一种利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置

1.本发明涉及波浪能发电装置技术领域，具体涉及一种利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置。


背景技术：

2.随着当前对摆脱化石燃料过度依赖的迫切需求，减少传统化石能源的使用，可再生能源的探索成为主要关注点。从自然环境中获取绿色能源被认为是缓解当前能源危机的最佳选择，地球表面70％以上的面积被海洋覆盖，可提供大量的可持续清洁能源，而波浪能在多种海洋新能源中具有非常高的功率密度并且很容易获得，因此对波浪能进行高效地收集在可持续能源转换方面拥有巨大的潜力。
3.当前海洋可再生能源的大规模使用仍充满挑战，波浪能利用的主要技术障碍是其能量转换效率低且造价高昂易损坏。结合我国海域附近的波浪能密度偏低，随季节变化较大，要求波浪能转换系统具有效率高、易于模块化、经济性好的特点，振荡浮子式发电装置成为我国当前研究波浪能发电装置的热门领域。pto系统与驱动转换方式是振荡浮子式波浪能转换的关键，pto系统的高效与否直接决定了振荡浮子式波浪能发电装置的转换效率，驱动转换方式则决定了第一级能量转换的效率。因此，最大限度地提高能源转换效率的关键在于设计一种系统结构简单、能量转换过程中能量损失小的高效pto及驱动转换装置。
4.在多学科融合发展的当下，将机械工程学与海洋学科结合具有十分可观的应用前景。然而，当前大多振荡浮子式发电装置难以充分利用波浪的往复能量并忽略了装置自身反应在波浪转换中的正向激励作用，发电机波动幅度大，能量捕获宽度窄，一旦损坏难以维修。而本发明所采用的机械驱动式pto，具有低摩擦带来的高能量传输效率，可以充分利用波浪的往复振荡运动及双浮体在波浪激励下的相对往复运动，有效平滑发电机速度的波动以带来更稳定的能量收集，拥有出色的俘获宽度比；同时结合磁力耦合式驱动技术，结构密封性好，模块化程度高，易于维护。
5.当前的波浪能利用多集中于海洋表面波，周期范围为0.5～30s，结合我国的波候的时域、方向与谱特征及我国沿海有效波高约为2～3m、周期为9s的波列，目前大多数的浮子式波浪能装置利用波能局限于水面至水下四分之一波长水深之间，而对更深的水深处波浪能未充分利用，而根据morison与绕射理论，考虑包含波浪破碎与底摩阻的影响的全波向功率波浪折射，这部分的能量依然可观。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，以解决现有技术中波浪能转换装置转换不充分的问题。
7.本发明提供了一种利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，包括：振荡浮子、丝杠组件、环形阻尼盘、浮体、传动组件、发电组件、系泊组件；
8.浮体为筒状，通过系泊组件竖直悬浮于海中的固定深度；发电组件设置于浮体内
的中部；传动组件有两个，分别设置于发电组件上端的浮体内以及下端的浮体内，传动组件的输出轴与发电组件的输入轴传动连接；丝杠组件有两个，分别竖直设置于浮体两端，丝杠组件与浮体同轴，丝杠组件的丝杠与传动组件的输入轴传动连接；振荡浮子的中心套接在浮体顶端的丝杠组件的丝杠螺母上；环形阻尼盘的中心套接在浮体底端的丝杠组件的丝杠螺母上；振荡浮子随波浪上下浮动，环形阻尼盘水深处波浪上下波动，振荡浮子、环形阻尼盘均带动对应的丝杠螺母上下运动，杠螺母转动丝杠，丝杠的正反转动通过传动组件转换成单一方向驱动发电组件中的发电机连续发电。
9.进一步地，所述传动组件包括：传动输入轴、第一传动齿、第二传动齿、第三传动齿、第四传动齿、第一单向超越离合器、第二单向超越离合器、传动输出轴；
10.传动输入轴的一端与丝杠的一端传动连接，传动输入轴的另一端与第一单向超越离合器的输入轴连接；第一传动齿套接在第一单向超越离合器的输入轴上，与第一单向超越离合器同轴；第二传动齿套接在第一单向超越离合器的输出轴上，与第一单向超越离合器同轴；第三传动齿套接在第二单向超越离合器的输入轴上，与第二单向超越离合器同轴；第四传动齿套接在第二单向超越离合器的输出轴上，与第二单向超越离合器同轴；第一传动齿与第三传动齿啮合；第二传动齿、第四传动齿分别与传动输出轴一端的齿啮合；传动输出轴的另一端与发电组件的输入轴连接。
