船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置及其製造方法與流程

2023-05-17 13:28:26 3

本發明涉及一種波浪能發電裝置和方法，尤其涉及一種船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置及其製造方法。

背景技術：

近年來，低碳經濟及綠色發展成為全球各行各業關注的焦點，而且航運業已經成為僅次於道路交通業的第二大主要汙染物(nox、sox以及pm)和co2的排放源。在船舶上如何利用新能源來代替老式能源，加快發展清潔能源技術，大力開發清潔能源，是未來船舶發展的首要課題和必然趨勢。

目前新型清潔能源主要包括太陽能、風能、波浪能和潮汐能等。波浪能是最清潔的可再生資源，它的開發利用將大大緩解礦物能源逐漸枯竭的危機，改善由於燃燒礦物能源對環境造成的破壞。目前，海洋能的利用集中在波浪能發電方面，小型波浪能發電裝置主要用於航標燈或小型燈船，直接將波浪能應用到船舶推進裝置的研究很少。

題為「一種利用波浪能的聯合動力船舶」的公開號為cn103482050a的中國專利公開申請中公開了一種採用柴油機發動螺旋槳並利用海洋波浪能驅動噴水推進器的聯合動力船舶，其在船舶(主船)的基礎上進行改裝，通過連接構件連接輔船，輔船和主船的相對轉動吸收波浪能轉化為液壓能，起到了消耗波浪能的作用，但是各部件的結構、連接方式和製作工藝複雜，而且輔船會形成較大的阻力。

題為「一種波浪能推進的無人船舶」的公開號為cn105799903a的中國專利公開申請中公開了一種波浪能推進無人船舶，該無人船舶的艇體和兩個翼片連接，翼片位於船體下方並浸沒在水下，兩個傾斜的翼片在波浪的推動下給了船體一個前進的力，會推動船體前進，同時第二個傾斜的翼片帶動推板使與其連接的液壓缸所伸縮運動儲存能量。但是該無人船舶的波浪能利用效率不高。

目前的現有技術中主要是在主船體上安裝波浪能採集裝置，這樣會對船體自身的形成產生較大的影響。而且目前也沒有利用船體本身結構收集波浪能推進船舶的相關技術。

技術實現要素：

本發明的目的在於利用安裝在船體的波浪能轉化裝置的特性，使該波浪能轉化裝置充分發揮比現有波浪推進裝置效率更高的優勢，將波浪能採集系統這種龐大的海工設備運用到了船舶推進上且結構簡單裝卸方便。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置及其製造方法。

根據本發明的一個實施方式，提供了一種船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置，所述波浪能轉化裝置包括能量俘獲系統和能量提取系統，

所述能量俘獲系統包括頂部板、彈性部件和下浮板，

所述頂部板為船舶的船體底部，或者所述頂部板固定安裝至船舶的船體底部；

所述彈性部件的一端固定至所述頂部板；以及

所述下浮板與所述彈性部件的另一端固定連接，並且下浮板的位置被調整為浸沒於水面，

所述能量提取系統包括三相異步發電機、條狀齒構件、主動齒輪和從動齒輪：

所述三相異步發電機固定於所述頂部板；

所述條狀齒構件固定至所述下浮板上；

所述主動齒輪與所述條狀齒構件的齒狀部分相嚙合；以及

所述從動齒輪安裝於所述三相異步發電機的轉軸上，並且所述從動齒輪與所述主動齒輪相嚙合，

其中，當波浪使所述下浮板進行運動時，通過所述彈性部件的作用使得所述下浮板進行上下擺動，從而帶動所述下浮板上固定的所述條狀齒構件進行上下移動，通過所述條狀齒構件與所述主動齒輪的嚙合以及所述主動齒輪和所述從動齒輪的嚙合，所述三相異步發電機的轉軸進行轉動，從而進行發電。

根據本發明的一個方面，所述能量提取系統還包括齒輪支架，

所述主動齒輪通過支撐軸安裝於所述齒輪支架，以便繞所述支撐軸進行自由轉動，

所述齒輪支架的一端固定連接至所述頂部板，並且所述條狀齒構件嵌套於所述齒輪支架的另一端內，以通過所述齒輪支架來限制所述條狀齒構件的水平位移，從而保證所述條狀齒構件與所述主動齒輪的嚙合度；

