波浪能吸收和轉換方法及系統的製作方法
2023-07-14 03:44:46 2
專利名稱：波浪能吸收和轉換方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及能源吸收和轉換技術，具體地說是一種利用慣性擺機理的波浪能吸收和轉換方法及系統。該方法及採用這種方法所設計的裝置可以在外界波浪的驅動作用下，利用慣性擺及其傳遞機構，將外界波浪能吸收、傳遞和存儲，並按所需要的形式釋放，達到海洋自然能的有效利用的目的。
背景技術：
我國海域遼闊，管轄海洋面積300萬平方公裡左右，相當於我國領土的1/3。而海洋經濟區的面積還要大得多。海洋自然資源的利用和保護對國家的安全和經濟發展的重要性越來越大。目前海洋能利用的基本形式為固定在海岸線的潮汐發電模式。另一方面，目前研究的人工裝置(如機器魚、潛水器、水雷等)都採用自攜帶動力。因而費用大，維護困難，難以實現長期的海洋作業。在移動式載體，即在海洋上移動/漂浮的海洋能利用裝置至今尚未見報導。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於慣性擺機理的波浪能吸收和轉換方法及系統。
本發明技術方案為基於慣性擺能量吸收機理，讓慣性擺機構以被動狀態在波浪驅動下產生運動，以機械能形式吸收波浪能，帶動傳遞機構，將其機械能進行轉換、存儲，再通過釋放裝置進行能量釋放，實現自主獲取與利用波浪能；其中吸收能量的大小根據波能轉換計算模型估算；所述機械能進行轉換、存儲形式為如下兩種方式之一或其組合；1)將其機械能傳遞到機械能儲能裝置，以彈簧能的形式進行存儲，通過機械能釋放裝置進行能量釋放；2)將其機械能傳遞到機電儲能裝置，以電能形式進行存儲，通過電能釋放裝置進行能量釋放；所述慣性機構的擺運動方式呈現一維、二維或三維運動三種形式。
所述吸收能量的大小具體估算方法為1)波能轉換計算模型，公式如下波高為H的平均勢能為Ep=116gH2---(1);]]>
平均動能為Ek=116gH2---(2);]]>波的總能量NW=18gHB---(3);]]>其中B為波峰寬度，H為波高，λ為波長，ρ為海水質量密度，g為重力加速度；2)由所述轉換計算模型，得能量吸收計算模型，公式如下P輸出＝η1P輸入＝η2NW，其中η1，η2分別為能量轉換效率，P輸入為慣性擺機構所吸收的功率，P輸出為系統所釋放功率；波浪能吸收和轉換系統由慣性擺機構、轉向裝置、傳遞機構、儲能裝置、釋放裝置組成，安裝在殼體內，其中慣性擺機構通過轉向裝置與傳遞機構相連，傳遞機構輸出端與儲能裝置連接，儲能裝置輸出至釋放裝置。
本發明是基於慣性擺的小型無源系統(Un-source Energy Generator)的研究與設計方案，提出利用慣性擺機構作為被動驅動裝置，達到獲取外界(自然)能量的目的。具體說就是利用慣性擺機構吸收海浪波動所產生的勢能和動能，借鑑慣性擺(如自動機械手錶)能量吸收與釋放機理，運用所設計的能夠適應多維隨機激勵的無源系統作為波浪能吸收、存儲、釋放模型。其中慣性擺機構可作為小型無源系統能量吸收、存儲與釋放的設計依據。通過慣性擺機構實現利用海洋波浪能的無源系統自主運動，為水中動力推進、無線通訊、傳感、行為控制等裝置提供能量，使其具有依靠海洋波浪能自主運動與作業能力。
本發明具有如下優點1.提出了人工獲取能量的新技術方案。本發明基於慣性擺機理，為獲取外界能量提供了一種全新技術路線。
2.與現有技術中海洋波浪能利用系統普遍存在位置固定、體積龐大、費用高、能量轉換效率低等缺陷相比較，本發明具有結構緊湊、體積小、能量轉換效率高、成本低、免維護工作等特點。特別是可實現大範圍、無須充電情況下長期、自主地工作，且無噪聲，隱蔽性好。