11.进一步地，所述传动组件还包括：储能弹簧；储能弹簧有两个，一个储能弹簧的两端分别与第一单向超越离合器、第二转动齿连接，另一储能弹簧的两端分别与第二单向超越离合器、第四传动齿连接。
12.进一步地，所述丝杠组件为磁阻式永磁丝杠。
13.进一步地，所述环形阻尼盘包括：外圈支撑环、中圈支撑环、内圈支撑环、阻尼块、外圈连接件、内圈连接件、支撑杆、支撑套；
14.数个阻尼块均匀分布在外圈支撑环上；数个支撑套套接在中圈支撑环上，阻尼块与支撑套对位设置；外圈连接件成辐射装分布在外圈支撑环与中圈支撑环之间，数个外圈连接件一端与一个阻尼块朝向环心的一面铰接，另一端与阻尼环对位的支撑套的背向环心的一面连接；一个内圈连接件一端与一个支撑套朝向环心的一面连接，另一端与内圈支撑环的外壁铰接；内圈支撑环的中心套接在丝杠螺母上；支撑杆均匀分布，一端与浮体的底端固定连接，另一端与中圈支撑环固定连接；外圈支撑环随波浪沿轴向运动，通过外圈连接件带动支撑套在中圈支撑环上转动，支撑套通过内圈连接件带动内圈支撑环沿轴向运动，外圈支撑环与内圈支撑环运动方向相反。
15.进一步地，所述外圈连接件成翼板状，翼板状的外圈连接件的横向沿浮体轴向延伸。
16.进一步地，所述环形阻尼盘还包括：蒙板；蒙板覆盖在阻尼块、支撑套外圈连接杆所围成的区域内。
17.本发明的有益效果：
18.本发明装置采用去中心化设计，运用平台化理念，将机械驱动式pto组件与浮体分离布置，模块化程度高，布局灵活。本发明通过系泊组件将装置相对固定于海面，借助振荡浮子、环形阻尼盘可以同时对海面的波浪能进行吸收，也可以对更深的水深处波浪能进行充分利用，本发明可充分利用双浮体上升和下降的势能，从而提高波浪能的利用率，提高系
统的俘获宽度比。本发明通过传动组件配合丝杠组件可以很好的将振荡浮子、环形阻尼盘的上下往复运动转换成同方向连续运动，保证了发电机工作的连续性，同时传动组件中使用了储能弹簧，可交替储存和释放能量，从而进一步将能量平滑传递至发电机，使发电机在不规则振动时仍可以相对稳定的速度运转来以实现高效率的能量收集。本发明使用磁阻式永磁丝杠，浮体与磁阻丝杠运动驱动器之间采用磁力耦合，浮体与装置内部机构之间没有直接物理接触，可以提高装置内部密封性。
附图说明
19.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
20.图1为本发明具体实施例中的装置系泊时的主视图；
21.图2为本发明具体实施例中的振荡浮子处的剖视图；
22.图3为本发明具体实施例中的传动组件处的剖视图；
23.图4为本发明具体实施例中的发电组件处的剖视图；
24.图5为本发明具体实施例中的环形阻尼盘处的剖视图；
25.图6为本发明具体实施例中的环形阻尼盘的俯视图。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，本领域技术人员在没有作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.本发明实施例提供一种利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，包括：振荡浮子2、丝杠组件3、环形阻尼盘4、浮体5、传动组件6、发电组件7、系泊组件8；
28.系泊组件8包括：系泊线缆81、系泊浮筒82、系泊锚固83，系泊锚固83固定在海底，系泊浮筒82浮在海面，系泊线缆81挂在系泊浮筒82上，系泊线缆81的一端与系泊锚固83连接，另一端与浮体5连接，相邻的系泊浮筒82也通过系泊线缆81连接，所有系泊线缆81处于紧绷状态，浮体5通过至少三个系泊组件8竖直悬浮于海中的固定深度。浮体5为筒状，从上至下包括三个腔室，发电组件7设置于中间的腔室，两个传动组件6分别设置在上下两个腔室中。
29.发电组件7包括：发电输入轴71、中间传动轴72、双轴发电机73、蓄电池74；发电输入轴71、中间传动轴72有两个。两个发电输入轴71分别设置在发电组件7所处腔室的上下两端，作为发电组件7的两个输入轴。发电输入轴71的另一端为锥型齿，与中间传动轴72一端的锥型齿啮合，中间传动轴72的另一端的齿轮与双轴发电机73的一个输入轴啮合，双轴发电机73的输出与蓄电池74电路连接。
