一种配有双波能俘获单元的多自由度波能发电装置

1.本发明涉及波浪能发电领域，具体为一种配有双波能俘获单元的多自由度波能发电装置。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.多自由度获能是波浪能利用的发展趋势，为提升波浪能转换效率，本发明提出了一种配有双波能俘获单元的多自由度波能发电装置，浮体采用能适应多向来浪的轴对称方式，配置两种pto俘能机构，以释放装置的多个自由度，考虑浮子的多自由度方向上充分将入射波的势能和动能转化为电能，使之具有多方向、宽频响吸能的优势。
4.稳定和高效的电能输出成为学者和企业追求的目标。为了实现这些目标，目前相关开发者做了大量的工作，例如优化浮标、改进动力输出系统、控制策略、阵列布置以及多自由度装置开发。当前学者们多从改进浮子结构的角度出发，主要考虑波浪作用下浮子的单自由度垂荡或单自由度纵摇来俘获波浪能。实际上装置的其他自由度运动也会影响装置的波能转换性能。因此，研究波浪作用下浮子多自由度耦合运动对装置波能转换性能的提升非常必要。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种配有双波能俘获单元的多自由度波能发电装置，考虑浮子的多自由度方向上充分将入射波的势能和动能转化为电能，多自由度波能转换装置由锥形浮体和液压缸管组成，两者通过管状元件的框架连接。液压缸管上方铰接于机械齿轮箱，机械齿轮式可实现浮体的双向摆动到终端发电机的单向转动。该装置中浮体可以沿着液压缸管滑动的同时，也可以绕着机械齿轮箱铰接点双向摆动；于是在一个来浪方向下，波浪发电装置可同时获取浮体垂荡、纵/横荡和纵/横摇这3个自由度运动方向上的动能和势能。系统垂荡和纵荡耦合运动方向的动力输出机构采用液压缸管式(p-pto)；纵摇和纵荡耦合运动方向的动力输出机构采用机械齿轮式(u-pto)。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种配有双波能俘获单元的多自由度波能发电装置，包括液压缸，液压缸内部设有活塞杆，活塞杆可以在液压缸内上下运动，液压缸上部一侧布置出油管，液压缸下部一侧布置进油管，液压缸顶部与齿轮组件连接，液压缸表面均匀设有四个滑轮卡槽。
8.活塞杆一端设有活塞套，另一端与锥形浮子连接。
9.锥形浮子顶部与活塞杆下部相连，锥形浮子顶部边缘设有四个均匀的连接位置，四个连接点位置与连接支架一端相连。
10.连接支架一端与锥形浮子，另一端与滑块相连。
11.滑块内侧均匀设有四个滑轮槽，每个滑轮槽与滑块连接，每个滑轮槽两端布置两个滑轮，滑轮槽里的滑轮可以沿着液压缸表面的滑轮卡槽上下滑动。
12.齿轮组件包括输入半齿轮，半齿轮与第一大齿轮齿合，半齿轮通过键与第三转轴连接，第三转轴通过连接板固定在固定框架上，半齿轮随第三转轴一起转动。
13.第一大齿轮与第二大齿轮齿合，第一大齿轮内部设有棘齿，棘齿表面与棘爪贴合，第一大齿轮侧面上沿与棘齿中间部位均匀布置四个连接杆，每个连接杆一端与第一大齿轮相连，另一端与第一大齿轮支架相连，第一大齿轮支架总共设四根，每根第一大齿轮支架以45度斜角布置，每根第一大齿轮支架一端与第一大齿轮的连接杆相连，另一端与转动轴承相连，转动轴承套在第二转轴上，第二转轴通过连接板固定在固定框架上，转动轴承、第一大齿轮支架和第一大齿轮一起转动。
14.棘爪一端与棘爪轴承连接，另一端与棘齿表面贴合，棘爪轴承通过键与第二转轴连接，棘爪和棘爪轴承可以随第二转轴一起转动。
15.第二转轴一侧与棘爪轴承连接，另一侧设有第二中齿轮，第二中齿轮通过键与第二转轴相连，第二中齿轮与小齿轮齿合，第二中齿轮与棘爪轴承同轴转动。
16.小齿轮与第一中齿轮和第二中齿轮齿合，小齿轮通过键与第四转轴相连，第四转轴通过连接板固定在固定框架上，第四转轴设有联轴器，联轴器与发电机相连。小齿轮和联轴器随第四转轴一起转动。
17.第二大齿轮所在一侧布置与第一大齿轮一侧布置相同。区别在于第二齿轮没有和半齿轮齿合。
18.出油管一端与控制集流腔和低压蓄能器连接，另一端与液压缸相连，控制集流腔和低压蓄能器设有液压管与液压发电机相连，液压油经过控制集流腔和低压蓄能器流经液压发电机；出油管一端和液压缸相连，另一端与控制集流腔和高压蓄能器相连，控制集流腔和高压蓄能器设有液压管与液压发电机相连，液压油从液压发电机出来流经高压蓄能器和控制集流腔到达液压缸。
