專利名稱：陀螺定向的海浪采能裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于海浪發(fā)電裝置，具體是涉及利用漂浮在表層海水上，在海浪作用下作起伏運動的浮筒與淺層海水間、豎直方向的相對往復運動，驅動螺旋槳單向旋轉，陀螺定向的海浪采能裝置。
背景技術：
隨著世界經濟的發(fā)展，社會的進步和人們對能源的需求日益增長；傳統(tǒng)能源正逐步趨于枯竭，因使用傳統(tǒng)能源產生的溫室氣體也已經給人類造成了許多災難；因此，各國都在努力地開展新能源方面的研究。除了利用風能、太陽能、地熱能等資源外，由于海洋動能 (如海浪、洋流、潮汐等)有著蘊藏量大、可再生、無污染等特點，是人們夢寐以求的清潔能源；特別是海浪發(fā)電正在蓬勃興起，成為各國競相開發(fā)的一種新能源。早在上世紀初，法國發(fā)明家就開始尋求利用海浪發(fā)電的方法；日本后來居上，1964 年首次研制成了世界上第一個用海浪發(fā)電點燃的航標燈，盡管電能只有60瓦，但是開創(chuàng)了人類利用海浪電能的新紀元。之后，世界上許多國家，如英國、日本、美國、加拿大、芬蘭、丹麥、法國、以色列等都在研究和試驗海浪發(fā)電，并相繼提出了上千種發(fā)電裝置設計方案。隨著研究和開發(fā)的深入，海浪發(fā)電開始從小型化走向中、大型化，人們正急于從試驗階段進入商業(yè)化運營階段。但是，反復無常、千變萬化的海洋環(huán)境，使現有發(fā)電設備穩(wěn)定性和耐久性尚不能盡如人意；其次，海浪發(fā)電站建設、維護和管理成本較高；而采能效率不高也是制約當今海浪發(fā)電發(fā)展的一個重要方面；由于海浪的穩(wěn)定性和能量采集裝置設計的不合理導致轉換裝置經常處于非設計工況，使有限的能流密度的轉換效率很低，導致發(fā)電成本進一步加大，因此提高波能利用率，降低波能采集的成本始終是海浪發(fā)電研究的目標和難點。目前世界上相對成熟的主流海浪發(fā)電裝置，多數直接建造在海岸上或直接與近岸海底相連接，而不直接與海岸或近海海底相關聯發(fā)電裝置甚為少見，能夠有效發(fā)電的就更是難尋；直接建造在海岸上或直接與近岸海底相連接的海浪發(fā)電裝置如果大量出現在海岸上，對于沿岸的自然環(huán)境將是一個巨大的破壞，對沿岸生態(tài)平衡也將是一大挑戰(zhàn)，我們決不能尚未走出傳統(tǒng)能源的污染，又走進破壞自然生態(tài)和環(huán)境的怪圈。直接建造在海岸上海浪發(fā)電裝置，因適應潮汐變化而增加的工程量巨大，造成電站建造投資的大幅度增加；直接與近岸海底相連接海浪發(fā)電裝置，一方面，為適應潮汐變化使采能裝置復雜化，進一步提高了成本，另一方面，利用與海底間的相對運動的裝備，難以抵御強風暴和異常環(huán)境條件的沖擊。由于研究方向一直在海岸和近岸海底間周旋。這就使海浪發(fā)電研究一直沒有什么大的突破，也是海浪能的利用仍然落后于風能和潮汐能利用的根本原因。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提供一種陀螺定向的海浪采能裝置，以彌補已有技術的不足。
