具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置的制作方法

本發(fā)明屬于海洋能發(fā)電領域，尤其涉及一種具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置。

背景技術：

海洋能(包含潮汐能、潮流能、波浪能、海流能)是指海水流動的能量，作為可再生能源，儲量豐富，分布廣泛，具有極好的開發(fā)前景和價值。海洋能的利用方式主要是發(fā)電，其工作原理與風力發(fā)電類似，即通過能量轉換裝置，將海水的機械能轉換成電能。具體而言，首先海水沖擊水輪機，水輪機將水流的能量轉換為旋轉的機械能，然后水輪機經過機械傳動系統(tǒng)帶動發(fā)電機發(fā)電，最終轉換成電能。

現(xiàn)今能源日益短缺，溫室效應日益嚴重，能源需要低碳化，所以風能，海洋能等清潔能源是未來能源的發(fā)展方向。但現(xiàn)在這些清潔能源的發(fā)電設備，除了風能利用比較成熟外，海洋能的利用還都是在起步階段，沒有通用和成熟的設備。現(xiàn)有的少數設備也存在效率低下，設備不能大規(guī)?；膯栴}。

由于海洋環(huán)境復雜，水中阻力大，傳統(tǒng)的海洋能發(fā)電裝置的安裝都必須在海里進行，困難度高，費用龐大。另外，由于發(fā)電裝置長期接觸海水，在海水的長期侵蝕和巨大沖擊力下，加上裝置本身不停做功產生的勞損，海洋能發(fā)電裝置使用一段時間后就需要定期進行維修或更換。然而傳統(tǒng)的海洋能發(fā)電裝置的維修和更換也均在海里進行，困難度高，成本巨大。甚至，因為部分組件的損壞，導致整個海洋能發(fā)電裝置的報廢，這是海洋能發(fā)電裝置高成本的重要原因之一，也是造成現(xiàn)有的海洋能發(fā)電裝置無法大規(guī)模化、商業(yè)化運營的直接原因。

尤其是水平軸水輪發(fā)電機，由于其所有電器元件(包括葉片、發(fā)電機、齒輪箱、增速箱等)均在水下。特別地，與發(fā)電機連接的齒輪箱在使用一段時間之后需要更換機油，所以水平軸水輪發(fā)電機的維修和保養(yǎng)更加困難，成本更高。因此，即便水平軸水輪發(fā)電機的發(fā)電效率高于垂直軸水輪發(fā)電機，但水平軸水輪發(fā)電機商業(yè)化仍然非常困難。

并且，隨著水中深度的增加，壓強逐漸增大。由于發(fā)電機組外部的壓強會遠遠大于內部的壓強，因此外部水流很容易滲透到發(fā)電機組內部從而損毀發(fā)電機組。為了增強發(fā)電機組的抗壓性能和密封性能，對發(fā)電機組外殼的強度和結構的密封性會有更高的要求，從而導致生產成本的攀升；另一方面，為了增加發(fā)電機組的抗壓性能和密封性能，發(fā)電機組的體積需要進一步縮小以使發(fā)電機組內的所有元件(增速箱、傳動元件、發(fā)電機等)都緊密設置，這樣增加了元件之間的摩擦，極大地影響了發(fā)電機組的效率。為了避免這些問題，現(xiàn)有的海洋能發(fā)電裝置在垂直于水平面方向都只設置一個水輪發(fā)電機以避免水深處壓強太大的問題。然而，這樣對水中深處的潮流能無法充分利用。

