一种海浪能采集发电系统及其使用方法与流程

1.本发明涉及能量转换技术领域，涉及海洋能的采集利用，尤其涉及一种海浪能采集发电系统及其使用方法。


背景技术：

2.波浪能作为近年来兴起的一种可再生能源，具有巨大的潜力，且其开发过程对于环境的影响很小，是最理想的海洋能。但海浪能的开发与采集依然存在着许多难以攻克的难关，其稳定性差，且受地形影响，捕获地点受限，利用率低，还没有被大范围地利用及推广，因此对于设计更加可靠、稳定收集海浪能波动所产生的能量装置是十分迫切。
3.波浪能的采集技术形式多种多样，根据安装形式可分为固定式和漂浮式，根据工作原理的不同分为振荡体式、振荡水柱式和越浪式三类。
4.相比振荡水柱式和越浪式，我国对波浪能技术探索较多的是振荡体式，振荡体式形式繁多，其中有代表性的装置有以下几种：鸭式波浪能发电装置：装置由主轴部分、鸭体部分和水下支撑部分组成，鸭体部分在波浪的作用下上下摆动捕获波浪能，波浪能驱动液压系统做功储存能量，进而带动发电机发电。
5.哪吒波浪能发电装置：漂浮点吸收直线发电波力装置，该装置采用双圆柱体漂浮结构，振荡浮子为蝶形，浮子中间直筒与水下阻尼板刚性相连，浮子振荡运动带动直筒内直线发电机发电。
6.鹰式波浪能发电装置：为了克服鸭式系列装置的缺点，广州能源所将鸭式装置与半潜驳船相结合，研发出鹰式波浪能转换装置，装置主要由鹰式吸波浮体、能量转换系统和半潜船体构成。“鹰式一号”波浪能发电装置采用液压式与直驱式组合的发电系统。
7.波浪能振荡体式能量采集方式是以单个浮子被海浪推动而作功来获取能量的，如浮子以上下运动的方式作功，则浮子的上升是被上升的波峰对浮子产生的浮力来实现的，而浮子的下降是当浮子在波谷时失去浮力由浮子自身的重力向下来实现的。波浪分近岸和离岸浪，有海浪和涌浪之分，且其大小、长短和位置从不重复，这对单个浮子对海浪能的采集并利用其直接发电带来了难度，所以业内一般将其转换成液压能储能后再发电，例如中国专利cn214787795u，提供的一种漂浮式海浪能动力收集发电平台，能量转换效率低。
8.波浪能发电技术发展至今，由于技术成熟度不一致，距离实现波浪能发电商业化仍有很长一段路要走。针对以往装置发电效率低、适应性差、生存时间短等不足之处，研究者们一直致力于装置技术与开发手段的创新研究。
9.因此亟需一种适用于能将浮子采集到的海浪能直接发电、将多个浮子采集到的能量能集中起来用于一个发电机上、使发电机的功率增大、装置要有一定的储能能力使发电机的转速平稳而使电压频率尽可能的平稳、具有抗恶劣天气能力的装置。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服上述不足，提供一种海浪能采集发电系统及其使用方法，多个动力传输装置上的动力分别作用在一根主轴上带动发电机发电，多个动力传输装置上都单独安装有储能飞轮，能使主轴转速更平稳，提高发电效率。
11.本发明的目的是这样实现的：一种海浪能采集发电系统，它包括一根主轴、多组能量采集传动组件、前离合器和发电机，每组能量采集传动组件包括多个传动单元，每个传动单元对应连接一个海浪采集单元；所述主轴设置在一个平台上，各个海浪采集单元均匀布置在该平台的四周；所述主轴的前端通过前离合器与发电机连接；每个传动单元包括下牵引钢绳、上牵引钢绳、前齿轮箱、钢绳卷筒、后齿轮箱、卷筒传动轴、两个主轴小带轮、主轴单向轴承、主轴、前储能飞轮和后储能飞轮，所述前齿轮箱和后齿轮箱相对设置在钢绳卷筒的前后位置；两个主轴小带轮分别通过主轴单向轴承套设在主轴上；所述上牵引钢绳和下牵引钢绳为一根钢绳的上下两端，该钢绳绕设在钢绳卷筒上；所述钢绳卷筒的中心设有一根贯穿筒体的卷筒传动轴，所述卷筒传动轴的前后两端分别连接前齿轮箱和后齿轮箱；所述前齿轮箱通过前大带轮与前侧的主轴小带轮连接，该主轴小带轮前侧设有前储能飞轮，主轴小带轮和前储能飞轮刚性连接，所述前储能飞轮通过主轴单向轴承套设在主轴上；所述后齿轮箱通过后大带轮与后侧的主轴小带轮连接，该主轴小带轮后侧设有后储能飞轮，主轴小带轮和后储能飞轮刚性连接，所述后储能飞轮通过主轴单向轴承套设在主轴上。
12.进一步地，所述海浪采集单元包括固定架、导轮、导轨和浮子，所述固定架内壁设有多条导轨，浮子通过导轮与导轨滑动连接；所述上牵引钢绳的端头通过多个滑轮变向后和浮子的顶面固定连接，所述下牵引钢绳的端头通过多个滑轮变向后和浮子的底面固定连接。
13.进一步地，每组能量采集传动组件包括四个传动单元，四个传动单元包括排列在主轴两侧的右下传动单元、左下传动单元、左上传动单元和右上传动单元，所述左下传动单元和左上传动单元上下交错设置在主轴的左侧，右上传动单元和右下传动单元上下交错设置在主轴的右侧。
