一种全封闭型波浪发电装置的机械设计

梁富琳，陈远明

LIANG Fu-lin, CHEN Yuan-ming

（华南理工大学 土木与交通学院，广州 510641）

0 引言

随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，人类对能源的需求日益增长。为了解决能源的日益紧缺和环境日趋严峻等问题，各国都争相发展可再生能源[1]。波浪发电就是一个刚起步比较热门的项目，但目前的波浪发电装置在利用波浪能的同时很少考虑到兼顾利用风能的作用，另一方面，现有的波浪发电装置其核心部件都是直接浸泡在海水中，很难克服海水的腐蚀和风暴的袭击[2,3]。目前，波浪发电技术还不够成熟，还没有能长时间投入实际使用的有效装置，究其原因，其根本在于需要解决现有波浪发电装置易腐蚀、难维护、对环境波浪条件适应性差、易受风暴破坏等问题[4～6]。本文设计了一种可同时利用任意角度和方向的波浪能和风能的全封闭型发电装置。该装置的发电主体机构不接触海水，防腐能力强、抗破坏能力好，现场安装投放方便，能够适应任意潮位、地形和海况条件。

1 装置的外部结构

全封闭型波浪发电装置的外部结构如图1所示，由具有封闭内腔的浮体、设置于浮体上部的受风翼和连接所述浮体下端的锚链及锚泊设备组成。

整个装置通过锚泊设备固定在海底，主浮体部分漂浮于水面，所述受风翼为四片，呈辐射状对称设置于浮体上部，可有效收集来自各个方向的风能。装置在风力和波浪力的扰动下做摇摆、升沉运动，从而激励内部发电主体进行发电。

2 装置的内部结构

图1 装置外部结构示意图

图2 装置剖视结构示意图

装置的剖视图如图2、图3所示，装置内腔由上而下依次固定有相连接的弹簧振子、四组摇杆装置、传动机构和发电机，所述弹簧振子通过弹簧连接在浮体的内壁上且能左右、前后、上下摆动，所述摇杆装置吸收弹簧振子的振荡能量并通过传动机构将弹簧振子朝各个方向摆动时的动能输出为单向转动动能驱动发电机发电。本方案通过设置弹簧振子及传动机构，将浮体受波浪能和/或风能作用下的各种形式的运动转化为轴的单一方向的转动，从而驱动发电机发电，实现对波浪能和风能的综合高效利用。

图3 A-A向剖视示意图

图4为波浪发电装置去掉外壳后的内部结构三维示意图。从图中可以看到，所述弹簧振子包括重球13、对称地水平连接于重球和浮体内壁之间的四根水平弹簧14、沿重球竖直中心线方向设置的上弹簧15和下弹簧16，所述上弹簧连接设置于重球顶部和浮体内腔顶壁之间，下弹簧连接设置于重球底部和浮体内腔底部之间，所述四根水平弹簧呈十字形布置在同一空间水平面上且每根水平弹簧的轴线均指向重球的球心。所述弹簧振子通过采用设置多个弹簧，将重球置于内腔中部的机构，波浪能和风能使浮体左右摇摆或上下沉浮时，使弹簧振子产生振荡动能，作为摇杆装置摇摆的动力。

图4 装置去掉外壳的内部立体结构示意图

3 摇杆装置的设计

图5 其中一组摇杆装置结构示意图

图6 差动齿轮箱内部结构示意图

摇杆装置如图5所示。四组摇杆装置以浮体的垂直中心轴为对称轴对称地竖直设置在重球与浮体内壁之间，每组摇杆装置均包括垂直摇杆轴18、水平摇杆轴19、差动齿轮箱20、单向超越离合器组21、可伸缩摇杆22、万向接头23、轴承24和轴承座25、弧形连杆26。所述单向超越离合器组包括第一单向超越离合器21(a)、第二单向超越离合器21(b)、第三单向超越离合器21(c)，所述差动齿轮箱如图6所示，内设有定轴圆锥齿轮组27和行星圆锥齿轮组28，所述定轴圆锥齿轮组包括竖直相对的第一定轴圆锥齿轮27(a)和第二定轴圆锥齿轮27(b)，所述行星圆锥齿轮组包括水平相对的第一行星圆锥齿轮28(a)和第二行星圆锥齿轮28(b)，每个定轴圆锥齿轮均和两个行星圆锥齿轮同时啮合，所述垂直摇杆轴包括上垂直摇杆轴18(a)和下垂直摇杆轴18(b)，上垂直摇杆轴的下端与第一定轴圆锥齿轮相连接，同时其上部通过轴承和轴承座固定在浮体的内壁上，所述下垂直摇杆轴上端与第二定轴圆锥齿轮相连接，其下端通过第三单向超越离合器与传动机构相连接，所述水平摇杆轴包括第一水平摇杆轴19(a)和第二水平摇杆轴19(b)，第一水平摇杆轴一端与第一行星圆锥齿轮相连接，另一端与第一单向超越离合器相连接，第二水平摇杆轴一端与第二行星圆锥齿轮相连接，另一端与第二单向超越离合器相连接，所述弧形连杆26连接于第一单向超越离合器和第二单向超越离合器之间，所述可伸缩摇杆22的一端通过万向接头与重球相连接，另一端与弧形连杆中部固定连接。通过设置单向超越离合器组及摇杆装置和差动齿轮箱等，无论浮体在波浪能和风能的单独作用或混合作用下如何有规律或无规律的左右摆动和/或上下沉浮，摇杆装置都能将弹簧振子各个方向的摆动动能转化为单一方向的转动动能提供给传动系统以驱动发电机按固定转向转动发电，实现对波浪能和风能的充分利用。