本發(fā)明的另一目的是提供一種便于組合的、小型的海浪采能裝置(單體)，以實現根據需要的發(fā)電量靈活地聯合成一定規(guī)模的電站。本發(fā)明是利用表層海水作起伏運動的海浪上漂浮的浮筒及其與之連體、插入到淺層海水中的螺旋槳，與相對平靜的淺層海水間、在豎直方向的相對往復運動而驅動螺旋槳單向旋轉的陀螺定向的海浪采能裝置；本發(fā)明是一種直接將海浪垂直方向起伏能量轉換成旋轉動能、完全自動適應海洋復雜環(huán)境的海浪采能裝置，解決的主要技術問題一是，自然漂浮在海上的采能裝置在風浪作用下很容易發(fā)生傾覆，輕則影響采能效率，重則完全失去采能功效；本發(fā)明利用降低重心實現自然定向，又利用巨大的慣性輪作為陀螺實現強制定向，達到了維持豎直和提高抵御風暴能力之目的。二是，浮筒帶動螺旋槳上、下運動過程中，如果采用固定槳葉，螺旋槳的旋轉方向相反，在正傳和反轉變換過程中能量損失巨大；因此本發(fā)明把螺旋槳的槳葉專門設計成了菜刀形的柔性變向的槳葉，靜止狀態(tài)下槳葉處于中性面上，無論浮筒帶動螺旋槳上升還是下降，槳葉上產生的旋轉力矩都朝向刀背方向。三是，如果用單個螺旋槳在浮筒上產生的動力與螺旋槳的阻力間達成平衡，螺旋槳尺寸必須做得很大，而轉速就會很慢，變速箱的變比必須增加，其能量損失就會增大，螺旋槳自身的轉換效率也會降低；本發(fā)明采用在同一根轉桿(軸)上串聯兩個以上螺旋槳的方式，解決了上述問題；且使槳葉中性面與轉桿截面成一定角度，以減小螺旋槳間的相互影響。四是，考慮到螺旋槳上產生的旋轉力矩，在驅動齒輪箱帶動慣性輪旋轉的同時，也會使安裝慣性輪和發(fā)電機的浮筒旋轉，造成發(fā)電機殼體與電機軸同時旋轉而不能發(fā)電；本發(fā)明在浮筒的腰間增設了兩根，向兩側伸展與浮筒鉸鏈的扭桿，便于扭桿遠端固定在相對大地不動的物體上，以抑制浮筒旋轉，也有利于采能裝置在海上固定。一個浮筒就能組成一個發(fā)電單元或稱之為單體發(fā)電機組。考慮到降低發(fā)電成本擴大電站規(guī)模是非常必要的；只要將多個采能裝置的扭桿遠端首尾相連接，兩端以泊錨固定于海底(或采用其他固定模式)，就能聯合形成一個一定規(guī)模的電站。考慮到提高發(fā)電裝置的靈敏性和采能效率，采用柔性變向的螺旋槳葉，在浮筒以很低速度上下運動時，因槳葉扭轉角度較小，雖然不能在螺旋槳上獲得大的轉矩，卻能得到較高的旋轉速度，這是非常需要得到的螺旋槳的跟隨性能。該槳葉是菜刀形，刀把部分稱之為扭轉軸，各槳葉成輻射狀設置在槳座上，即槳葉與槳葉座間通過扭簧相連接，初始狀態(tài)時槳葉處于螺旋槳的中性面上，這就使得螺旋槳在延續(xù)慣性旋轉時的阻力最小，螺旋槳沿軸向運動時，槳葉在相對安裝座發(fā)生扭轉的同時，產生朝向刀背方向的扭矩，且槳葉扭轉角度隨著螺旋槳軸向力的增大而增大，產生的轉矩也隨之增加。本發(fā)明的具體結構如下本發(fā)明包括浮筒、與主動軸緊固為一體的棘輪，通過棘輪、棘舌與變速箱相連接， 變速箱的輸出端連接慣性輪，該慣性輪與發(fā)電機相連接，其特征在于還包括設置在浮筒底部的轉桿和固定在轉桿上的兩個以上的螺旋槳，以及安裝在浮筒上的兩只阻止浮筒隨慣性輪轉動的、且與浮筒鉸鏈的扭桿；上述變速箱、慣性輪和發(fā)電機設置安裝在浮筒之內，而轉桿上端與主動軸下端相接，所有螺旋槳串裝并緊固在轉桿上的中下部；且所述慣性輪與轉桿和螺旋槳的軸線相互重合；該浮筒漂浮在海面上處于海水的表層，轉桿和螺旋槳均處于淺層海水中；該浮筒經由扭桿上的繩索連接在相對大地靜止的物體上。