双绳式浮体绳轮海浪发电系统 【技术领域】
本发明涉及一种海浪发电系统。
背景技术
海洋波浪能源是一种无穷无尽的可再生能量资源，如何利用这样丰富的能量资源为人类服务，是前人和现代人一直在研究的重要课题，利用波浪能发电就是其中一大课题。
海洋受复杂的自然因素变化影响，其波浪、海潮的大小和形式变化，给人们利用海洋波浪能量来进行稳定发电产生较大的困难。
根据以往的研究经验，认为目前利用波浪能发电有以下几种比较有效的方法：即振荡水柱波能装置、聚波水库波能装置、摆式波能装置等。
振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便。其缺点是二级能量转换效率较低、对小波浪能适应性也不强，且造价高昂。
聚波水库装置的优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定。不足之处是电站建造对地形有要求，不易推广。
摆式波能装置，摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性，摆式装置的转换效率较高，但现有的装置机械的维护较为困难，容易损坏，且适合于海浪大小变化较大、又易于设计制造的大规模的成熟的装置还未见有报道。
最近出现的海蛇发电技术，因为其设计理念是侧重于生存性而忽略了效率，它只是利用了波浪面的夹角变化来提取能量，波面越陡，提取的能量越大，仔细观察海浪波形就会发现，浪的波高很大时，波面不一定就陡，因为此时波长也长了。另外在小波浪下，每一节收到的海浪冲击情况类似，所以，形成不了弯矩，输出的功率几何为0，所以经济效益收到限制。
总之，由于种种原因，迄今为止，还未出现一个实用的海浪发电系统。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种双绳式浮体绳轮海能发电系统，它能够自动适应大部分波形的波浪，其抗风浪能力强。
本发明的技术方案：
该海浪发电系统，包括波浪能采集部分、传动部分、发电机，其采集部分包括浮体(1)或摆板、绳一(7)、大转轮(8)、主轴(13)、棘轮机构(9)、小转轮(11)、绳二(10)、重物(12)、基座，绳一(7)一端系在浮体(1)或摆板上，另一端缠绕在大转轮(8)上，绳二(10)一端缠绕在小转轮(11)上，另一端系在重物(12)上，棘轮(9)、大转轮(8)、小转轮(11)通过主轴(13)实现轴联，主轴(13)的支架固定在稳定基座上。绳一(7)与绳二(10)缠上各自转轮的方向相反。
其传动部分为液压传动，液压系统包含有轴向柱塞泵(14)、单向阀、蓄能器、油缸、液压油管(15)、液压马达，液压马达带动发电机运转。
当波浪隆起或推来时，因为系统的基座位置固定，浮体(1)或摆板就在波浪作用下，相对于基座的距离增大，于是拉动绳一(7)使得大转轮(8)旋转，大转轮的旋转通过主轴(13)带动棘轮、小转轮(11)旋转，棘轮机构(9)将动力输出，而小转轮(11)将绳二(10)回收，使得重物(12)上升；当波浪回落时，波浪的推力消失，于是重物在重力的作用下，通过绳二拉动小转轮反转，小转轮通过主轴带动大转轮反转，将绳一收回，因为棘轮机构的单向传动性，此阶段不输出动力。
波浪能量的采集就是这样一拉一收，将无规律的波浪推力转换成时断时续的旋转动力输出，而液压传动系统的轴向柱塞泵(14)将此动力转换成液压能，液压传动系统的输出端液压马达将液压能转换成机械能，输出动力给发电机发电。至此，完成了整个波浪能向电能转换的全过程。
值得说明的是，绳一的始终不会缠上大转轮的那部分可用直杆(21)代替，直杆与浮体(1)铰接，这样可同时利用直杆的刚性和绳的挠性。
该系统的核心部分可在水下运行，为了防止腐蚀，该系统的波浪能采集部分是这样设计的，棘轮机构(9)、轴向柱塞泵(14)在左箱体(17)内，小转轮(11)在右箱体(18)内，大转轮(8)在两个箱体之间，主轴(13)在插入箱体的孔处套有密封圈(16)，主轴的支架在箱体内，箱体固定在基座上，从而实现了对海水的密封，其中系统的液压传动系统、发电机也可放置在封闭的箱体内。
浮体、大转轮、主轴接触水那部分，表面做浸塑或刷漆防锈处理，或直接用耐腐蚀的材料制作，绳一为尼龙绳或者是包塑钢丝绳。
