一种能够集约化大规模安装布置的波浪能发电装备的制作方法

本发明涉及波浪能发电领域，特别是一种能够集约化大规模安装布置的还能够与养殖网箱相结合的适合于“点状”波浪能收集并用于发电的装备。

背景技术：

因为大海蕴藏着取之不尽用之不竭的巨大能量，需要开发利用的范围非常广阔，其中已经开发利用并且比较成功的当属风能发电，已经开始大面积推广应用；用于海湾口的潮汐能发电项目也有了成功的案例，但由于投资较大，运行维护成本较高，致使发电成本较高甚至亏损，以至于短时间无法收回投资，再加上其推广应用还会受到地点的限制等原因，因此其推广利用进展不大；在波浪能发电方面虽然也有成功的案例，但基本仍然是小规模的实验，并且通过实验发现在小体量设备实验时感觉效果良好，将设备放大后其回收效率大幅度降低的问题，因此也限制了推广进度；研究认为，造成波浪能开发利用进展缓慢的主要原因应该在于波浪特性，即“点状”，并且其单点面积小、能量小、运动无规律、波长不规则，因此而致使设备无法大型化，再加上缺乏集约化解决方案，以至于推广应用受到限制。

针对上述波浪能特别是“点状”波浪能开发应用过程中所遇到的实际问题，本申请发明人提出一种能够集约化大规模布置的方案：即设计制作能够漂浮在海面上的发电平台，该平台采用“网格矩阵”模式能够在上面集约化安装若干个发电单元；由于该发电平台与养殖网箱上面的“漂浮框”在形状和功能上有相像之处，因此能够与养殖网箱相结合，甚至能够与之共存，甚至相当于将小型波浪能发电装备寄生于养殖网箱之上，依此实现小型发电装备密集式布置，集约化发展，并使其效益扩大，在不影响网箱养殖的前提下，实现养殖和发电双重收益；同时还能够实现网箱养殖和发电装备一同巡查维护，从而能够降低运行维护成本，以利于较快收回投资，以利于小型波浪能发电装备的推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的和技术任务是针对已有波浪能利用，特别是“点状”波浪能利用方面的不足，推出一种能够集约化大规模安装布置的波浪能发电装备。

本发明所述的一种能够集约化大规模安装布置的波浪能发电装备是这样实现的：它首先需要设计建造发电平台，该平台采用“网格矩阵”模式使之能够在上面集约化安装若干个发电单元；该平台还能够与养殖网箱的“漂浮框”相结合，其网箱漂浮框下面安装养殖网箱；如果将已有网箱作为发电平台，则需要对网箱漂浮框进行改造或者重新定制（所谓“改造”是指：如果已有网箱使用的是“软体”漂浮框，则需要在其上面增加一个“硬质”面板，以便于在其面板上安装发电单元；所谓“定制”是指：当养殖网箱和波浪能发电装备结合作为新开发项目时，可以将网箱与本发明发电平台一同设计，即直接将网箱漂浮框设计制成“硬质”的“空腔式漂浮体”），同时还需要在该发电平台或称“网箱漂浮框或漂浮体”内增加配重，如果网箱自身的重量足够则可以不增加配重，如果网箱自重不足或只作为发电平台用于集约发电则需要增加配重。

上面所述的发电单元所包含的主要部件有：主轴、悬臂、浮子、棘轮、推力棘爪、拉力棘爪、发电机，还有低转速大流量液压油泵、高转速小流量液压马达、蓄能器、液压油箱或大齿轮、增速齿轮组以及必须配备的框架。

上面所述发电单元的结构特征及工作原理是：其主轴的两端通过轴承固定在框架的下横梁上，框架立柱的底端固定在发电平台或网箱漂浮框（后面统称为漂浮体）的上表面；主轴上安装三个棘轮，其棘轮与棘轮之间的间距按照3米；每个棘轮处都安装有向两侧径向伸展的悬臂，悬臂的一端为两片式结构并且有孔，其孔套装在主轴上，其两片分别置于棘轮的两边，在悬臂的另一端安装浮子，浮子漂浮于海面；在其中一侧的悬臂上对应棘轮的棘齿部位安装推力棘爪，使推力棘爪能够顶住棘齿，在另一侧的悬臂上对应棘轮的棘齿部位安装拉力棘爪，使拉力棘爪能够钩住棘齿；当一侧悬臂上的浮子被“点状”波浪托起的时候，其悬臂就能够以主轴为圆心向上抬起，其悬臂上面的推力棘爪就能够顶住棘齿推动棘轮进行步进式旋转，并使悬臂发挥杠杆效应，从而放大“点状”波浪能对棘轮的推动力；当另一侧的悬臂上的浮子被“点状”波浪托起的时候，其悬臂也能够以主轴为圆心向上抬起，当该悬臂及其浮子向下落的时候，其悬臂上面的拉力棘爪就能够钩住棘齿，拉动棘轮沿上述同一方向进行步进式旋转，该侧是依靠浮子和悬臂自重的下压力而拉动棘轮的，如果该侧的浮子及其悬臂因自重不足而压力不够时，能够通过在该悬臂的末端或在浮子的上面增加配重，也能够通过向浮子里面注水的方法增加配重；当六个浮子同时漂浮在海面上时，就像一台具有六个汽缸的发动机在工作，几乎每时每刻都会有至少一个浮子被“点状”波浪托起，因此其主轴就能够得到连续不断的旋转推力；其主轴的旋转力能够通过液压方式或者机械方式传递给发电机并转化为电能，并通过输出电缆传输到岸上的整流变电站通过变压整流后输入电网。

