本发明专利技术属于波浪能发电技术领域，涉及一种多自由度组合摆式波浪能装置及其发电方法和应用，其中水平摆获能单元包括水平摆、同轴换向齿轮组和发电机，同轴换向齿轮组的锥形从动轮与锥形上棘轮和锥形输出齿轮啮合，锥形上棘轮套设在输入轴上，锥形输出齿轮套设在输出轴上，输入轴与输出轴通过棘轮轴承连接；垂向摆蓄能单元包括垂向摆及安装在输出轴上的锥形发条轮，锥形发条轮与锥形左棘轮和锥形右棘轮啮合连接；转向支撑单元的第一转向轮与第二转向轮啮合，第二转向轮连接转向电机。该波浪能装置具备储能效果，通过水平摆与垂向摆相互耦合的获能方式，使水平摆主动脱离停滞状态，改善偏心摆式波浪能装置在随机波下的工作性能，提高波浪能的利用率。提高波浪能的利用率。提高波浪能的利用率。
【技术实现步骤摘要】
一种多自由度组合摆式波浪能装置及其发电方法和应用
[0001]本专利技术属于波浪能发电
，具体涉及一种多自由度组合摆式波浪能装置及其发电方法和应用。
技术介绍
[0002]波浪能作为一种储量大、分布广的海洋可再生能源，具有广阔的开发前景。利用波浪能发电是国内外研究的热点，其开发利用技术趋于成熟，并取得一定的研究成果。波浪能发电装置是利用装置在波浪作用下的运动带动发电机发电，将波浪的动能和势能转变成电能。波浪能发电装置形式多种多样，包括摆式波浪能发电装置、振荡浮子式波浪能发电装置等。
[0003]其中，偏心摆式波浪能发电装置通过浮体响应激励内置水平摆锤，实现波浪能量的多向捕获，并且其结构形式为漂浮式，能够适应大水深条件下的波浪能开发，是极具潜力的发电形式。然而，海上的波浪能量并不稳定，入射波浪的波幅和波周期受地理环境、海洋气候等因素影响，存在显著的时空差异和随机性。在随机的波幅和波周期作用下，偏心摆式波浪能装置并非始终高效工作，由于发电机启动阻尼通常大于正常工作时的阻尼，当摆锤因某一时间段的小波幅或小周期波浪作用而陷入停滞状态，令其重新启动需要相较正常工作时更大的波浪激励条件，这往往导致摆锤在波浪条件恢复到匹配的工作区间时无法及时启动，降低了能量转换效率。此外，漂浮式结构物的海上定位依赖于锚固系统，而现有锚固方案尤其是悬链线锚固受水深影响大，深水系泊锚固半径大，占用海域面积较大，在阵列化布置的应用场景下，波浪能装置间距较远，海域利率低；并且，悬链线锚固半径过大将导致锚链自重过大，增加波浪能装置吃水从而影响工作性能。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种多自由度组合摆式波浪能装置及其发电方法和应用，该波浪能装置为一种具备储能效果的组合摆设计，通过水平摆与垂向摆相互耦合的获能方式，能够使水平摆主动脱离停滞状态，从而改善偏心摆式波浪能装置在随机波下的工作性能，提高波浪能的利用率。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种多自由度组合摆式波浪能装置，包括水平摆获能单元、垂向摆蓄能单元以及用于调节垂向摆运动方向的转向支撑单元；其中，所述水平摆获能单元包括依次连接的水平摆、同轴换向齿轮组和发电机，所述同轴换向齿轮组包括锥形上棘轮、锥形输出齿轮、棘轮轴承以及锥形从动轮，所述锥形从动轮与锥形上棘轮和锥形输出齿轮啮合连接，所述锥形上棘轮套设在输入轴上，所述输入轴一端连接棘轮轴承，另一端连接水平摆，所述锥形输出齿轮套设在输出轴上，所述输出轴一端连接棘轮轴承，另一端连接发电机；进一步的，所述棘轮轴承与锥形上棘轮的安装方向相反，所述锥形上棘轮为单向