另外箱体内可以充入比所处水深压强稍大的气压，以防止海水渗进箱体内。
基座可以固定在海床上，或者是悬吊在水中的基板(19)，基板比重大于水，借助浮体(1)地浮力悬吊在水中，用锚(20)将基板系泊。基板水平面积大，形成很大的水阻力，可以保证在受到绳一(7)的很大拉力时，基板仍保持位置上的稳定。
本系统的浮体(1)为一长方体状，浮体下面固结有横板(3)，浮体在朝海浪一侧有翘边(2)。横板(3)的作用是为了增大与海浪的接触面积，增强与海浪的“附着力”，而翘边(2)的作用是，在浮体(1)迟滞波浪表面隆起时，增强浮体(1)底面受到的向上托力。
当多个采集单元工作时，多个浮体在同一平面上相隔一定距离的阵列排列，然后用弹性衔接面(4)将它们连接成一个易弯曲的面，易弯曲的面的四角通过绳连接在一个框架(5)上，以防止易弯面打卷，弹性衔接面即弹性材料制成的面。浮体的边角做圆角处理，以防止撕裂弹性衔接面。这种易弯面因为连续，可以减少波浪能的绕流，让波浪“无可选择”的必须推动它。
从浮体(1)的不同位置上引出多根绳，连接绳一(7)或通过横杆(6)连接绳一，这可以减小浮体的弯曲应力集中；当多个浮体工作时，从相邻的浮体引下绳系在横杆(6)上，然后在该横杆(6)上系上通向大转轮的绳，这样就可以将多个浮体提供的拉力汇集起来。
本发明具有以下优点：
1、抗风浪能力非常强：由于只有浮体(1)在海面上，系统的主要部分都在较为安静的水下，不必担心海浪的冲击。该系统没有刚性的主梁，绳一(7)是一种挠性构件，随便海浪上下左右怎么摇摆，不跟海浪硬碰硬。大转轮可以将绳一放的很长，这就大大延长了波浪冲击过程中的缓冲距离，减小了瞬时冲击力，其抗风浪能力由此得以增强。
2、耐腐蚀、防渗漏：该系统只有浮体(1)、绳一(7)、大转轮(8)、主轴(13)的一部分、箱体表面浸在海水里，而这些作了防锈处理，其它的都在箱体内，减少了与海水接触的部件。另外，箱体内充入比所处水深的压强大的气体，可以防止海水进入箱体内，同时防止润滑油、液压油渗入海洋中构成污染。
3、适应波形能力强、有效工作时间长，波浪能吸收转换能力高：因为任何波形的海浪都是以上下起伏表现的，所以浮体不管在那种波形下，都会上下起伏而工作。采用横板(3)、翘边(2)、易弯面等形式，则波浪能吸收能力更高。易弯面可以减少波浪能的绕流引起的能量损失。另外由于适应各种波浪，其有效作业时间也增长，从而整体效率也高。
4、成本低廉：该系统结构简单，没有造价高昂的大型水泥混凝土设施，不需耗费大量的钢材。
5、可以离岸作业：基板(19)悬于水中，这样就摆脱了对陆地的依赖。拖船可以拖着一整列该系统到处走，由此可以移动作业。
6、该系统，相对于浮体跟重物通过一根缠绕在轮上的绳相连的方式，其优点一是可以避免了绳干扰摩擦打结，二是可以改变重物的运动幅度。因为海浪有时高达十米多高，如果浮体与重物相连在一根绳子上，则重物的运动幅度也是高达十多米高，这样是很麻烦的事。而对于该系统，如小转轮的直径是大转轮的1/10，则即使在浪高十多米时重物的运动幅度也只有1米多高，大大降低了制造难度。
图1：双绳式浮体绳轮海浪发电系统采集部分透视图
图2：双绳式浮体绳轮海浪发电系统采集部分剖面图
图3：浮体及弹性衔接面外观图
图4：易弯面+多绳汇集结构外观图
1-浮体
2-翘边
3-横板
4-弹性衔接面
5-框架
6-横杆
7-绳一
8-大转轮
9-棘轮机构
10-绳二
11-小转轮
12-重物
13-主轴
14-轴向柱塞泵
15-液压油管
16-密封圈
17-左箱体
18-右箱体
19-基板
20-锚
21-直杆
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
该海浪发电系统，包括波浪能采集部分、传动部分、发电机，其采集部分包括浮体(1)或摆板、绳一(7)、大转轮(8)、主轴(13)、棘轮机构(9)、小转轮(11)、绳二(10)、重物(12)、基座，绳一(7)一端系在浮体(1)或摆板上，另一端缠绕在大转轮(8)上，绳二(10)一端缠绕在小转轮(11)上，另一端系在重物(12)上，棘轮(9)、大转轮(8)、小转轮(11)通过主轴(13)实现轴联，主轴(13)的支架固定在基座上。绳一(7)与绳二(10)缠上各自转轮的方向相反。
