随潮位自动升降的跃浪叶轮式波能发电装置

1.一种随潮位自动升降的跃浪叶轮式波能发电装置，包括连接有楔形体收缩波道和排水管道的波能收集转化装置，其特征在于，所述波能收集转化装置安装在浮箱内部；所述楔形体收缩波道设置在所述浮箱表面的斜坡面上，与所述波能收集转化装置的入水口连通；
所述排水管道的一端与所述波能收集转化装置的出水口连通，另一端与设置在所述浮箱的排水口连通；
所述浮箱底面均布穿有桩柱的桩柱孔，所述桩柱底部固定于基岩、上部伸入到设置在所述浮箱内部的桩柱套中，所述桩柱套底部与所述浮箱密封固定，所述桩柱套密封连接有内部安装升程齿轮的齿轮箱，所述升程齿轮与固定在所述桩柱上的升程齿条啮合；
所述升程齿轮同轴连接有设置在浮箱内的止动齿轮，所述止动齿轮上设置有止动插销，所述止动插销包括内设止动弹簧的插销槽，所述止动弹簧连接有前端伸入到所述止动齿轮的轮齿之间的插头。
2.根据权利要求1所述的一种随潮位自动升降的跃浪叶轮式波能发电装置，其特征在于，所述波能收集转化装置包括安装在所述浮箱内的叶轮机壳，所述叶轮机壳通过轴承支座安装有设置于所述叶轮机壳内部的轮轴，所述轮轴上固定安装有均布三至六片叶片的叶轮，所述叶片的形状为圆弧凹面，所述轮轴外端通过齿轮传动机构连接有发电机；所述叶轮机壳内壁在所述楔形体收缩波道的出口下方嵌装有用于防止所述叶轮逆向旋转的止回装置。
3.根据权利要求2所述的一种随潮位自动升降的跃浪叶轮式波能发电装置，其特征在于，所述叶片的圆弧凹面的圆弧半径为R， 其中，r为所述叶轮机壳的
内径，α为所述楔形体收缩波道的下坡面的水平夹角，β为所述叶轮轴心到所述叶轮机壳与所述楔形体收缩波道的下坡面交点连线的水平夹角。
4.根据权利要求2所述的一种随潮位自动升降的跃浪叶轮式波能发电装置，其特征在于，所述止回装置包括一端通过销轴连接于所述叶轮机壳的止回棘爪，所述止回棘爪中部连接有另一端固定在所述叶轮机壳的止回弹簧。

随潮位自动升降的跃浪叶轮式波能发电装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及可再生能源技术领域中的海洋波浪能开发应用，具体的说，是利用海洋能源所产生波能的发电装置。\n背景技术\n[0002] 近年来，受化石能源日趋枯竭、能源供应安全、保护环境和生态平衡等的驱动，人们对新能源的开发越来越重视。地球表面积的71％是具有巨大能源资源的海洋，其中波浪能是海洋能源中蕴藏量最为丰富的能源之一。利用海洋能源已成为当今世界能源研究的方向，而如何有效利用资源丰富、可再生的海洋资源，也显得更加重要。1992年联合国把海浪发电列为开发海洋可再生能源的首位，沿海国家十分重视，加大力度并积极开发。\n[0003] 在上述背景下，波浪能的开发利用正日益受到关注，经过20世纪70年代对多种波浪能装置的试验和研究到80年代的海况试验及应用示范研究，国内外学者相继提出了很多不同种类的波能发电装置，波浪发电技术已逐步接近实用化水平。\n[0004] 波浪能发电方式数以千计，按能量中间转换环节主要分为机械式、气动式和液压式三大类，其中以机械式最为普遍，它的基本原理是通过某种传动结构实现波浪能从往复运动到单向旋转运动的传递来驱动发电机发电。采用齿条、齿轮和棘轮机构的波浪能发电装置，以机械传动形式获取机械动能，其结构简单，制造难度小，但在风浪较小时能量收集率低。因此目前波浪发电所面临的主要问题是不能兼顾安全可靠性和波能转换率，建造成本较高，受地形或海况条件限制较强，不能较好地实现规模化、产业化应用。\n[0005] 申请号为201110215221.7的专利申请公开了一种跃浪叶轮式波能转换装置，其利用水动力产生的能量，借助于能有效确保叶轮连续同向旋转的止回装置，获得高效的能量传递和转换。其缺点是，波能转化装置位置固定于海堤，限制了装置在时空范围内能量吸收率，难以实现实际应用。\n[0006] 综上所述，未来一段时间内波浪能发电领域的发展趋势为：研制高效率、高可靠性、低建造成本的波能发电装置。就目前研究阶段，可靠性和转化率显得尤其重要，还应兼顾考虑不同海区波浪及海况条件，降低发电成本，实现海洋能的规模化、产业化开发。