一种机械传动波浪能发电装置及方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种机械传动波浪能发电装置及方法。

背景技术

波浪能发电装置形式多样，但通常要经过三级转换波浪能才可以转换成电能，捕获装置与波浪相互作用产生运动实现波浪能吸收为第一级转换；通过一定的传动机构对上一获取的能量转换并优化，产生较为稳定的机械能等为第二级转换；第三级转换通常由发电装置把机械能转化成电能；其中第二级转换是波浪能发电系统转换效率和可靠性的关键环节。目前，波浪能第二级转换装置中主要传动类型有气压传动、液压传动，这两种传动效率较低，现有传动装置在复杂工况和极端情况下易受冲击和破坏。例如：

CN110374785B公开了一种基于运动整流的波浪能发电装置，包括浮子、滚珠丝杠传动元件、机械运动整流器和发电机组，机械运动整流器包括机械运动整流器输入轴和对称设置于输入轴两侧的从动轴，浮子通过推杆与滚珠丝杠传动元件的螺母固连；螺杆通过联轴器与机械运动整流器输入轴的输入端连接，输入轴上设置有第一上齿轮和第一下齿轮，第一上齿轮和第一下齿轮中均安装有单向离合器轴承，发电机组输入轴与机械运动整流器输入轴和从动轴的输出端通过联轴器连接。

上述方案的机械运动整流系统为齿轮配合，齿轮配合虽然可以实现机械整流，但是传动系统过于复杂，并且齿轮传动中振动和噪声比较明显，制造和安装的精度较高，在实际应用的过程中，应用价值不高。而且，其虽然在一定程度上能够实现波浪能发电，但装置没有相应的保护和减振装置，容易受到破坏和冲击，系统可靠性低。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种机械传动波浪能发电装置及方法，采用多点输入的方式，实现合流输出，可以提高输入效率；通过设置增速机构提高发电效率；减振元件可以有效缓解极端工况对设备的破坏，扭矩限制器可以限制传动系统中最大扭矩，起到过载保护，提高系统可靠性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种机械传动波浪能发电装置，包括多个间隔设置的波浪能捕获浮子，每个波浪能捕获浮子连接一个竖向设置的齿条，所述齿条与齿轮啮合，各齿轮安装于同一输入轴；

所述输入轴一端连接减振元件，另一端依次安装扭矩限位器、单向离合器和锥齿轮组；所述锥齿轮组通过输出轴连接发电机，且输出轴安装有增速机构。

作为进一步的实现方式，所述减振元件包括主动盘、设于主动盘一侧的多组减振元件，所述减振元件一端与输入轴连接，并沿输入轴周向均匀分布。

作为进一步的实现方式，所述减振元件包括阻尼器、弹簧和从动元件，阻尼器和弹簧并列设置，二者一端与输入轴相连，另一端连接从动盘。

作为进一步的实现方式，所述增速机构包括从靠近锥齿轮组一端至另一端依次设置的3S离合器、飞轮和增速器。

作为进一步的实现方式，所述齿条与导轨配合，在波浪能捕获浮子运动状态下齿条沿导轨上下移动。

作为进一步的实现方式，所述导轨固定于机架一侧，且导轨外有壳体所覆盖。

作为进一步的实现方式，所述波浪能捕获浮子顶面开设有安装槽，齿条一端与安装槽配合并通过连接件与波浪能捕获浮子连接。

作为进一步的实现方式，所述波浪能捕获浮子底面为圆弧面。

作为进一步的实现方式，所述锥齿轮组包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，第二锥齿轮安装于输出轴，第一锥齿轮和第三锥齿轮分别安装于输入轴，且第二锥齿轮啮合于第一锥齿轮和第三锥齿轮之间。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种机械传动波浪能发电装置的工作方法，多个波浪能捕获浮子形成多点输入结构，随着波浪的起伏，齿条进行相同的运动进而带动与之相配合的齿轮转动，实现直线——回转运动的转换；回转运动的能量经锥齿轮组和增速机构传递至发电机。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过波浪能捕获浮子、齿条作为波浪能的输入结构，随着波浪的起伏，齿条也进行相同的运动进而带动与之相配合的齿轮转动，实现直线—回转运动的转换，波浪能捕获浮子由多组组成，采用多点输入的方式进行载荷分配，实现合流输出，可以提高波浪能输入效率。

