一种牵引式单立柱涡激振动海流能发电装置的制作方法

本发明涉及牵引式单立柱涡激振动海流能发电装置，属于海流能发电领域。

背景技术：

随着人类对资源的需求日益增加，石油、煤炭、天然气等不可再生资源的消耗日趋加快。为了人类的可持续发展，对再生资源的研究和利用迫在眉睫。可再生能源领域中海洋能的能量密度是最高的，其包括波浪能、潮汐能、海流能，海水温差能、海水盐差能等，技术的进步也使海洋能的利用成为可能。

其中海流能作为海洋能的一种拥有巨大的利用优势。首先海流能发电具有低流速环境要求的优势，同时海流能还具有较高的能流密度，可持续性强。世界上已有利用其他海洋能的岸式和近岸式装置，然而目前已经运营的大部分利用波浪能的发电装置存在着设备体积巨大，占地面积较大的问题，利用潮汐能的大部分发电装置存在利用率低，维护成本高的问题，利用海水温差能的发电装置也存在着换热面积大，热能提取效率低，建设费用高的问题。而利用海流能转化技术有着更高的装置集约程度和能量捕获效率，其可安装布置于海底、海洋平台等多处地方的特点增强了该类装置的适应性。

目前利用海流能发电的主要形式为涡轮发电，然而此类装置也存在者自身体积过大的不利，安装施工复杂，且涡轮机对海流流速也有较高的要求。由此我们提出了利用涡激振动原理的海流能转化技术。

涡激振动属于一类较复杂的流固耦合现象，当流体通过柱体时，由于柱体后逆压的变化会对结构产生一定的初始作用力，引起的初始振动导致流体以泻涡的形式发生漩涡脱落。当漩涡脱落的频率即泻涡频率与柱体的固有频率接近时，将发生“频率锁定”，柱体会发生强烈的振动，即涡激振动。在这一频率范围内的柱体振幅会达到最大幅值，利用柱体的振动进行能量转化，将提供更为充足的能量来源。

利用涡激振动原理进行海流能发电，具有绿色可再生，低流速环境要求，高能量密度，可持续性强，蕴藏量丰富等优势，这一领域的深入研究，必将为人类社会的能源领域提供更加广阔的发展前景。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种牵引式单立柱涡激振动海流能发电装置，涡激振动装置产生更大振幅，运用该形式能够更广泛用于不同环境进行涡激振动发电。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种牵引式单立柱涡激振动海流能发电装置，包括主箱体，所述主箱体上设有振动杆组件，振动杆组件上套有传动套，传动套位于主箱体内，传动套周向上连接有若干根牵引绳，主箱体内安装有与牵引绳根数相同的传动箱，传动箱的两侧安装有发电箱组件，传动箱上安装有旋转轴，在旋转轴上依次安装有永磁体、三级齿轮和永磁体，永磁体位于发电箱组件内，三级齿轮与二级齿轮的大齿轮啮合，二级齿轮的小齿轮与大齿轮同轴设置，二级齿轮的小齿轮与一级齿轮啮合，一级齿轮与棘轮同轴设置，棘轮与直齿条啮合，直齿条位于传动箱内，直齿条一端与牵引绳固定连接，另一端通过弹簧与传动箱的内壁连接，牵引绳通过位于传动箱上的传动组件与位于传动箱内的直齿轮连接；通过振动杆组件上下移动，从而通过牵引绳带动直齿轮上下移动，直齿轮上下移动带动棘轮转动，从而通过一级齿轮、二级齿轮和三级齿轮的传动带动旋转轴的转动，从而带动永磁体的转动，从而在发电箱组件内发电。

作为优选，所述发电箱组件包含壳体和线圈，所述壳体内安装有线圈绕组，永磁体转动从而切割磁力线，产生电能。

作为优选，所述壳体内安装有绝缘板，绝缘板将壳体沿旋转轴方向分隔为两个独立空间，在每个空前的内壁均设有四个线圈绕组。

作为优选，所述振动杆组件包含一级振动杆和与一级振动杆连接的二级振动杆，所述二级振动杆通过万向节安装在传动箱的底部，传动套安装在二级振动杆上。

作为优选，所述万向节包含第一U形体、第二U形体和转动体，所述第一U形体的顶端设有第一螺纹凸台，第一螺纹凸台与二级振动杆螺纹连接，第一U形体的末端通过第一转轴与转动体连接，所述第二U形体的顶端设有第二螺纹凸台，第二螺纹凸台与传动箱内壁螺纹连接，第二U形体的末端通过第二转轴与转动体连接，转动体上的第一转轴和第二转轴可相对转动。