传动，所述棘轮轴承为单向传动且其传动方向与锥形上棘轮相反。
[0006]当水平摆运动，输入轴发生双向转动，锥形上棘轮与棘轮轴承以相反的方向发生交替的单向旋转。通过锥形从动轮与锥形输出齿轮的转换，锥形上棘轮的运动转换为锥形输出齿轮上单向的、与棘轮轴承方向相同的旋转，最终以交替作用的形式，实现输出轴的单向转动。同轴换向齿轮组在旋转轴位置不发生改变的前提下，实现了水平摆双向运动单向输出的转化，传动机构简单可靠，节约空间。
[0007]所述垂向摆蓄能单元包括两个对称设置的垂向摆、锥形左棘轮和锥形右棘轮、以及安装在输出轴上的锥形发条轮，所述锥形发条轮分别与锥形左棘轮和锥形右棘轮啮合连接，所述垂向摆通过连接件与锥形左棘轮和锥形右棘轮固定连接；所述转向支撑单元包括第一转向轮、固定安装在第一转向轮上的支撑组件、以及与第一转向轮啮合的第二转向轮，所述第二转向轮连接转向电机。
[0008]上述水平摆获能单元的输出轴与垂向摆蓄能单元连接，当水平摆运动幅值较大，输出轴以较大速度旋转，锥形发条轮与输出轴同步运动，且与锥形左棘轮、锥形右棘轮间几乎不传递扭矩，即输出轴带动锥形发条轮、锥形左棘轮、锥形右棘轮空转，两个棘轮与所在的水平传动轴（即第一传动轴和第二传动轴）发生相对运动，水平传动轴不受棘轮运动的影响，垂向摆的运动由于其提供的转速较小，不对输出轴的运动造成影响。
[0009]也可以是，当水平摆运动幅值很小甚至停止，输出轴转速降低，此时垂向摆的运动通过两个安装方向相反的锥形左棘轮和锥形右棘轮转换为交替作用在锥形发条轮上的单向扭矩，使其发生单向旋转，由于锥形发条轮受垂向摆作用产生的转速高于输出轴转速，锥形发条轮将与输出轴发生相对运动，同时压缩锥形发条轮内的发条，给输出轴施加扭矩，随着相对运动时间的累积，施加在输出轴上的扭矩不断增大，并最终使锥形发条轮带动输出轴旋转，降低水平摆的启动阻尼。当水平摆重新启动，输出轮转速增大，锥形发条轮内储存的能量被完全释放，垂向摆蓄能单元内的齿轮（包括锥形发条轮、锥形左棘轮、锥形右棘轮）不再有力矩传递，输出轮带动锥形发条轮、锥形左棘轮和锥形右棘轮空转。
[0010]进一步的，两个所述锥形从动轮对称设置在棘轮轴承两侧并且安装在锥形上棘轮和锥形输出齿轮之间，所述锥形从动轮与输入轴平行设置，其上端与锥形上棘轮啮合，下端与锥形输出齿轮啮合。
[0011]进一步的，所述锥形左棘轮和锥形右棘轮的安装方向相反，所述锥形左棘轮为单向传动，所述锥形右棘轮为单向传动且与锥形左棘轮传动方向相反；所述锥形发条轮套设在输出轴上并绕输出轴旋转。
[0012]进一步的，所述锥形发条轮的发条的一端与输出轴连接，当锥形发条轮转速大于输出轴转速时，垂向摆的能量储存于发条中，当输出轴转速增大并超过锥形发条轮转速时，发条中的能量被释放。
[0013]进一步的，所述连接件上对称设置有第一传动轴和第二传动轴，所述锥形左棘轮套设在第一传动轴上并通过第一传动轴与垂向摆连接，所述锥形右棘轮套设在第二传动轴上并通过第二传动轴与垂向摆连接。
[0014]进一步的，所述支撑组件包括固定安装于第一转向轮的支撑架，所述支撑架上设有齿轮箱，所述齿轮箱设置于锥形左棘轮和锥形右棘轮之间，所述齿轮箱的两侧板分别与第一传动轴和第二传动轴固定连接，所述输入轴和输出轴贯穿齿轮箱。