根據本發明的又一方面，所述能量提取系統還包括電機支架，所述三相異步發電機通過所述電機支架固定於所述頂部板。

根據本發明的又一方面，所述條狀齒構件、所述主動齒輪、所述從動齒輪、所述三相異步發電機、所述齒輪支架和所述電機支架作為一套發電裝置，所述波浪能轉化裝置設置有兩套所述發電裝置，以下浮板的對角線的交點為中心點，兩套所述發電裝置對稱分布。

根據本發明的又一方面，所述彈性部件為彈簧，所述彈簧的數量為四個，所述四個彈簧的兩端分別固定於所述頂部板和下浮板的長度方向的左右兩端。

根據本發明的又一方面，所述條狀齒構件固定至靠近所述下浮板的長度方向的左右兩端的位置處。

根據本發明的又一方面，所述齒輪支架呈l形，所述l形的兩端分別固定於所述頂部板和嵌套有所述條狀齒構件，所述主動齒輪的支撐軸設置於所述l形的中部。

根據本發明的又一方面，所述能量提取系統由水密的橡膠氣囊包圍。

根據本發明的又一方面，所述條狀齒構件的上端還設置限位部件，所述限位部件的寬度大於所述條狀齒構件的寬度。

根據本發明的另一實施方式，提供了一種船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置的製造方法，所述製造方法包括：

提供頂部板和下浮板；

將電機支架固定連接於所述頂部板，將三相異步發電機連接至所述電機支架；

將從動齒輪安裝於所述三相異步發電機的轉軸上；

將齒輪支架的一端固定連接至所述頂部板；

將主動齒輪通過轉軸固定於所述齒輪支架，並且使所述主動齒輪和所述從動齒輪相嚙合；

將條狀齒構件嵌套於所述齒輪支架的另一端，以通過所述齒輪支架來限制所述條狀齒構件的水平移動，並且使得所述條狀齒構件的齒狀部分與所述主動齒輪相嚙合；以及

將彈性部件的一端固定連接至所述頂部板，將所述彈性部件的另一端固定連接至所述下浮板。

與現有技術相比，本發明至少提供了以下有益效果。

船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置將不改變船體自身結構，保證了船體的結構強度和航行性能。該波浪能轉化裝置充分發揮比現有波浪推進裝置效率更高的優勢，將下浮板在波浪中振蕩運動的動能採集起來，用於船舶的推進系統，作為船舶推進系統的輔助能量，且本裝置結構簡單裝卸方便。進一步地由于波浪能轉化裝置的外置獨立性，一艘船舶可根據布局優化裝配多個波浪能轉化裝置，增加波浪能的採集效率。波浪能轉化裝置可以進行集成製造，對產品型號、尺寸、規格可按照不同系列做批量生產。整個波浪能轉化裝置易於檢修，更換，維護實用性更強。

附圖說明

圖1是本發明實施方式的船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置的立體示意圖。

圖2是本發明實施方式的船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置的船寬方向上觀看的結構示意圖。

圖3是圖2的a-a方向得到的本發明實施方式的船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置的剖面圖。

具體實施方式

為了更好地理解本發明，下面結合具體實施方式，對本發明進行進一步的說明。

圖1示意性地示出了本發明實施方式的船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置的立體圖，圖2為本發明實施方式的船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置的船寬方向上觀看的結構示意圖。圖3是圖2的a-a方向得到的本發明實施方式的船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置的剖面圖。本發明的船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置包括能量俘獲系統和能量提取系統。

如圖1和2所示，能量俘獲系統包括頂部板1、彈性部件2和下浮板3。

頂部板1可以是船舶的船體底部，或其他合適的船體部位。頂部板1可以為長方形的平板，可以固定安裝至船舶的船體底部，或者固定於船舶的其他合適船體部位。

下浮板3可以是長方形的平板，該平板的長寬比優選為4∶1。根據船舶航行狀態，使得下浮板3浸沒於水面中，以接收波浪能。

彈性部件2優選為螺旋彈簧，本領域的技術人員應當理解，也可以選擇其他合適的彈性部件。彈性部件2的兩端分別固定連接至頂部板1和下浮板3。在本發明的一個實施方式中，如圖1和圖3示出了彈性部件2為螺旋彈簧。該螺旋彈簧的數量優選為四個，分別位於下浮板3的四個頂點位置處。但是本領域的技術人員應當理解，根據實際需要也可以設置其他數量的彈簧。

