一种多自由度波浪能发电装置的制作方法

1.本实用新型涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种多自由度波浪能发电装置。


背景技术：

2.在传统的化石能源日益枯竭的今天，人们愈发认识到可再生能源的开发利用是解决目前能源危机的重要手段。可再生能源包括太阳能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能等等。地球表面有70％的面积是海洋，海洋蕴藏着巨大的能量。在海上，“无风三尺浪，有风浪滔天。”因此，海洋蕴藏着巨大的波浪能资源。我国拥有的海洋面积为299.7万平方公里，且海洋能的开发建设条件较好。我国的海岸线长度为1.8万公里，在世界排名第四，且我国所管辖的海洋面积在世界排名第五，海洋资源丰富，位列世界前列。目前，在全球范围内，中国、美国，欧洲地区和印度已经认识到波浪能能开发的重要性，积极地委托研究所、大学等机构研究和设计各种各样的波浪能发电装置，并将波浪能纳入国家的战略能源结构中去。波浪能的转换技术作为波浪能发电技术的核心受到了极大的关注，各国为了最大程度地提高波浪能转换的效率，根据不同的理论原理，设计出了各种各样的形式和各种不同的结构的高效率的波浪能发电装置。目前，现阶段的波浪能发电装置大体可以分为三个类别，即振荡浮子式波浪能发电装置、振荡水柱式波浪能发电装置和越浪式波浪能发电装置。其中振荡浮子式波浪能发电装置的总体尺寸不大，对安装和固定的位置不挑剔且不局限于海岸边可以投放到深水区海域，这种发电形式也被誉为是最能带来经济效益的波浪能发电形式。振荡的浮体在海洋中由于波浪的不规则随机的运动特性具有六个自由度，即纵摇、纵荡、横摇、横荡、垂荡以及艏摇。由于浮体是直接接触波浪的第一级能量转换的捕能装置，因此自由度较多的浮体结构能够更大限度的捕获波浪能。但是目前大部分的振荡浮子式发电装置使用的是单轴结构，使用这种结构的波浪能发电装置仅能捕获和转化单个自由度的波浪能量。而且多自由度波浪能发电的技术仍停留在最初的理论状态，很少能看到样机下海实验，其次许多文献提及了多自由度波浪能发电装置，但是它所谓的“多自由度”只是单纯地将传统的单自由度波浪能发电装置的结构单纯地整合，而非波浪能捕能机构具有多个自由度，所以称不上真正的多自由度，由此可见发展多自由度波浪能发电装置还有很长的一段路要走。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本实用新型公开了一种多自由度波浪能发电装置，能够捕获多个自由度方向上的波浪能量，能更大程度地吸收和转换波浪能，解决了现有技术中的发电装置只能捕获和转化单个自由度的波浪能量的问题，能量转换率高，装置可靠，发电稳定性高，连续性强。
4.为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
5.一种多自由度波浪能发电装置，包括锚固装置、发电机构和固定机构，所述发电机构包括发电机、传动机构和振荡浮体，所述振荡浮体为轴对称式双浮摆式浮子，包括十字架
支撑板和圆板，所述十字架支撑板固接于所述圆板下方，所述传动机构与所述发电机联接，从而将收集到的波浪能转化为电能，
6.所述固定机构包括第一固定机构和第二固定机构，所述第一固定机构数量为四个，分别对称位于所述十字架支撑板的四个夹角内，上端均通过两所述传动机构与临近的所述十字架支撑板端部联接，下端固接于所述锚固装置上，安装后，两所述传动机构之间夹角为90
°
，所述第二固定机构上端通过一所述传动机构联接于所述十字架支撑板的中心部，下端固接于所述锚固装置上，并位于四个所述第一固定机构形成的正方形中心，当波浪推动浮子进行旋转时，处于浮子支撑板周边的传动机构运动，进行发电，当浮子受到海浪的作用上下运动时，浮子下方的传动机构运动，进行发电。
