一種全封閉型波浪發(fā)電裝置的機械設計

梁富琳，陳遠明

LIANG Fu-lin, CHEN Yuan-ming

（華南理工大學 土木與交通學院，廣州 510641）

0 引言

隨著世界經濟的發(fā)展、人口的激增、社會的進步，人類對能源的需求日益增長。為了解決能源的日益緊缺和環(huán)境日趨嚴峻等問題，各國都爭相發(fā)展可再生能源[1]。波浪發(fā)電就是一個剛起步比較熱門的項目，但目前的波浪發(fā)電裝置在利用波浪能的同時很少考慮到兼顧利用風能的作用，另一方面，現(xiàn)有的波浪發(fā)電裝置其核心部件都是直接浸泡在海水中，很難克服海水的腐蝕和風暴的襲擊[2,3]。目前，波浪發(fā)電技術還不夠成熟，還沒有能長時間投入實際使用的有效裝置，究其原因，其根本在于需要解決現(xiàn)有波浪發(fā)電裝置易腐蝕、難維護、對環(huán)境波浪條件適應性差、易受風暴破壞等問題[4～6]。本文設計了一種可同時利用任意角度和方向的波浪能和風能的全封閉型發(fā)電裝置。該裝置的發(fā)電主體機構不接觸海水，防腐能力強、抗破壞能力好，現(xiàn)場安裝投放方便，能夠適應任意潮位、地形和海況條件。

1 裝置的外部結構

全封閉型波浪發(fā)電裝置的外部結構如圖1所示，由具有封閉內腔的浮體、設置于浮體上部的受風翼和連接所述浮體下端的錨鏈及錨泊設備組成。

整個裝置通過錨泊設備固定在海底，主浮體部分漂浮于水面，所述受風翼為四片，呈輻射狀對稱設置于浮體上部，可有效收集來自各個方向的風能。裝置在風力和波浪力的擾動下做搖擺、升沉運動，從而激勵內部發(fā)電主體進行發(fā)電。

2 裝置的內部結構

圖1 裝置外部結構示意圖

圖2 裝置剖視結構示意圖

裝置的剖視圖如圖2、圖3所示，裝置內腔由上而下依次固定有相連接的彈簧振子、四組搖桿裝置、傳動機構和發(fā)電機，所述彈簧振子通過彈簧連接在浮體的內壁上且能左右、前后、上下擺動，所述搖桿裝置吸收彈簧振子的振蕩能量并通過傳動機構將彈簧振子朝各個方向擺動時的動能輸出為單向轉動動能驅動發(fā)電機發(fā)電。本方案通過設置彈簧振子及傳動機構，將浮體受波浪能和/或風能作用下的各種形式的運動轉化為軸的單一方向的轉動，從而驅動發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)對波浪能和風能的綜合高效利用。

圖3 A-A向剖視示意圖

圖4為波浪發(fā)電裝置去掉外殼后的內部結構三維示意圖。從圖中可以看到，所述彈簧振子包括重球13、對稱地水平連接于重球和浮體內壁之間的四根水平彈簧14、沿重球豎直中心線方向設置的上彈簧15和下彈簧16，所述上彈簧連接設置于重球頂部和浮體內腔頂壁之間，下彈簧連接設置于重球底部和浮體內腔底部之間，所述四根水平彈簧呈十字形布置在同一空間水平面上且每根水平彈簧的軸線均指向重球的球心。所述彈簧振子通過采用設置多個彈簧，將重球置于內腔中部的機構，波浪能和風能使浮體左右搖擺或上下沉浮時，使彈簧振子產生振蕩動能，作為搖桿裝置搖擺的動力。