作为优选，所述传动套的周向均匀连接有四根牵引绳。

作为优选，所述传动组件包含支架和滑轮，所述滑轮通过轴安装在支架上，支架安装在传动箱上。

作为优选，所述一级齿轮延伸有凸台，凸台设有凹槽，凹槽的轮廓由凹槽随边与凹槽导边形成，棘爪伸入此凹槽内，且凹槽随边为长边，凹槽导边为短边；所述棘轮的内壁设有棘爪槽，棘爪槽的中心处设有棘爪转柱，棘爪转柱穿过棘轮，同时棘轮还增设有回转弹簧将棘爪转柱与棘爪相连接。振动频率较快时，齿轮往复运动时比单向转动耗费更多能量，效率降低，其次棘轮可以使末端磁条始终朝一个方向加速，提高效率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用一端固定一端自由振动的方式缩小了发电装置的体积，且比两端固定的涡激振动装置产生更大振幅，运用该形式能够广泛用于不同环境进行涡激振动发电。

(2)振动杆采用可更换可调节的多级结构，通过对不同质量比和不同阻尼比等参数下的圆柱体涡激振动进行研究，得到不同工况下的振动响应结果，根据得到的结果，对不同海流作用下的装置进行振动杆的更换与调整，即能够根据具体工况进行调整长度、质量和外径。

(3)采用多级齿轮传动加速转动，获取最大传动比达到最大转速，增大发电电流，同时采用多组条状永磁体切割多组线圈绕组的形式增加发电电压，提高发电效率。

(4)应用范围广：该装置可以正置于海床，可以倒置固定于海洋平台，通过变化套筒形状可以安装在导管架等海洋平台上和潜艇等航行器上进行电量补充。

(5)装置整体模块化布置，构件集约度和能量捕获率高，多组装置连接可组建海底电网进行大区域发电。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构布置示意图；

图3是本发明的一级振动杆示意图；

图4是本发明的二级振动杆示意图；

图5是本发明的万向节示意图；

图6是本发明的牵引绳及传动套示意图；

图7是本发明的滑轮组件示意图；

图8是本发明的传动箱组件示意图；

图9是本发明的直齿条示意图；

图10是本发明的一级齿轮示意图；

图11是本发明的棘轮示意图；

图12是本发明的棘爪示意图；

图13是本发明的传动结构的示意图；

图14是本发明的棘爪与回转弹簧配合示意图；

图15是本发明的二级齿轮示意图；

图16是本发明的三级齿轮示意图；

图17是本发明的主箱体组件示意图；

图18是本发明的条状永磁体示意图；

图19是本发明的发电箱组件示意图；

图20为棘轮与一级齿轮配合的截面示意图。

具体实施方式

如图1至图20所示，本发明的一种牵引式单立柱涡激振动海流能发电装置，包括振动杆组件1、传动箱组件2、主箱体3以及发电箱组件4，其中传动箱组件2与发电箱组件4安装于主箱体3内部，主箱体3的顶盖31开有圆形凹槽32供振动杆组件1通过，振动杆组件1通过万向节14固定于主箱体3的底部螺纹33，牵引绳111通过滑轮组件 21与传动箱组件2相连接，传动箱组件2内三级齿轮221与发电箱组件4中的条状永磁体41共轴。

