一种多自由度组合摆式波浪能装置及其发电方法和应用

1.本发明属于波浪能发电技术领域，具体涉及一种多自由度组合摆式波浪能装置及其发电方法和应用。


背景技术：

2.波浪能作为一种储量大、分布广的海洋可再生能源，具有广阔的开发前景。利用波浪能发电是国内外研究的热点，其开发利用技术趋于成熟，并取得一定的研究成果。波浪能发电装置是利用装置在波浪作用下的运动带动发电机发电，将波浪的动能和势能转变成电能。波浪能发电装置形式多种多样，包括摆式波浪能发电装置、振荡浮子式波浪能发电装置等。
3.其中，偏心摆式波浪能发电装置通过浮体响应激励内置水平摆锤，实现波浪能量的多向捕获，并且其结构形式为漂浮式，能够适应大水深条件下的波浪能开发，是极具潜力的发电形式。然而，海上的波浪能量并不稳定，入射波浪的波幅和波周期受地理环境、海洋气候等因素影响，存在显著的时空差异和随机性。在随机的波幅和波周期作用下，偏心摆式波浪能装置并非始终高效工作，由于发电机启动阻尼通常大于正常工作时的阻尼，当摆锤因某一时间段的小波幅或小周期波浪作用而陷入停滞状态，令其重新启动需要相较正常工作时更大的波浪激励条件，这往往导致摆锤在波浪条件恢复到匹配的工作区间时无法及时启动，降低了能量转换效率。此外，漂浮式结构物的海上定位依赖于锚固系统，而现有锚固方案尤其是悬链线锚固受水深影响大，深水系泊锚固半径大，占用海域面积较大，在阵列化布置的应用场景下，波浪能装置间距较远，海域利率低；并且，悬链线锚固半径过大将导致锚链自重过大，增加波浪能装置吃水从而影响工作性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种多自由度组合摆式波浪能装置及其发电方法和应用，该波浪能装置为一种具备储能效果的组合摆设计，通过水平摆与垂向摆相互耦合的获能方式，能够使水平摆主动脱离停滞状态，从而改善偏心摆式波浪能装置在随机波下的工作性能，提高波浪能的利用率。
5.本发明的技术方案是：一种多自由度组合摆式波浪能装置，包括水平摆获能单元、垂向摆蓄能单元以及用于调节垂向摆运动方向的转向支撑单元；其中，所述水平摆获能单元包括依次连接的水平摆、同轴换向齿轮组和发电机，所述同轴换向齿轮组包括锥形上棘轮、锥形输出齿轮、棘轮轴承以及锥形从动轮，所述锥形从动轮与锥形上棘轮和锥形输出齿轮啮合连接，所述锥形上棘轮套设在输入轴上，所述输入轴一端连接棘轮轴承，另一端连接水平摆，所述锥形输出齿轮套设在输出轴上，所述输出轴一端连接棘轮轴承，另一端连接发电机；进一步的，所述棘轮轴承与锥形上棘轮的安装方向相反，所述锥形上棘轮为单向
传动，所述棘轮轴承为单向传动且其传动方向与锥形上棘轮相反。
6.当水平摆运动，输入轴发生双向转动，锥形上棘轮与棘轮轴承以相反的方向发生交替的单向旋转。通过锥形从动轮与锥形输出齿轮的转换，锥形上棘轮的运动转换为锥形输出齿轮上单向的、与棘轮轴承方向相同的旋转，最终以交替作用的形式，实现输出轴的单向转动。同轴换向齿轮组在旋转轴位置不发生改变的前提下，实现了水平摆双向运动单向输出的转化，传动机构简单可靠，节约空间。
7.所述垂向摆蓄能单元包括两个对称设置的垂向摆、锥形左棘轮和锥形右棘轮、以及安装在输出轴上的锥形发条轮，所述锥形发条轮分别与锥形左棘轮和锥形右棘轮啮合连接，所述垂向摆通过连接件与锥形左棘轮和锥形右棘轮固定连接；所述转向支撑单元包括第一转向轮、固定安装在第一转向轮上的支撑组件、以及与第一转向轮啮合的第二转向轮，所述第二转向轮连接转向电机。
8.上述水平摆获能单元的输出轴与垂向摆蓄能单元连接，当水平摆运动幅值较大，输出轴以较大速度旋转，锥形发条轮与输出轴同步运动，且与锥形左棘轮、锥形右棘轮间几乎不传递扭矩，即输出轴带动锥形发条轮、锥形左棘轮、锥形右棘轮空转，两个棘轮与所在的水平传动轴（即第一传动轴和第二传动轴）发生相对运动，水平传动轴不受棘轮运动的影响，垂向摆的运动由于其提供的转速较小，不对输出轴的运动造成影响。