圖4 裝置去掉外殼的內部立體結構示意圖

3 搖桿裝置的設計

圖5 其中一組搖桿裝置結構示意圖

圖6 差動齒輪箱內部結構示意圖

搖桿裝置如圖5所示。四組搖桿裝置以浮體的垂直中心軸為對稱軸對稱地豎直設置在重球與浮體內壁之間，每組搖桿裝置均包括垂直搖桿軸18、水平搖桿軸19、差動齒輪箱20、單向超越離合器組21、可伸縮搖桿22、萬向接頭23、軸承24和軸承座25、弧形連桿26。所述單向超越離合器組包括第一單向超越離合器21(a)、第二單向超越離合器21(b)、第三單向超越離合器21(c)，所述差動齒輪箱如圖6所示，內設有定軸圓錐齒輪組27和行星圓錐齒輪組28，所述定軸圓錐齒輪組包括豎直相對的第一定軸圓錐齒輪27(a)和第二定軸圓錐齒輪27(b)，所述行星圓錐齒輪組包括水平相對的第一行星圓錐齒輪28(a)和第二行星圓錐齒輪28(b)，每個定軸圓錐齒輪均和兩個行星圓錐齒輪同時嚙合，所述垂直搖桿軸包括上垂直搖桿軸18(a)和下垂直搖桿軸18(b)，上垂直搖桿軸的下端與第一定軸圓錐齒輪相連接，同時其上部通過軸承和軸承座固定在浮體的內壁上，所述下垂直搖桿軸上端與第二定軸圓錐齒輪相連接，其下端通過第三單向超越離合器與傳動機構相連接，所述水平搖桿軸包括第一水平搖桿軸19(a)和第二水平搖桿軸19(b)，第一水平搖桿軸一端與第一行星圓錐齒輪相連接，另一端與第一單向超越離合器相連接，第二水平搖桿軸一端與第二行星圓錐齒輪相連接，另一端與第二單向超越離合器相連接，所述弧形連桿26連接于第一單向超越離合器和第二單向超越離合器之間，所述可伸縮搖桿22的一端通過萬向接頭與重球相連接，另一端與弧形連桿中部固定連接。通過設置單向超越離合器組及搖桿裝置和差動齒輪箱等，無論浮體在波浪能和風能的單獨作用或混合作用下如何有規(guī)律或無規(guī)律的左右擺動和/或上下沉浮，搖桿裝置都能將彈簧振子各個方向的擺動動能轉化為單一方向的轉動動能提供給傳動系統(tǒng)以驅動發(fā)電機按固定轉向轉動發(fā)電，實現(xiàn)對波浪能和風能的充分利用。

在發(fā)電裝置彈簧振子震蕩過程中，當重球帶動圖5中的可伸縮搖桿22向上運動時，第一單向超越離合器21(a)合緊傳動，第二單向超越離合器21(b)分離不傳動；當所述可伸縮搖桿22向下運動時，則相反，第一單向超越離合器21(a)分離不傳動，第二單向超越離合器21(b)合緊傳動。上述不管哪種情況，經過圖6所示的差動齒輪箱的傳動后，輸出軸也就是下垂直搖桿軸18(b)始終做順時針轉動（由上往下看）。另外，在下垂直搖桿軸18(b)和垂直傳動軸17連接部位處安裝的第三單向超越離合器21(c)的作用是：當重球13做左右前后運動使可伸縮搖桿22做水平面運動時，特別當可伸縮搖桿22通過水平搖桿軸19牽動所述行星圓錐齒輪組28做順時針公轉時（由上往下看），所述行星圓錐齒輪組28也帶動所述定軸圓錐齒輪組27做順時針旋轉，此時，所述第三單向超越離合器21(c)合緊傳動，使所述垂直傳動軸17還是始終做順時針旋轉；反之，所述行星圓錐齒輪組28逆時針公轉并帶動所述定軸圓錐齒輪組27逆時針轉動時，第三單向超越離合器21(c)分離不傳動，不影響所述垂直傳動軸17原來的順時針轉動。因此不管所述可伸縮搖桿22在水平面往哪個方向搖擺，只會驅動所述垂直傳動軸17始終做順時針旋轉。由于具有四個相同的所述搖桿裝置，它們對于彈簧振子的動力吸收具有互補性和軸對稱性，因此不管所述重球13往上下左右前后哪個方向運動，總能驅動一組或多組所述搖桿裝置，使各個搖桿裝置對應的四根垂直傳動軸17始終做順時針轉動（由上往下看）。

