一种利用自由摆子捕能的波浪能发电装置的制作方法

本发明属于海洋资源开发利用技术领域，涉及一种波浪能发电装置。

背景技术：

波浪能作为一种储量大、分布广的绿色可再生能源，成为当前新能源领域的研究热点之一。由于波浪具有稳定性差、频率低、破坏性强的特点，使得波浪能发电装置的发电效率低、可靠性差，制约了波浪能的广泛应用。波浪能向电能的转换通常包括两个阶段，第一阶段是借助波浪能转换装置将波浪能转换为机械能，第二阶段是利用各种形式的发电机将机械能转化为电能。波浪能转换装置效率的高低很大程度上决定了波浪能发电效率的高低，因此，研制高效的波浪能转换装置是波浪能发电技术的一个核心问题。

波浪能转换装置通过物体间的相对运动对波浪能进行捕获，即波浪能向机械能的转换。无约束条件下，物体具有六个方向的运动自由度，目前国内外已有的波浪能发电装置多数利用物体间一维方向的相对运动捕获波浪能，这是导致波浪能发电效率低的原因之一。为提高波浪能转换效率，专利cn102297068a给出了一种二维方向上捕获波浪能并利用平面发电机发电的波浪能发电装置。专利cn103790759a提出了一种多轴波浪能发电装置，利用浮体在海平面两个方向的转动和竖直方向的移动捕获波浪能，通过三组减速器和发电机完成波浪能向电能的转换。这些在多维方向上捕获波浪能的发电装置利用刚性构件将波浪能传递至发电机，使得系统结构复杂，维护困难。

技术实现要素：

针对背景技术中提及的现有波浪能发电装置存在的问题，本发明的目的在于提供一种可以高效收集波浪能、柔性传递能量并且能够将波浪能稳定转化为电能的波浪能发电装置。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：一种利用自由摆子捕能的波浪能发电装置，该装置安装在移动或固定式海洋平台上，包括依次连接的三部分：波浪能捕获系统、能量传动系统和能量输出转换系统；所述波浪能捕获系统捕获波浪能并将其转换为机械能；所述能量传动系统将往复的机械运动柔性且单向传动至能量输出转换系统；所述能量输出转换系统将传动过来的机械能转换为电能。

作为优选方式，所述的波浪能捕获系统主要由球形摆子，摆杆，万向球，上球座和下球座组成；摆杆的下端与球形摆子固连，摆杆在靠近上端位置处与万向球固连；万向球与上球座和下球座组成一球铰，上球座和下球座通过螺钉连接并固定在海洋平台上。球形摆子可绕球铰在任意方向上摆动以高效捕获波浪能。

进一步的，上球座和下球座的外部为扁圆柱形，内部均为球形曲面，球形曲面的球面半径与万向球的半径相等；上球座上有光孔，下球座上有螺纹孔，上球座和下球座通过螺钉连接在一起并将万向球夹持在球形曲面内，上球座和下球座内部球形曲面的球心与万向球的球心重合。

作为优选方式，所述的能量传动系统主要由连接套、钢丝绳、导向装置、换向轮、驱动轮、张紧弹簧、两级传动装置组成；所述连接套上有两个通孔，分别用来固定摆杆的上端和钢丝绳的下端；钢丝绳依次穿过导向装置的中心孔，绕过换向轮和驱动轮后与张紧弹簧连接，在张紧弹簧作用下，钢丝绳始终处于张紧状态；波浪能捕获系统通过钢丝绳将能量柔性传递至能量传动系统；换向轮位于导向装置的正上方，其轴线与驱动轮轴线在同一水平面内；驱动轮通过传动轴与两级传动装置连接。

进一步的，所述的两级传动装置包括一级传动轴、二级传动轴、第一单向轴承、第二单向轴承、第一带轮、第二带轮、第三带轮、第四带轮、平行带和交叉带；所述的驱动轮固定在一级传动轴上，一级传动轴上安装有第一单向轴承和第二单向轴承，第一单向轴承和第二单向轴承的外圈分别与第一带轮和第二带轮固连；第三带轮和第四带轮固定在二级传动轴上；第一带轮通过平行带与第三带轮进行能量柔性传动，第二带轮通过交叉带与第四带轮进行能量柔性传动。