(2)本发明输入轴上安装扭矩限制器，可以有效防止过载，避免因波浪的起伏过大而导致输入轴的扭矩过大，导致超负荷，可以有效保护输入轴；安装扭矩限制器可以限制工作载荷。

(3)本发明的机械整流装置通过单向离合器来实现，单向离合器能够保证齿轮转动方向保持单一，防止齿轮上的载荷突变而导致机构过载，当输入轴的旋转方向发生变化时，离合器内部使轴分离，反向时连接，从而达到锥齿轮组的单向旋转，进而实现机械整流，机械整流装置结构简单，既可以实现机械整流也可以减小机构故障的发生，从而提高系统整体的可靠性。

(4)本发明的3S离合器和飞轮可以使输出轴的输出速度保持平稳，当输出轴的转速较高时，3S离合器结合，输入的波浪能分为两部分作用，一部分作用在输出发电上，另一部分作用在飞轮上，当输入功率较小时，3S离合器断开，利用飞轮的能量带动带动电机旋转，从而保持相对稳定的输入转速；增速器能够避免因输出轴的转速过低而导致发电机功率较低，增速齿轮箱可以使输入转速与输出转速相匹配，使系统具有较高的发电效率和较低的成本。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的减振元件结构示意图；

其中，1、波浪能捕获浮子，2、导轨，3、减振元件，4、齿条，5、齿轮，6、输入轴，7、扭矩限制器，8、单向离合器，9、第一锥齿轮，10、第三锥齿轮，11、第二锥齿轮，12、3S离合器，13、飞轮，14、增速器，15、输出轴，16、发电机，17、主动盘，18、阻尼器，19、弹簧，20、从动盘，21、胶泥缓冲器，22、机架。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种机械传动波浪能发电装置，如图1所示，包括多个波浪能捕获浮子1，波浪能捕获浮子1沿同一方向间隔布置，采用多点输入的方式，实现合流输出，可以提高输入效率。

每个波浪能捕获浮子1连接一个竖向设置的齿条4，齿条4与齿轮5啮合，且齿轮5与齿条4一一对应；各齿轮5安装于同一输入轴6，波浪能捕获浮子1随波浪浮动使齿条4上下运动，齿条4带动齿轮5转动，从而实现将直线运动转换为旋转运动。波浪能捕获浮子1、齿轮5和齿条4构成能量捕获装置，用于捕获波浪能，在齿轮5和齿条4的运动下将波浪能转化为机械能。

为了对齿条4起到导向作用，齿条4侧面设置导轨2，导轨2与齿条4形成滑动副。其中，导轨2为固定部件，其安装于机架22一侧，齿条4为运动部件。齿轮5、扭矩限制器7、单向离合器8、锥齿轮组、输入轴6构成传动系统，用于进一步传动转化出来的机械能。本实施例发电装置除波浪能捕获浮子1以外均设于封闭壳体内，以起到保护作用。

导轨2背侧安装胶泥缓冲器21，且胶泥缓冲器21位于导轨2底端位置，防止波浪能捕获浮子1与传动系统发生碰撞。

如图1所示，波浪能捕获浮子1底面为圆弧面，其顶面开设有用于配合齿条4的安装槽，齿条4端部卡设于安装槽内，并通过销轴与波浪能捕获浮子1连接。

输入轴6一端连接减振元件3，另一端安装锥齿轮组，在减振元件3和锥齿轮组之间的轴段依次安装各齿轮5以及扭矩限制器7和单向离合器8，且首个齿轮5靠近减振元件3所在端设置，扭矩限制器7靠近末尾的齿轮5设置。