3.本發明通過有目的的利用海洋波浪能，實現移動式無源系統吸收海洋波浪能並加以利用的方法，具有廣泛的應用前景。從機構學、仿生學研究，面向環境科學、海洋與地球物理科學研究，到海洋科學調查與資源監測等重要應用領域，這種無源獲取外界能量模式具有重要的經濟與社會價值，如可以為開展對我國海岸帶和近岸海域的海洋環境監測，海洋災害(赤潮等)預報，海況與資源調查提供有效服務；也可以用於大陸架、專屬經濟區、以及大洋的科學考查和研究工作。這對於促進我國地球物理與海洋科學研究與開發利用，科技可持續發展，新技術裝備的發展具有十分重要的意義。另一方面，本發明方法和系統可用於進行封鎖、監聽監視作業。本發明以基於慣性擺機構的無源系統為載體，為進一步開發、利用海洋波浪能和研製更為高效率的無源系統和無線監視(聽)網絡系統提供了可行性途徑。
圖1為本發明系統原理圖。
圖2為本發明系統實施例1的結構示意圖(機械能儲存形式)。
圖3為本發明系統實施例2的結構示意圖(電能儲存形式)。
圖4為本發明系統實施例2的另一結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
實施例1基於慣性擺能量吸收機理，讓慣性擺機構以被動狀態在波浪驅動下產生運動，以機械能形式吸收波浪能，帶動傳遞機構，將其機械能進行轉換、存儲，再通過釋放裝置進行能量釋放給推進器(可採用螺旋漿)，實現自主吸收(獲取)與利用波浪能；其中吸收能量的大小根據波能轉換計算模型估算。
所述機械能進行轉換、存儲可採用兩種方式1)將機械能傳遞到機械能儲能裝置，以彈簧能的形式進行存儲，通過機械能釋放裝置進行能量釋放；2)將機械能傳遞到電能儲能裝置，以電能形式進行存儲，通過電能釋放裝置進行能量釋放。
所述慣性擺機構的擺運動方式呈現一維，二維或三維運動三種形式。
所述吸收能量的大小(具體)估算方法為1)根據波能轉換計算模型，公式如下波高為H的平均勢能為Ep=116gH2---(1);]]>平均動能為Ek=116gH2---(2);]]>波的總能量NW=18gHB---(3);]]>其中B為波峰寬度，H為波高，λ為波長，ρ為海水質量密度，g為重力加速度；2)由所述轉換計算模型，得吸收能量計算模型，公式如下P輸出＝η1P輸入＝η2NW，其中η1，η2分別為能量轉換效率(取決於擺的阻尼係數和運動約束條件，機械能傳遞效率，據此可以計算無源系統所吸收的波浪能和所產生的機械能，也可以通過模型試驗估計出系統的能量利用狀態)；P輸入為慣性擺機構所吸收的功率；P輸出為系統所釋放的功率。
如圖1所示，本發明系統由安裝在殼體內的慣性擺機構、轉向裝置、傳遞機構、儲能裝置、釋放裝置組成，其中慣性擺機構通過轉向裝置與傳遞機構相連，傳遞機構輸出與儲能裝置連接，儲能裝置輸出至釋放裝置。本發明依靠安裝慣性擺機構、轉向裝置、傳遞機構、儲能裝置、與釋放裝置，將波浪能吸收轉化為可利用的機械能和/或電能，具體結構分別為圖2、3所示。
圖2為本發明系統機械能儲存形式的一個實施例結構示意圖。將所述機械能形式進行轉換、存儲、釋放將其機械能傳遞到機械能儲能裝置，以彈簧能的形式進行存儲，通過機械能釋放裝置進行能量釋放；由慣性擺機構、轉向裝置、傳遞機構、儲能裝置、釋放裝置組成，其中慣性擺機構由慣性擺1和萬向節2組成，慣性擺通過安裝在固定板6上萬向節擺動；轉向裝置由穿有彈簧5的拉杆8組成，安裝在支架4上，支架4通過立柱7安裝在所述固定板6上；傳遞機構由驅動輪9、恢復彈簧11、擺輪13、棘齒15、棘輪16組成，所述驅動輪9通過軸10支撐在固定板6上，與擺輪13嚙合，恢復彈簧11安裝在軸10上，一端固定在軸10上，另一端固定在驅動輪9上，恢復彈簧11起到令驅動輪9恢復到初始狀態的作用。