另一方面，由于潮流能是利用海洋的潮流進行發(fā)電。伴隨著漲潮和落潮，潮流的方向會發(fā)生改變。傳統(tǒng)的大部分水平軸水輪發(fā)電機都不可以旋轉，導致潮流能發(fā)電機只能利用漲潮或者落潮進行發(fā)電，發(fā)電效率極低。現(xiàn)有技術人員為了充分利用漲潮和落潮產生的能量，選擇安裝兩套發(fā)電系統(tǒng)。一套發(fā)電系統(tǒng)的葉輪朝向漲潮方向，另一套發(fā)電系統(tǒng)的葉輪朝向落潮方向。雖然看似漲潮和落潮產生的能量都充分得以利用，但是在漲潮或落潮時，始終會有一套發(fā)電系統(tǒng)閑置。增加一套發(fā)電系統(tǒng)使得生產成本翻倍，而產生的電能功率的提高遠不及成本的增加，這極大地限制了海洋能發(fā)電裝置的推廣和運用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術中的至少一個不足，提供一種具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的一目的，本發(fā)明提供一種具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置，包括發(fā)電機、至少一根傳動軸、至少一個水平軸水輪機和至少一個變角傳動機構。當海洋能發(fā)電裝置發(fā)電時，發(fā)電機位于水平面以上。傳動軸的一端連接發(fā)電機，傳動軸的軸線方向垂直于水平面。水平軸水輪機的軸線方向平行于水平面。變角傳動機構連接水平軸水輪機和傳動軸，將水平軸水輪機產生的動能傳遞給傳動軸。

于本發(fā)明的一實施例中，具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置還包括至少一根外軸，傳動軸套設于外軸之內，外軸轉動時帶動水平軸水輪機改變朝向。

于本發(fā)明的一實施例中，具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置還包括電機，連接外軸以驅動外軸轉動。

于本發(fā)明的一實施例中，具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置還包括增壓管，與外軸內連通以增加外軸內的壓強，使外軸內的氣壓大于外部海水的壓強。

于本發(fā)明的一實施例中，具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置還包括多個密封圈，分別設于水平軸水輪機處和變角傳動機構處以實現(xiàn)外部密封。

于本發(fā)明的一實施例中，具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置還包括外框架和至少一個內框架，內框架可分離地設置于外框架內，水平軸水輪機、傳動軸和變角傳動機構設置于內框架內。

于本發(fā)明的一實施例中，水平軸水輪機、傳動軸以及變角傳動機構的數量均大于或等于二。

于本發(fā)明的一實施例中，具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置還包括齒輪箱，傳動軸的端是通過齒輪箱連接發(fā)電機。

于本發(fā)明的一實施例中，變角傳動機構包括多個齒輪和傳動桿，通過齒輪和傳動桿之間的配合實現(xiàn)傳動角度的改變。

綜上所述，本發(fā)明提供的具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置通過設置傳動軸和變角傳動機構，從而能夠將傳統(tǒng)的水平軸水輪發(fā)電機的發(fā)電機部分和其他增速箱等電器元件從水里提升到水面以上。雖然變角傳動機構在機械領域已經存在，但是在海洋能發(fā)電量領域，本領域技術人員從來沒有考慮過水平軸發(fā)電機的發(fā)電機部分可以脫離水輪機從而提升到水面以上?，F(xiàn)有本領域技術人員都一直受到固有模式的限制陷入了技術偏見，認為只有垂直軸水輪發(fā)電機的發(fā)電機部分才能設置在水面上，水平軸水輪發(fā)電機只考慮改進葉片的設置從而提高發(fā)電功率。本發(fā)明申請正是克服了這種技術偏見，解決了現(xiàn)有技術中水平軸水輪發(fā)電機由于所有的電器元件均在水里，因此維修更換困難大、成本高的難題。本發(fā)明申請的發(fā)電機部分是在水面以上(增速箱等其它電器元件也可以根據需要設置到水面以上)，因此后續(xù)發(fā)電裝置的維修均是在水面上進行，大大降低了維修成本，進一步促成海洋能發(fā)電裝置的商業(yè)化運用和推廣。

為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

圖1所示為根據本發(fā)明第一實施例提供的具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置的側視圖。

圖2所示為根據本發(fā)明第一實施例提供的具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置的俯視圖。

圖3所示為根據本發(fā)明第二實施例提供的具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置的側視圖。

具體實施方式

圖1所示為根據本發(fā)明第一實施例提供的海洋能發(fā)電裝置的側視圖。圖2所示為根據本發(fā)明第一實施例提供的具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置的俯視圖。如圖1和圖2所示，本發(fā)明第一實施例提供的具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置100包括發(fā)電機1、至少一根傳動軸2、至少一個水平軸水輪機3和至少一個變角傳動機構4。