9.也可以是，当水平摆运动幅值很小甚至停止，输出轴转速降低，此时垂向摆的运动通过两个安装方向相反的锥形左棘轮和锥形右棘轮转换为交替作用在锥形发条轮上的单向扭矩，使其发生单向旋转，由于锥形发条轮受垂向摆作用产生的转速高于输出轴转速，锥形发条轮将与输出轴发生相对运动，同时压缩锥形发条轮内的发条，给输出轴施加扭矩，随着相对运动时间的累积，施加在输出轴上的扭矩不断增大，并最终使锥形发条轮带动输出轴旋转，降低水平摆的启动阻尼。当水平摆重新启动，输出轮转速增大，锥形发条轮内储存的能量被完全释放，垂向摆蓄能单元内的齿轮（包括锥形发条轮、锥形左棘轮、锥形右棘轮）不再有力矩传递，输出轮带动锥形发条轮、锥形左棘轮和锥形右棘轮空转。
10.进一步的，两个所述锥形从动轮对称设置在棘轮轴承两侧并且安装在锥形上棘轮和锥形输出齿轮之间，所述锥形从动轮与输入轴平行设置，其上端与锥形上棘轮啮合，下端与锥形输出齿轮啮合。
11.进一步的，所述锥形左棘轮和锥形右棘轮的安装方向相反，所述锥形左棘轮为单向传动，所述锥形右棘轮为单向传动且与锥形左棘轮传动方向相反；所述锥形发条轮套设在输出轴上并绕输出轴旋转。
12.进一步的，所述锥形发条轮的发条的一端与输出轴连接，当锥形发条轮转速大于输出轴转速时，垂向摆的能量储存于发条中，当输出轴转速增大并超过锥形发条轮转速时，发条中的能量被释放。
13.进一步的，所述连接件上对称设置有第一传动轴和第二传动轴，所述锥形左棘轮套设在第一传动轴上并通过第一传动轴与垂向摆连接，所述锥形右棘轮套设在第二传动轴上并通过第二传动轴与垂向摆连接。
14.进一步的，所述支撑组件包括固定安装于第一转向轮的支撑架，所述支撑架上设有齿轮箱，所述齿轮箱设置于锥形左棘轮和锥形右棘轮之间，所述齿轮箱的两侧板分别与第一传动轴和第二传动轴固定连接，所述输入轴和输出轴贯穿齿轮箱。
15.上述齿轮箱为承载同轴换向齿轮组的支撑结构，齿轮箱与支撑架固定连接，在转向支撑单元工作时随着支撑架的转向而转动。
16.进一步的，波浪能装置还包括外壳体，所述水平摆获能单元、垂向摆蓄能单元以及转向支撑单元均设置于外壳体的内部，所述外壳体为密封的半圆形结构，下端面呈半圆弧形，使得该装置能够漂浮于海面。
17.本发明还保护多自由度组合摆式波浪能装置的发电方法，所述发电方法包括：波浪能装置在海浪作用下发生多自由度运动响应，当水平摆偏离平衡位置发生振荡或旋转运动，输入轴产生双向转动，通过同轴换向齿轮组的转化，将输入轴的双向转动转换为输出轴的单向旋转，进而驱动发电机发电；当水平摆运动幅值很小甚至停止时，发电机停止工作，此时垂向摆仍在运动，垂向摆蓄能单元将垂向摆的双向摆动转换单向旋转并将动能储存在锥形发条轮中，随着锥形发条轮中的能量不断累积，其作用于输出轴的扭矩逐步增加，最终驱动输出轴发生转动，此时水平摆受到的传动阻尼显著降低并重新开始运动，发电机开始工作。
18.在多自由度组合摆式波浪能装置工作时，水平摆与垂向摆共同作用于输出轴，输出轴的运动可以理解为两种摆锤合力的结果。由于输出轴上的阻尼是恒定的，当垂向摆输入的扭矩增加，克服的阻尼亦增加，那么处于停滞状态的水平摆重新启动所需克服的阻尼就相应减小，即水平摆此时受到波浪激励更容易发生运动。
19.本发明还保护多自由度组合摆式波浪能装置在发电中的应用。
20.进一步的，其应用形式为阵列式波浪能装置；所述阵列式波浪能装置由多个波浪能装置通过复合锚固系统连接并呈阵列式布置，所述复合锚固系统由多组锚固系统组成，所述锚固系统包括潜浮体、悬链线和弹性绳，所述悬链线一端连接潜浮体，另一端与波浪能装置相连接，所述弹性绳一端连接潜浮体，另一端固定于海底。