如圖1和2所示，能量提取系統包括條狀齒構件4、主動齒輪10、從動齒輪8和三相異步發電機9。

條狀齒構件4的形式可以為齒條的形式，條狀齒構件4的一端固定安裝於下浮板3。如圖1至3所示，條狀齒構件4固定安裝於下浮板3的長度方向的靠近兩側的位置處。

三相異步發電機9可以固定安裝至頂部板1。在本發明的優選實施方式中，三相異步發電機9通過電機支架6安裝於頂部板1上。如圖2所示，電機支架6的一端固定安裝至頂部板1上。三相異步發電機9固定於電機支架6上。

從動齒輪8安裝至三相異步發電機9的轉軸上。並且與主動齒輪10相嚙合。此外，主動齒輪10也與條狀齒構件4的齒狀部分相嚙合。其中，主動齒輪10的直徑大於從動齒輪8的直徑。

在本發明的優選實施方式中，還包括齒輪支架5，用於支撐主動齒輪10。齒輪支架5的形狀優選為「l」形，但是本領域的技術人員應當理解，齒輪支架5也可以設置成其它形狀，例如四分之一圓形。

齒輪支架5的一端連接至頂部板1，另一端將條狀齒構件4嵌套在齒輪支架5中，而主動齒輪10則通過支撐軸設置於齒輪支架5的中部位置，這樣主動齒輪10可以繞安裝於齒輪支架5的支撐軸進行自由的轉動。

齒輪支架5延伸至條狀齒構件4之外的結構，用於限制條狀齒構件4的水平方向的位移，從而確保條狀齒構件4的齒狀部分與主動齒輪10的嚙合度。例如，如圖3中更好示出地，齒輪支架5的結構可以為至少在主動齒輪10和條狀齒構件4所處的位置處為中空結構，用於將主動齒輪10和條狀齒構件4容納在其中，而齒輪支架5延伸至條狀齒構件4之外的結構則為封閉結構，用於限制條狀齒構件4的水平方向的位移。齒輪支架5也可以位於主動齒輪10和條狀齒構件4的一側，並且在條狀齒構件4處具有限制條狀齒構件4的水平方向位移的結構。

在本發明的優選實施方式中，條狀齒構件4的上端還可以設有限位部件7，如圖2所示。其中，限位部件7可以是限位塊，該限位部件7的寬度大於條狀齒構件4的寬度，這樣防止當條狀齒構件4進行上下移動時，因移動位移過大，條狀齒構件4從齒輪支架5中脫離的問題。

優選地，如圖2所示，各部件的安裝位置為：在從下浮板3的外側向內的方向上，依次為彈性部件2、條狀齒構件4、主動齒輪10和從動齒輪8。

當下浮板3與波浪相接觸時，波浪使得下浮板3進行運動，通過彈性部件2的作用下浮板3進行上下移動，從而帶動條狀齒構件4進行上下移動，這樣與條狀齒構件4的齒狀部分相嚙合的主動齒輪10進行轉動，通過與主動齒輪10相嚙合的從動齒輪8的轉動，使得三相異步發電機9的轉軸進行轉動，從而實現發電的功能。並且由於三相異步發電機9的正轉與反轉均能實現發電的特性，因此條狀齒構件4的上下移動均能完成將波浪能轉化為電能的過程。

如圖2所示，本發明的能量提取系統還包括排線孔11，電線通過該排線孔11將三相異步發電機產生的電力導入頂板之上的蓄電池，進行充電。將電能儲存起來供給船舶推進裝置和船舶的用電設備。其中，蓄電池可以位於頂部板的上方，例如位於船底內。

在本發明的優選實施方式中，能量提取系統的各個部件可以包圍在水密的橡膠氣囊中。

上述能量俘獲系統用於將波浪能轉換成垂蕩和縱搖兩個自由度的運動，以此帶動下浮板3上的垂直方向上的條狀齒構件4運動，通過設置條狀齒構件、主動齒輪和從動齒輪的理想傳動速度比，當波浪入射時浮板的垂蕩運動和縱搖運動驅動三相異步發電機進行發電。

根據本發明的另一實施方式，條狀齒構件4、主動齒輪10、從動齒輪8、三相異步發電機9、齒輪支架5和電機支架6組成一套完整的發電系統。在一個波浪能轉化裝置中可以設置兩套這種發電系統。例如如圖3所示，以下浮板3的對角線交點為中點，兩套發電系統成中心對稱分布。但是本領域的技術人員應當理解，也可以設置任何合適數量的發電系統。