\n发明内容\n[0007] 本发明要解决的是现有的波能发电装置能量吸收率有限、适用性不强的技术问题，提供一种集高效率、高适用性与高可靠性为一体，建造成本低的随潮位自动升降的海堤跃浪叶轮式波能发电装置，能够获得高效的能量传递和转化，适应在多种海区条件下的不同海况，使得连续高效的开发利用海洋波浪能成为可能。\n[0008] 为了解决上述技术问题，本发明的装置通过以下的技术方案予以实现：\n[0009] 一种随潮位自动升降的跃浪叶轮式波能发电装置，包括连接有楔形体收缩波道和排水管道的波能收集转化装置，所述波能收集转化装置安装在浮箱内部；所述楔形体收缩波道设置在所述浮箱表面的斜坡面上，与所述波能收集转化装置的入水口连通；所述排水管道的一端与所述波能收集转化装置的出水口连通，另一端与设置在所述浮箱的排水口连通；\n[0010] 所述浮箱底面均布穿有桩柱的桩柱孔，所述桩柱底部固定于基岩、上部伸入到设置在所述浮箱内部的桩柱套中，所述桩柱套底部与所述浮箱密封固定，所述桩柱套密封连接有内部安装升程齿轮的齿轮箱，所述升程齿轮与固定在所述桩柱上的升程齿条啮合。\n[0011] 所述升程齿轮同轴连接有设置在浮箱内的止动齿轮，所述止动齿轮上设置有止动插销，所述止动插销包括内设止动弹簧的插销槽，所述止动弹簧连接有前端伸入到所述止动齿轮的轮齿之间的插头。\n[0012] 所述波能收集转化装置包括安装在所述浮箱内的叶轮机壳，所述叶轮机壳通过轴承支座安装有设置于所述叶轮机壳内部的轮轴，所述轮轴上固定安装有均布三至六片叶片的叶轮，所述叶片的形状为圆弧凹面，所述轮轴外端通过齿轮传动机构连接有发电机；所述叶轮机壳内壁在所述楔形体收缩波道的出口下方嵌装有用于防止所述叶轮逆向旋转的止回装置。\n[0013] 所述叶片的圆弧凹面的圆弧半径为R， 其中，r为所述叶轮机\n壳的内径，α为所述楔形体收缩波道下坡面的水平夹角，β为所述叶轮轴心到所述叶轮机壳与所述楔形体收缩波道下坡面交点连线的水平夹角。\n[0014] 所述止回装置包括一端通过销轴连接于所述叶轮机壳的止回棘爪，所述止回棘爪中部连接有另一端固定在所述叶轮机壳的止回弹簧。\n[0015] 本发明的有益效果是：\n[0016] (一)本发明的浮箱有效利用自身结构产生的浮力，不仅承担了自身的重力、节省了稳定结构所需的材料，而且随着潮位的变化可以及时的、自动的调节自身高程，使得装置具备工作效率较高，自适性强，灵活性大等特点。\n[0017] (二)本装置的主体部分在简便拆分之后可以灵巧的移动，方便保养、维修和重新布置，从而使本装置又具有使用寿命长，可回收再次利用，节约成本等特点。\n[0018] (三)本发明的齿轮箱升降稳定系统设计灵巧、结构简单、拆卸方便，其中的止动齿轮更能够自动平衡波浪的扬压力对浮箱的扰动，维护简单、稳定性较高、可靠性强。\n[0019] (四)本发明中的波能收集转化装置能量收集率和转化率较高，排水管道的设计保证工作室内多余水量的排出，有利于整个装置连续工作及其安全性。\n[0020] (五)本发明的波能收集转化装置采用齿轮传动机构实现机械能向电能的转换，齿轮传动平稳、传动比精确、工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。\n[0021] (六)本发明能够适应于不同海区和多种海况条件，可进一步提高效率，具有较高的灵活性、自动性、可维护性、可回收利用性，使得高效率开发利用海洋波浪能成为可能。\n附图说明\n[0022] 图1是本发明的随潮位自动升降的跃浪叶轮式波能发电装置的剖面结构示意图；\n[0023] 图2是本发明的随潮位自动升降的跃浪叶轮式波能发电装置的立体外观示意图；\n[0024] 图3是本发明中的齿轮箱升降稳定系统的结构示意图；\n[0025] 图4是图3中止动插销的局部放大图；\n[0026] 图5是本发明的波能收集转化装置的剖面结构示意图；\n[0027] 图6是的波能收集转化装置中齿轮传动机构的结构示意图；\n[0028] 图7是叶轮上叶片凹面的圆弧半径计算方法的示意图；\n[0029] 图8是图5中止回装置的局部放大图。