21.本发明的有益效果：（1）本发明所提供的多自由度组合摆式波浪能装置，通过组合摆设计将水平摆与垂向摆结合并进行改进，实现了垂向摆与水平摆的协同获能，利用垂向摆在波浪激励下容易启动的优势，克服了水平摆启动困难、在小振幅波浪中容易陷入停滞的使用局限性和缺陷，扩大其获能优势，提高了水平摆在随机波浪条件下的工作性能和能量转换效率；该装置机械结构简单，可靠性高，工作性能稳定。
22.（2）该波浪能装置中还包括转向支撑单元，通过转向支撑单元能够带动垂向摆蓄能单元转向，使其始终对准入射波方向，从而使得水平摆和垂向摆均具有最好的获能效果，提高垂向摆蓄能单元的运行效率。
23.（3）本发明的多自由度组合摆式波浪能装置在应用时，为阵列式波浪能装置分布，为了提高阵列式布置下的海域利用率并降低传统悬链线锚固对波浪能装置性能的影响，本发明采用兼具张紧式和悬链线特定的复合锚固系统，以潜浮体为桥梁的张紧式与悬链线配合减小了锚固系统占用的海域面积，降低了对波浪能装置水动力性能的影响。
附图说明
24.图1为本发明提供的多自由度组合摆式波浪能装置剖面图；图2为水平摆获能单元的结构示意图；
图3为增加齿轮箱的水平摆获能单元的结构示意图；图4为垂向摆蓄能单元的结构示意图；图5为水平摆获能单元与垂向摆蓄能单元的结合示意图；图6为转向支撑单元示意图；图7为应用场景下的阵列式波浪能装置示意图；以上各图中，101、水平摆；102、输入轴；103、输出轴；104、锥形上棘轮；105、棘轮轴承；106、锥形从动轮；107、锥形输出齿轮；201、垂向摆；202、锥形发条轮；203、锥形左棘轮；204、锥形右棘轮；205、连接件；206、第一传动轴；207、第二传动轴；301、第一转向轮；302、第二转向轮；303、转向电机；304、支撑架；305、齿轮箱；401、发电机；5、波浪能装置；601、悬链线；602、潜浮体；603、弹性绳。
具体实施方式
25.为了进一步理解本发明，将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
26.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1所示，本发明保护一种多自由度组合摆式波浪能装置，该波浪能装置5包括水平摆获能单元、垂向摆蓄能单元以及用于调节垂向摆201运动方向的转向支撑单元，还包括外壳体，水平摆获能单元、垂向摆蓄能单元以及转向支撑单元均设置于外壳体的内部，外壳体为密封的半圆形结构，下端面呈半圆弧形，使得该装置能够漂浮于海面上。
28.如图2所示，水平摆获能单元包括依次连接的水平摆101、同轴换向齿轮组和发电机401，发电机401具体为直流发电机。同轴换向齿轮组包括上下对称设置的锥形上棘轮104和锥形输出齿轮107，两个左右对称设置的锥形从动轮106，以及棘轮轴承105。锥形上棘轮104套设在输入轴102上，锥形输出齿轮107套设在输出轴103上，输入轴102和输出轴103之间通过棘轮轴承105连接。输入轴102一端连接棘轮轴承105，另一端连接水平摆101，并作为水平摆101的旋转中心。输出轴103一端连接棘轮轴承105，另一端则连接发电机401。两个对称设置的锥形从动轮106安装在锥形上棘轮104和锥形输出齿轮107之间，并且两个锥形从动轮106均与锥形上棘轮104和锥形输出齿轮107啮合连接，具体的，从图2可看出，锥形从动轮106与输入轴102以及输出轴103为平行设置，竖直设置的锥形从动轮106的上端与锥形上棘轮104啮合，下端与锥形输出齿轮107啮合。
29.需要说明的是，棘轮轴承105与锥形上棘轮104的安装方向相反，锥形上棘轮104安装于输入轴102上仅能够绕输入轴102单向传动，棘轮轴承105一端安装于输入轴102，另一端与输出轴103固接，其能绕输入轴102单向传动但方向与锥形上棘轮104相反。