當海洋能發(fā)電裝置100發(fā)電時，發(fā)電機1位于水平面P(即水面)以上。傳動軸2的一端連接發(fā)電機1，傳動軸2的軸線方向X2垂直于水平面P。水平軸水輪機3的軸線方向X3平行于水平面P。水平軸水輪機3包括由至少兩片葉片組成的葉輪，水平軸水輪機3的軸線方向X3為葉輪的旋轉軸的軸線方向。具體而言，從圖1所示的方向看去，傳動軸2是垂直設置，水平軸水輪機3是水平設置。于實際應用中，傳動軸2的大部分、水平軸水輪機3和變角傳動機構3都位于水中，即位于水平面P以下。

本發(fā)明的變角傳動機構4的作用是改變傳動角度/方向。本發(fā)明的變角傳動機構4連接水平軸水輪機3和傳動軸2，將水平設置的水平軸水輪機3產生的動能傳遞給垂直設置的傳動軸2。具體而言，水平軸水輪機3在水流的沖擊下進行轉動，產生的動能通過水平軸水輪機3本身的旋轉軸傳遞給變角傳動機構4，此時動能的傳遞方向是水平方向。然后變角傳動機構4改變傳動的角度/方向，將水平方向的動能傳遞給垂直設置的傳動軸2。之后傳動軸2由于一端連接了發(fā)電機1，從而將動能傳給發(fā)電機1。發(fā)電機1將接收到的動能轉化為電能，從而進行發(fā)電。

于本實施例中，變角傳動機構4包括多個齒輪41和傳動桿42，通過齒輪41和傳動桿42之間的配合實現(xiàn)傳動角度90度的改變。如何通過齒輪和傳動桿42的配合實現(xiàn)傳動角度或方向的改變，為機械領域的現(xiàn)有設計，在此不展開詳細描述。圖1中僅繪出了一種排布方式。然而，本發(fā)明對此不作任何限定，變角傳動機構4可僅包括多個齒輪以實現(xiàn)傳動角度90度的改變。凡是能夠實現(xiàn)傳動角度90度改變的傳動結構，都在本發(fā)明申請的變角傳動機構4保護的范圍內。

于本實施例中，海洋能發(fā)電裝置100還包括至少一根外軸5，傳動軸2套設于外軸5之內，外軸5轉動時帶動水平軸水輪機2改變朝向。于本實施例中，海洋能發(fā)電裝置100還包括電機6，連接外軸5以驅動外軸5轉動。由于漲潮和落潮的水流方向相反，無論水流朝哪個方向流入，通過外軸5的轉動控制水平軸水輪機3的葉片始終朝向水流，從而提高海洋能的利用率，提高發(fā)電效率。

于本發(fā)明中，電機6是位于水面上?，F(xiàn)有技術中少數水平軸水輪發(fā)電機可以實現(xiàn)改向，但是電機均是位于水面以下，有的甚至和發(fā)電機組集成為一體。由于現(xiàn)有技術中的控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、變流系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)都集成在葉片后形成一個整體，導致現(xiàn)有的水平軸水輪發(fā)電機的非葉片部分的體積非常大，大大降低了電子元器件的效能。并且傳動系統(tǒng)包括電機非常容易損壞，經常需要維修，這些元件設置在水面下將大幅度增加維修難度和成本。但是本發(fā)明中的電機6是位于水面以上而非水面下，徹底解決了上述問題，并且可以大幅度減小水平軸水輪發(fā)電機非葉片部分的體積，從而提高電子元器件的效能，最終達到提高發(fā)電效率的目的。

于本實施例中，電機6的數量對應于外軸5的數量。然而，本發(fā)明對此不做任何限定。于其它實施例中，可以通過齒輪等傳動機構，實現(xiàn)一個電機6對兩個外軸5的控制。每個電機6可包括電動機和傳動機構，傳動機構連接外軸5的一端，電機通過傳動機構驅動外軸5轉動。然而，本發(fā)明對此不作任何限定。于其它實施例中，電機6可包括電動機和減速機。由于現(xiàn)有的電機轉速都較快，通過減速機后轉速大大降低，因此能有效且精準地控制外軸5的轉速和轉動幅度。