在本发明中，振动杆组件1包括一级振动杆11、二级振动杆12、万向节14，其中二级振动杆12上设有凸台13与一级振动杆11底部的凹槽相配，凸台13半径大于振动杆11底部外凹槽的半径，小于内部凹槽的半径，振动杆12可以在振动杆11内部伸缩，实现振动杆长度的调整，调整结束之后，通过锁紧螺栓锁紧一级振动杆11和二级振动杆12，传动套19为中空柱体并套在二级振动杆12上，同时传动套19上对称设有四个套环110,四根牵引绳111的一端分别从其中穿过并固定；二级振动杆12末端与万向节 14顶端设置的螺纹凸台16相连接。万向节14上下设有两个对称的U形体15，U形体两臂末端处均设有竖向中空卡口17，十字架配体18上呈空间垂直的凸台依次卡固于17，十字架配体18包含第一转轴、第二转轴和转动体，转动体上下两部分可以相对旋转，从而第一转轴和第二转轴可以相对旋转。传动箱组件2包括滑轮组件21、传动箱25、直齿条28、一级齿轮29、棘轮212、棘爪215、弹簧217、二级齿轮218、三级齿轮221。其中在传动箱25的外顶壁上安装有滑轮组件21，包括支架22、滑轮23及轴24，且支架22底部开有凹槽供轴24通过，轴24与滑轮23通过键连接；牵引绳111在一端固定于套环110后继续通过滑轮组件21，穿过设置于传动箱25顶盖外壁上的开孔27后进入传动箱内并在末端处连接直齿条28，直齿条28的末端连接有弹簧217，弹簧217的末端进一步固定连接于传动箱25底部；传动箱25的一个侧壁上还附有三个开孔26供一级齿轮29、二级齿轮218及三级齿轮221的旋转轴分别通过并固定，同时，一级齿轮 29与棘轮212共轴，棘轮212的齿轮与直齿条28啮合，一级齿轮29啮合于二级齿轮 218的小齿轮220，二级齿轮218的大齿轮219啮合于三级齿轮221；其中，一级齿轮 29的凸台处设有凹槽，其轮廓由凹槽随边210与凹槽导边211形成，棘爪215伸入此凹槽内，且凹槽随边210为长边，凹槽导边211为短边，两者与半径夹角不同；棘轮212 上设有棘爪槽213，棘爪槽213的中心处又设有棘爪转柱214，棘爪215的尾部设有凹槽与转柱相配，同时棘轮212还增设有回转弹簧216将棘爪转柱214与棘爪215相连接，以此为棘爪提供顺时针旋转的回复力；三级齿轮221通过旋转轴222，且旋转轴222上设有键223与条状永磁体41内设的凹槽42相配和固定，同时条状永磁体41设有四根两两对称设于旋转轴222的两侧，之后进一步伸入发电箱43内部；发电箱组件4除上述外还设有线圈绕组44及绝缘板45；其中绝缘板45将发电箱分为两层相对独立的绝缘绝磁空间，在两层空间内部的四壁上均对称设有四根线圈绕组44，同时绝缘板45上还设有开孔46供旋转轴222通过，由此旋转轴222上的四根条状永磁体41将两两伸入发电箱43的两层空间内进行发电工作。

本发明的具体工作原理为：

当振动杆组件1受海流影响发生运动时，一级振动杆11与二级振动杆12同时发生不规则运动，由于牵引绳111分别通过传动套19及滑轮组件21连接着二级振动杆12 和直齿条28，所以直齿条28也将发生上下运动，又因为直齿条28与棘轮212相啮合，棘轮212与一级齿轮29相配，且一级齿轮29啮合于二级齿轮218的小齿轮220，传动比1:4，二级齿轮218的大齿轮218啮合于三级齿轮221，传动比1:4，所以直齿条28 的运动在各级齿轮的带动下转化为定向转动，传动总比1:16；而在传动箱25内，条状永磁体41与三级齿轮221共轴，故条状永磁体41也将不断发生定向转动从而切割磁感线进行发电。

在上述过程中，直齿条28上下运动将使棘轮212产生顺时针与逆时针两个转动方向，故当直齿条28向下运动即棘轮212逆时针旋转时，棘爪215的一边将首先与一级齿轮29凸台处的凹槽随边210接触并发生相对运动，当棘爪215运动到凹槽随边210 外末端顶点处时将被顶回棘爪槽213内，此时在回转弹簧216提供的回复力作用下棘爪 215进一步发生顺向运动进而与一级齿轮29下一处的凹槽随边210接触并发生相对转动，由此不断重复发生上述运动过程，各个棘爪运动状态均具备相同周期规律，故在整个运动过程中，棘轮212逆向转动而一级齿轮29保持静止，所以传动箱内的二级齿轮 218与三级齿轮221也均不发生转动运动；反之，当棘轮212顺时针旋转时，棘爪215 则首先与一级齿轮2凸台处的凹槽处导边211接触并发生相对运动，当棘爪215运动到凹槽导边211内末端顶点处即凹槽内顶点处时，凹槽随边210正好同时与棘爪215相接触，棘爪215则在此时完全卡固于一级齿轮29的凹槽处，由于棘轮212继续进行顺时针转动，故棘轮212将带动一级齿轮29一起发生定向转动，又因为一级齿轮29、二级齿轮218及三级齿轮221相互啮合，由此便完成传动箱25的传动作用，最终带动发电箱43内的条状永磁体41转动进行发电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。