[0015]上述齿轮箱为承载同轴换向齿轮组的支撑结构，齿轮箱与支撑架固定连接，在转向支撑单元工作时随着支撑架的转向而转动。
[0016]进一步的，波浪能装置还包括外壳体，所述水平摆获能单元、垂向摆蓄能单元以及转向支撑单元均设置于外壳体的内部，所述外壳体为密封的半圆形结构，下端面呈半圆弧形，使得该装置能够漂浮于海面。
[0017]本专利技术还保护多自由度组合摆式波浪能装置的发电方法，所述发电方法包括：波浪能装置在海浪作用下发生多自由度运动响应，当水平摆偏离平衡位置发生振荡或旋转运动，输入轴产生双向转动，通过同轴换向齿轮组的转化，将输入轴的双向转动转换为输出轴的单向旋转，进而驱动发电机发电；当水平摆运动幅值很小甚至停止时，发电机停止工作，此时垂向摆仍在运动，垂向摆蓄能单元将垂向摆的双向摆动转换单向旋转并将动能储存在锥形发条轮中，随着锥形发条轮中的能量不断累积，其作用于输出轴的扭矩逐步增加，最终驱动输出轴发生转动，此时水平摆受到的传动阻尼显著降低并重新开始运本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多自由度组合摆式波浪能装置，其特征在于，包括水平摆获能单元、垂向摆蓄能单元以及用于调节垂向摆运动方向的转向支撑单元；其中，所述水平摆获能单元包括依次连接的水平摆、同轴换向齿轮组和发电机，所述同轴换向齿轮组包括锥形上棘轮、锥形输出齿轮、棘轮轴承以及锥形从动轮，所述锥形从动轮与锥形上棘轮和锥形输出齿轮啮合连接，所述锥形上棘轮套设在输入轴上，所述输入轴一端连接棘轮轴承，另一端连接水平摆，所述锥形输出齿轮套设在输出轴上，所述输出轴一端连接棘轮轴承，另一端连接发电机；所述垂向摆蓄能单元包括两个对称设置的垂向摆、锥形左棘轮和锥形右棘轮、以及安装在输出轴上的锥形发条轮，所述锥形发条轮分别与锥形左棘轮和锥形右棘轮啮合连接，所述垂向摆通过连接件与锥形左棘轮和锥形右棘轮固定连接；所述转向支撑单元包括第一转向轮、固定安装在第一转向轮上的支撑组件、以及与第一转向轮啮合的第二转向轮，所述第二转向轮连接转向电机。2.根据权利要求1所述的多自由度组合摆式波浪能装置，其特征在于，所述棘轮轴承与锥形上棘轮的安装方向相反，所述锥形上棘轮为单向传动，所述棘轮轴承为单向传动且其传动方向与锥形上棘轮相反。3.根据权利要求1所述的多自由度组合摆式波浪能装置，其特征在于，两个所述锥形从动轮对称设置在棘轮轴承两侧并且安装在锥形上棘轮和锥形输出齿轮之间，所述锥形从动轮与输入轴平行设置，其上端与锥形上棘轮啮合，下端与锥形输出齿轮啮合。4.根据权利要求1所述的多自由度组合摆式波浪能装置，其特征在于，所述锥形左棘轮和锥形右棘轮的安装方向相反，所述锥形左棘轮为单向传动，所述锥形右棘轮为单向传动且与锥形左棘轮传动方向相反；所述锥形发条轮套设在输出轴上并绕输出轴旋转。5.根据权利要求1所述的多自由度组合摆式波浪能装置，其特征在于，所述锥形发条轮的发条的一端与输出轴连接，当锥形发条轮转速大于输出轴转速时，垂向摆的能量储存于发条中，当输...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹飞飞，江小强，史宏达，于明琦，赵致磊，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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