根據本發明的優選實施方式，可以根據不同波浪的情況選用不同長度的浮板，使得當入射波浪激勵時，波浪的波峰位於下浮板的一端，而波谷位於下浮板的另一端。波峰端的下浮板向上位移時，一部分能量轉換成彈簧的勢能，當波峰過去變為波谷時，彈簧勢能變為下浮板端向下位移的機械能。由於三相異步發電機的正反轉均能發電的特性，使得條狀齒構件的上下移動均能發電，並且由於下浮板的一端和另一端處於完全相反的狀態，因此可以儘可能使下浮板和波浪運動產生共振，提高發電效率。

如上所述，為了提高發電效率，儘可能使下浮板和波浪的運動產生共振。該共振的產生可以通過選用合適長度的下浮板來實現，也可以通過調整彈性部件的剛度來實現。

在調整彈性部件的剛度的情況下，例如彈性部件是彈簧的情況下，可以通過調整彈簧的長度來進行剛度的調整。例如，彈簧的上部相對於頂部板可以伸縮。通過設置在船舶上的控制系統，需要將彈簧的剛度變大時，將彈簧的上部的一部分縮入頂部板的上部空間中，需要將彈簧的剛度變小時，將彈簧的上部的一部分從頂部板的上部空間伸出。

在選用其他形式的彈性部件的情況下，也可以採用合適的方式來控制彈性部件的剛度。通過上述方式，也可以來實現下浮板和波浪的共振，從而提高發電效率。

根據本發明的一個實施方式，在船舶的船體底部設置多個波浪能轉化裝置，使得多個波浪能轉化裝置的各個下浮板3縱橫排列在船體的底部，成線型形狀，這樣不僅對船舶起到減震作用，下浮板3還可以與波浪形成有利的幹擾。此時具有下浮板3的波浪能轉化裝置會形成本身的波系，通過選用合適的下浮板長度和合適的彈性部件的剛度，可以使得上述波系與波浪的波系形成波峰和波谷的疊加，此時將形成有利的幹擾。這樣提高了波浪能的吸收效率。

在本發明中，由于波浪能轉化裝置的外置獨立性，一艘船舶可根據布局優化裝配多個波浪能轉化裝置，增加波浪能的採集效率。波浪能轉化裝置可以進行集成製造，對產品型號、尺寸、規格可按照不同系列做批量生產。整個波浪能轉化裝置易於檢修，更換，維護實用性更強。

根據本發明的又一實施方式，本發明還提供了一種船舶用振蕩浮板波浪能轉化裝置的製造方法。

該方法包括以下步驟，但是本領域的技術人員應當理解，這些步驟並不需要按照所列的順序進行執行，可以選擇任何合適的順序執行。

提供頂部板1和下浮板3。

將電機支架6固定連接於頂部板1，將三相異步發電機9連接至電機支架6。

將從動齒輪8安裝於三相異步發電機9的轉軸上。

將齒輪支架5的一端固定連接至頂部板1。

將主動齒輪10通過轉軸固定於齒輪支架5，並且使主動齒輪10和從動齒輪8相嚙合。

將條狀齒構件4嵌套於齒輪支架5的另一端，以通過齒輪支架5來限制條狀齒構件4的水平移動，並且使得條狀齒構件4的齒狀部分與主動齒輪10相嚙合。

將彈性部件2的一端固定連接至頂部板1，將彈性部件2的另一端固定連接至下浮板3。

本發明的波浪能轉化裝置的製造方法還包括：在條狀齒構件4的上端還設置限位部件7，該限位部件7的寬度大於條狀齒構件4的寬度，這樣防止當條狀齒構件4當進行上下移動時，因移動位移過大，條狀齒構件4從齒輪支架5中脫離的問題。

本發明的波浪能轉化裝置的製造方法還包括：設置由條狀齒構件4、主動齒輪10、從動齒輪8、三相異步發電機9、齒輪支架5和電機支架6組成兩套發電系統。以下浮板3的對角線交點為中點，兩套發電系統成中心對稱分布。

顯然，上述實施方式僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬於本發明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。

符號說明

頂部板1

彈性部件2

下浮板3

條狀齒構件4

齒輪支架5

電機支架6

限位部件7

從動齒輪8

三相異步發電機9

主動齒輪10。