30.传动组件6包括：传动输入轴61、传动输入轴62、第二传动齿63、第三传动齿64、第四传动齿65、第一单向超越离合器66、第二单向超越离合器67、传动输出轴68、储能弹簧69；传动组件6所在的腔体通过隔板610分为三层，其他部件在中间层，隔板610可以起到支撑的作用。传动输入轴61、传动输出轴68分别设置在上下两层中，均为万向联轴器。第一单向超
越离合器66、第二单向超越离合器67并排设置在中间层，输入轴和输出轴分别与上下隔板610连接。传动输入轴61的一端作为传动组件6的输入轴，传动输入轴61的另一端与第一单向超越离合器66的输入轴传动连接。传动输入轴62套接在第一单向超越离合器66的输入轴上，与第一单向超越离合器66的输入轴同轴；第二传动齿63套接在第一单向超越离合器66的输出轴上，与第一单向超越离合器66的输入轴同轴；第三传动齿64套接在第二单向超越离合器67的输入轴上，与第二单向超越离合器67的输入轴同轴；第四传动齿65套接在第二单向超越离合器67的输出轴上，与第二单向超越离合器67的输入轴同轴。第二传动齿63、第四传动齿65分别与传动输出轴68一端的齿啮合，传动输出轴68的另一端作为传动组件6的输出轴。储能弹簧69有两个，一个储能弹簧69的两端分别与第一单向超越离合器66、第二转动齿连接，另一储能弹簧69的两端分别与第二单向超越离合器67、第四传动齿65连接。
31.丝杠组件3有两个，分别设置在浮体5的上下两端。丝杠组件3为磁阻式永磁丝杠，包括：丝杠壳体31、磁阻运动丝杠32、永磁耦合螺母33、永磁限位器34、运动联轴器35、导杆36。丝杠壳体31为筒状，一端与浮体5连接。磁阻运动丝杠32竖直设置在丝杠壳体31内，与浮体5同轴。永磁耦合螺母33套接在磁阻运动丝杠32上，磁阻运动丝杠32两端都套有永磁限位器34，永磁耦合螺母33在两端的永磁限位器34之间的磁阻运动丝杠32上上下运动。导杆36有数条，等间距的分布在磁阻运动丝杠32的周圈，导杆36穿过永磁耦合螺母33，限制永磁耦合螺母33转动，使得永磁耦合螺母33上下运动会让磁阻运动丝杠32转动。磁阻运动丝杠32靠近浮体5的一端还设有运动联轴器35，运动联轴器35作为丝杠组件3的输出端将磁阻运动丝杠32的转动传递出去。
32.振荡浮子2包括：振荡浮子外环21、振荡浮子永磁内核22。振荡浮子永磁内核22套在丝杠壳体31上，和永磁耦合螺母33之间磁吸，永磁耦合螺母33会随振荡浮子永磁内核22的运动而运动。振荡浮子外环21套接在振荡浮子2永磁内核上，振荡浮子永磁内核22随波浪上下浮动。
33.环形阻尼盘4包括：外圈支撑环41、中圈支撑环42、内圈支撑环43、阻尼块44、外圈连接件45、内圈连接件46、支撑杆47、支撑套48、蒙板49；
34.四个阻尼块44均匀分布在外圈支撑环41上；四个支撑套48套接在中圈支撑环42上，阻尼块44与支撑套48对位设置；外圈连接件45成辐射装分布在外圈支撑环41与中圈支撑环42之间，三根外圈连接件45一端与一个阻尼块44朝向环心的一面铰接，另一端与阻尼环对位的支撑套48的背向环心的一面连接，外圈连接件45成翼板状，翼板状的外圈连接件45的横向沿浮体轴向延伸；三根外圈连接杆与阻尼环、支撑套48围城的区域设有蒙板49；一个内圈连接件46一端与一个支撑套48朝向环心的一面连接，另一端与内圈支撑环43的外壁铰接；内圈支撑环43的中心设有永磁内核，套在丝杠壳体31上，与永磁耦合螺母33磁吸；支撑杆47均匀分布，一端与浮体5的底端固定连接，另一端与中圈支撑环42固定连接；外圈支撑环41随波浪沿轴向运动，通过外圈连接件45带动支撑套48在中圈支撑环42上转动，支撑套48通过内圈连接件46带动内圈支撑环43沿轴向运动，外圈支撑环41与内圈支撑环43运动方向相反。
35.以下对本发明的发电过程进行举例说明：
36.通过系泊组件8将浮体5竖直固定高度的系泊固定在海中，使浮体5不随波浪上下波动。当有海浪使，由于浮体5被固定不波动，其上的振荡浮子2会随波浪上下浮动，带动与
之磁吸的永磁耦合螺母33在磁阻运动丝杠32上上下运动。永磁耦合螺母33在磁阻运动丝杠32上下运动时会带动磁阻运动丝杠32顺时针或逆时针转动，这个转动通过运动联轴器35传递给传动组件6的输入轴。