7.作为本实用新型的进一步改进，所述传动机构为轴对称结构，包括盖板、推杆、套筒、丝杆滑块、滚珠丝杠、单向轴承、小锥齿轮、外壳、大椎齿轮和销联接部，所述推杆一端安装所述丝杆滑块后，另一端插入所述套筒内，直至端部从所述套筒的另一端通孔伸出，并与所述十字架支撑板联接，安装后，所述推杆可通过所述丝杆滑块在所述套筒内滑动，所述滚珠丝杠一端穿过所述丝杆滑块中心，直至端部伸出至所述推杆内，所述套筒与所述外壳安装后形成t型结构，所述外壳内部形成矩形凹槽空间，所述发电机为一对，分别安装于所述矩形凹槽空间的两端，所述小锥齿轮的数量与所述发电机一一对应，分别一一安装于两所述发电机的联接轴上，所述大椎齿轮中心安装于所述滚珠丝杠另一端，并同时与两个所述小锥齿轮啮合，所述小锥齿轮与所述发电机的联接轴之间均安装有所述单向轴承，所述盖板可拆卸式安装于所述外壳上，从而将所述矩形凹槽空间进行密封，所述销联接部形成于所述盖板外端面，并和所述固定机构联接。
8.作为本实用新型的进一步改进，所述第一固定机构包括第一桁架、第一张紧锁链和销轴，所述第一桁架上端安装所述销轴，下端通过所述第一张紧锁链与所述锚固装置固接，联接于所述十字架支撑板端部的所述传动机构的销联接部与所述销轴联接，所述第二固定机构包括第二桁架和第二张紧锁链，所述第二桁架上端与联接于所述十字架支撑板的中心部的传动机构的销联接部销联接，下端通过所述第二张紧锁链与所述锚固装置固接。
9.作为本实用新型的进一步改进，所述外壳和套筒一体化制成。
10.本实用新型的有益效果有如下几点：
11.(1)本技术的浮子的结构采用轴对称结构，将传统的单组摆式的浮子改为轴对称式的十字架形的双浮摆式浮子，使浮子能够捕获到不同方向的波浪能，提高了波浪能捕获效率；
12.(2)本技术在十字架形的双浮摆式浮子上的十字架支撑板下方增加一块圆板，以增加垂荡这个自由度上的波浪能吸收。浮子结构在整体上将横摇、垂荡、纵摇这三个自由度整合在一起，使得本技术的多自由度波浪能发电装置实现了捕获多个自由度的波浪能并进行转化的功能。
13.(3)本技术使用了多个滚珠丝杠，将浮子的运动转换成为推杆在套筒内的往复运动，通过推杆端部的大椎齿轮和小锥齿轮之间的齿轮传动，完成波浪能到电能的转化，简化了结构的同时，使得发电效率更高；
14.(4)本技术的推杆的一伸一缩会导致滚珠丝杠的旋转方向发生改变，从而影响到发电机的电机旋转方向，从而影响到发电机发出的电流方向发生改变，因此在发电机的联
接轴上加装了单向轴承。利用单向轴承正转能正常旋转而反转则会锁死的特性，保证电机旋转方向的一致性从而保证发电机产生电流的方向的一致性，即实现了自整流的功能，来保证装置发电的连续性和稳定性。
15.(5)本设计使用了张紧索链系泊，使得波浪能发电装置能在深海工作环境下安装与固定，可以使发电平台拥有良好的稳定性和较强的抗风浪能力。
16.(6)外壳和套筒一体化制成，简化了结构，提高安装效率，适合批量制造。
17.总之，本实用新型的多自由度波浪能发电装置，利用了纵摇、横摇以及垂荡三个自由度来进行浮子的设计，结合了多个传动机构的往复运动和齿轮传动，将浮子吸收到的波浪能所转换成的机械运动转换为可控的稳定的运动，能量转换率高，装置可靠性强，可持续性发电，保证了发电的稳定性和发电的连续性，结构简单，适合在深海环境下工作，应用前景广泛。
附图说明
18.图1示出了本实用新型的多自由度波浪能发电装置的整体结构示意图；
19.图2示出了图1的正视图；
20.图3示出了图1的俯视图；
21.图4示出了图1中的传动机构的示意图；
22.图5示出了图4中的a-a剖视图；
23.图6示出了图5视角的传动机构的右视图；
24.附图标识列表：
25.1、第一桁架；2、第一张紧锁链；3、传动机构；3-1、盖板；3-2、推杆；3-3、丝杆滑块；3-4、滚珠丝杠；3-6、单向轴承；3-7、小锥齿轮；3-8、外壳；3-9、大椎齿轮；3-10、销联接部；3-5、套筒；4、振荡浮体；4-1、十字架支撑板；4-2、圆板；5、销轴；6、第二桁架；7、第二张紧锁链；8、锚固装置；9、发电机。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。
