梁富琳，陳遠(yuǎn)明

LIANG Fu-lin, CHEN Yuan-ming

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的激增、社會(huì)的進(jìn)步，人類對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)。為了解決能源的日益緊缺和環(huán)境日趨嚴(yán)峻等問題，各國(guó)都爭(zhēng)相發(fā)展可再生能源[1]。波浪發(fā)電就是一個(gè)剛起步比較熱門的項(xiàng)目，但目前的波浪發(fā)電裝置在利用波浪能的同時(shí)很少考慮到兼顧利用風(fēng)能的作用，另一方面，現(xiàn)有的波浪發(fā)電裝置其核心部件都是直接浸泡在海水中，很難克服海水的腐蝕和風(fēng)暴的襲擊[2,3]。目前，波浪發(fā)電技術(shù)還不夠成熟，還沒有能長(zhǎng)時(shí)間投入實(shí)際使用的有效裝置，究其原因，其根本在于需要解決現(xiàn)有波浪發(fā)電裝置易腐蝕、難維護(hù)、對(duì)環(huán)境波浪條件適應(yīng)性差、易受風(fēng)暴破壞等問題[4～6]。本文設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)利用任意角度和方向的波浪能和風(fēng)能的全封閉型發(fā)電裝置。該裝置的發(fā)電主體機(jī)構(gòu)不接觸海水，防腐能力強(qiáng)、抗破壞能力好，現(xiàn)場(chǎng)安裝投放方便，能夠適應(yīng)任意潮位、地形和海況條件。

1 裝置的外部結(jié)構(gòu)

全封閉型波浪發(fā)電裝置的外部結(jié)構(gòu)如圖1所示，由具有封閉內(nèi)腔的浮體、設(shè)置于浮體上部的受風(fēng)翼和連接所述浮體下端的錨鏈及錨泊設(shè)備組成。

整個(gè)裝置通過錨泊設(shè)備固定在海底，主浮體部分漂浮于水面，所述受風(fēng)翼為四片，呈輻射狀對(duì)稱設(shè)置于浮體上部，可有效收集來自各個(gè)方向的風(fēng)能。裝置在風(fēng)力和波浪力的擾動(dòng)下做搖擺、升沉運(yùn)動(dòng)，從而激勵(lì)內(nèi)部發(fā)電主體進(jìn)行發(fā)電。

2 裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1 裝置外部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 裝置剖視結(jié)構(gòu)示意圖

裝置的剖視圖如圖2、圖3所示，裝置內(nèi)腔由上而下依次固定有相連接的彈簧振子、四組搖桿裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)，所述彈簧振子通過彈簧連接在浮體的內(nèi)壁上且能左右、前后、上下擺動(dòng)，所述搖桿裝置吸收彈簧振子的振蕩能量并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將彈簧振子朝各個(gè)方向擺動(dòng)時(shí)的動(dòng)能輸出為單向轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。本方案通過設(shè)置彈簧振子及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將浮體受波浪能和/或風(fēng)能作用下的各種形式的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸的單一方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)波浪能和風(fēng)能的綜合高效利用。

圖3 A-A向剖視示意圖

圖4為波浪發(fā)電裝置去掉外殼后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維示意圖。從圖中可以看到，所述彈簧振子包括重球13、對(duì)稱地水平連接于重球和浮體內(nèi)壁之間的四根水平彈簧14、沿重球豎直中心線方向設(shè)置的上彈簧15和下彈簧16，所述上彈簧連接設(shè)置于重球頂部和浮體內(nèi)腔頂壁之間，下彈簧連接設(shè)置于重球底部和浮體內(nèi)腔底部之間，所述四根水平彈簧呈十字形布置在同一空間水平面上且每根水平彈簧的軸線均指向重球的球心。所述彈簧振子通過采用設(shè)置多個(gè)彈簧，將重球置于內(nèi)腔中部的機(jī)構(gòu)，波浪能和風(fēng)能使浮體左右搖擺或上下沉浮時(shí)，使彈簧振子產(chǎn)生振蕩動(dòng)能，作為搖桿裝置搖擺的動(dòng)力。

圖4 裝置去掉外殼的內(nèi)部立體結(jié)構(gòu)示意圖

3 搖桿裝置的設(shè)計(jì)