进一步的，所述交叉带的交叉接触位置处安装有滚子，以避免带在此处发生摩擦。

作为优选方式，所述的导向装置由两个结构相同的导向座和若干钢珠组成，所述导向座为半圆柱形，柱面下端有两个凸块，凸块的一个表面与圆柱的轴截面共面，凸块上设有通孔；导向座的中心轴处为通孔，下底面为环形凹槽，环形凹槽的截面为圆弧形，且圆弧半径与钢珠的半径相同；螺栓穿过导向座的凸块上的通孔将两个导向座连接在一起，并将钢珠限位在环形凹槽内。

作为优选方式，所述的能量输出转换系统主要由缺齿齿轮、齿条、储能弹簧和直线发电机组成；缺齿齿轮与二级传动轴固连，齿条的一端与直线发电机的前端固连；储能弹簧与直线发电机连接。

进一步的，所述的直线发电机由直线发电机动子、直线发电机定子和电机支座组成；所述直线发电机动子为长轴状，其前端与齿条连接；储能弹簧套装在直线发电机动子的柱面上，储能弹簧两端分别固定在直线发电机定子的前端和直线发电机动子的前端；直线发电机定子固定在电机支座上。

波浪能捕获系统利用球形摆子带动摆杆自由摆动以将波浪能高效转化为机械能，机械能经能量传动系统转化为缺齿齿轮的单向转动，缺齿齿轮带动齿条移动并拉伸储能弹簧蓄能，当缺齿部位转动至与齿条啮合位置处，储能弹簧中的蓄能释放，直线发电机动子相对定子快速移动，波浪能定值转化为电能输出。

本发明的利用自由摆子捕能的波浪能发电装置，具有的有益效果是：不仅能够高效捕获不同波向的波浪能，还能够将波浪能柔性、单向传递并定值转换为电能输出。整个系统能量利用率高，结构简单，易于维护，电能输出平稳，可用于各种海洋平台发电。

附图说明

图1为本发明的利用自由摆子捕能的波浪能发电装置结构示意图；

图2为能量传动系统示意图；

图3为导向装置示意图；

图4为球铰结构示意图；

图中：1.驱动轮；2.第一单向轴承；3.第一带轮；4.第二单向轴承；5.第二带轮；6.滚子；7.二级传动轴；8.交叉带；9.第四带轮；10.平行带；11.第三带轮；12.张紧弹簧；13.弹簧固定座；14.钢丝绳；15.换向轮；16.导向装置；17.连接套；18.一级传动轴；19.齿条；20.缺齿齿轮；21.储能弹簧；22.直线发电机电机支座；23.直线发电机定子；24.直线发电机动子；25.万向球；26.摆杆；27.球形摆子；28.下球座；29.上球座；30.螺栓；31.钢珠；32.导向座。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的利用自由摆子捕能的波浪能发电装置做进一步说明。

本发明的利用自由摆子捕能的波浪能发电装置主要由波浪能捕获系统、能量传动系统和能量输出转换系统三个子系统组成。

如图1和图4所示，波浪能捕获系统主要由摆杆26，球形摆子27，万向球25，上球座29和下球座28组成。摆杆26的下端与球形摆子27固连。摆子27可设计成空心浮球或实心球结构，通过球形摆子27相对海洋平台的运动捕获波浪能。万向球25在距摆杆26上端2/5位置处与摆杆26固连。上球座29和下球座28的外部为扁圆柱形，内部为球形曲面。上球座29上有光孔，下球座28上有螺纹孔，上球座29和下球座28通过螺钉连接在一起并将万向球25夹持在球形曲面内。万向球25，上球座29和下球座28组成一球铰结构，上球座29和下球座28内部球形曲面的中心与万向球25的球心重合。摆杆26的上端与连接套17固连。

