始了下一个波浪周期循环。
结合图3可知，浮筒2在一个波浪周期，有两次对外输出能量。重力做功约为浮体截面与波浪高度平方乘积的一半，浮力做功约为浮体截面与波浪高度平方乘积的一半。如果将若干个本实用新型“浮体波浪集中取力装置”组合成一个跨越多个波浪周长的海面波浪发电站，则可在输出轴4上获得连续的转矩输出。
由于在所述浮筒2上端设置有导气管22，下端设置有电控阀23，所以可以调节浮筒2内的水量或者液面高度。
调整浮筒2内水量的具体过程：浮筒2上端设置的一根导气管22使得浮筒2内部气压与外部相等，如果要向外排水，当制动器34在波峰制动点制动，如图3的状态位置(1)，直到波浪高度传感器7检测到波浪下降到大于前次波浪深度50％时，微电脑控制器8打开电控阀23，此时浮筒2内的水面高于外面的水面，所以浮筒2内的水向外排出。如果要向内注水，当制动器34在波谷制动点制动，如图3的状态位置(6)，直到波浪高度传感器7检测点波浪上升到大于前次波浪高度50％时，微电脑控制器8打开电控阀23，此时浮筒2内的水面低于外部的水面，所以外部的水注入浮筒2内注水。内外水面差决定电控阀23的流速，再结合打开电控阀23的时间长短，可以控制注水与排水量。
调整浮筒2内的水量具有以下好处：1、对于浮力做功，只要浮筒中空气的高度等于波浪的高度，同样，对于重力做功，只要浮筒中水的高度等于波浪的高度，就能实现最大能量输出了；2、在波浪较小时，如果浮筒中的水过多，由于惯性的原因，浮筒加速度低，会增加非输出功率的时间(因为上升驱动伞齿轮5，下降驱动伞齿轮6转速低于输出轴4转速的时间为非输出功率时间)与位移，降低了功率输出，而在波浪较大时，如果浮筒内的水较少，浮力做功量不受影响，但是重力做功因重力减小而显著减少，所以一个波浪周期的做功就会减少；3、当遇到台风时，波浪高度大且上升快，可能使浮筒的浮力冲击超过装置的承受能力，因此可以采取过量注水，减小浮力，增加惯性，保护整体装置。
在本实用新型的一个实施例中，所述上升驱动伞齿轮5和下降驱动伞齿轮6的轴芯与所述输出轴4的轴心重合。
在本实用新型的一个实施例中，所述上升驱动伞齿轮5通过上升超越轴承51与所述输出轴4连接，下降驱动伞齿轮6通过下降超越轴承61与所述输出轴4连接，且所述上升驱动伞齿轮5与所述下降驱动伞齿轮6的超越方向相反。
在本实用新型的一个实施例中，所述波浪高度传感器7和微电脑控制器8固定在所述框架1上，所述微电脑控制器8设置有与外部通讯的接口，以实现与多个所述发电装置的微电脑控制器8之间的通讯连接和信息交流，如波浪测量参数，状态及控制命令信息的交换。
在本实用新型的一个实施例中，所述微电脑控制器8位于所述框架1的顶端，所述波浪高度传感器7位于所述框架1的底端。
在本实用新型的一个实施例中，所述联轴器9为轴长可伸缩量的弹性万向节联轴器9，用于将多个所述浮体波浪集中取力装置连接在一起，形成跨越多个海浪周期的发电平台，增加功率输出。
在本实用新型的一个实施例中，所述驱动轴3和输出轴4均通过轴承固定在所述框架1上。
本实用新型所述的一种浮体波浪集中取力装置的组合单元，如图4所示，
所述组合单元包括四个所述浮体波浪集中取力装置，该四个所述浮体波浪集中取力装置共用一根长输出轴41和一个联轴器9，所述联轴器9设置于长输出轴41的末端；
所述组合单元的四个浮体波浪集中取力装置还共用一个波浪高度传感器7和一个微电脑控制器8，所述波浪高度传感器7和微电脑控制器8设置于所述组合单元的中心。其中，所述长输出轴41的长度是所述输出轴4的两倍，其作用与所述输出轴4相同。
该组合单元是一种经济的组合单元，每个组合单元10中设置有一根长输出轴41、一个波浪高度传感器7、一个微电脑控制器8和一个弹性万向节联轴器9，而且框架1的材料也可减少。其相比于单独安装的方式节省了相当于两根输出轴4的材料、三个波浪高度传感器7、三个微电脑控制器8和三个弹性万向节联轴器9。既能保证效率，也节省了成本。
上述实施例对本实用新型做了详细说明。当然，上述说明并非对本实用新型的限制，本实用新型也不仅限于上述例子，相关技术人员在本实用新型的实质范围内所作出的变化、改型、添加或减少、替换，也属于本实用新型的保护动点范围。