擺輪13下方設有棘齒15、棘輪16，棘齒15通過拉杆14與擺輪13固連；擺輪13空套在擺輪軸12上，棘輪16固定在所述擺輪軸12上，所述擺輪軸12支撐在固定板6上；儲能裝置與傳遞機構中擺輪13共用擺輪軸12，由防轉棘齒18、防轉棘輪19、彈簧盒輪20、儲能彈簧21組成，位於固定板6下方，其中防轉棘齒18通過拉杆17固定在固定板6上，並與防轉棘輪19嚙合，防轉棘輪19固定在所述擺輪軸12上，儲能彈簧21安裝在空套於擺輪軸12上的彈簧盒輪20內，兩端分別固連在所述擺輪軸12與彈簧盒輪20內壁之間；釋放裝置由輸出軸22、傳動軸27、輸出輪23、一對嚙合的傘齒輪和作為推進器的螺旋槳26組成，輸出輪23、位於第一傘齒輪24上方，二者均安裝在輸出軸22上，第二傘齒輪25與第一傘齒輪24嚙合，經傳動軸27與螺旋槳26相連接；慣性擺1的擺杆末端與轉向裝置中拉杆8一端相連，拉杆8另一端與傳遞機構中驅動輪9相連接，傳遞機構中的擺輪軸12與儲能裝置中的防轉棘輪19固連，儲能裝置的彈簧盒輪20與釋放裝置的輸出輪23嚙合。
其工作過程如下海洋波浪作用在本發明無源系統的殼體上，慣性擺1受到振動而擺動。通過系在慣性擺1的擺杆末段的繩3拉動轉向裝置中的拉杆8作直線運動。與其固連的彈簧5起到使其恢復原位的作用。拉杆8的末段帶動驅動輪9轉動。與驅動輪9固連的彈簧11起到使其恢復到原位的作用。驅動輪9轉動，帶動與其嚙合的擺動輪13轉動。擺動輪13空套在擺輪軸12上，擺動輪13轉動，通過拉杆14上的棘齒15撥動與其嚙合的棘輪16轉動。由於棘輪16與傳動軸12固連，所以帶動傳動軸12轉動。傳動軸12轉動使儲能彈簧21上緊，從而將機械能以勢能的形式儲存下來。依靠儲能彈簧21和彈簧盒輪20內壁之間的摩擦力，同時由於防轉棘爪18、棘輪19的作用，使得儲能彈簧21驅動彈簧盒輪20轉動。彈簧盒輪20又將運動傳遞給與之嚙合的輸出軸22上的輸出輪23，然後通過一對相互嚙合的第一傘齒輪24、第二傘齒輪25將運動傳遞到傳動軸27與螺旋槳26。
本發明慣性擺機構在海浪驅動下擺動，帶動傳遞機構通過轉向裝置將慣性擺機構的擺動運動轉變為有規律的機械運動，將機械能存儲在儲能裝置(儲能彈簧21中)，儲能裝置將機械能通過釋放裝置傳遞到作為推進器的螺旋槳26，驅動其它無源裝置。
本發明系統可以安裝在密封殼體內(利用所具有的浮力讓該密封殼體處於水面附近，以利於最大限度的吸收海浪能)。
實施例2圖3為本發明系統電能儲存形式的一個實施例結構示意圖。所述機械能進行轉換、存儲的方式如下將其機械能傳遞到電能儲能裝置，以電能形式進行存儲，通過電能釋放裝置進行能量釋放。由慣性擺機構、轉向裝置、傳遞機構、儲能裝置、釋放裝置組成，與實施例1不同之處在於其中的儲能裝置由傳動輪29，傳遞傳動軸30，一對傘齒輪，水平輸出軸33，聯軸器34，發電機35組成，傳動輪29安裝在位於固定板6上的傳遞傳動軸30上，與傳遞裝置的擺輪13嚙合，其中傳動輪29與傳遞傳動軸30固連，於固定板6上方；傳動輪29的下方安裝有相互嚙合的第三傘齒輪31、第四傘齒輪32，第四傘齒輪32與傳遞傳動軸30固連，第三傘齒輪31固連在水平輸出軸33上；水平輸出軸33通過聯軸器34接發電機35，帶動發電機35轉動。發電機35可採用微型發電機，所產生的電流通過導線傳遞到蓄電池37中儲存起來。加設傳動輪36固連於傳遞傳動軸30上，且位於第四傘齒輪32下方，同時與釋放裝置中的輸出輪23嚙合，完成釋放動作。(亦可以不加設傳動輪36、第一傘齒輪24、輸出軸22、輸出輪23，通過第三傘齒輪32直接與釋放裝置中第二傘齒輪25嚙合(第二傘齒輪25反過來安裝在軸27上)，完成釋放動作，見圖4。)本發明慣性擺1在海浪驅動下擺動，帶動傳遞機構通過轉向裝置將慣性擺的擺動運動轉變為有規律的機械運動，將機械能存儲在儲能裝置(儲能簧彈21中)，帶動機電裝置(如微小型發電機)產生電能並在蓄電池中存儲能量；儲能裝置將機械能通過釋放裝置傳遞到作為推進器的螺旋槳26，驅動無源裝置。機電裝置產生的電能為電控裝置(電氣系統的能量消耗非常小，一般可以忽略，但是必需的)提供能量，同時也為推進器提供輔助能量。