14.进一步地，所述主轴的后端通过后离合器与电动机连接，后离合器与电动机形成浮子的保护装置。
15.进一步地，所述前齿轮箱包括前大齿轮、前单向轴承、棘轮机构、中间齿轮、前小齿轮和前大带轮，所述卷筒传动轴的前端通过前单向轴承套设有前大齿轮，前大齿轮套装于前单向轴承上，前大齿轮通过中间齿轮与前小齿轮连接，即中间齿轮分别与大齿轮和前小齿轮啮合；所述前齿轮箱的外侧设有一个前大带轮，所述前大带轮与前小齿轮同轴设置；所述卷筒传动轴的前侧顶端设有棘轮机构进一步地，所述后齿轮箱包括后大齿轮、后单向轴承、后小齿轮和后大带轮，所述卷筒传动轴的后端通过后单向轴承套设有后大齿轮，后大齿轮套装于后单向轴承上，后大齿轮与后小齿轮啮合；所述后齿轮箱的外侧设有一个后大带轮，所述后大带轮与后小齿轮同轴设置。
16.进一步地，所述前单向轴承安装于卷筒传动轴上受力面为顺时针方向；所述后单
向轴承安装于卷筒传动轴上受力面为逆时针方向；前后二个储能飞轮内的主轴单向轴承12安装时的受力面都为顺时针方向。
17.进一步地，所述固定架为长方体框架结构，四个竖直边框的内角内分别设有一条导轨，所述浮子的上下端各安装有四个导轮，所述导轮与导轨滑动配合，使得浮子与固定架滑动连接；所述固定架的顶边框底面设置一个滑轮，顶边框向主轴方向延伸且延伸部分的底面也设置一个滑轮，底边框表面设置两个滑轮，侧边框上设置有两个滑轮。
18.一种海浪能采集发电系统的使用方法，它包括以下内容：将多个海浪能采集单元和动力传输单元安装在独立的固定或浮动的海上平台上或者搭载在其他海上平台上；海浪能采集单元由一个圆锥形的浮子、约束浮子活动范围的固定架、使浮子在固定架内上下滑动的导轮及导轨组成，导轨固定在固定架的四角，导轮固定在浮子上；动力传输单元由前后二个齿轮箱、连接二个齿轮箱的卷筒传动轴、二个齿轮箱中间的钢绳卷筒、安装在卷筒传动轴一端的棘轮机构、安装于主轴上的主轴小带轮、主轴单向轴承、前后储能飞轮和一根牵引钢绳组成，后齿轮箱上安装有后单向轴承、后大齿轮、后小齿轮和后大带轮，后单向轴承内孔安装于卷筒传动轴左侧的一端上外径安装在后大齿轮内，后单向轴承受力面朝左，后小齿轮安装于后齿轮箱内与后大齿轮啮合；后大带轮安装于后齿轮箱的外侧的后小齿轮轴的端部，通过同步带与主轴上的主轴小带轮连接，主轴小带轮与后储能飞轮刚性连接，这样形成了一个后动力传输单元；所述前齿轮箱与后齿轮箱基本相同，只是多了一个中间小齿轮和一端的一个棘轮机构，安装的单向轴承的方式也不同，受力面是朝右的，中间小齿轮是起换向作用的，使大带轮传递到主轴上的小带轮、前储能飞轮的转向与后储能飞轮一致，这样形成了一个前动力传输单元；将钢绳卷筒上的钢绳一端固定在浮子的顶面，另一端固定在浮子的底面；浮子在固定架内沿着导轨作上下直线运动，当波浪上升时浮子依托浮力而上升拉动钢绳，钢绳迫使钢绳卷筒作逆时针方向旋转；钢绳卷筒作收放动作，此时这一端钢绳是放，另一端是收；钢绳卷筒带动卷筒传动轴旋转，安装在卷筒传动轴二侧的左前齿轮箱内的二个单向轴承是正反安装的，后齿轮箱内的后单向轴承只对卷筒传动轴逆时针方向旋转的力传递给后大齿轮，后大齿轮经小齿轮变向并增速后传递到后储能轮成顺时针旋转；前齿轮箱内的前单向轴承只对卷筒传动轴顺时针方向的力传递，因此当后齿轮箱在作功时前齿轮箱是不作功的；当波浪下降时浮子失去浮力依重力下降拉动钢绳，迫使钢绳卷筒作顺时针方向旋转，顺时针转动的卷筒传动轴使前齿轮箱内的前单向轴承作功，传递给前大齿轮，前大齿轮带动中间轴齿轮到前小齿轮后又成了顺时针旋转，前储能轮也是顺时针旋转，这样前后二个储能轮都是顺时针旋转。
19.进一步地，前后二个储能轮在同一方向上都安装有单向轴承，二个储能轮的旋转方向是一致的，储能轮的动力是依靠安装在内的单向轴承传递给主轴的；当二个储能轮转速不一致时，转的快的能将动力传递给主轴，慢的则不能传递动力但由于每个飞轮的传动是独立的，它们各自的动力是互不牵涉的，只与主轴的转速有关，达不到主轴转速的飞轮的动力是不能传递到主轴上的，但它的动能是能储存起来的；主轴的转速也就是飞轮转的快的最快转速，只有主轴的负载加大了，迫使主轴的转速下降到转的慢的飞轮的速度，慢的飞轮才能将动力传递到主轴上去。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种海浪能采集发电系统及其使用方法，将多个单独的海浪能采集单元采集到的能量尽最大化的集合到一起来用于直接带动发电机发电，使发电机的功率增大到能达到商用化的功率。
21.本发明的每个海浪能采集单元都采用了单独的储能飞轮，使浮子上下动作而作功，首先分别作用到各自的储能飞轮上，每个储能飞轮根据采集到的功率大小飞轮的转速是不同的，采集到功率大的飞轮转速快，小的则转的慢，大的将功率传递到主轴得到负载后速度降到慢的飞轮速度，慢的飞轮所存储的功率才能增补上去；这样尽可能的使每个储能飞轮都能参与对主轴作功，提高采集功能效率。