当上面所述发电单元中以液压方式将主轴旋转力转化为电能时：需要使用一根一端能够穿出其轴承的长主轴，并在端部安装大流量低转速液压油泵，在发电机的转轴端安装小流量高转速液压马达，在大流量低转速液压油泵出口和小流量高转速液压马达入口之间安装蓄能器（使用蓄能器是为了缓冲和稳定均匀地输出，因为大流量低转速液压油泵输出的是步进式或称脉冲式流量，而小流量高转速液压马达需要的是稳定而均衡的流量），在小流量高转速液压马达出口和大流量低转速液压油泵入口之间安装液压油箱，使该系统能够闭路循环并达到运行平衡，使该系统的发电机能够连续不断地输出电能。

当确定使用网格式发电平台或与养殖网箱组合时，上述“发电单元”还能够以液压方式进行“提前组合”，所谓“提前组合”就是将多个“上述单元”中的大流量低转速液压油泵所输出的液压油先汇集到一根管道中，并且在管道上安装多个蓄能器，并将所汇集起来的液压油集中提供给一台液压马达，并由这台液压马达带动发电机集中发电，依此降低输变电的处理难度，以便于提高发电效率。

当上面所述发电单元以机械方式将主轴旋转力转化为电能时：需要在其主轴上安装大齿轮，通过大齿轮再通过增速齿轮组将主轴的旋转力传递给发电机，使发电机连续不断地运转发电，并通过输出电缆将电能向外输出。

上面所述一根主轴、三个棘轮、六个悬臂（六个浮子），以及液压传动或齿轮传动再包括发电机所构成的发电单元，还能够安装在“┃”字形漂浮体上独立使用，只要将其锚定在所选海域，并将输出电缆通过海底铺设到岸上，就能够将电能向外输送；但“┃”字形漂浮体内需要适当增加舱内配重，必要时其漂浮体正下方还需要再增加配重单元，用以减少漂浮体随波浪上下起伏和横向摆动，以便于使漂浮体更加稳定，以便于浮子具有较高的浮动幅度并以获得较高发电效率。

上面所述发电单元无论是安装在“┃”字形漂浮体独立使用，还是安装在网格式发电平台上使用，还是与养殖网箱组合使用，只要是以“漂浮状态”使用，其锚链的栓系点都应该在其主轴一端的方向，用以避免该系统侧面受到较大的涌浪和潮头的冲击。

上面所述发电单元还能够固定在桩形基础之上，用于退潮后水深小于两米并且能够通过打桩建立桩形基础的近岸海域，将浮动式发电模式变成固定式发电模式，该发电单元采用固定模式后其稳定性会更好，能够完全消除因船体随波浪波动带来的负面影响。

上面所述发电单元安装在网格式发电平台上或与养殖网箱结合使用时，由于其发电单元具有一定的独立性，并且是通过螺栓固定在网格式发电平台上或网箱漂浮框上的，因此，当网箱内养殖的鱼类需要集中收获时，如果会影响到收获工作，则可以将发电单元临时拆除，由此可知该发电单元还可以整体拆下回厂检修，由于该发电单元体积不大重量不是太重，利用十几吨级渔船上自身配备的吊装设备就能够吊起。

上面所述发电单元不仅限于将“四套”发电单元安装在“日”字形漂浮体上的模式，其漂浮体还能够是“目”字形、“田”字形以及更多网格模式，还能够采用更大面积的网格组合，以便于容纳更多的发电单元，只要将各个发电单元的输出电缆汇集起来通过海底能够铺设到岸上，就能够将其电能源源不断地向外输送。

上面所述发电单元也不仅限于在一根主轴上安装三个棘轮、六个悬臂和六个浮子的模式，完全可以在一根主轴安装六个棘轮、十二个悬臂和十二个浮子，甚至还可以在一根主轴安装九个棘轮、十八个悬臂和十八个浮子，只要在其主轴上分段多安装几个轴承，以解决其过长后出现的自身下垂问题，只要将主轴改为管状以减轻自身重量，就能够依此提高发电机利用效率；如果将加长后的发电单元用在“┃”字形漂浮体上，则会因“┃”字形漂浮体“体形”的加长而使其稳定性更好，并使其浮子所发挥的作用会更充分。

