一种商船船艏浮体波浪能发电装置及方法与流程

本发明属于船舶技术领域，涉及一种商船船艏浮体波浪能发电装置及方法。

背景技术：

21世纪是海洋的世纪，人类开始将目光逐渐投向海洋，开发海洋已经称为必然趋势。

据初步计算，海洋能的理论储量是目前全世界各国每年耗能量的几百倍甚至几千倍，开发潜力巨大。目前，人类日常所需的能量是电能，如何将海洋能转化为电能，成为国内外学者主要研究的课题。海洋能中包含多种能量，其中，波浪能的能量不仅密度较高，蕴含的能量十分丰富，而且波浪能的能量分布和能量强度都具有很强的规律性和可循性。

在这种优势下，近年来已经相继出现了多种波浪能转换装置，如：专利cn208252262u涉及一种往复式海浮子发电装置；专利cn106337773b是一种浮子势能动能之间相互转换获取海浪能的方法和装置，涉及一种震荡浮子式海浪能获取方法及装置；专利cn105370489b也公开一种波浪能直线发电装置，利用浮子来捕获波浪能，类似的发明专利还有很多。

上述发明装置都是比较典型的浮子发电装置，都能很好地利用波浪能，产生较好的发电效果，是非常不错的发明，但是这些发电装置都是海岸附近固定式的或是在海中漂浮发电，不能移动。虽然这些发电装置都是非常不错的发明，但是却不能应用在航行中的船舶上，若是将其应用在船舶上，将会大大增加船舶的航行阻力，装置所产生的能量远远还不能够弥补船舶克服额外阻力所消耗的船舶能量，得不偿失。

商船在海上航行，普遍航线长，海上航行时间长，商船航行中遭遇的风浪天数也多，船舶周围有很好的波浪能资源，如果在航行中的商船上能够开发波浪发电装置直接提供给船舶作为部分动力，从而降低船舶的能耗，那么这种波浪能装置会有更好的实际意义。加之全球的商船的船舶数量巨大，有更好的应用市场。

综上所述，开发与设计商船波浪能发电装置有更大的现实意义。

技术实现要素：

本发明的主要目的就是可实现在船舶航行时波浪能的回收利用，可为航行中的船舶供电，作为船舶航行的部分动力。

本发明采用如下的技术方案：

本发明的第一个目的是提供一种商船船艏浮体波浪能发电装置。

一种商船船艏浮体波浪能发电装置，包括：浮体(1)、浮体轨道(2)、船体轨道(3)、齿条(4)、齿轮(5)、传动机构(6)、发电机(7)、止荡弹簧(8)、止荡底座(9)。其中，所述浮体(1)位于船舶艏部，水线之上，浮体轨道(2)刚性固定在浮体(1)上，在浮体(1)中轴线上刚性固定齿条(4)，这样浮体(1)可以带动齿条(4)上下往复直线运动。

所述船体轨道(3)与船体刚性固定，船体轨道(3)与浮体轨道(2)相互配合，使得浮体(1)与船体直接有相对的往复直线运动。

所述齿条(4)与齿轮(5)模数相同，能够相互啮合，且齿条(4)的长度稍大于浮体(1)上下往复运动的距离，以防齿条(4)与齿轮(5)脱离啮合

所述齿轮(5)传动机构(6)相连，传动机构(6)同时与发电机(7)相连。

所述止荡弹簧(8)与止荡底座(9)刚性相连，止荡底座(9)与船体轨道(3)刚性连接。

所述发电机(10)固定于艏楼甲板之上，用来将回收的能量转化为电能。

本发明的第二个目的就是基于上述一种商船船艏浮体波浪能发电装置，提供了一种商船船艏浮体波浪能发电方法，其改进之处在于：

此装置安装在船体上，位于艏部，水线之上，主要包括浮体波浪能收集装置，波浪能转换装置以及发电装置。

浮体轨道刚性固定在浮体上，在浮体中轴线上刚性固定齿条，船体轨道与船体相互配合，使得浮体与船体直接有相对的往复直线运动。

在船舶航行过程中，由于风、浪、流等因素的作用，船舶发生横摇、纵摇、艏摇、纵荡、横荡和垂荡等六个自由度的运动，作为波浪能收集装置的浮体会时而进入水中，时而出水，造成所受浮力发生变化。

当浮体所受的浮力大于自身重力时，浮体与船体之间存在相对运动，浮体会沿着轨道斜向上运动，这样与浮体刚性连接的齿条也同样做直线运动，从而带动与齿条相啮合的齿轮转动，齿轮经传动装置的转换，带动发电机发电。

同理，当浮体浸没水中的体积较小时，浮体所受浮力小于自身的重力，浮体会沿着轨道斜向下运动，带动齿条的运动，从而带动齿轮的旋转，经传动装置的转换带动发电机发电。

进一步的，浮体是一个曲面立体，仅在靠近船体一侧为曲面，其余皆是平面，其位于水线之上，且迎浪的部位削尖，但若是浮体上平面夹角过小，会在船艏形成漩涡，夹角过大，会造成迎水面太大，减小阻力的作用不明显。考虑到这一影响，一般浮体夹角设为30°至60°，此时装置的劈浪作用比较明显，对船体阻力的减小幅度较大。