22.本发明的单个海浪能采集单元的采集方式设计对采集能量效率也有很大影响，如浮子的形状、质量、载面积、牵引等，而本发明采用的是圆锥形形状的浮子，圆锥形形状浮子在固定架内能使海浪冲来的横向力产生一部分向上的竖力，可增加能量的采集。
23.本发明采用的是双牵引采集能量，即对浮子上浮时与浮子下沉时的能量分别采集，浮子上浮时的能量为浮子在浮子本来水平线以上多排开水体积的浮力，是活的，是随负载的增大而增大的；浮子下沉时能得到的能量为浮子自身的质量减去浮子失去体积的浮力的差；浮子在随海浪上升时在单位时间内多排开了水，下降时在单位时间内多失去了浮力，使上升下降的速度加快提高了加速度；有一定质量的浮子在海浪中起伏的高度可称有效震幅，当浮子有负载时的震幅称实际震幅，负载增大使震幅变小，负载变小可使震幅增大；当负载等于浮子的浮力或浮子的质量时将没有震幅。
24.本发明的海浪能采集装置是由多个浮子组成的，每个浮子都有自己的独立的能量采集系统，浮子随海浪一上一下作的功通过传动装置以旋转的方式使左右二个储能飞轮旋转并储能，浮子一上一下采集到的功是不同的，一般向上的浮力是大于浮子下沉时的重力的，因此二个储能轮的能量不同转速也不同。同样的多个浮子在同一时间内由于接受的浪高不可能相同，且是随机彼此起伏的，因此它们所对应的储能飞轮也都是快慢不一的。本发明的能量采集方式是每个浮子各自将海浪能采集到自己的储能飞轮上，然后主轴对安装于它自身身上的众多储能飞轮上的能量进行择优采集，主轴在每时都对转的快的也是能量大的储能飞轮进行采集，转的慢的则采集不到；但这一刻被主轴采集到的飞轮所对应的浮子由于得到了负载使浮子的震幅减小，下一刻可能从海浪中采到的能量将变小；而这一刻没有采集到能量的飞轮所对应浮子震幅将变大，能量将增大，下一刻就能被采集到；这样主轴对各个飞轮的能量转速起到了一个平抑的作用，使转的快的多个飞轮速度平缓下降，多个转的慢的等积聚了能量后也能被采集；由此主轴的功率可得到最大化的采集，转速功率可得到平稳的控制。
25.本发明的浮子采用了钢绳上下牵引结构，浮子在固定架内在导轮的约束下作上下运动而作功，浮子可在固定架内中间段任意位置对海浪能的采集，不受海水高低影响，因此本发明装置可安装于固定式、浮动式的平台上，只是安装于固定式平台上的固定架要长出一个潮水落差高度。
26.本发明的每个浮子都安装有大浪保护装置，当有台风来时人工或自动启动保护装置，使浮子只能上不能下，使浮子处在海浪之上，少受海浪冲击。
27.本发明的结构简单，运输安装方便，生产难度较低，有利于推广使用。
附图说明
28.图1为本发明的应用示意图。
29.图2为本发明的一组能量采集传动组件的结构示意图。
30.图3为本发明的单个能量采集传动单元的主视图。
31.图4为本发明的单个能量采集传动单元的俯视图。
32.图5为本发明的单个浮子在一个海浪起伏中的上升过程示意图。
33.其中：固定架1、导轮2-1、导轨2-2、浮子3、滑轮4、下牵引钢绳5、上牵引钢绳6、前齿轮箱7、前大齿轮7-1、前单向轴承7-2、棘轮机构7-3、中间齿轮7-4、前小齿轮7-5、前大带轮7-6、钢绳卷筒8、后齿轮箱9、后大齿轮9-1、后单向轴承9-2、后小齿轮9-3、后大带轮9-4、卷筒传动轴10、主轴小带轮11、主轴单向轴承12、主轴13、前储能飞轮14、后储能飞轮15、前离合器16-1、后离合器16-2、发电机17、右下传动单元18、左下传动单元19、左上传动单元20、右上传动单元21、电动机22。
实施方式
34.为更好地理解本发明的技术方案，以下将结合相关图示作详细说明。应理解，以下具体实施例并非用以限制本发明的技术方案的具体实施态样，其仅为本发明技术方案可采用的实施态样。需先说明，本文关于各组件位置关系的表述，如a部件位于b部件上方，其系基于图示中各组件相对位置的表述，并非用以限制各组件的实际位置关系。
实施例1
35.参见图1-5，图2绘制了本实施例1的一组能量采集传动组件的结构示意图。如图所示，本发明的一种海浪能采集发电系统，它包括一根主轴13、五组能量采集传动组件、前离合器16-1、后离合器16-2、发电机17和电动机22，每组能量采集传动组件包括四个传动单元和四个海浪采集单元，四个传动单元包括优化排列在主轴13两侧的右下传动单元18、左下传动单元19、左上传动单元20和右上传动单元21；所述主轴13安装在一个方形平台上，20个海浪采集单元均匀布置在该平台的四周；所述左下传动单元19和左上传动单元20上下交错设置在主轴13的左侧，右上传动单元21和右下传动单元18上下交错设置在主轴13的右侧，由此可使得主轴13的长度最大程度减小，节省平台空间。