其传动部分为液压传动，液压系统包括轴向柱塞泵(14)、单向阀、蓄能器、油缸、液压油管(15)、液压马达，液压马达带动发电机运转。
当波浪隆起或推来时，因为系统的基座位置固定，浮体(1)或摆板就在波浪作用下，相对于基座的距离增大，于是拉动绳一(7)使得大转轮(8)旋转，大转轮的旋转通过主轴(13)带动棘轮机构(9)、小转轮(11)旋转，棘轮机构将动力输出，而小转轮将绳二(10)回收，使得重物(12)上升；当波浪回落时，波浪的推力消失，于是重物在重力的作用下，通过绳二拉动小转轮反转，小转轮通过主轴带动大转轮反转，将绳一收回，因为棘轮的单向传动性，此阶段不输出动力。
波浪能量的采集就是这样一拉一收，将无规律的波浪推力转换成时断时续的旋转动力输出，而液压传动系统的轴向柱塞泵(14)将此动力转换成液压能，液压传动系统的输出端液压马达将液压能转换成机械能，输出动力给发电机发电。至此，完成了整个波浪能向电能转换的全过程。
值得说明的是，绳一的始终不会缠上大转轮的那部分可用直杆(21)代替，同时利用直杆的刚性和绳的挠性，直杆与浮体铰接。
该系统的核心部分可在水下运行，为了防止腐蚀，该系统的波浪能采集部分是这样设计的，棘轮机构(9)、轴向柱塞泵(14)在左箱体(17)内，小转轮(11)在右箱体(18)内，大转轮(8)在两个箱体之间，主轴(13)在插入箱体的孔处套有密封圈(16)，主轴的支架固定在箱体内，箱体固定在基座上，从而实现了对海水的密封，其中系统的液压传动系统、发电机也可放置在封闭的箱体内。另外箱体内可以充入比所处水深压强稍大的气压，以防止海水渗进箱体内。
基座可以固定在海床上，或者是悬吊在水中的基板(19)，基板(19)比重大于水，借助浮体(1)的浮力悬吊在水中，用锚(20)将基板系泊。基板水平面积大，形成很大的水阻力，可以保证在受到绳一(7)的很大拉力时，基板仍保持位置上的稳定。
本系统的浮体(1)为一长方体状，浮体下面固结有横板(3)，浮体在朝海浪一侧有翘边(2)。横板(3)的作用是为了增加与海浪的接触面积，增强与海浪的“附着力”，而翘边(2)的作用是，在浮体(1)迟滞波浪表面隆起时，增强浮体(1)受到的向上托力。
当多个采集单元工作时，多个浮体在同一平面上相隔一定距离的阵列排列，然后用弹性衔接面(4)将它们连接成一个易弯曲的面，易弯曲的面的四角通过绳连接在一个框架(5)上，以防止易弯面打卷，弹性衔接面即弹性材料制成的面，浮体的边角做圆角处理，以防止撕裂弹性衔接面。这种易弯面，可以减少波浪能的绕流，让波浪“无可选择”的必须推动它。
从浮体(1)的不同位置上引出多根绳，连接绳一(7)或通过横杆(6)与绳一(7)连接，这可以减小浮体的弯曲应力集中；当多个浮体工作时，从相邻的浮体引下绳系在一横杆(6)上，然后在该横杆(6)上系上通向大转轮的绳，这样就可以将多个浮体提供的拉力汇集起来。
本系统制造比较容易，门槛低，投入规模可大可小。
如果按照绳一的工作拉力为5000N设计的话，则部分尺寸参数可参考如下：
浮体(1)：5×1×0.15m
绳一(7)外径：12mm
大转轮(8)外径：200mm
大转轮(8)宽：100mm
主轴(13)外径：48mm
棘轮顶圆直径：192mm
棘轮宽度：24mm
小转轮(11)外径：20mm
绳二(10)直径：2mm
重物(12)重量：50KG
浮体(1)，可以用薄钢板来做，外面刷漆或浸塑，也可以用挤塑泡沫来做，但要加筋增强强度；弹性衔接面(3)可以用橡胶来做。
绳一(7)就采用尼龙绳或者是包塑钢丝绳。
用来系多根绳的横杆(6)，可以用中间粗，两头细的形状(图4)。同样，横杆也要做防腐处理，浸塑或刷漆。
箱体，可以用薄钢板来做，外面刷漆或浸塑，也可以直接用工程塑料来做。。
基板(19)就采用钢筋混凝土板做即可，要面积大。
对于系统的其他构件，例如轴向柱塞泵(14)、蓄能器、单向阀、液压油管(15)、液压马达、发电机等，都可以在市场上买到。
所有一切都可以在工厂里制作组装，完成后，由轮船，将系统放入海中，而后，可以用拖船拖动，改变位置，用锚(20)将系统系泊。
该系统的大部分都在水下二三十米深处，这给维护增加了困难，所以在维护时，要将其水下部分升至水面，进行维护，完后再放入海中。