通過拉杆14上的棘齒15撥動與其嚙合的棘輪16轉動。由於棘輪16與傳動軸12固連，所以帶動傳動軸12轉動。傳動軸12轉動使儲能彈簧21上緊，從而將機械能以勢能的形式儲存下來。依靠儲能彈簧21和彈簧盒輪20內壁之間的摩擦力，同時由於防轉棘爪18、棘輪19的作用，使得儲能彈簧21驅動彈簧盒輪20轉動。彈簧盒輪20又將運動傳遞給與之嚙合的輸出軸22上的輸出輪23，然後通過一對相互嚙合的第一傘齒輪24、第二傘齒輪25將運動傳遞到傳動軸27與螺旋槳26。
其工作過程如下海洋波浪作用在本發明無源系統的殼體上，慣性擺1受到振動而擺動。通過系在慣性擺1的擺杆末段的繩3拉動轉向裝置中的拉杆8作直線運動。與其固連的彈簧5起到使其恢復原位的作用。拉杆8的末段帶動驅動輪9轉動。與驅動輪固連的彈簧11起到使其恢復原位的作用。驅動輪9轉動，帶動與其嚙合的擺動輪13也轉動。擺動輪13空套在擺輪軸12上。擺動輪13轉動，帶動與之嚙合的固連在傳遞傳動軸30上的傳動輪29轉動。傳遞傳動軸30轉動，通過固連於其上的第四傘齒輪32帶動第三傘齒輪31轉動。第三傘齒輪31轉動，帶動其水平輸出軸33轉動，通過聯軸器34，從而帶動發電機35發電，並將電能儲存到蓄電池37中。當外部對動力的需求增大時，蓄電池37驅動發電機35轉動，通過第三傘齒輪31帶動第四傘齒輪32轉動，從而使得固連於傳遞傳動軸30上的傳動輪36轉動，傳動輪36驅動與之嚙合的、固連於輸出軸22上的輸出輪23轉動(傳動輪36位於輸出輪23的後方)，然後通過一對相互嚙合的第一傘齒輪24、第二傘齒輪25將運動傳遞到傳動軸27與螺旋槳26。
權利要求
1.一種波浪能吸收和轉換方法，其特徵在於基於慣性擺能量吸收機理，讓慣性擺機構以被動狀態在波浪驅動下產生運動，以機械能形式吸收波浪能，帶動傳遞機構，將其機械能進行轉換、存儲，再通過釋放裝置進行能量釋放，實現自主獲取與利用波浪能；其中吸收能量的大小根據波能轉換計算模型估算。
2.按權利要求1所述波浪能吸收和轉換方法，其特徵在於所述機械能進行轉換、存儲形式為如下兩種方式之一或其組合；1)將其機械能傳遞到機械能儲能裝置，以彈簧能的形式進行存儲，通過機械能釋放裝置進行能量釋放；2)將其機械能傳遞到機電儲能裝置，以電能形式進行存儲，通過電能釋放裝置進行能量釋放。
3.按權利要求1所述波浪能吸收和轉換方法，其特徵在於所述慣性機構的擺運動方式呈現一維，二維或三維運動三種形式。
4.按權利要求1所述波浪能吸收和轉換方法，其特徵在於所述吸收能量的大小具體估算方法為1)波能轉換計算模型，公式如下波高為H的平均勢能為Ep=116gH2----(1);]]>平均動能為Ek=116gH2----(2);]]>波的總能量NW=18gHB----(3);]]>其中B為波峰寬度，H為波高，λ為波長，ρ為海水質量密度，g為重力加速度；2)由所述轉換計算模型，得能量吸收計算模型，公式如下P輸出＝η1P輸入＝η2NW，其中η1，η2分別為能量轉換效率，P輸入為慣性擺機構所吸收的功率，P輸出為系統所釋放功率。
5.一種波浪能吸收和轉換系統，其特徵在於由慣性擺機構、轉向裝置、傳遞機構、儲能裝置、釋放裝置組成，安裝在殼體內，其中慣性擺機構通過轉向裝置與傳遞機構相連，傳遞機構輸出端與儲能裝置連接，儲能裝置輸出至釋放裝置。
全文摘要
本發明涉及能源吸收和轉換技術，具體地說是一種利用慣性擺機理的波浪能吸收和轉換方法及系統。基於慣性擺能量吸收機理，讓慣性擺機構以被動狀態在波浪驅動下產生運動，以機械能形式吸收波浪能，帶動傳遞機構，將其機械能進行轉換、存儲，再通過釋放裝置進行能量釋放，實現自主獲取與利用波浪能；其中吸收能量的大小根據波能轉換計算模型估算。本發明利用海洋波能量、基於慣性擺機理，為獲取外界能量提供了一種全新的技術路線。
文檔編號F03B13/20GK1811164SQ200510045738
公開日2006年8月2日 申請日期2005年1月24日 優先權日2005年1月24日
發明者董再勵, 石璞 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所