36.所述主轴13的前端通过前离合器16-1与发电机17连接，前离合器16-1与发电机17形成发电装置，所述主轴13的后端通过后离合器16-2与电动机22连接，后离合器16-2与电动机22形成浮子3的保护装置。
37.每个传动单元包括下牵引钢绳5、上牵引钢绳6、前齿轮箱7、钢绳卷筒8、后齿轮箱9、卷筒传动轴10、两个主轴小带轮11、主轴单向轴承12、主轴13、前储能飞轮14和后储能飞轮15，所述前齿轮箱7和后齿轮箱9相对设置在钢绳卷筒8的前后位置；两个主轴小带轮11分别通过主轴单向轴承12套设在主轴13上；所述上牵引钢绳6和下牵引钢绳5为一根钢绳的上下两端，该钢绳绕设在钢绳卷筒8上；所述钢绳卷筒8的中心设有一根贯穿筒体的卷筒传动轴10，所述卷筒传动轴10的前后
两端分别连接前齿轮箱7和后齿轮箱9；所述前齿轮箱7包括前大齿轮7-1、前单向轴承7-2、棘轮机构7-3、中间齿轮7-4、前小齿轮7-5和前大带轮7-6，所述卷筒传动轴10的前端通过前单向轴承7-2套设有前大齿轮7-1，所述前单向轴承7-2安装于卷筒传动轴10上受力面为顺时针方向，前大齿轮7-1套装于前单向轴承7-2上，前大齿轮7-1通过中间齿轮7-4与前小齿轮7-5连接，即中间齿轮7-4分别与大齿轮和前小齿轮7-5啮合；所述前齿轮箱7的外侧设有一个前大带轮7-6，所述前大带轮7-6与前侧的主轴小带轮11连接，该主轴小带轮11前侧设有前储能飞轮14，主轴小带轮11和前储能飞轮14刚性连接，所述主轴小带轮11和前储能飞轮14分别通过主轴单向轴承12套设在主轴13上，所述前大带轮7-6与前小齿轮7-5同轴设置；所述卷筒传动轴10的前侧顶端设有棘轮机构7-3；所述后齿轮箱9包括后大齿轮9-1、后单向轴承9-2、后小齿轮9-3和后大带轮9-4，所述卷筒传动轴10的后端通过后单向轴承9-2套设有后大齿轮9-1，所述后单向轴承9-2安装于卷筒传动轴10上受力面为逆时针方向，后大齿轮9-1套装于后单向轴承9-2上，后大齿轮9-1与后小齿轮9-3啮合；所述后齿轮箱9的外侧设有一个后大带轮9-4，所述后大带轮9-4与后侧的主轴小带轮11连接，该主轴小带轮11后侧设有后储能飞轮15，主轴小带轮11和后储能飞轮15刚性连接，所述主轴小带轮11和后储能飞轮15分别通过主轴单向轴承12套设在主轴13上，所述后大带轮9-4与后小齿轮9-3同轴设置；前后二个储能飞轮内的主轴单向轴承12安装时的受力面都为顺时针方向。
38.每个海浪采集单元包括固定架1、导轮2-1、导轨2-2和浮子3，所述固定架1为长方体框架结构，四个竖直边框的内角内分别设有一条导轨2-2，所述浮子3的上下端各安装有四个导轮2-1，所述导轮2-1与导轨2-2滑动配合，使得浮子3与固定架1滑动连接；所述固定架1的顶边框底面设置一个滑轮4，顶边框向主轴13方向延伸且延伸部分的底面也设置一个滑轮4，底边框表面设置两个滑轮4，侧边框上设置有两个滑轮4；所述上牵引钢绳6的端头通过两个滑轮4变向后和浮子3的顶面固定连接，所述下牵引钢绳5的端头通过四个滑轮4变向后和浮子3的底面固定连接。
39.所述固定架1的高度根据安装形式定，如浮动式的只是浮子高度+震幅高度+上下的安全距离，固定式的要再加一个潮水落差高度。
40.工作原理：参见图3和图4，本实施例中的固定架1为方形框架，框架的四角安装有四条导轨2-2，框架中心是浮子3，浮子3上安装有8个导轮2-1，为了增加浮子上下震幅时的稳定性采用了上下各安装4个的方式。滑轮4有多个，滑轮对下牵引钢绳5和上牵引钢绳6起导向作用。下牵引钢绳5和上牵引钢绳6为一根钢绳，一根钢绳在钢绳卷筒8上绕上几圈后有二个头；一头上牵引钢绳6连接浮子3的上端，当浮子3失去浮力下降时拉动上牵引钢绳6，迫使钢绳卷筒8作顺时针方向旋转作功，此时钢绳卷筒8的钢绳一头上牵引钢绳6是放，而另一头下牵引钢绳5是收，下牵引钢绳5连接浮子3的下端。当浮子3得到浮力上升时则相反，钢绳卷筒8作逆时针方向旋转作功；连接于钢绳卷筒8前后两端的前后齿轮箱，前齿轮箱7中的前单向轴承7-2只接受顺时针方向的力，因此当浮子下降时是对前齿轮箱作功，前单向轴承受力后使前大齿轮7-1作顺时针方向旋转，经中间齿轮7-4与前小齿轮7-5后又成顺转，再经前大带轮7-6到小带轮11、前储能飞轮14将顺时针方向的能量传给主轴13，这样就形成了所述的前动力
传输单元。后齿轮箱9中的后单向轴承9-2只接受逆时针方向的力，当浮子由浮力上升时拉动下牵引钢绳5使钢绳卷筒8、卷筒传动轴10作逆时针旋转，后单向轴承9-2的力通过后大齿轮9-1与后小齿轮9-3啮合后成为顺时针方向旋转，通过后大带轮9-4带向主轴小带轮11、后储能飞轮15，再由安装在内的单向轴承传递给主轴13，这样就形成了所述的后动力传输单元。