圖5 其中一組搖桿裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 差動(dòng)齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

搖桿裝置如圖5所示。四組搖桿裝置以浮體的垂直中心軸為對(duì)稱軸對(duì)稱地豎直設(shè)置在重球與浮體內(nèi)壁之間，每組搖桿裝置均包括垂直搖桿軸18、水平搖桿軸19、差動(dòng)齒輪箱20、單向超越離合器組21、可伸縮搖桿22、萬向接頭23、軸承24和軸承座25、弧形連桿26。所述單向超越離合器組包括第一單向超越離合器21(a)、第二單向超越離合器21(b)、第三單向超越離合器21(c)，所述差動(dòng)齒輪箱如圖6所示，內(nèi)設(shè)有定軸圓錐齒輪組27和行星圓錐齒輪組28，所述定軸圓錐齒輪組包括豎直相對(duì)的第一定軸圓錐齒輪27(a)和第二定軸圓錐齒輪27(b)，所述行星圓錐齒輪組包括水平相對(duì)的第一行星圓錐齒輪28(a)和第二行星圓錐齒輪28(b)，每個(gè)定軸圓錐齒輪均和兩個(gè)行星圓錐齒輪同時(shí)嚙合，所述垂直搖桿軸包括上垂直搖桿軸18(a)和下垂直搖桿軸18(b)，上垂直搖桿軸的下端與第一定軸圓錐齒輪相連接，同時(shí)其上部通過軸承和軸承座固定在浮體的內(nèi)壁上，所述下垂直搖桿軸上端與第二定軸圓錐齒輪相連接，其下端通過第三單向超越離合器與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，所述水平搖桿軸包括第一水平搖桿軸19(a)和第二水平搖桿軸19(b)，第一水平搖桿軸一端與第一行星圓錐齒輪相連接，另一端與第一單向超越離合器相連接，第二水平搖桿軸一端與第二行星圓錐齒輪相連接，另一端與第二單向超越離合器相連接，所述弧形連桿26連接于第一單向超越離合器和第二單向超越離合器之間，所述可伸縮搖桿22的一端通過萬向接頭與重球相連接，另一端與弧形連桿中部固定連接。通過設(shè)置單向超越離合器組及搖桿裝置和差動(dòng)齒輪箱等，無論浮體在波浪能和風(fēng)能的單獨(dú)作用或混合作用下如何有規(guī)律或無規(guī)律的左右擺動(dòng)和/或上下沉浮，搖桿裝置都能將彈簧振子各個(gè)方向的擺動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為單一方向的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能提供給傳動(dòng)系統(tǒng)以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)按固定轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)波浪能和風(fēng)能的充分利用。

在發(fā)電裝置彈簧振子震蕩過程中，當(dāng)重球帶動(dòng)圖5中的可伸縮搖桿22向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一單向超越離合器21(a)合緊傳動(dòng)，第二單向超越離合器21(b)分離不傳動(dòng)；當(dāng)所述可伸縮搖桿22向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，則相反，第一單向超越離合器21(a)分離不傳動(dòng)，第二單向超越離合器21(b)合緊傳動(dòng)。上述不管哪種情況，經(jīng)過圖6所示的差動(dòng)齒輪箱的傳動(dòng)后，輸出軸也就是下垂直搖桿軸18(b)始終做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（由上往下看）。另外，在下垂直搖桿軸18(b)和垂直傳動(dòng)軸17連接部位處安裝的第三單向超越離合器21(c)的作用是：當(dāng)重球13做左右前后運(yùn)動(dòng)使可伸縮搖桿22做水平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，特別當(dāng)可伸縮搖桿22通過水平搖桿軸19牽動(dòng)所述行星圓錐齒輪組28做順時(shí)針公轉(zhuǎn)時(shí)（由上往下看），所述行星圓錐齒輪組28也帶動(dòng)所述定軸圓錐齒輪組27做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，所述第三單向超越離合器21(c)合緊傳動(dòng)，使所述垂直傳動(dòng)軸17還是始終做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；反之，所述行星圓錐齒輪組28逆時(shí)針公轉(zhuǎn)并帶動(dòng)所述定軸圓錐齒輪組27逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第三單向超越離合器21(c)分離不傳動(dòng)，不影響所述垂直傳動(dòng)軸17原來的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。因此不管所述可伸縮搖桿22在水平面往哪個(gè)方向搖擺，只會(huì)驅(qū)動(dòng)所述垂直傳動(dòng)軸17始終做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由于具有四個(gè)相同的所述搖桿裝置，它們對(duì)于彈簧振子的動(dòng)力吸收具有互補(bǔ)性和軸對(duì)稱性，因此不管所述重球13往上下左右前后哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，總能驅(qū)動(dòng)一組或多組所述搖桿裝置，使各個(gè)搖桿裝置對(duì)應(yīng)的四根垂直傳動(dòng)軸17始終做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)（由上往下看）。