27.如图1-3所示，本实用新型的多自由度波浪能发电装置，包括锚固装置8、发电机构和固定机构，所述发电机构包括发电机9、传动机构3和振荡浮体4，所述振荡浮体4为轴对称式双浮摆式浮子，包括十字架支撑板4-1和圆板4-2，所述十字架支撑板4-1固接于所述圆板4-2下方，所述传动机构3与所述发电机9联接，从而将收集到的波浪能转化为电能，所述固定机构包括第一固定机构和第二固定机构，所述第一固定机构数量为四个，分别对称位于所述十字架支撑板4-1的四个夹角内，上端均通过两所述传动机构3与临近的所述十字架支撑板4-1端部联接，下端固接于所述锚固装置8上，安装后，两所述传动机构3之间夹角为90
°
，所述第二固定机构上端通过一所述传动机构3联接于所述十字架支撑板4-1的中心部，下端固接于所述锚固装置8上，并位于四个所述第一固定机构形成的正方形中心，当波浪推动浮子进行旋转时，处于浮子支撑板周边的传动机构运动，进行发电，当浮子受到海浪的作用上下运动时，浮子下方的传动机构3运动，进行发电。本技术中，浮子的结构采用轴对称结
构，为了提高波浪能捕获效率，将传统的单组摆式的浮子改为轴对称式的十字架形的双浮摆式浮子，使浮子能够捕获到不同方向的波浪能，另外在十字架形的双浮摆式浮子上的十字架支撑板4-1下方增加一块圆板4-2，以增加垂荡这个自由度上的波浪能吸收。浮子结构在整体上将横摇、垂荡、纵摇这三个自由度整合在一起，使得本技术的多自由度波浪能发电装置实现了捕获多个自由度的波浪能并进行转化的功能。
28.如图4-图6所示，所述传动机构3为轴对称结构，包括盖板3-1、推杆3-2、套筒3-5、丝杆滑块3-3、滚珠丝杠3-4、单向轴承3-6、小锥齿轮3-7、外壳3-8、大椎齿轮3-9和销联接部3-10，
29.所述推杆3-2一端安装所述丝杆滑块3-3后，另一端插入所述套筒3-5内，直至端部从所述套筒3-5的另一端通孔伸出，并与所述十字架支撑板4-1联接，安装后，所述推杆3-2可通过所述丝杆滑块3-3在所述套筒3-5内滑动，所述滚珠丝杠3-4一端穿过所述丝杆滑块3-3中心，直至端部伸出至所述推杆3-2内，所述套筒3-5与所述外壳3-8安装后形成t型结构，所述外壳3-8内部形成矩形凹槽空间，所述发电机9为一对，分别安装于所述矩形凹槽空间的两端，所述小锥齿轮3-7的数量与所述发电机9一一对应，分别一一安装于两所述发电机9的联接轴上，所述大椎齿轮3-9中心安装于所述滚珠丝杠3-4另一端，并同时与两个所述小锥齿轮3-7啮合，所述小锥齿轮3-7与所述发电机9的联接轴之间均安装有所述单向轴承3-6，所述盖板3-1可拆卸式安装于所述外壳3-8上，从而将所述矩形凹槽空间进行密封，所述销联接部3-10形成于所述盖板3-1外端面，并和所述固定机构联接。如图5剖视图所示，当波浪推动浮子进行逆时针旋转时，处于浮子十字架支撑板4-1左边的四个传动机构3的推杆3-2会在浮子的作用下收缩，并通过传动机构3内部的滚珠丝杠3-4将推杆3-2的往复直线运动转换为大椎齿轮3-9的旋转运动，接着由大椎齿轮3-9带动小锥齿轮3-7旋转，由于分别在发电机9和小锥齿轮3-7之间加装了单向轴承3-6，则总有一边的小锥齿轮3-7空转不传递扭矩，而另一边的小锥齿轮3-7由于单向轴承3-6锁死将会带动发电机9轴旋转进行发电，同理，当浮子受到海浪的作用上下运动时浮子下方的传动机构3就会进行发电，发电方法与浮子旋转时一致因此不再赘述。