41.图3图4中，为了使发电机的转速得到提高而提高效率和储能轮增加旋转势能，应考虑对主轴有一定的转速，浮子的震幅上下牵引钢绳使钢绳卷筒8作正反往复旋转，左前齿轮箱内的大齿轮对小齿轮在图中是增速3倍，齿轮箱外的大带轮对小带轮增速2倍。浮子的震幅与震幅的时间周期对主轴的转速关系很大，如浪高0.5米时浮子的实际震幅为0.12米，浪高1米时实际震幅有0.36米，如波浪的时间周期相同，则它们的转速相差很大，如果浪高在4-5米时则更大；所以增速要考虑发电机的最高转速，而不宜过大；当然也可考虑多装几个不同功率、转速的发电机，由电脑控制切换，以适应主轴的转速、功率，提高发电效率。
42.参见图1和图2，绘制了本实施方案的一种海浪能采集装置的排列结构安装示意图，图中有20个海浪采集单元和一个主轴，20个海浪采集单元呈四边形排列在平台四周，20个动力传输单元依主轴列阵排列，20个动力传输单元上有40个储能飞轮，40个储能轮都套装在主轴13上。20个海浪采集单元由于位置不同、在同一时间内20个浮子震幅时的上下位置不同，所以20个浮子所对应的40个储能飞轮上的能量转速是不同的。40个储能飞轮与主轴是以单向轴承连接的，单向轴承的受力方向都是顺时针方向，因此当有一飞轮的转速很快，作功带动主轴旋转，其他慢的飞轮则不能作功但它还是在旋转，只有转的快的得到负载后降速后慢的才能轮到作功。比如图中40个储能飞轮，在主轴无负载（不连发电机）在一海况下有几个的转速达到了100转，其余的分别为95、90转，则那几个飞轮将带动主轴以100转的速度空转；但当主轴给定了负载后，使其降速，降到了94转时不再降了，飞轮与发电机功率达到了平衡，这时100转的95转的都作了功，90转的飞轮还在空转。但40个储能飞轮的动能与转速是随时改变的，是随着每个浮子所处的海浪高度和它的震幅变化而变化的，也就是说这一刻转的快的下一刻不一定转的快，而转的慢的下一刻则更有可能转的快。
43.综上所述，从图1-图4描述了每个浮子对海浪能量的采集，并将所采集到的能量以旋转的方式传到储能飞轮上，各个储能飞轮上的转速能量被主轴择优采集；因此主轴可得到各个储能飞轮上的最优能量，多个最优能量叠加使主轴功率增大、转速更加的平稳。在图2中绘制了前后离合器、发电机17、电动机22，后离合器16-2和电动机22是为了有台风时对浮子起保护作用的；平常浮子在采集能量时发电机上的离合器是合的，电动机上的离合器是离的；当有台风时浮子震幅过大且海浪对浮子的冲击过大将损伤浮子，因此可通过传感器自动控制或人工控制对浮子采取保护措施；首先将主轴与发电机17的离合器分离，使主轴空载，启动电动机并使离合器合上带动空载的主轴，电动机的转向与主轴同向为顺时针方向，转速要超过任一个储能飞轮的转速；这样每个储能飞轮都成为了空载，使浮子的震幅增大，启动每个传动装置上的棘轮机构，棘轮使浮子只能上不能下，当海浪不断冲击浮子使浮子不断向上，最后使浮子停留在海面上，使其没有震幅并减小了海浪对浮子的冲击力。
44.参见图5，图5绘制了本发明的单个浮子在一个海浪起伏中的上升过程示意图，如图所示，图中2s为一个海浪起伏时间，s为海浪上升时海浪对浮子的作功时间，h为海浪高度，a1为海浪震幅曲线，a2为浮子的有效震幅曲线，a3为浮子的实际震幅曲线。在图中绘制
的是海浪上升时将浮子往上推的过程，浮子从下死点到顶点用时为s。a2为浮子的有效震幅曲线，是浮子在没有负载的情况下的状况，但与浮子的质量、形状有关。a3是浮子有负载时的曲线，负载越大曲线越平震幅越小，作功时间s/10越小。震幅a2a3与s相关，s的增大可使a2a3的震幅增到最大，作功时间s增长，是时间和加速度的关系。
45.本实施例的各参数数据以及采集能量算法如下：将浮子的直径设计为2.2米则面积为3.8平米，形状如图3中的浮子3，浮子的总质量定为300kg左右，在将浮子放入水中时使它的水平吃水线调节在圆锥体的中上水平上，不够可以加水调节增加质量，以满足浮子理论上的设计。浮子的数量为20个，则储能飞轮有40个。
46.在海浪浪高1米，周期2秒，浮子质量300kg，无负载时的有效震幅在0.65米左右；发电机要给定一个理论负载，负载使浮子的实际震幅在0.35米以上。按图5的示意图中，浮子从下静止点上升到上静止点的时间为1秒，浮子从下静止点接受波浪开始上升的浮力，随着波浪的升高浮子的浮力增加，浮子要克服给它的负载和它质量的向上的重力加速度才能向上运动，因此在实施例中浮子在头几个1/10秒内几乎是静止的，浮子从上往下也有这个现象不过重力加速度是加；所以所描述的浮子有效震幅曲线和实际震幅曲线并非是s型曲线，且上升的曲线与下降的曲线也不同。