扭矩限制器7用于限制扭矩，防止扭矩过大出现危险；单向离合器8用于防止齿轮5反转而影响锥齿轮组的正常回转，当齿轮5的转向发生改变时，单向离合器8断开联接，使得锥齿轮组按照之前的方向进行回转。

减振元件3用于缓冲海上波浪的冲击，如图2所示，减振元件3包括主动盘17和减振元件，减振元件沿输入轴6周向间隔设置多组，例如设置四组。主动盘17与输入轴6固定连接，减振元件包括弹簧19、阻尼器18和从动盘20，弹簧19和阻尼器18并列设置，二者一端与输入轴6相连，另一端连接从动盘20。从动盘20的直径远小于主动盘17的直径。

本实施例基于附加减振元件的冲击抑制原理为：

波浪冲击具有频率低的特性，准零刚度具有较好的低频抑制特性，首先设计基于由正负刚度复合的准零刚度附加元件(阻尼器18、弹簧19)，阻尼器18和弹簧19一端连接输入轴6，另一端连接从动盘20。增速器采用磁齿轮增速可以使装置进行有效的过载保护以及减小振动。

通过谐波平衡法进行解析求解，研究系统的非线性幅频特性和非线性振动传递特性，分析附加元件参数对冲击振动的影响规律，从而揭示其冲击抑制机理；接着，通过仿真分析探求不同波浪冲击下系统的稳定性问题；最后，通过台架实验，对附加元件冲击抑制性能进行验证。

如图1所示，锥齿轮组包括第一锥齿轮9、第二锥齿轮11和第三锥齿轮10，第二锥齿轮11安装于输出轴15，第一锥齿轮9和第三锥齿轮10分别安装于输入轴6，且第二锥齿轮11啮合于第一锥齿轮9和第三锥齿轮10之间。通过设置锥齿轮组使输出轴15与输入轴6的轴线相垂直。

输出轴15一端连接第二锥齿轮11，另一端连接发电机16；输出轴15上安装有增速机构，增速机构可以使输入转速与输出转速相匹配，提高发电效率。增速机构包括从靠近锥齿轮组一端至另一端依次设置的3S离合器12、飞轮13和增速器14。

3S离合器12用于在输入的转速较高时，将转速输送给输出轴15，当输入轴6的转速较低时，3S离合器12断开，不影响输出轴15的转速。飞轮13用于存储动能，当输入轴6的转速较低时，3S离合器12断开联接，此时，飞轮13已经存有足够量的动能，断开后，由飞轮13带动后面的装置回转。

增速器14用于提高输出轴15的转速，虽然在增速器15前安装有保证速度的装置，但是，速度的发展趋势依然是降低的，因此，在发电机16前安装增速器14，可以使回转速度有一定程度上的提升。

本实施例在多处位置采用缓冲、过载保护和减振技术，如减振元件3可以有效缓解对输入轴6上的冲击，位于波浪能捕获浮子1和装置之间的胶泥缓冲器21可以在海况恶劣的情况下，防止波浪能捕获浮子1撞击传动系统，保护浮子和传动系统，同时，采用多点输入的方式进行载荷分配，有利于减小齿轮齿条上的载荷，扭矩限制器7可以起到过载保护作用，避免冲击过载，减振元件3可以起到系统减振，减小动态载荷的作用，飞轮13和3S离合器12可以起到稳定转速作用，减小传动系统冲击和稳定性，增速机构可以起到过载保护和减小振动作用，系统通过上述措施，可大大提高传动系统的可靠性和发电的稳定性。

实施例二：

本实施例提供了一种机械传动波浪能发电装置的工作方法，采用实施例一所述的装置，多个波浪能捕获浮子1形成多点输入结构，随着波浪的起伏，齿条4进行相同的运动进而带动与之相配合的齿轮5转动，实现直线——回转运动的转换；回转运动的能量经锥齿轮组和增速机构传递至发电机16。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。