37.当磁阻运动丝杠32顺时针旋转时，通过运动联轴器35传递给传动组件6中的传动输入轴61，传动输入轴61将顺时针转动传递给第一单向超越离合器66的输入轴，此时第一单向超越离合器66的输入轴会带动传动输入轴62顺时针转动，传动输入轴62会带动第三传动齿64逆时针转动，第三传动齿64会带动第二单向超越离合器67的输入轴逆时针转动，由于单向超越离合器的特性，第一单向超越离合器66输入轴的顺时针转动会被从输出轴输出，而第二单向超越离合器67输入轴的逆时针转动会被阻隔，第一单向超越离合器66的输出轴会跟着顺时针转动，第二传动齿63也会顺时针转动，第二传动齿63通过传动输出轴68的齿带动传动输出轴68逆时针转动、带动第四传动齿65顺时针转动，由于单向超越离合器的特性，输出轴的转动是无法传递回输入轴端的，所以第二单向超越离合器67部分不会出现输入输出不同向带来的齿轮卡死的情况，传动输出轴68带动发电输入轴71逆时针转动，发电输入轴71带动中间传动齿顺时针转动，中间传动齿带动发电机的输入轴逆时针转动实现发电。
38.当磁阻运动丝杠32逆时针旋转时，通过运动联轴器35传递给传动组件6中的传动输入轴61，传动输入轴61将逆时针转动传递给第一单向超越离合器66的输入轴，此时第一单向超越离合器66的输入轴会带动传动输入轴62逆时针转动，传动输入轴62会带动第三传动齿64顺时针转动，第三传动齿64会带动第二单向超越离合器67的输入轴顺时针转动，由于单向超越离合器的特性，第二单向超越离合器67输入轴的顺时针转动会被从输出轴输出，而第一单向超越离合器66输入轴的逆时针转动会被阻隔，第二单向超越离合器67的输出轴会跟着顺时针转动，第四传动齿65也会顺时针转动，第四传动齿65通过传动输出轴68的齿带动传动输出轴68逆时针转动、带动第二传动齿63顺时针转动，由于单向超越离合器的特性，输出轴的转动是无法传递回输入轴端的，所以第一单向超越离合器66部分不会出现输入输出不同向带来的齿轮卡死的情况，传动输出轴68带动发电输入轴71逆时针转动，发电输入轴71带动中间传动齿顺时针转动，中间传动齿带动发电机的输入轴逆时针转动实现发电。上下两个传动组件6的工作方式一样，均可以将不同转动方向的输入变为同一方向的输出。为了避免振荡浮子2的波动频率较大导致单向超越离合器转动过快，通过储能弹簧69对过剩的转动量进行存储，这样的转动量存储也可以在振荡浮子2波动频率较小时进行释放，起到对波浪能合理的吸收、利用。
39.由于振荡浮子2的会随波浪上下浮动，会产生一个沿浮体5轴向上上下流动的海流，同时海平面以下也会有波浪能产生，环形阻尼盘4可以很好的对海流产生的能量和波浪能进行吸收。以对海流产生的能量进行吸收为例，当振荡浮子2上升时会产生上升的海流，上升海流会带动环形阻尼盘4的阻尼块44向上运动，阻尼块44带动外圈支撑环41向上运动。由于中圈支撑环42是被支撑杆47进行固定的，不会上下运动，套接在中圈支撑环42上的支撑套48可以在内圈支撑环43上转动。外圈连接杆、支撑套48、内圈连接杆构成一个以支撑套48为支点的类似杠杆的结构，外圈连接杆的一端向上运动时，通过支撑套48的转动，内圈连接杆的一端会向下运动。外圈支撑环41向上运动时，会使与其连接的外圈连接杆的一端也向上运动，内圈连接杆的一端就会向下运动，内圈连接杆会带动与之连接的内圈支撑环43
向下运动，内圈支撑环43会带动与其磁吸的永磁耦合螺母33向下运动；当振荡浮子2下降时会产生下降的海流，外圈支撑环41向下运动，内圈支撑环43向上运动，内圈支撑环43会带动与其磁吸的永磁耦合螺母33向上运动，如此往复实现对海流产生的能量的吸收。
40.虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

技术特征：