47.基于此从设计的理论上就考虑到了浮子采集功能的方式，本实施例是由多个浮子列阵排列，各个浮子将采集到的能量各自对主轴作功，但各个浮子在瞬时采集到的能量不同，转速也不同，转速高的能量能被主轴采纳，低的只不能。低的不被采纳就意味着能量浪费损失，所以要加储轮飞轮，且要有一定的质量和转速。本实施例飞轮的质量为60kg，外径600mm，转速最低不低于200转/分钟；如浪高1米，s2秒，浮子的实际震幅0.35米，浮子在上升时作功时0.5秒，钢绳卷筒8的直径0.3米，则钢绳卷筒8的转动角度为0.35米除（0.3*3.14=0.942）=0.3715圈，钢绳卷筒8的转速为1除0.5x0.3715=0.74转/秒，0.74x60=44.6转/分钟，经齿轮箱增速3倍大带轮增2倍到储能飞轮为44.6x6=268转/分钟，满足了飞轮惯性力矩转速。40个储能飞轮如同40个陀螺一样以268转/分钟左右的速度一直不停的在旋转，20个浮子一上一下如同皮鞭一样对40个飞轮正反抽打，打的力大的则268转/分钟加，力小的则减。转的快的被主轴的负载减速，慢的则继续积蓄能量转速等接受下一个力后能达到转速。
48.飞轮转子的动能等于1/2倍的转动惯量乘以转速的平方。即飞轮的储能量与飞轮转子的转动惯量成正比，与转子最高转速的平方成正比。提高飞轮储能量，一是提高转子的转动惯量，二是提高飞轮的转速。本实施例中，1米浪高的储能飞轮能268转/分，5-6米的浪高时的储能飞轮的转速将很高；储能飞轮的转动惯量也只要满足飞轮能在一定时间下比如1-2秒内没有明显减速就可以，因为在本实施例中，储能飞轮其实是起附助作用的，真的功能的来源还是以各个浮子对海浪的瞬时能量的采集，利用众多的随机的瞬时能量传递到主轴，使主轴得到近似连续的功率。给主轴的负载对储能飞轮的转速有直接影响，储能飞轮接受负载后将立即减速，减速到小于主轴速度主轴将采集不到，但储能轮还是以小于主轴的速度在旋转。比如浪高1米时间2秒时的钢绳卷筒8的转速为44.6转/分钟，连接的大齿轮同为44.6转/分钟，也就是大齿轮在浮子上升的0.5秒内作功时的转速为44.6转/分钟，大齿轮再要接受浮子上升的能量要在1.5秒后，这1.5秒内从储能飞轮到大齿轮间的机械传动将损耗能量，因此当1.5秒后大齿轮再接受浮子来的能量时大齿轮的转速已降低，比如降低到了
40转/分钟。当大齿轮再接受从浮子来的经钢绳卷筒8的44.6转/分钟能量时，由于大齿轮、储能飞轮等有一定的动能转速，使其功率得到叠加，同时可减小动力传输时的机械冲击。
49.本实施例中，将整个系统放在一起统计更为合理，比如浪高1米时，可将发电机功率设在30kw、40kw、45kw进行容错性测试，在30、40kw时发电机转速平稳，45kw时转速有波动，那系统的最佳功率则为40kw。
50.参见图1，图1绘制了一种海浪能采集发电系统的应用示意图。如图所示，本发明的一种海浪能采集发电系统的使用方法，包括以下内容：基于上述海浪能采集发电系统，多个海浪能采集单元和动力传输单元可安装在独立的固定或浮动的海上平台上，也可以搭载在其他海上平台上，比如海上牧场的平台；海浪能采集单元由一个圆锥形的浮子、约束浮子活动范围的固定架、使浮子在固定架内上下滑动的导轮及导轨组成，导轨固定在固定架的四角，导轮固定在浮子上；动力传输单元由前后二个齿轮箱、连接二个齿轮箱的卷筒传动轴、二个齿轮箱中间的钢绳卷筒、安装在卷筒传动轴一端的棘轮机构、安装于主轴上的主轴小带轮、主轴单向轴承、前后储能飞轮和一根牵引钢绳组成，后齿轮箱上安装有后单向轴承、后大齿轮、后小齿轮和后大带轮，后单向轴承内孔安装于卷筒传动轴左侧的一端上外径安装在后大齿轮内，后单向轴承受力面朝左，后小齿轮安装于后齿轮箱内与后大齿轮啮合；后大带轮安装于后齿轮箱的外侧的后小齿轮轴的端部，通过同步带与主轴上的主轴小带轮连接，主轴小带轮与后储能飞轮刚性连接，这样形成了一个后动力传输单元。所述前齿轮箱与后齿轮箱基本相同，只是多了一个中间小齿轮和一端的一个棘轮机构，安装的单向轴承的方式也不同，受力面是朝右的，中间小齿轮是起换向作用的，使大带轮传递到主轴上的小带轮、前储能飞轮的转向与后储能飞轮一致，这样形成了一个前动力传输单元；将钢绳卷筒上的钢绳一端固定在浮子的顶面，另一端固定在浮子的底面；所述棘轮机构是当装置在遇到极端天气下使浮子只能上不能下的机构，使浮子脱离水面不受海浪的过度冲击而损坏而设计的。
51.浮子在固定架内沿着导轨作上下直线运动，当波浪上升时浮子依托浮力而上升拉动钢绳，钢绳迫使钢绳卷筒作逆时针方向旋转；钢绳卷筒作收放动作，此时这一端钢绳是放，另一端是收；钢绳卷筒带动卷筒传动轴旋转，安装在卷筒传动轴二侧的前后齿轮箱内的二个单向轴承是正反安装的，后齿轮箱内的后单向轴承只对卷筒传动轴逆时针方向旋转的力传递给后大齿轮，后大齿轮经小齿轮变向并增速后传递到后储能轮成顺时针旋转。前齿轮箱内的前单向轴承只对卷筒传动轴顺时针方向的力传递，因此当后齿轮箱在作功时前齿轮箱是不作功的。当波浪下降时浮子失去浮力依重力下降拉动钢绳，迫使钢绳卷筒作顺时针方向旋转，顺时针转动的卷筒传动轴使前齿轮箱内的前单向轴承作功，传递给前大齿轮，前大齿轮带动中间轴齿轮到前小齿轮后又成了顺时针旋转，前储能轮也是顺时针旋转，这样前后二个储能轮都是顺时针旋转。