如图1、图2和图3所示，能量传动系统主要由驱动轮1，第一单向轴承2，第一带轮3，第二单向轴承4，第二带轮5，滚子6，二级传动轴7，交叉带8，第四带轮9，平行带10，第三带轮11，张紧弹簧12，弹簧固定座13，钢丝绳14，换向轮15，导向装置16，连接套17和一级传动轴18组成。其中，导向装置16由两个结构完全相同的导向座32，钢珠31和螺栓30构成。导向座32为半圆柱形，柱面下端有两个凸块，凸块的一表面与圆柱的轴截面共面，凸块上有通孔。导向座32的中心轴处为通孔，下底面为环形凹槽，环形凹槽的截面为圆弧形，该圆弧为优弧，且半径与钢珠31的半径相同。螺栓30穿过导向座32的凸块上的通孔将两导向座32连接在一起，并将钢珠31限位在环形凹槽内。换向轮15和驱动轮1的结构相同：均为外表面带有凹槽的圆柱结构，中心轴处为通孔。第一带轮3和第二带轮5的结构相同：均为外表面带有凹槽的圆柱结构，中心轴处为通孔。第三带轮11和第四带轮9的结构相同：均为外表面带有凹槽的圆柱结构，中心轴处为通孔。平行带10绕在第一带轮3和第三带轮11上。

如图1和2所示，交叉带8呈“8”字形绕在第二带轮5和第四带轮9上，为避免带因交叉接触产生摩擦，在交叉位置处设置有滚子6。一级传动轴18上安装有驱动轮1，单向轴承2和单向轴承4，其中，驱动轮1与一级传动轴18固连，单向轴承2和单向轴承4的内圈固定在一级传动轴18上，单向轴承2和单向轴承4的外圈分别与第一带轮3和第二带轮5的固连。第三带轮11和第四带轮9固定在二级传动轴7上。当一级传动轴18顺时钟转动时，单向轴承2具有传动功能，而当一级传动轴18逆时钟转动时，单向轴承4具有传动功能，因此，无论驱动轮1带动一级传动轴18如何转动，二级传动轴7均顺时钟方向转动。

如图1和图2所示，钢丝绳14的下端与连接套17固连。钢丝绳14依次穿过导向装置16，然后绕过换向轮15和驱动轮1，钢丝绳14的上端与张紧弹簧12的一端固连。张紧弹簧12的另一端固定在弹簧固定座13上。导向装置16位于上球座29的正上方，换向轮15的正下方。当球形摆子27摆动时，摆杆26将绕万向球25的球心转动，从而使钢丝绳14产生往复移动，并带动一级传动轴18转动。一级传动轴18的正反向转动经单向轴承2，第一带轮3，平行带10和第三带轮11以及单向轴承4，第二带轮5，交叉带8和第四带轮9传动后，转变为二级传动轴7的单向转动。

如图1所示，能量输出转换系统主要由缺齿齿轮20，齿条19，储能弹簧21，直线发电机动子24，直线发电机定子23和电机支座22组成。缺齿齿轮20固定在二级传动轴7上。齿条19的一端与直线发电机动子24的前端固连，直线发电机动子24为长轴状。储能弹簧21空套在直线发电机动子24上，两端分别与发电机定子23的前端和直线发电机动子24的前端固连。当二级传动轴7顺时钟单向转动时，缺齿齿轮20带动齿条19沿发电机定子23的轴向移动并逐步拉伸储能弹簧21进行蓄能。当缺齿齿轮20的缺齿部分转动至与齿条啮合位置处时，储能弹簧21中的蓄能完全释放，发电机动子24相对发电机定子23快速移动，完成波浪能向电能的转换。

以上所述仅为本发明示意性的实施方式，并非限定本发明的范围。任何人员在不脱离本发明构思和原则的前提下做出的等同变化、修改与结合，均属于本发明保护的范围。