19.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
20.1.本发明可以利用其多种运动模式来增强波能转换效率，在较宽的频域范围内实现自然振荡周期；
21.2.本发明配置液压和机械齿轮式能量提取装置，特别是一套利用浮子双向摆动变发电机单向转动的能量提取方案；
附图说明
22.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。
23.图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；
24.图2(a)是本发明一个或多个实施例提供的齿轮组件结构示意图；
25.图2(b)是本发明一个或多个实施例提供的齿轮组件府视结构示意图；
26.图2(c)是本发明一个或多个实施例提供的齿轮组件局部的结构示意图；
27.图3是本发明一个或多个实施例提供的滑块组件结构示意图；
28.图1中：1.固定框架；2.齿轮组件；3.活塞杆；4.连接支架；5.锥形浮体；6.液压缸；
7.导轮组；8.高压蓄能器；9.低压蓄能器；10.液压发电机；11.出油管；12.进油管；
29.图2(a)中：21.发电机；22.联轴器；23.第一中齿轮；24.第二中齿轮；25.第一转轴；26.第二转轴；27.第一大齿轮；28.第一大齿轮支架；29.半齿轮；210.第三转轴；211.第二大齿轮；
30.图2(b)中：212.第四转轴；213.第二大齿轮支架；214.小齿轮；
31.图2(c)中：215.棘爪；216.棘爪轴承；217.转动轴承；
32.图3中：71滑轮卡槽；72滑轮；
具体实施方式
33.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
34.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.正如背景技术中所描述的，多自由度获能是波浪能利用的发展趋势，为提升波浪能转换效率，本发明提出了一种配有双波能俘获单元的多自由度波能发电装置，浮体采用能适应多向来浪的轴对称方式，配置两种pto俘能机构，以释放装置的多个自由度，考虑浮子的多自由度方向上充分将入射波的势能和动能转化为电能，使之具有多方向、宽频响吸能的优势。
37.以下实施例提出了一种配有双波能俘获单元的多自由度波能发电装置的结构型式，考虑浮子的多自由度方向上充分将入射波的势能和动能转化为电能，多自由度波能转换装置由锥形浮体和液压缸管组成，两者通过管状元件的框架连接。液压缸管上方铰接于机械齿轮箱，机械齿轮式u-pto可实现浮体的双向摆动到终端发电机的单向转动。该装置中浮体可以沿着液压缸管滑动的同时，也可以绕着机械齿轮箱铰接点双向摆动；于是在一个来浪方向下，波浪发电装置可同时获取浮体垂荡、纵/横荡和纵/横摇这3个自由度运动方向上的动能和势能。系统垂荡和纵荡耦合运动方向的动力输出机构采用液压缸管式(p-pto)；纵摇和纵荡耦合运动方向的动力输出机构采用机械齿轮式(u-pto)。
38.实施例一：
39.如图1所示，一种配有双波能俘获单元的多自由度波能发电装置，包括液压缸6，液压缸内部设有活塞杆3，活塞杆3可以在液压缸内上下运动，液压缸上部一侧布置出油管11，液压缸下部一侧布置进油管12，液压缸顶部与齿轮组件2连接，液压缸表面均匀设有四个滑轮卡槽。
40.活塞杆3一端设有活塞套，另一端与锥形浮子5连接。
41.锥形浮子5顶部与活塞杆3下部相连，锥形浮子5顶部边缘设有四个均匀的连接位置，四个连接点位置与连接支架4一端相连。
42.连接支架4一端与锥形浮子5，另一端与滑块相连。
43.滑块内侧均匀设有四个滑轮槽，每个滑轮槽与滑块连接，每个滑轮槽两端布置两个滑轮72，滑轮槽里的滑轮72可以沿着液压缸6表面的滑轮卡槽71上下滑动。
44.正常工作状态下，在波浪力作用下，锥形浮子5做往复循环运动，当锥形浮子5逆时针运动时，与锥形浮子5相连的连接支架4，此时推动滑块向上滑动，与滑块相连的滚轮72在液压缸6表面的卡槽(滑轮卡槽71)里向上滚动，与锥形浮子5顶部相连的活塞杆3在液压缸6里向上运动，活塞杆3向上运动的同时将液压油推到进油管11里，与液压缸6顶部刚性连接的半齿轮29逆时针转动，此处所指的逆时针和顺时针均是从附图一观察。