\n[0030] 图中：1：楔形体收缩波道；\n[0031] 2：波能收集转化装置，21：四叶式叶轮，22：轮轴，23：叶轮机壳，24：止回弹簧，25：\n止回棘爪，26：主动齿轮，27：从动齿轮，28：发电机，29：发电机基座；\n[0032] 3：排水管道；4：排水口；5：桩柱套；\n[0033] 6：齿轮箱升降稳定系统，61：升程齿条，62：齿轮箱，63：升程齿轮，64：止动齿轮，\n65：止动插销，651：插头，652：止动弹簧，653：插销槽；\n[0034] 7：桩柱；8：浮箱；9：基岩。\n具体实施方式\n[0035] 如图1和图2所示，本实施例披露了一种随潮位自动升降的跃浪叶轮式波能发电装置，包括楔形体收缩波道1、波能收集转化装置2、排水管道3、浮箱8及相关结构、齿轮箱升降稳定系统6。其中，波能收集转化装置2是将蓄集之后的波浪转化为其它形式能量的装置。波能收集转化装置2安装在浮箱8内，在面向跃浪一面的斜上部设置入水口，入水口连接有楔形体收缩波道1，斜下部设置有出水口，出水口连接排水管道3。\n[0036] 浮箱8是一个上表面具有斜坡面的箱体，除提到的楔形体收缩波道1和排水管道\n3的出水口4外，其余部分设计为密封结构。因此，浮箱8与波能收集转换装置2形成一个不透水舱体，不仅为本发电装置及其他附属装置提供足够大的浮力来平衡重力作用，而且不论潮位如何变化装置，都可以自动随着潮位调节自身高程使得装置的吃水深度不会发生较大改变，从而保证发电装置可以持续的处于较高的发电工况。\n[0037] 楔形体收缩波道1设置在浮箱8表面的斜坡面上，其入口用于导入波浪，其出口与波能收集转化装置2连通。楔形体收缩波道1设置上宽下窄的楔形截面，同时波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断被放大，直至波峰溢到波能收集转化装置2内，这样楔形体收缩波道1汇聚具有水位落差的有效水量至波能收集转化装置2，在水动力作用下将波浪能转换成机械能。\n[0038] 排水管道3一端与波能收集转化装置2的出水口连通，另一端与设置在浮箱8前端的排水口4连通，从而与海水环境相通。由于楔形体收缩波道1对波能收集转化装置2具有持续的水量供给，为了让波能收集转化装置2内水量保持在安全有效的工作状态，通过排水管道3进行水量的实时排放，使波能收集转化装置2能够顺畅地进行水体循环。\n[0039] 浮箱8的底面均布有四个桩柱孔，四个桩柱孔分别位于底面形心点与其四个角点的连线上，距离形心点为同一长度的位置，每个桩柱孔内分别穿插有桩柱7。桩柱7底部固定于基岩9中，上部通过桩柱孔伸入到浮箱8内部。浮箱8内在桩柱孔之上安装有桩柱套\n5，桩柱套5的底部是与浮箱8密封固定的。因此，桩柱7上部分别伸入到对应地桩柱套5中，桩柱套5的顶部如果能够保持在海面之上，则不需要顶部封闭；否则桩柱套5顶部需要设计为封闭的。桩柱7和桩柱套5限制浮箱8在水平面上的移动，使得浮箱8只能沿着桩柱7竖直上下移动。\n[0040] 桩柱套5上还安装有齿轮箱升降稳定系统6，如图3所示，齿轮箱升降稳定系统6包括齿轮箱62、升程齿轮63和升程齿条61。齿轮箱62与桩柱套5通过螺栓密封连接，内部安装有升程齿轮63，升程齿条61镶嵌于桩柱7上与其成为整体，升程齿轮63与升程齿条\n61紧密啮合。\n[0041] 另外，浮箱8内还可以设置止动齿轮64，止动齿轮64与升程齿轮63同轴连接，止动齿轮64上设置有止动插销65。结合如图4所示，止动插销65包括插销槽653，插销槽\n653内设置止动弹簧652并对插头651限位，止动弹簧652连接有插头651，插头651的前端嵌在到止动齿轮64的轮齿之间。\n[0042] 升程齿轮63的转动带动同轴的止动齿轮64同方向转动，因为止动齿轮64发生转动需要压缩止动插销65，而插头651的收缩受到止动弹簧652弹力的限制，所以升程齿轮\n63旋转时必然要客克服止动弹簧652产生的阻力。因此当水位微小波动时，齿轮箱升降稳定系统6使得本发明装置具备一定的自锁能力，增强了本装置工作的稳定性。\n[0043] 如图5所示，本实施例中所提供的波能收集转化装置2与在公开号为\nCN102287313A中已经公开的“跃浪叶轮式波能转换装置”相同，具体结构如下，波能收集转化装置2包括叶轮机壳23，叶轮机壳23的轴心设置有轮轴22，轮轴22通过轴承支座与叶轮机壳23相连接。