30.为方便理解，假定锥形上棘轮104的安装方向为顺时针方向，当输入轴102顺时针旋转，锥形上棘轮104与输入轴102同步运动，即二者间存在扭矩传递，当输入轴102逆时针旋转，锥形上棘轮104与输入轴102相对运动，此时锥形上棘轮104不受输入轴102影响，无扭矩传递。相对应地，棘轮轴承105的安装方向为逆时针方向。
31.当波浪能装置5在海中发生运动，水平摆101偏离平衡位置，带动输入轴102发生双
向转动。当输入轴102顺时针旋转，锥形上棘轮104亦发生顺时针旋转并带动锥形从动轮106，使锥形输出齿轮107逆时针旋转，带动输出轴103发生逆时针旋转；当输入轴102逆时针旋转，棘轮轴承105发生逆时针旋转并带动输出轴103逆时针旋转。锥形上棘轮104与棘轮轴承105的交替运动，使输入轴102上的双向运动转换为了输出轴103上的单向旋转，且不改变旋转轴所在方位，结构简单，空间节约。
32.如图4所示，垂向摆蓄能单元包括两个对称设置的垂向摆201、锥形左棘轮203和锥形右棘轮204、以及安装在输出轴103上的锥形发条轮202，即垂向摆蓄能单元通过输出轴103与水平摆获能单元相连接。锥形发条轮202分别与锥形左棘轮203和锥形右棘轮204啮合连接，垂向摆201通过连接件205与锥形左棘轮203和锥形右棘轮204固定连接，具体的，连接件205上对称设置有第一传动轴206和第二传动轴207，锥形左棘轮203套设在第一传动轴206上并通过第一传动轴206与垂向摆201连接，锥形右棘轮204套设在第二传动轴207上并通过第二传动轴207与垂向摆201连接。
33.由于连接件205的存在，两个垂向摆201与传动轴的运动是同步的。为方便理解，假定垂向摆201向前运动（图中为向纸面外摆动）时，锥形左棘轮203与第一传动轴206同步运动，带动锥形发条轮202逆时针旋转，此时锥形右棘轮204不受传动轴的影响，但受锥形发条轮202的带动而空转；相应地，当垂向摆201向后摆动（图中为向纸面内摆动），锥形右棘轮204与第二传动轴207同步运动，带动锥形发条轮202逆时针旋转，此时锥形左棘轮203不受传动轴的影响，但受锥形发条轮202的带动而空转。
34.需要说明的是，锥形左棘轮203和锥形右棘轮204的安装方向相反，锥形左棘轮203为单方向传动，锥形右棘轮204单方向传动且与锥形左棘轮203方向相反。锥形发条轮202套设在输出轴103上并绕输出轴103旋转，进一步的，锥形发条轮202中发条的一端与输出轴103连接，当锥形发条轮202转速大于输出轴103转速时，发条被压缩，垂向摆201的能量储存于发条中，当输出轴103转速增大并超过锥形发条轮202转速时，发条中的能量被释放。
35.如图5所示，给出了水平摆获能单元与垂向摆蓄能单元的空间关系。当水平摆101运动幅值较大（水平摆101提供给输出轴103的转速大于垂向摆201提供给锥形发条轮202的转速），输出轴103以较大速度旋转，锥形发条轮202与输出轴103同步运动，且与锥形左棘轮203、锥形右棘轮204间几乎不传递扭矩，即输出轴103带动锥形发条轮202、锥形左棘轮203、锥形右棘轮204发生空转，此时垂向摆201的运动提供的转速相对较小，不对输出轴103的运动造成影响。
36.当水平摆101运动幅值很小甚至停止，输出轴103转速显著较低，此时垂向摆201的运动通过锥形左棘轮203和锥形右棘轮204的交替作用转换为锥形发条轮202上的单向旋转，由于锥形发条轮202转速高于输出轴103转速，二者发生相对运动，同时压缩锥形发条轮202内的发条，给输出轴103施加扭矩，随着相对运动时间的累积，施加在输出轴103上的扭矩不断增大并超过启动阻尼，使锥形发条轮202带动输出轴103发生运动，水平摆101的运动阻尼大大减小并在波浪激励下重新启动。当水平摆101重新启动，输出轴103转速增大，锥形发条轮202内储存的能量被完全释放。