1.一种利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，其特征在于，包括：振荡浮子、丝杠组件、环形阻尼盘、浮体、传动组件、发电组件、系泊组件；浮体为筒状，通过系泊组件竖直悬浮于海中的固定深度；发电组件设置于浮体内的中部；传动组件有两个，分别设置于发电组件上端的浮体内以及下端的浮体内，传动组件的输出轴与发电组件的输入轴传动连接；丝杠组件有两个，分别竖直设置于浮体两端，丝杠组件与浮体同轴，丝杠组件的丝杠与传动组件的输入轴传动连接；振荡浮子的中心套接在浮体顶端的丝杠组件的丝杠螺母上；环形阻尼盘的中心套接在浮体底端的丝杠组件的丝杠螺母上；振荡浮子随波浪上下浮动，环形阻尼盘水深处波浪上下波动，振荡浮子、环形阻尼盘均带动对应的丝杠螺母上下运动，杠螺母转动丝杠，丝杠的正反转动通过传动组件转换成单一方向驱动发电组件中的发电机连续发电。2.如权利要求1所述的利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，其特征在于，所述传动组件包括：传动输入轴、第一传动齿、第二传动齿、第三传动齿、第四传动齿、第一单向超越离合器、第二单向超越离合器、传动输出轴；传动输入轴的一端与丝杠的一端传动连接，传动输入轴的另一端与第一单向超越离合器的输入轴连接；第一传动齿套接在第一单向超越离合器的输入轴上，与第一单向超越离合器同轴；第二传动齿套接在第一单向超越离合器的输出轴上，与第一单向超越离合器同轴；第三传动齿套接在第二单向超越离合器的输入轴上，与第二单向超越离合器同轴；第四传动齿套接在第二单向超越离合器的输出轴上，与第二单向超越离合器同轴；第一传动齿与第三传动齿啮合；第二传动齿、第四传动齿分别与传动输出轴一端的齿啮合；传动输出轴的另一端与发电组件的输入轴连接。3.如权利要求2所述的利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，其特征在于，所述传动组件还包括：储能弹簧；储能弹簧有两个，一个储能弹簧的两端分别与第一单向超越离合器、第二转动齿连接，另一储能弹簧的两端分别与第二单向超越离合器、第四传动齿连接。4.如权利要求1所述的利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，其特征在于，所述丝杠组件为磁阻式永磁丝杠。5.如权利要求1所述的利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，其特征在于，所述环形阻尼盘包括：外圈支撑环、中圈支撑环、内圈支撑环、阻尼块、外圈连接件、内圈连接件、支撑杆、支撑套；数个阻尼块均匀分布在外圈支撑环上；数个支撑套套接在中圈支撑环上，阻尼块与支撑套对位设置；外圈连接件成辐射装分布在外圈支撑环与中圈支撑环之间，数个外圈连接件一端与一个阻尼块朝向环心的一面铰接，另一端与阻尼环对位的支撑套的背向环心的一面连接；一个内圈连接件一端与一个支撑套朝向环心的一面连接，另一端与内圈支撑环的外壁铰接；内圈支撑环的中心套接在丝杠螺母上；支撑杆均匀分布，一端与浮体的底端固定连接，另一端与中圈支撑环固定连接；外圈支撑环随波浪沿轴向运动，通过外圈连接件带动支撑套在中圈支撑环上转动，支撑套通过内圈连接件带动内圈支撑环沿轴向运动，外圈支撑环与内圈支撑环运动方向相反。6.如权利要求5所述的利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，所述外圈连接件成翼板状，翼板状的外圈连接件的横向沿浮体轴向延伸。
7.如权利要求5或6所述的利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，所述环形阻尼盘还包括：蒙板；蒙板覆盖在阻尼块、支撑套外圈连接杆所围成的区域内。

技术总结
本发明公开了一种利用往复机械弹簧驱动的双体自反应波浪能转换装置，其特征在于，包括：振荡浮子、丝杠组件、环形阻尼盘、浮体、传动组件、发电组件、系泊组件；浮体通过系泊组件竖直悬浮于海中的固定深度；发电组件设置于浮体内的中部；传动组件有两个，分别设置于发电组件上、下端的浮体内；丝杠组件有两个，分别竖直设置于浮体两端；振荡浮子的中心套接在浮体顶端的丝杠组件的丝杠螺母上；环形阻尼盘的中心套接在浮体底端的丝杠组件的丝杠螺母上。本发明通过系泊组件将装置相对固定于海面，借助振荡浮子、环形阻尼盘可以同时对海面的波浪能进行吸收，也可以对更深的水深处波浪能进行充分利用，提高波浪能的利用率，提高系统的俘获宽度比。度比。度比。


技术研发人员：李冬琴 杨恒旭 吴洋 刘港 陆凌锋
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.02.03
技术公布日：2023/6/26