52.前后二个储能轮在同一方向上都安装有单向轴承，二个储能轮的旋转方向是一致的，储能轮的动力是依靠安装在内的单向轴承传递给主轴的；当二个储能轮转速不一致时，转的快的能将动力传递给主轴，慢的则不能传递动力但由于每个飞轮的传动是独立的，它们各自的动力是互不牵涉的，只与主轴的转速有关，达不到主轴转速的飞轮的动力是不能传递到主轴上的，但它的动能是能储存起来的；主轴的转速也就是飞轮转的快的最快转速，
只有主轴的负载加大了，迫使主轴的转速下降到转的慢的飞轮的速度，慢的飞轮才能将动力传递到主轴上去。
53.以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

技术特征：
1.一种海浪能采集发电系统，其特征在于：它包括一根主轴（13）、多组能量采集传动组件、前离合器（16-1）和发电机（17），每组能量采集传动组件包括多个传动单元，每个传动单元对应连接一个海浪采集单元；所述主轴（13）设置在一个平台上，各个海浪采集单元均匀布置在该平台的四周；所述主轴（13）的前端通过前离合器（16-1）与发电机（17）连接；每个传动单元包括下牵引钢绳（5）、上牵引钢绳（6）、前齿轮箱（7）、钢绳卷筒（8）、后齿轮箱（9）、卷筒传动轴（10）、两个主轴小带轮（11）、主轴单向轴承（12）、主轴（13、前储能飞轮（14）和后储能飞轮（15），所述前齿轮箱（7）和后齿轮箱（9）相对设置在钢绳卷筒（8）的前后位置；两个主轴小带轮（11）分别通过主轴单向轴承（12）套设在主轴（13）上；所述上牵引钢绳（6）和下牵引钢绳（5）为一根钢绳的上下两端，该钢绳绕设在钢绳卷筒（8）上；所述钢绳卷筒（8）的中心设有一根贯穿筒体的卷筒传动轴（10），所述卷筒传动轴（10）的前后两端分别连接前齿轮箱（7）和后齿轮箱（9）；所述前齿轮箱（7）通过前大带轮（7-6）与前侧的主轴小带轮（11）连接，该主轴小带轮（11）前侧设有前储能飞轮（14），主轴小带轮（11和前储能飞轮（14）刚性连接，所述前储能飞轮（14）通过主轴单向轴承（12）套设在主轴（13）上；所述后齿轮箱（9）通过后大带轮（9-4）与后侧的主轴小带轮（11）连接，该主轴小带轮（11）后侧设有后储能飞轮（15），主轴小带轮（11）和后储能飞轮（15）刚性连接，所述后储能飞轮（15）通过主轴单向轴承（12）套设在主轴（13）上。2.根据权利要求1所述的一种海浪能采集发电系统，其特征在于：每组能量采集传动组件包括四个传动单元，四个传动单元包括排列在主轴（13）两侧的右下传动单元（18）、左下传动单元（19）、左上传动单元（20）和右上传动单元（21），所述左下传动单元（19）和左上传动单元（20）上下交错设置在主轴（13）的左侧，右上传动单元（21）和右下传动单元（18）上下交错设置在主轴（13）的右侧。3.根据权利要求2所述的一种海浪能采集发电系统，其特征在于：所述主轴（13）的后端通过后离合器（16-2）与电动机（22）连接，后离合器（16-2）与电动机（22）形成浮子（3）的保护装置。4.根据权利要求1所述的一种海浪能采集发电系统，其特征在于：所述前齿轮箱（7）包括前大齿轮（7-1）、前单向轴承（7-2）、棘轮机构（7-3）、中间齿轮（7-4）、前小齿轮（7-5）和前大带轮（7-6），所述卷筒传动轴（10）的前端通过前单向轴承（7-2）套设有前大齿轮（7-1），前大齿轮（7-1）套装于前单向轴承（7-2）上，前大齿轮（7-1）通过中间齿轮（7-4）与前小齿轮（7-5）连接，即中间齿轮（7-4）分别与大齿轮和前小齿轮（7-5）啮合；所述前齿轮箱（7）的外侧设有一个前大带轮（7-6），所述前大带轮（7-6）与前小齿轮（7-5）同轴设置；所述卷筒传动轴（10）的前侧顶端设有棘轮机构（7-3）。5.根据权利要求4所述的一种海浪能采集发电系统，其特征在于：所述后齿轮箱（9）包括后大齿轮（9-1）、后单向轴承（9-2）、后小齿轮（9-3）和后大带轮（9-4），所述卷筒传动轴（10）的后端通过后单向轴承（9-2）套设有后大齿轮（9-1），后大齿轮（9-1）套装于后单向轴承（9-2）上，后大齿轮（9-1）与后小齿轮（9-3）啮合；所述后齿轮箱（9）的外侧设有一个后大带轮（9-4），所述后大带轮（9-4）与后小齿轮（9-3）同轴设置。6.根据权利要求5所述的一种海浪能采集发电系统，其特征在于：所述前单向轴承（7-2）安装于卷筒传动轴（10）上受力面为顺时针方向；所述后单向轴承（9-2）安装于卷筒传动轴（10）上受力面为逆时针方向；前后二个储能飞轮内的主轴单向轴承（12）安装时的受力面