所述的陀螺定向的海浪采能裝置，其特征是所述慣性輪與轉桿和螺旋槳的軸線相互重合；慣性輪就是實際意義上的陀螺；所述的螺旋槳上的槳葉總成沿漿座圓周均布，且螺旋槳是由槳葉總成、軸套和漿座構成，鑒于在多槳串聯狀態(tài)下，減小槳葉攪動起來的水流對相鄰螺旋槳的影響，使槳葉中性面與轉桿4的截面間成一定夾角，夾角在士30度之內。上述槳葉總成是由槳葉、槳葉座、扭簧構成；且扭簧套在槳葉的扭轉軸上，并有一端與之固定為一體，另一端固定在套在扭簧外的槳葉座上，扭簧在彈性變形范圍內，槳葉相對槳葉座至少能夠扭轉士60度。本發(fā)明上述技術方案的特點是本發(fā)明不與海岸和近海海底直接關聯，對海岸自然環(huán)境的影響較小。本發(fā)明漂浮在海面上，由于采用了陀螺強制定向使自身的工作姿態(tài)保持穩(wěn)定；同時完全能適應惡劣海洋環(huán)境，哪怕是在美洲的颶風中也能免遭傷害。本發(fā)明的螺旋槳在浮筒帶動下產生扭矩的方向相同，消除了機械換向損耗，提高了海浪能量的采集效率。本發(fā)明制造成本僅僅相當于同等功率的一套柴油發(fā)電機組的費用。本發(fā)明與海底或海岸不直接關聯，沒有龐大的基礎工程，不涉及現場維護與保養(yǎng)， 定期的維修保養(yǎng)工作可以像修船一樣安排在特定的船塢里；維修周期可定為2年。本發(fā)明具有結構簡單、制造成本極低、采能效率高、適應性強、可靠性高等特點，是一種極具實用價值海浪采能裝置。下面結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步詳細描述。


圖1.本發(fā)明立體結構示意圖。圖2.本發(fā)明總體結構剖示圖。圖3.本發(fā)明圖2的局部放大示意圖。圖4.本發(fā)明的螺旋槳結構示意圖。其中<A>螺旋槳主視圖 <B>立體結構示意5.本發(fā)明的槳葉總成結構示意圖。其中<A>槳葉總成立體結構示意圖<B>槳葉總成主視圖<C>槳葉總成局部剖視中1.浮筒2.螺旋槳3.變速箱4.轉桿5.慣性輪6.發(fā)電機7.主動軸 8.棘輪9.扭桿21.槳葉總成22.軸套23.槳座211.槳葉212.槳葉座213.扭簧。
具體實施例方式如圖1、圖2、圖3，本發(fā)明包括浮筒1、螺旋槳2、變速箱3、轉桿4、慣性輪5、發(fā)電機 6、主動軸7、棘輪8、扭桿9構成；與主動軸7緊固為一體的棘輪8，通過棘輪8、棘舌與變速箱3相連接，變速箱3的輸出端連接慣性輪5，該慣性輪5與發(fā)電機6相連接，其特征在于設置在浮筒1底部的轉桿4和固定在轉桿4上的兩個以上的螺旋槳2，以及安裝在浮筒1上的兩只阻止浮筒1隨慣性輪5轉動的、且與浮筒1鉸鏈的扭桿9 ；上述變速箱3、慣性輪5和發(fā)電機6安裝在浮筒1之內，固定在與浮筒下半截連體的安裝梁上，而轉桿4上端與主動軸7 下端相接，所有螺旋槳2串裝并緊固在轉桿4的中下部；且所述慣性輪5與轉桿4和螺旋槳 2的軸線相互重合；該浮筒1漂浮在海面上處于海水的表層，轉桿4和螺旋槳2均處于淺層海水中；該浮筒1經由扭桿9上的繩索連接在相對大地靜止的物體上。