于實際應用中，當水流沿圖2中所示的水流方向D流向海洋能發(fā)電裝置100時，電機6不運作。此時，水平軸水輪機3的葉片面向水流。當水流沿水流方向D相反的方向(從圖2中看去為由上往下)流向海洋能發(fā)電裝置時，電機6驅動外軸5轉動，從而帶動水平軸水輪機3旋轉180度，使得葉片從朝下改為朝上，以保證水平軸水輪機3的葉片始終朝向水流。此種情況尤其適用于利用潮汐能發(fā)電，確保了最大的發(fā)電功率。

特別地，實際應用中漲潮和落潮的水流方向并不完全平行，也并不一定會垂直于水平軸水輪機3的迎水面。無論水流從哪個方向涌入水平軸水輪機3，本實施例的海洋能發(fā)電裝置可以通過外軸5控制水平軸水輪機3改變朝向以使水平軸水輪機3始終正對水流，從而最大程度地利用海洋能，提高發(fā)電功率。

并且，當實際水流速度高于水平軸水輪機3能承受的最大負荷對應的額定速度時，此時只需通過外軸5轉動控制水平軸水輪機3使其旋轉偏離水流方向一個角度，則可以有效降低水平軸水輪機3的負載，在確保水平軸水輪機3不會因超負荷損毀的同時，確保水平軸水輪機3仍然正常工作，持續(xù)穩(wěn)定地輸出發(fā)電?？朔藗鹘y(tǒng)海洋能發(fā)電裝置中當水流速度過大，發(fā)電機為了避免燒毀就停止工作的弊端，同時無需進行變槳調節(jié)，使得發(fā)電機的負荷調節(jié)更加簡單有效。當實際水流速度小于水平軸水輪機3能承受的最大負荷對應的額定速度時，此時只需通過外軸5轉動控制水平軸水輪機3使其旋轉正對水流方向(即葉片的迎水面垂直于水流方向)，則可以最大程度地利用水流進行發(fā)電，提高發(fā)電功率。

于本實施例中，海洋能發(fā)電裝置100還包括增壓管7，與外軸5內連通以增加外軸5內的壓強，使外軸5內的氣壓大于外部海水的壓強。于本實施例中，海洋能發(fā)電裝置100還包括多個密封圈8，分別設于水平軸水輪機3處和變角傳動機構4處以實現(xiàn)外部密封。

具體而言，密封圈8分別設置于水平軸水輪機3的葉輪轉子與外部腔體的連接處以及變角傳動機構4的輸入與輸出轉軸與腔體的連接處。增壓管7的一端連通一個氣泵(圖未示)，另一端置于外軸5內，由于氣泵和外軸5相連通，氣泵可以控制增大或減小外軸5內的壓強，從而控制外軸5內的壓強大于外部的壓強。通過這種方式，僅設置常規(guī)的的密封圈8即可阻擋外部的水流進入外軸5和水平軸水輪機3內，從而有效地對外軸5內的傳動軸和變角傳動機構4以及水平軸水輪機3的葉輪轉子實現(xiàn)密封保護，解決了現(xiàn)有水平軸水輪發(fā)電機無法在水里深處工作或工作效率低下的問題，并且使得充分利用水深方向上的海洋能成為可能，提高發(fā)電效率，克服現(xiàn)有海洋能發(fā)電裝置無法“做深”的難題。

于本實施例中，海洋能發(fā)電裝置還包括外框架91和至少一個內框架92，內框架92可分離地設置于外框架91內，水平軸水輪機3、傳動軸2和變角傳動機構4設置于內框架92內。于本實施例中，一個內框架92和至少一個水平軸水輪機3共同形成一個內置模塊。于實際應用中，可先將至少一個水平軸水輪機3固定在一個內框架92內，然后將至少一個這樣組裝好的內框架92固定在外框架91內，從而實現(xiàn)海洋能發(fā)電裝置的模塊化安裝。具體而言，內置模塊的組裝可在岸上或海上平臺進行，然后將內置模塊由上往下吊入置于海中的外框架91內和外框架91進行固定，如此實現(xiàn)海面上的安裝作業(yè)，大大簡化安裝程序，減少安裝時間，降低海洋中安裝難度。