37.如图6所示为转向支撑单元，转向支撑单元包括第一转向轮301、固定安装在第一转向轮301上的支撑组件、以及与第一转向轮301啮合的第二转向轮302，第二转向轮302连接转向电机303。具体的，支撑组件包括固定安装于第一转向轮301的支撑架304，支撑架304
上设有齿轮箱305，支撑架304与齿轮箱305为同一刚体，支撑架304包括固定安装于第一转向轮301的圆柱形空心支撑架，还包括固定安装于空心支撑架上的框形支撑架，框形支撑架为方形框架结构。如图5所示，齿轮箱305设置于锥形左棘轮203和锥形右棘轮204之间，齿轮箱305的两侧板分别与第一传动轴206和第二传动轴207固定连接，如图3所示，输入轴102和输出轴103分别贯穿齿轮箱305的上箱板和下箱板，锥形上棘轮104、锥形输出齿轮107、锥形从动轮106以及棘轮轴承105均设于齿轮箱305内部。输出轴103依次贯穿齿轮箱305和圆柱形空心支撑架后与发电机401连接，空心支撑架下端为开放式结构，发电机401可安置于空心支撑架内部。
38.由于波浪能装置5的纵摇运动（沿波浪入射方向的俯仰运动）通常较大，若能保证垂向摆201的运动方向与纵摇方向一致，可提高垂向摆201效率。当波浪能装置5所处海域的波向发生改变，装置的纵摇运动方向亦随之改变，此时转向电机303启动，依次带动第二转向轮302、第一转向轮301并最终使支撑组件发生旋转，从而调节垂向摆201的运动方向，使垂向摆201的旋转轴总是与波峰线方向保持平行，提高垂向摆蓄能单元的效率。
39.本发明还保护多自由度组合摆式波浪能装置的发电方法，包括以下步骤：波浪能装置5在海浪作用下发生多自由度运动响应；当水平摆101偏离平衡位置发生振荡或旋转运动，使输入轴102发生双向转动，通过同轴换向齿轮组的转化，输入轴102的双向转动被转换为输出轴103的单向旋转，进而驱动发电机401发电；当水平摆101运动幅值很小甚至停止时，发电机401停止工作，此时垂向摆201仍在运动，垂向摆蓄能单元将单侧垂向摆201的双向摆动转换单向旋转并将动能储存在锥形发条轮202中，随着锥形发条轮202中的能量不断累积，其作用于输出轴103的扭矩逐步增加，最终驱动输出轴103发生转动，此时水平摆101受到的传动阻尼显著降低并重新开始运动，发电机401开始工作。
40.本发明的多自由度组合摆式波浪能装置用于发电，如图7所示是波浪能装置5在阵列应用场景下的示意图，波浪能装置5的应用形式为阵列式，阵列式波浪能装置由多个波浪能装置5通过复合锚固系统连接并呈阵列式布置，复合锚固系统由多组锚固系统组成。锚固系统包括潜浮体602、悬链线601和弹性绳603，潜浮体602完全浸没于水中，悬链线601一端连接潜浮体602，另一端与波浪能装置5相连接，弹性绳603一端连接潜浮体602，另一端固定于海床。
41.锚固系统中的潜浮体602通过弹性绳603实现与海底间的张紧式锚固，以张紧式锚固形式固定于水下，在波流作用下偏移量很小；单个潜浮体602锚固所占用的海域面积较小。而位于海面上的波浪能装置5则以水下的潜浮体602为锚，以悬链线601锚固的形式实现海上定位，减小了悬链线601锚固的安装水深，降低悬链线601自重对波浪能装置5运动响应的影响，节约了成本。此外，悬链线601锚固的安装水深的减小，大大降低了单个装置的锚固半径，提高了阵列化应用场景下波浪能装置5的安装间距，提高海域面积利用率，相邻波浪能装置5的悬链线601锚固还可共享潜浮体602，降低了阵列化布置的安装成本。
42.上述说明仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改型等，均应包含在本发明的保护范围之内。