进一步的，止荡弹簧与止荡底座刚性相连，止荡底座与船体轨道刚性连接，不仅保证浮体始终位于水线之上，而且止荡弹簧的存在还能将浮体在下降过程中，对止荡底座的刚性冲击转化为柔性冲击。

本发明的有益效果是：

1、本发明实现了船舶航行过程中波浪能的回收和利用，将其转化电能，为正在航行中的船舶提供部分动力，解决了航行中船舶利用波浪能的难题。

2、本发明中，浮体位于水线之上，船舶航行过程中不会增加额外的航行阻力，相反，迎浪部位削尖，削尖部位还能起到劈浪作用，大大减小船舶的航行阻力，降低了船舶的能耗，提升船舶的经济效益。

3、船舶航行过程中，由于浮体较大，加上波浪能较为丰富，产生较大的推力，波浪能回收效果相当可观。

附图说明

图1是本发明装置示意图

图2是本发明装置的轴测装配示意图

图3是本发明装置浮体位于最低位置的示意图

图4是本发明装置浮体位于最高位置的示意图

图5是本发明装置局部放大图

图6是本发明装置浮体示意图

1.浮体2.浮体轨道3.船体轨道4.齿条5.齿轮6.传动机构7.发电机8.止荡弹簧9.止荡底座

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便能够更好的了解本发明。

如图1所示，一种商船船艏波浪能发电装置，包括浮体(1)、浮体轨道(2)、船体轨道(3)、齿条(4)、齿轮(5)、传动机构(6)、发电机(7)、止荡弹簧(8)、止荡底座(9)。

所述浮体(1)位于艏部，水线之上，与浮体轨道(2)刚性固定，在其中轴线上刚性固定齿条(4)，使得齿条(4)能够随着浮体(1)上下往复直线运动。

所述船体轨道(3)与船体刚性固定，船体轨道(3)与浮体轨道(2)相互配合，使得浮体(1)沿着该路线往复直线运动。

所述齿条(4)与齿轮(5)模数相同，能够相互啮合，且齿条(4)的长度稍大于浮体(1)上下往复运动的距离，以防齿条(4)与齿轮(5)脱离啮合

所述齿轮(5)传动机构(6)相连，传动机构(6)同时与发电机(7)相连。

船舶在无风浪中航行时，本发明装置中的浮体(1)位于水线之上，不会接触到水，本发电装置浮体(1)不会往复运动，不会发电。

船舶在大风浪中航行时，波浪的冲击和船艏上下振荡就会造成浮体(1)时而进入水中，时而出水，所受浮力忽大忽小。

本发明装置中的浮体(1)部分进入水中，当浮体(1)的浮力大于其自身的重力时，由于浮体(1)与浮体轨道(2)刚性连接，船体轨道(3)与船体刚性连接，加之浮体轨道(2)与船体轨道(3)相配合，浮体(1)沿着轨道斜向上运动，带动与之刚性相连的齿条(4)也做运动，从而带动与之相啮合的齿轮(5)的转动。齿轮(5)的转动带动传动装置(6)工作，传动装置(6)带动发电机(7)发电。

同理，当浮体(1)中浸没水中的部分较少时，所受浮力小于自身的重力，浮体(1)会沿着轨道斜向下运动，带动齿条(5)的运动，从而通过传动装置(6)带动发电机(7)发电。

另外，本实施例也公开了一种商船船艏浮体波浪能发电方法，使用上述装置：

在船舶航行过程中，由于风、浪、流等因素的作用，船舶发生横摇、纵摇、艏摇、纵荡、横荡和垂荡等六个自由度的运动，作为波浪能收集装置的浮体，会在波浪的作用下，时而进入水中，时而出水，上下往复直线运动，通过齿轮齿条将其转化为传动轴的转动，再经过传动装置的转换，带动发电机发电。

进一步的，如图6所示，浮体是一个曲面立体，仅在靠近船体一侧为曲面，其余皆是平面，其位于水线之上，且迎浪的部位削尖，考虑到浮体上平面夹角θ的影响：若是夹角θ过小，会在船艏形成漩涡，在迎风浪航行时阻力较大；夹角θ过大，会造成迎水面太大，减小阻力的作用并不明显。一般设计浮体上平面的夹角θ为30°至60°，此时装置的劈浪作用比较明显，对船体阻力的减小幅度较大。

进一步的，止荡弹簧与止荡底座刚性相连，止荡底座与船体轨道刚性连接，不仅保证浮体始终位于水线之上，而且止荡弹簧的存在还能将浮体在下降过程中，对止荡底座的刚性冲击转化为柔性冲击。

以上所述仅是本发明的优先实施方式，但实现时不受上述实施例限制，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。