于本實施例中，海洋能發(fā)電裝置還包括齒輪箱10，傳動軸2的一端是通過齒輪箱10連接發(fā)電機1。為了確保發(fā)電機1高效的工作效率，齒輪箱10經常需要更換機油。本發(fā)明申請的齒輪箱10和發(fā)電機1均是在水面以上，因此大大降低了維修、保養(yǎng)和更換的難度和成本。

圖3所示為根據本發(fā)明第二實施例提供的具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置的側視圖。如圖3所示，第二實施例提供的具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置200的發(fā)電機1、傳動軸2、水平軸水輪機3、外軸5、電機6、密封圈8等元件和第一實施例相同，相同元件采用相同標號，以下僅就不同之處予以描述。

于本實施例中，水平軸水輪機3、傳動軸2以及變角傳動機構的數量為兩個。然而，本發(fā)明對水平軸水輪機、傳動軸以及變角傳動機構的數量不作任何限定，可以根據水底和水面之間的距離靈活調整水深上水平軸水輪機3的數量。于其它實施例中，水平軸水輪機、傳動軸以及變角傳動機構的數量可均大于二。至少水平軸水輪機3位于同一個內框架內且沿垂直于水平面P的方向排列。從圖3所示方向看去，兩個水平軸水輪機3為縱向排列，從而實現(xiàn)了海洋能發(fā)電裝置規(guī)模沿海洋深度的縱向擴展，大大提高發(fā)電功率，進一步克服了現(xiàn)有傳統(tǒng)海洋能發(fā)電裝置無法實現(xiàn)規(guī)模化的問題。

由于本實施例中有兩個水平軸水輪機3，因此位于圖3中上方的變角傳動機構4’不僅要將其自身連接的水平軸水輪機3水平傳遞過來的動能傳遞給水平面P上的發(fā)電機1，而且要將下方的傳動軸2垂直傳遞的動能傳遞給水平面P上的發(fā)電機1。因此，此實施例中位于上方的變角傳動機構4’中的內部結構會與第一實施例中的或者下方的變角傳動機構4的內部結構稍有不同。如何安排齒輪和傳動桿的排布從而實現(xiàn)傳動角度的改變或者維持是機械領域的現(xiàn)有設計，在此不展開詳細描述。圖3中僅繪出了一種排布方式，其它可以實現(xiàn)相同功能的排布方式都在本發(fā)明申請的保護范圍內。

綜上所述，本發(fā)明提供的具有變角傳動機構的海洋能發(fā)電裝置通過設置傳動軸和變角傳動機構，從而能夠將傳統(tǒng)的水平軸水輪發(fā)電機的發(fā)電機部分和其他增速箱等電器元件從水里提升到水面以上。雖然變角傳動機構在機械領域已經存在，但是在海洋能發(fā)電量領域，本領域技術人員從來沒有考慮過水平軸發(fā)電機的發(fā)電機部分可以脫離水輪機從而提升到水面以上。現(xiàn)有本領域技術人員都一直受到固有模式的限制陷入了技術偏見，認為只有垂直軸水輪發(fā)電機的發(fā)電機部分才能設置在水面上，水平軸水輪發(fā)電機只考慮改進葉片的設置從而提高發(fā)電功率。本發(fā)明申請正是克服了這種技術偏見，解決了現(xiàn)有技術中水平軸水輪發(fā)電機由于所有的電器元件均在水里，因此維修更換困難大、成本高的難題。本發(fā)明申請的發(fā)電機部分是在水面以上(增速箱等其它電器元件也可以根據需要設置到水面以上)，因此后續(xù)發(fā)電裝置的維修均是在水面上進行，大大降低了維修成本，進一步促成海洋能發(fā)電裝置的商業(yè)化運用和推廣。

雖然本發(fā)明已由較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟知此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視權利要求書所要求保護的范圍為準。