30.本技术的多自由度波浪能发电装置，无论浮子怎样运动，发电机9发出的电流的方向始终不变，从图5的剖面视图看，当浮体在波浪的推动下会带动推杆3-2相对于套筒3-5做来回反复的直线运动，通过滚珠丝杠3-4将这种往复的直线运动转换为轴的旋转运动。当滚珠丝杠3-4顺时针转动时，与滚珠丝杠3-4相连接的大椎齿轮3-9也跟滚珠丝杠3-4同步做顺时针转动，由于锥齿轮的啮合关系，一个小锥齿轮3-7也做顺时针转动，相反的，另一个小锥齿轮3-7做逆时针转动。由于单向轴承3-6的工作特性(即正方向能转动，反方向旋转则锁死的工作特性)，一个单向轴承空转不能将力矩传递给一发电机的轴，因而一发电机不工作，而另一个单向轴承锁死能将小锥齿轮3-7的顺时针运动的力矩通过联接轴传递给另一个发电机，进而带动另一个发电机旋转使其工作并产生电能。同理，大椎齿轮3-9逆时针旋转时，一发电机工作，另一发电机不工作，即无论大椎齿轮3-9顺时针旋转或逆时针旋转，两个发电机当中都保持一个发电机一直发电，从而保证装置产出的电能始终保持稳定且连续的状态，而不需要加装整流器，即实现了自整流的功能。
31.如图1所示，所述第一固定机构包括第一桁架1、第一张紧锁链2和销轴5，所述第一桁架1上端安装所述销轴5，下端通过所述第一张紧锁链2与所述锚固装置8固接，联接于所
述十字架支撑板4-1端部的所述传动机构3的销联接部3-10与所述销轴5联接，所述第二固定机构包括第二桁架6和第二张紧锁链7，所述第二桁架6上端与联接于所述十字架支撑板4-1的中心部的传动机构3的销联接部3-10销联接，下端通过所述第二张紧锁链7与所述锚固装置8固接。
32.整个装置的锚固装置8始终沉在海底，通过张紧锁链提供的拉力来系泊，从而限制整体装置，让其在指定位置更加稳定高效地作业。
33.如图5所示，所述外壳3-8和套筒3-5一体化制成，简化了结构，提高安装效率，适合批量制造。
34.本实用新型的有益效果有如下几点：
35.1.本技术的浮子的结构采用轴对称结构，将传统的单组摆式的浮子改为轴对称式的十字架形的双浮摆式浮子，使浮子能够捕获到不同方向的波浪能，提高了波浪能捕获效率；
36.2.本技术在十字架形的双浮摆式浮子上的十字架支撑板4-1下方增加一块圆板4-2，以增加垂荡这个自由度上的波浪能吸收。浮子结构在整体上将横摇、垂荡、纵摇这三个自由度整合在一起，使得本技术的多自由度波浪能发电装置实现了捕获多个自由度的波浪能并进行转化的功能。
37.3.本技术使用了多个滚珠丝杠，将浮子的运动转换成为推杆3-2在套筒3-5内的往复运动，通过推杆3-2端部的大椎齿轮3-9和小锥齿轮3-7之间的齿轮传动，完成波浪能到电能的转化，简化了结构的同时，使得发电效率更高；
38.4.本技术的推杆3-2的一伸一缩会导致滚珠丝杠3-4的旋转方向发生改变，从而影响到发电机9的电机旋转方向，从而影响到发电机发出的电流方向发生改变，因此在发电机9的联接轴上加装了单向轴承3-6。利用单向轴承3-6正转能正常旋转而反转则会锁死的特性，保证电机旋转方向的一致性从而保证发电机产生电流的方向的一致性，即实现了自整流的功能，来保证装置发电的连续性和稳定性。
39.5.本设计使用了张紧索链系泊，使得波浪能发电装置能在深海工作环境下安装与固定，可以使发电平台拥有良好的稳定性和较强的抗风浪能力。
40.6.外壳3-8和套筒3-5一体化制成，简化了结构，提高安装效率，适合批量制造。
41.总之，本实用新型的多自由度波浪能发电装置，利用了纵摇、横摇以及垂荡三个自由度来进行浮子的设计，结合了多个传动机构3的往复运动和齿轮传动，将浮子吸收到的波浪能所转换成的机械运动转换为可控的稳定的运动，能量转换率高，装置可靠性强，可持续性发电，保证了发电的稳定性和发电的连续性，结构简单，适合在深海环境下工作，应用前景广泛。