在海浪浮力和自身重力的作用下產生的動力，通過主動軸7、轉桿4傳遞到每個螺旋槳2上；又通過各螺旋槳2的槳葉與海水間的相互作用轉變成旋轉動力一產生旋轉；旋轉動力再一次通過轉桿4傳遞到主動軸7上；主動軸7上的旋轉動力再通過與之緊固為一體的棘輪8傳遞給變速箱3，經變速箱3提速后驅動慣性輪5旋轉；慣性輪5與發(fā)電機6同軸，因而帶動發(fā)電機6旋轉發(fā)電。如圖4所示，本發(fā)明螺旋槳2是由槳葉總成21、軸套22和漿座23主要部件構成， 所述的螺旋槳2上的槳葉總成21沿漿座23圓周呈放射狀均布；鑒于在多個螺旋槳串聯狀態(tài)下，為減小槳葉攪動起來的水流對相鄰螺旋槳的影響，采用把槳葉的中性面與轉桿4的截面間設計成一定夾角，夾角在士30度之內。上述槳葉總成2如圖5所示，是由槳葉211、槳葉座212、扭簧213構成；且扭簧213 套在槳葉211的扭轉軸上，并有一端與之固定為一體，另一端固定在套在扭簧213外的槳葉座212上，即扭簧213的兩端分別固定在槳葉211和槳葉座212上，扭轉槳葉211時扭簧 213變形，釋放后槳葉211復位，這就是前面所述的柔變槳葉的概念，扭簧213應有較小的尺寸和足夠的剛度也必須有足夠的變形角度，扭簧213在彈性變形范圍內，槳葉211相對槳葉座212至少能夠扭轉士60度。實施例1以浮筒直徑為1. 5米，轉桿上安裝兩個螺旋槳為例。如圖1、圖2所示的一個浮筒1的直徑為1. 5米，轉桿4上安裝兩個螺旋槳2，轉桿 4長度為6米，槳間距離為2. 5米的陀螺定向的海浪采能裝置；平均浪高為1米時采能功率為5KW。通常采能功率與浪高的平方成正比；一般情況下以1米浪高時的發(fā)電能力作為采能裝置的標稱功率。本實施例的主要技術參數為1 功率5KW2 變速箱變比1 6バ2級)3.螺旋槳外徑1200mm4.單槳槳葉數85.單槳葉面積1120cm26.工作環(huán)境溫度7.轉桿截面與槳葉中性面夾角0°8.慣性輪直徑1200mm9.發(fā)電機極數4極浮筒1外形下部呈倒圓錐狀、上部為圓柱狀、頂部凸起；下部用不銹鋼材料制成， 上部由玻璃鋼制成；柱狀圓筒直徑為1. 5米、高1. 2米，與倒圓錐部分結合部采用橡膠密封， 以三道鋼索緊固為一體。倒圓錐部分與慣性輪5和發(fā)電機6的安裝架焊接成一體，主動軸 7由倒圓錐頂尖部伸出與轉桿4相連接。如圖2所示轉桿4的長度取6米，轉桿4上裝有兩個直徑為1. 2米螺旋槳2，槳間距離為2. 5米；由于螺旋槳數量有限，槳間距較大，槳葉211中性面與轉桿4的端面沒有必要設置夾角。變速箱采用兩級齒輪增速，變比為64倍。發(fā)電機采用5KW、4極永磁發(fā)電機。動力線由浮筒1的下半部引出，拉至測試船與電熱器相連接。向兩側伸展與浮筒1鉸鏈的扭桿9，兩端各設有一個小浮筒保證浮筒1上下運動自由，以麻繩連接泊錨沉入海底，防止浮筒1旋轉和漂離安裝點。實施例2以浮筒直徑為2米，轉桿上安裝6個螺旋槳為例。如圖1、圖2所示的一個浮筒1的直徑為2米，轉桿4上安裝6個螺旋槳2，轉桿4 長度為12米，槳間距離為1. 5米的陀螺定向的海浪采能裝置；平均浪高為1米時采能功率
為 10KW。
本實施例的主要技術參數為
1功率IOKff
2變速箱變比1 64 級)
3螺旋槳外徑IOOOmm
4單槳槳葉數8
5單槳葉面積1120cm2
6工作環(huán)境溫度-5 °C -—+50 °C
7轉桿截面與槳葉中性面夾角15°
8慣性輪直徑1600mm
9發(fā)電機極數4極
上述浮筒1外形下部呈倒圓錐狀、上部為圓柱狀、頂部凸起；下部用不銹鋼材料制