叶轮机壳23内部设置有固定在轮轴22上的四叶式叶轮21，四叶式叶轮\n21与轮轴22之间最好通过键连接。\n[0044] 具体地，四叶式叶轮21上设置有四片相互间呈90°，并环绕中心柱一周同向分布的叶片，使得叶轮机壳21内部形成四个均匀的空腔。叶片是圆弧形的凹面，凹面的圆弧与楔形体收缩波道1的下壁面相切，并通过四叶式叶轮1轴心。如图6所示，凹面的圆弧半径为R， 其中，r为叶轮机壳21内径；α为楔形体收缩波道1下壁面的\n水平夹角；β为四叶式叶轮1轴心到叶轮机壳4与楔形体收缩波道1下壁面交点连线的水平夹角。\n[0045] 叶片的这种圆弧凹面设计，使得进入工作室的水量在装置工作过程中有机会瞬时暂留在叶片表面上，从而使四叶式叶轮1转动惯性变大，有利于提高波能转化率。根据跃浪频率的不同，叶轮上的叶片一般在三至六片的范围内选择。叶轮需采用耐腐蚀钢材或高强度树脂材料制作。\n[0046] 如图7所示，叶轮机构和发电机28通过齿轮传动机构前后设置，实现机械能向电能的转换，利用发电机28将电能输出，从而实现了波能向电能的高效转换。具体地，轮轴22的后端套接安装有主动齿轮26，主动齿轮26啮合有从动齿轮27，从动齿轮27安装在发电机28上，发电机28固定于发电机基座29。主动齿轮26和从动齿轮27之间传递叶轮机构和发电机28之间的运动和动力，齿轮传动平稳、传动比精确、工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。\n[0047] 另外，叶轮机壳23内壁还设置有止回装置，止回装置用于防止四叶式叶轮21逆向旋转。止回装置可以具体是如图8所示的结构，包括止回弹簧24和止回棘爪25。止回棘爪\n25嵌装在叶轮机壳23内壁，其一端通过销轴固定于叶轮机壳23，销轴的轴心位置位于叶轮机壳23的进水口下方，也就是楔形体收缩波道1的出口下方。止回棘爪25中部设置有凹槽，对应位置的叶轮机壳23内壁也设置有凹槽；止回弹簧24采用压簧形式，其两端分别镶嵌在止回棘爪25和叶轮机壳23的凹槽内。止回棘爪25的形状类似于倒置的逗号形状，并且为了增加强度，在其尾部增加宽度。\n[0048] 止回弹簧24在自然状态下，会将止回棘爪25顶出而稍高于叶轮机壳23内壁面；\n当四叶式叶轮21正向转动时，止回棘爪25可以被旋转的叶片顶回叶轮机壳23内壁中，止回弹簧24同时被压缩；一旦四叶式叶轮21发生逆向旋转，则距离楔形体收缩波道1下壁面最近的那个叶片将会被止回棘爪25挡住而无法继续回转，从而达到制止四叶式叶轮21逆转的目的。当止回棘爪25挡住叶片时，叶片刚好与楔形体收缩波道1下壁面相切，由此可以确定止回棘爪25轴心的具体位置。\n[0049] 本发明装置通过楔形体收缩波道1将波浪导入四叶式叶轮21结构形成的空腔中，利用跃浪水体产生的冲击动力和能量，同时借助于确保四叶式叶轮21连续同向旋转的止回装置，从而推动四叶式叶轮21同向连续旋转，方便地实现机械能向电能的高效转换。\n[0050] 本发明的工作原理是：将波能收集转化系统2安装于特有的浮箱8上，利用波能收集转化系统2和浮箱8形成的不透水舱体所产生的浮力来平衡发电装置和相关附属设施的重力。在水位发生较大变化时，浮箱8可以随着水位变化而自动上下调整自身高程，使得波能发电装置可以持续处于较高的发电工况；浮箱8由四根固定在海底基岩9中的桩柱7来平衡其在水平面方向上所受到的潮流和波浪的推力，保证浮箱8只能在沿桩柱套5方向上竖直移动。齿轮箱升降稳定系统6内部每个升程齿轮63的前后转动都需要较大的转动力，来克服止动齿轮63旋转时由于压缩止动插销65而受到的阻力。所以此部分阻力可以被用来平衡波浪正常起伏时对浮箱系统底部产生的扬压力，使得浮箱系统在水位微小波动时具备一定的自锁能力，可保持自身静止状态，进一步提高本发明装置的稳定性。综上所述，本发电装置可以布置于不同海区，适应多种海况条件，并且具备可随潮位的起伏自动、稳定的调节高程以保证发电效率的功能。\n[0051] 尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。