四根垂直傳動軸再經過傳動機構把動力最終傳送給發(fā)電機發(fā)電。如圖4所示，所述傳動機構包括四個角傳動齒輪箱6、四根水平傳動軸7、位于重球正下方且具有四個輸入端和一個輸出端的四軸輸入齒輪箱8、總傳動軸9、變速箱10、慣性輪11。四根垂直傳動軸，每根垂直傳動軸上端連接第三單向超越離合器，下端依次通過角傳動齒輪箱、水平傳動軸與四軸輸入齒輪箱的一個輸入端相連接，所述四軸輸入齒輪箱的輸出端通過總傳動軸依次連接變速箱、慣性輪和發(fā)電機。

如圖7所示，四軸輸入齒輪箱內部設有四個對稱設置的小錐齒輪29和一個大錐齒輪30，四個小錐齒輪的旋轉中心位于同一水平面且呈十字形分布，所述大錐齒輪同時與四個小錐齒輪相嚙合且與各個小錐齒輪的旋轉中心所在平面垂直。四個小錐齒輪將來自不同搖桿裝置的機械能傳至大錐齒輪，無論彈簧振子朝哪個方向擺動，搖桿裝置獲取的機械能均能由小錐齒輪推動大錐齒輪按固定轉向轉動。

需要注意的是，所述變速箱與發(fā)電機之間的連接軸上設置有慣性輪11，其作用為利用慣性輪的轉動慣量大來吸收儲存裝置受大風浪沖擊時產生的多余能量，同時也作為系統(tǒng)的動力匹配，使所述發(fā)電機轉速更穩(wěn)定，從而降低電力輸出的波動。

圖7 四軸輸入齒輪箱內部結構示意圖

另外補充說明下，浮體的內腔由上而下包括搖桿腔、發(fā)電腔，所述搖桿腔和發(fā)電腔之間設置有用于固定四軸輸入齒輪箱的第一帶孔隔板，所述發(fā)電腔內還設置用于固定變速箱的第二帶孔隔板，從而起到簡化結構復雜度、便于安裝的目的。重球表面、浮體內壁、四軸輸入齒輪箱頂面均設置有用于安裝彈簧的掛環(huán)，便于彈簧的安裝及更換。

4 結束語

本文設計了一種可同時利用任何角度和方向的波浪能和風能的全封閉型發(fā)電裝置，該裝置與現(xiàn)有波浪發(fā)電裝置相比，具有以下優(yōu)點：

1）既可以利用波浪的擾動進行發(fā)電，也可以利用風的擾動進行發(fā)電。

2）能吸收任意角度和方向的波浪能和風能，對浪向、風向不敏感，不管裝置里面的重球做上下左右還是前后的運動都能驅動發(fā)電機往同一方向旋轉發(fā)電。

3）通過全封閉外殼把發(fā)電主體部件密封起來與海水隔離，提高抗腐蝕和抗風暴破壞能力，大大提高工作壽命，降低維護成本。

4）集強耐久性與高可靠性為一體，現(xiàn)場安裝投放方便，能夠適應任意潮位、地形和海況條件。

[1]陳韋,余順年,詹立壘,鐘啟茂.波浪能發(fā)電技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].能源與環(huán)境,2014,(3):83-84.

[2]任建莉,鐘英杰,張雪梅,徐璋.海洋波能發(fā)電的現(xiàn)狀與前景[J].浙江工業(yè)大學學報,2006,34(1):69-73.

[3]肖惠民,于波,蔡維由.世界海洋波浪能發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].水電與新能源,2011,(1):67-69.

[4]沈利生,張育賓.海洋波浪能發(fā)電技術的發(fā)展與應用[J].能源研究與管理,2010,(4):55-58.

[5]邱守強.擺式波能轉換裝置研究[D].廣州:華南理工大學,2013.

[6]彭建軍.振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置水動力性能研究[D].濟南:山東大學,2014.