四根垂直傳動(dòng)軸再經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)把動(dòng)力最終傳送給發(fā)電機(jī)發(fā)電。如圖4所示，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括四個(gè)角傳動(dòng)齒輪箱6、四根水平傳動(dòng)軸7、位于重球正下方且具有四個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端的四軸輸入齒輪箱8、總傳動(dòng)軸9、變速箱10、慣性輪11。四根垂直傳動(dòng)軸，每根垂直傳動(dòng)軸上端連接第三單向超越離合器，下端依次通過角傳動(dòng)齒輪箱、水平傳動(dòng)軸與四軸輸入齒輪箱的一個(gè)輸入端相連接，所述四軸輸入齒輪箱的輸出端通過總傳動(dòng)軸依次連接變速箱、慣性輪和發(fā)電機(jī)。

如圖7所示，四軸輸入齒輪箱內(nèi)部設(shè)有四個(gè)對(duì)稱設(shè)置的小錐齒輪29和一個(gè)大錐齒輪30，四個(gè)小錐齒輪的旋轉(zhuǎn)中心位于同一水平面且呈十字形分布，所述大錐齒輪同時(shí)與四個(gè)小錐齒輪相嚙合且與各個(gè)小錐齒輪的旋轉(zhuǎn)中心所在平面垂直。四個(gè)小錐齒輪將來自不同搖桿裝置的機(jī)械能傳至大錐齒輪，無論彈簧振子朝哪個(gè)方向擺動(dòng)，搖桿裝置獲取的機(jī)械能均能由小錐齒輪推動(dòng)大錐齒輪按固定轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)。

需要注意的是，所述變速箱與發(fā)電機(jī)之間的連接軸上設(shè)置有慣性輪11，其作用為利用慣性輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大來吸收儲(chǔ)存裝置受大風(fēng)浪沖擊時(shí)產(chǎn)生的多余能量，同時(shí)也作為系統(tǒng)的動(dòng)力匹配，使所述發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速更穩(wěn)定，從而降低電力輸出的波動(dòng)。

圖7 四軸輸入齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

另外補(bǔ)充說明下，浮體的內(nèi)腔由上而下包括搖桿腔、發(fā)電腔，所述搖桿腔和發(fā)電腔之間設(shè)置有用于固定四軸輸入齒輪箱的第一帶孔隔板，所述發(fā)電腔內(nèi)還設(shè)置用于固定變速箱的第二帶孔隔板，從而起到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、便于安裝的目的。重球表面、浮體內(nèi)壁、四軸輸入齒輪箱頂面均設(shè)置有用于安裝彈簧的掛環(huán)，便于彈簧的安裝及更換。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種可同時(shí)利用任何角度和方向的波浪能和風(fēng)能的全封閉型發(fā)電裝置，該裝置與現(xiàn)有波浪發(fā)電裝置相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）既可以利用波浪的擾動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，也可以利用風(fēng)的擾動(dòng)進(jìn)行發(fā)電。

2）能吸收任意角度和方向的波浪能和風(fēng)能，對(duì)浪向、風(fēng)向不敏感，不管裝置里面的重球做上下左右還是前后的運(yùn)動(dòng)都能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)往同一方向旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

3）通過全封閉外殼把發(fā)電主體部件密封起來與海水隔離，提高抗腐蝕和抗風(fēng)暴破壞能力，大大提高工作壽命，降低維護(hù)成本。

4）集強(qiáng)耐久性與高可靠性為一體，現(xiàn)場(chǎng)安裝投放方便，能夠適應(yīng)任意潮位、地形和海況條件。

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