42.需要说明的是，以上内容仅仅说明了本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多自由度波浪能发电装置，包括锚固装置(8)、发电机构和固定机构，其特征在于，所述发电机构包括发电机(9)、传动机构(3)和振荡浮体(4)，所述振荡浮体(4)为轴对称式双浮摆式浮子，包括十字架支撑板(4-1)和圆板(4-2)，所述十字架支撑板(4-1)固接于所述圆板(4-2)下方，所述传动机构(3)与所述发电机(9)联接，从而将收集到的波浪能转化为电能，所述固定机构包括第一固定机构和第二固定机构，所述第一固定机构数量为四个，分别对称位于所述十字架支撑板(4-1)的四个夹角内，上端均通过两所述传动机构(3)与临近的所述十字架支撑板(4-1)端部联接，下端固接于所述锚固装置(8)上，安装后，两所述传动机构(3)之间夹角为90
°
，所述第二固定机构上端也通过一所述传动机构(3)联接于所述十字架支撑板(4-1)的中心部，下端固接于所述锚固装置(8)上，并位于四个所述第一固定机构形成的正方形中心，当波浪推动浮子进行旋转时，处于浮子支撑板周边的传动机构(3)运动，进行发电，当浮子受到海浪的作用上下运动时，浮子下方的传动机构(3)运动，进行发电。2.根据权利要求书1所述的一种多自由度波浪能发电装置，其特征在于，所述传动机构(3)为轴对称结构，包括盖板(3-1)、推杆(3-2)、套筒(3-5)、丝杆滑块(3-3)、滚珠丝杠(3-4)、单向轴承(3-6)、小锥齿轮(3-7)、外壳(3-8)、大椎齿轮(3-9)和销联接部(3-10)，所述推杆(3-2)一端安装所述丝杆滑块(3-3)后，另一端插入所述套筒(3-5)内，直至端部从所述套筒(3-5)的另一端通孔伸出，并与所述十字架支撑板(4-1)联接，安装后，所述推杆(3-2)可通过所述丝杆滑块(3-3)在所述套筒(3-5)内滑动，所述滚珠丝杠(3-4)一端穿过所述丝杆滑块(3-3)中心，直至端部伸出至所述推杆(3-2)内，所述套筒(3-5)与所述外壳(3-8)安装后形成t型结构，所述外壳(3-8)内部形成矩形凹槽空间，所述发电机(9)为一对，分别安装于所述矩形凹槽空间的两端，所述小锥齿轮(3-7)的数量与所述发电机(9)一一对应，分别一一安装于两所述发电机(9)的联接轴上，所述大椎齿轮(3-9)中心安装于所述滚珠丝杠(3-4)另一端，并同时与两个所述小锥齿轮(3-7)啮合，所述小锥齿轮(3-7)与所述发电机(9)的联接轴之间均安装有所述单向轴承(3-6)，所述盖板(3-1)可拆卸式安装于所述外壳(3-8)上，从而将所述矩形凹槽空间进行密封，所述销联接部(3-10)形成于所述盖板(3-1)外端面，并和所述固定机构联接。3.根据权利要求书2所述的一种多自由度波浪能发电装置，其特征在于，所述第一固定机构包括第一桁架(1)、第一张紧锁链(2)和销轴(5)，所述第一桁架(1)上端安装所述销轴(5)，下端通过所述第一张紧锁链(2)与所述锚固装置(8)固接，联接于所述十字架支撑板(4-1)端部的所述传动机构(3)的销联接部(3-10)与所述销轴(5)联接，所述第二固定机构包括第二桁架(6)和第二张紧锁链(7)，所述第二桁架(6)上端与联接于所述十字架支撑板(4-1)的中心部的传动机构(3)的销联接部(3-10)销联接，下端通过所述第二张紧锁链(7)与所述锚固装置(8)固接。4.根据权利要求书3所述的一种多自由度波浪能发电装置，其特征在于，所述外壳(3-8)和套筒(3-5)一体化制成。

技术总结
本实用新型公开了一种多自由度波浪能发电装置，属于新能源发电技术领域，本实用新型利用了纵摇、横摇以及垂荡三个自由度来进行浮子的设计，结合了多个传动机构(3)的往复运动和齿轮传动，将浮子吸收到的波浪能所转换成的机械运动转换为可控的稳定的运动，并配以张紧索链系泊，使得波浪能发电装置能在深海工作环境下安装与固定，可以使发电平台拥有良好的稳定性和较强的抗风浪能力，能量转换率高，装置可靠性强，可持续性发电，保证了发电的稳定性和发电的连续性，结构简单，适合在深海环境下工作，应用前景广泛。应用前景广泛。应用前景广泛。


技术研发人员：郑雄波 姜劲
受保护的技术使用者：南京瓦亮科技有限责任公司
技术研发日：2022.10.17
技术公布日：2023/2/9