都为顺时针方向。7.根据权利要求1所述的一种海浪能采集发电系统，其特征在于：所述海浪采集单元包括固定架（1）、导轮（2-1）、导轨（2-2）和浮子（3），所述固定架（1）内壁设有多条导轨（2-2），浮子（3）通过导轮（2-1）与导轨（2-2）滑动连接；所述上牵引钢绳（6）的端头通过多个滑轮（4）变向后和浮子（3）的顶面固定连接，所述下牵引钢绳（5）的端头通过多个滑轮（4）变向后和浮子（3）的底面固定连接。8.根据权利要求7所述的一种海浪能采集发电系统，其特征在于：所述固定架（1）为长方体框架结构，四个竖直边框的内角内分别设有一条导轨（2-2），所述浮子（3）的上下端各安装有四个导轮（2-1），所述导轮（2-1）与导轨（2-2）滑动配合，使得浮子（3）与固定架（1）滑动连接；所述固定架（1）的顶边框底面设置一个滑轮（4），顶边框向主轴（13）方向延伸且延伸部分的底面也设置一个滑轮（4），底边框表面设置两个滑轮（4），侧边框上设置有两个滑轮（4）。9.一种权利要求1所述的一种海浪能采集发电系统的使用方法，其特征在于，它包括以下内容：将多个海浪能采集单元和动力传输单元安装在独立的固定或浮动的海上平台上或者搭载在其他海上平台上；海浪能采集单元由一个圆锥形的浮子、约束浮子活动范围的固定架、使浮子在固定架内上下滑动的导轮及导轨组成，导轨固定在固定架的四角，导轮固定在浮子上；动力传输单元由前后二个齿轮箱、连接二个齿轮箱的卷筒传动轴、二个齿轮箱中间的钢绳卷筒、安装在卷筒传动轴一端的棘轮机构、安装于主轴上的主轴小带轮、主轴单向轴承、前后储能飞轮和一根牵引钢绳组成，后齿轮箱上安装有后单向轴承、后大齿轮、后小齿轮和后大带轮，后单向轴承内孔安装于卷筒传动轴左侧的一端上外径安装在后大齿轮内，后单向轴承受力面朝左，后小齿轮安装于后齿轮箱内与后大齿轮啮合；后大带轮安装于后齿轮箱的外侧的后小齿轮轴的端部，通过同步带与主轴上的主轴小带轮连接，主轴小带轮与后储能飞轮刚性连接，这样形成了一个后动力传输单元；所述前齿轮箱与后齿轮箱基本相同，只是多了一个中间小齿轮和一端的一个棘轮机构，安装的单向轴承的方式也不同，受力面是朝右的，中间小齿轮是起换向作用的，使大带轮传递到主轴上的小带轮、前储能飞轮的转向与后储能飞轮一致，这样形成了一个前动力传输单元；将钢绳卷筒上的钢绳一端固定在浮子的顶面，另一端固定在浮子的底面；浮子在固定架内沿着导轨作上下直线运动，当波浪上升时浮子依托浮力而上升拉动钢绳，钢绳迫使钢绳卷筒作逆时针方向旋转；钢绳卷筒作收放动作，此时这一端钢绳是放，另一端是收；钢绳卷筒带动卷筒传动轴旋转，安装在卷筒传动轴二侧的左前齿轮箱内的二个单向轴承是正反安装的，后齿轮箱内的后单向轴承只对卷筒传动轴逆时针方向旋转的力传递给后大齿轮，后大齿轮经小齿轮变向并增速后传递到后储能轮成顺时针旋转；前齿轮箱内的前单向轴承只对卷筒传动轴顺时针方向的力传递，因此当后齿轮箱在作功时前齿轮箱是不作功的；当波浪下降时浮子失去浮力依重力下降拉动钢绳，迫使钢绳卷筒作顺时针方向旋转，顺时针转动的卷筒传动轴使前齿轮箱内的前单向轴承作功，传递给前大齿轮，前大齿轮带动中间轴齿轮到前小齿轮后又成了顺时针旋转，前储能轮也是顺时针旋转，这样前后二个储能轮都是顺时针旋转。
10.根据权利要求9所述的一种海浪能采集发电系统的使用方法，其特征在于：前后二个储能轮在同一方向上都安装有单向轴承，二个储能轮的旋转方向是一致的，储能轮的动力是依靠安装在内的单向轴承传递给主轴的；当二个储能轮转速不一致时，转的快的能将动力传递给主轴，慢的则不能传递动力但由于每个飞轮的传动是独立的，它们各自的动力是互不牵涉的，只与主轴的转速有关，达不到主轴转速的飞轮的动力是不能传递到主轴上的，但它的动能是能储存起来的；主轴的转速也就是飞轮转的快的最快转速，只有主轴的负载加大了，迫使主轴的转速下降到转的慢的飞轮的速度，慢的飞轮才能将动力传递到主轴上去。

技术总结
本发明涉及的一种海浪能采集发电系统及其使用方法，由多个垂直振荡浮子和动力传输装置组成，排列方式可以是一字排开，也可以以任何方式排布，每个振荡浮子采集到的海浪能通过钢绳牵引到所对应的动力传输装置上，最后多个动力传输装置上的动力分别作用在一根主轴上带动发电机发电。多个动力传输装置上都单独安装有储能飞轮，能使主轴转速更平稳，提高发电效率。效率。效率。


技术研发人员：赵祖良 赵赶超
受保护的技术使用者：赵祖良
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/6/7