45.齿轮组件2包括输入半齿轮29，半齿轮29与第一大齿轮27齿合，半齿轮29通过键与第三转轴210连接，第三转轴210通过连接板固定在固定框架1上，半齿轮29随第三转轴210一起转动。
46.第一大齿轮27与第二大齿轮211齿合，第一大齿轮27内部设有棘齿，棘齿表面与棘爪215贴合，第一大齿轮27侧面上沿与棘齿中间部位均匀布置四个连接杆，每个连接杆一端与第一大齿轮相连，另一端与第一大齿轮支架28相连，第一大齿轮27支架总共设四根，每根第一大齿轮支架以45度斜角布置，每根第一大齿轮支架28一端与第一大齿轮27的连接杆相连，另一端与转动轴承271相连，转动轴承217套在第二转轴26上，第二转轴26通过连接板固定在固定框架1上，转动轴承217、第一大齿轮支架28和第一大齿轮27一起转动。
47.棘爪215一端与棘爪轴承216连接，另一端与棘齿表面贴合，棘爪轴承216通过键与第二转轴26连接，棘爪215和棘爪轴承216可以随第二转轴26一起转动。
48.第二转轴26一侧与棘爪轴承216连接，另一侧设有第二中齿轮24，第二中齿轮24通过键与第二转轴26相连，第二中齿轮24与小齿轮214齿合，第二中齿轮24与棘爪轴承216同轴转动。
49.小齿轮214与第一中齿轮23和第二中齿轮24齿合，小齿轮214通过键与第四转轴212相连，第四转轴212通过连接板固定在固定框架1上，第四转轴212设有联轴器22，联轴器22与发电机21相连。小齿轮214和联轴器22随第四转轴212一起转动。
50.第二大齿轮211所在一侧布置与第一大齿轮27一侧布置几乎相同。区别在于第二齿轮211没有和半齿轮29齿合。
51.由于液压缸6带动半齿轮29逆时针转动，半齿轮29带动第一大齿轮27顺时针转动，第一大齿轮27带动第二大齿轮211逆时针转动，第二大齿轮211逆时针转动时，贴合在第二大齿轮211内部棘齿上的棘爪215被卡在棘齿的槽里，棘爪215被第二大齿轮211带着逆时针转动，与棘爪2155刚性连接的棘爪轴承216带动第一转轴25逆时针转动，位于第一转轴25另一端的第二中齿轮24随着第一转轴25同样逆时针转动，第二中齿轮24带动小齿轮214顺时针转动。小齿轮214带动第四转轴212顺时针转动，位于第四转轴212的联轴器22带动发电机21转动从而发电，这样实现波浪能到机械能再到电能的转换。小齿轮214顺时针转动带动第一中齿轮23逆时针转动，第一中齿轮23逆时针转动带动第二转轴26逆时针转动，位于第一转轴25另一端的棘爪轴承216带动棘爪215在第一大齿轮27内部的棘齿上逆时针滑动。
52.当锥形浮子5带动液压缸6顺时针转动时，半齿轮29带动第一大齿轮27逆时针转动，第一大齿轮27带动第二大齿轮211顺时针转动，第一大齿轮27逆时针转动时，贴合在第一大齿轮27内部棘齿上的棘爪被卡在棘齿的槽里，棘爪被第一大齿轮27带着逆时针转动，与棘爪刚性连接的棘爪轴承216带动第二转轴26逆时针转动，位于第二转轴26另一端的第
二中齿轮24随着第二转轴26同样逆时针转动，第二中齿轮24带动小齿轮214顺时针转动。小齿轮214带动第四转轴212顺时针转动，位于第四转轴212的联轴器22带动发电机转动从而发电，这样实现波浪能到机械能再到电能的转换。小齿轮214顺时针转动带动第一中齿轮23逆时针转动，第一中齿轮23逆时针转动带动第一转轴25逆时针转动，位于第一转轴25另一端的棘爪轴承216带动棘爪215在第二大齿轮211内部的棘齿上逆时针滑动。
53.在波浪的作用下，锥形浮子5带动液压缸6进行往复运动，而液压缸6内活塞的往复运动会推动液压油通过出油管11路到达控制集流腔和高压蓄能器8之后进入液压马达10,液压马达10在液压油的推动下旋转从而带动发电机发电，这样实现波浪能到液压能再到电能的转换，液压油从液压马达10流出后，重新流入低压蓄能器9和控制集流腔。其中控制集流腔的作用是实现液压油的正反向流动，高压蓄能器8的作用是储存波浪能，在波浪能发电中能够起到稳定峰值的作用，而低压蓄能器9的作用是让液压回路具有一定的回油压力。