在发电装置弹簧振子震荡过程中，当重球带动图5中的可伸缩摇杆22向上运动时，第一单向超越离合器21(a)合紧传动，第二单向超越离合器21(b)分离不传动；当所述可伸缩摇杆22向下运动时，则相反，第一单向超越离合器21(a)分离不传动，第二单向超越离合器21(b)合紧传动。上述不管哪种情况，经过图6所示的差动齿轮箱的传动后，输出轴也就是下垂直摇杆轴18(b)始终做顺时针转动（由上往下看）。另外，在下垂直摇杆轴18(b)和垂直传动轴17连接部位处安装的第三单向超越离合器21(c)的作用是：当重球13做左右前后运动使可伸缩摇杆22做水平面运动时，特别当可伸缩摇杆22通过水平摇杆轴19牵动所述行星圆锥齿轮组28做顺时针公转时（由上往下看），所述行星圆锥齿轮组28也带动所述定轴圆锥齿轮组27做顺时针旋转，此时，所述第三单向超越离合器21(c)合紧传动，使所述垂直传动轴17还是始终做顺时针旋转；反之，所述行星圆锥齿轮组28逆时针公转并带动所述定轴圆锥齿轮组27逆时针转动时，第三单向超越离合器21(c)分离不传动，不影响所述垂直传动轴17原来的顺时针转动。因此不管所述可伸缩摇杆22在水平面往哪个方向摇摆，只会驱动所述垂直传动轴17始终做顺时针旋转。由于具有四个相同的所述摇杆装置，它们对于弹簧振子的动力吸收具有互补性和轴对称性，因此不管所述重球13往上下左右前后哪个方向运动，总能驱动一组或多组所述摇杆装置，使各个摇杆装置对应的四根垂直传动轴17始终做顺时针转动（由上往下看）。

四根垂直传动轴再经过传动机构把动力最终传送给发电机发电。如图4所示，所述传动机构包括四个角传动齿轮箱6、四根水平传动轴7、位于重球正下方且具有四个输入端和一个输出端的四轴输入齿轮箱8、总传动轴9、变速箱10、惯性轮11。四根垂直传动轴，每根垂直传动轴上端连接第三单向超越离合器，下端依次通过角传动齿轮箱、水平传动轴与四轴输入齿轮箱的一个输入端相连接，所述四轴输入齿轮箱的输出端通过总传动轴依次连接变速箱、惯性轮和发电机。

如图7所示，四轴输入齿轮箱内部设有四个对称设置的小锥齿轮29和一个大锥齿轮30，四个小锥齿轮的旋转中心位于同一水平面且呈十字形分布，所述大锥齿轮同时与四个小锥齿轮相啮合且与各个小锥齿轮的旋转中心所在平面垂直。四个小锥齿轮将来自不同摇杆装置的机械能传至大锥齿轮，无论弹簧振子朝哪个方向摆动，摇杆装置获取的机械能均能由小锥齿轮推动大锥齿轮按固定转向转动。

需要注意的是，所述变速箱与发电机之间的连接轴上设置有惯性轮11，其作用为利用惯性轮的转动惯量大来吸收储存装置受大风浪冲击时产生的多余能量，同时也作为系统的动力匹配，使所述发电机转速更稳定，从而降低电力输出的波动。

图7 四轴输入齿轮箱内部结构示意图

另外补充说明下，浮体的内腔由上而下包括摇杆腔、发电腔，所述摇杆腔和发电腔之间设置有用于固定四轴输入齿轮箱的第一带孔隔板，所述发电腔内还设置用于固定变速箱的第二带孔隔板，从而起到简化结构复杂度、便于安装的目的。重球表面、浮体内壁、四轴输入齿轮箱顶面均设置有用于安装弹簧的挂环，便于弹簧的安装及更换。

4 结束语

本文设计了一种可同时利用任何角度和方向的波浪能和风能的全封闭型发电装置，该装置与现有波浪发电装置相比，具有以下优点：

1）既可以利用波浪的扰动进行发电，也可以利用风的扰动进行发电。

2）能吸收任意角度和方向的波浪能和风能，对浪向、风向不敏感，不管装置里面的重球做上下左右还是前后的运动都能驱动发电机往同一方向旋转发电。

3）通过全封闭外壳把发电主体部件密封起来与海水隔离，提高抗腐蚀和抗风暴破坏能力，大大提高工作寿命，降低维护成本。

4）集强耐久性与高可靠性为一体，现场安装投放方便，能够适应任意潮位、地形和海况条件。

[1]陈韦,余顺年,詹立垒,钟启茂.波浪能发电技术研究现状与发展趋势[J].能源与环境,2014,(3):83-84.

[2]任建莉,钟英杰,张雪梅,徐璋.海洋波能发电的现状与前景[J].浙江工业大学学报,2006,34(1):69-73.

[3]肖惠民,于波,蔡维由.世界海洋波浪能发电技术的发展现状与前景[J].水电与新能源,2011,(1):67-69.

[4]沈利生,张育宾.海洋波浪能发电技术的发展与应用[J].能源研究与管理,2010,(4):55-58.

[5]邱守强.摆式波能转换装置研究[D].广州:华南理工大学,2013.

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