成，上部由玻璃鋼制成；柱狀圓筒直徑為2米、高1.2米，與倒圓錐部分結合部采用橡膠密封，以三道鋼索緊固為一體。倒圓錐部分與慣性輪5和發(fā)電機6的安裝架焊接成一體，主動軸7由倒圓錐頂尖部伸出與轉桿4相連接。如圖2所示轉桿4的長度取12米，轉桿4上裝有兩個直徑為1米螺旋槳2，槳間距離為1. 5 米；由于螺旋槳數量較大，槳間距較小，槳葉211中性面與轉桿4的端面間的夾角為20°以擴大擾動水域。變速箱采用兩級齒輪增速，變比為64倍。發(fā)電機采用20KW、4極永磁發(fā)電機。動力線由浮筒1的下半部引出，拉至測試船與電熱器相連接。為方便實施，向兩側伸展與浮筒1鉸鏈的扭桿9的兩端各增加一個小浮筒以保證浮筒1自由上下運動；再以繩索連接沉入海底泊錨，防止浮筒1旋轉和漂離安裝點。
權利要求
1.一種陀螺定向的海浪采能裝置，包括浮筒(1)、與主動軸(7)緊固為一體的棘輪(8)， 通過棘輪(8)、棘舌與變速箱C3)相連接，變速箱(3)的輸出端連接慣性輪(5)，該慣性輪 (5)與發(fā)電機(6)相連接，其特征在于還包括設置在浮筒(1)底部的轉桿(4)和固定在轉桿 (4)上的兩個以上的螺旋槳O)，以及安裝在浮筒(1)上的兩只阻止浮筒(1)隨慣性輪(5) 轉動的、且與浮筒⑴鉸鏈的扭桿(9)；上述變速箱(3)、慣性輪(5)和發(fā)電機(6)設置在浮筒(1)之內，而轉桿(4)上端與主動軸(7)下端相接，所有螺旋槳O)串裝并緊固在轉桿 (4)上的中下部；且所述慣性輪( 與轉桿(4)和螺旋槳O)的軸線相互重合；該浮筒(1) 漂浮在海面上處于海水的表層，轉桿(4)和螺旋槳( 均處于淺層海水中；該浮筒(1)經由扭桿(9)上的繩索連接在相對大地靜止的物體上。
2.如權利要求1所述的陀螺定向的海浪采能裝置，其特征是所述的螺旋槳( 上的槳葉總成沿漿座03)圓周均布，且螺旋槳(2)是由槳葉總成(21)、軸套02)和漿座 (23)構成，且使槳葉中性面與轉桿的截面間成一定夾角，夾角在士30度之內。
3.如權利要求2所述的陀螺定向的海浪采能裝置，其特征是上述槳葉總成是由槳葉011)、槳葉座012)、扭簧013)構成；且扭簧013)套在槳葉011)的扭轉軸上，并有一端與之固定為一體，另一端固定在套在扭簧(21 外的槳葉座(21 上，扭簧(21 在彈性變形范圍內，槳葉(211)相對槳葉座(212)至少能夠扭轉士60度。
全文摘要
一種陀螺定向的海浪采能裝置，包括浮筒，浮筒內的發(fā)電機經慣性輪、變速箱、棘輪而與主動軸連接，并有設置在主動軸下端的轉桿和串裝固定在轉桿上的兩個以上的螺旋槳，以及安裝在浮筒上的兩只扭桿；該浮筒漂浮在海面上處于海水的表層，轉桿和螺旋槳均處于淺層海水中。本發(fā)明利用表層海水作起伏運動的海浪上漂浮的浮筒及其插入到淺層海水中的螺旋槳與相對平靜的淺層海水間、豎直方向的相對往復運動，驅動螺旋槳單向旋轉而實現海浪采能。本發(fā)明與海岸和海底不直接相關，結構簡單、制造成本低、適應性強、采能效率高、可靠性高、抗風暴能力強等優(yōu)點。
文檔編號F03B3/12GK102338020SQ201110310128
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權日2011年10月13日
發(fā)明者何亮, 何西榮, 徐崢 申請人:何西榮