为了减少设备维护量，将上面所述的机械部分包括主轴与其两端的轴承，以及悬臂与主轴之间、棘轮与棘爪之间、大齿轮与增速齿轮组之间均按照免润滑设计，以便于降低设备的维护量和运行成本。

本发明的一种能够集约化大规模安装布置的波浪能发电装备：与现有技术相比，具有以下突出的优点和有益效果：它能够按照“网格矩阵”模式构建发电平台，能够在平台上安装多个发电单元，能够实现大规模集约化发展，还能够与养殖网箱相结合，能够在网箱的漂浮框上安装若干个发电单元，并且网箱内仍然能够养殖，如果在某一海域内相继布置若干个发电平台或者若干个这样的网箱，就能够安装更多的波浪能发电单元，就相当于在海上同时建了一座养殖场和一座发电厂，实现养殖和发电双重收益；本发明的发电单元能够利用浮子扑捉到的“点状”波浪能，并利用悬臂、棘爪和棘轮所产生的杠杆效应将其能量放大，并将放大后的动能汇集于主轴转化为电能；它结构简单易于生产制造，并且制造成本低、故障率低，能够适合诸多海域安装使用；它的机械部分采用免润滑设计，能够最大限度地减少设备维护量；它能够与网箱养殖一同管理维护有利于降低运行成本，有利于较快回收投资和推广应用。

附图说明

附图1是本发明在“日”字形漂浮体上安装了发电单元后的示意图（即俯视图）；

附图2是本发明附图1中e-e剖视图（可视为主视图）；

附图3是本发明发电单元配备液压传动和“┃”字形漂浮体后独立使用时的正面示意图；

附图4是本发明发电单元配备液压传动和“┃”字形漂浮体后独立使用时的俯视图（附图3中b-b剖面）；

附图5是本发明发电单元采用齿轮传动和“┃”字形漂浮体后独立使用时的正面示意图；

附图6是本发明发电单元采用齿轮传动和“┃”字形漂浮体后独立使用时的俯视图（附图5中a-a剖面）；

附图7是本发明发电单元用于桩形基础之上时的正面示意图；

附图8是本发明悬臂、棘轮、棘爪结构原理示意图（即附图4中d-d或附图6中c-c剖视图局部）。

附图标记说明：图中1、漂浮体，1.1、舱内配重，1.2、配重单元，1.3、配重单元连接件，2、发电单元（附图中双点画线区域内所包含的构件）；3、网箱；发电单元中所包含的构件：2.1、主轴，2.2、轴承，2.3、下横梁，2.4、大齿轮，2.5、增速齿轮组，2.6.1、2.6.2、悬臂，2.7、浮子，2.8、发电机，2.9、上纵梁，2.10、上横梁，2.11、框架立柱，2.12、海水表面，2.15、棘轮，2.16、推力棘爪，2.17、拉力棘爪，2.18、棘爪轴耳，2.19、棘爪轴，2.20、低转速大流量液压油泵，2.21、高转速小流量液压马达，2.22、蓄能器，2.23、液压油箱，2.24.1、2.24.2、2.24.3、2.24.4、液压油管，2.25、输出电缆，2.26、锚链桩，2.27、桩形基础，2.28、海底，2.30、棘齿；附图中双向箭头表示悬臂的运动情况，单向箭头代表棘轮旋转方向。

关于附图中未能表达内容的说明：其中“增速齿轮组2.5”是通过“支座或固定件”固定在“上横梁2.10”上的；“低转速大流量液压油泵2.20”是通过“支座或固定件”固定在“下横梁2.3”上的；“高转速小流量液压马达2.21”也是通过“支座或固定件”固定在“上横梁2.10”上的；框架立柱2.11底端是通过螺栓固定在漂浮体1上表面的，由于上述固定措施均属于业内常识属于常规技术，由于其附图是示意图不是施工图，故未在附图中显示；由于将大流量低转速液压油泵所输出的液压油汇集到一根管道中，并且在管道上安装多个蓄能器，以及将所汇集起来的液压油集中提供给一台液压马达，并由这台液压马达带动发电机集中发电的方法，认为仅依靠叙述就能够说清楚，故没有在附图中体现；发电单元发出的电能通过输出电缆传输到岸上的整流变电站通过变压整流后输入电网的内容也没有在附图中体现，认为依靠叙述也能够说清楚。特此说明。

具体实施方式

参照说明书及附图并结合具体实施例，对本发明一种能够集约化大规模安装布置的波浪能发电装备予以阐述。

参照附图1、2所示实施例，阐述包含养殖网箱的“日”字形漂浮体（1）与发电单元（2）的结合，即在“日”字形漂浮体（1）两个纵向边上分别各安装两套发电单元（2），在“日”字形漂浮体（1）下面安装网箱（3）；所述的漂浮体（1）不仅限于附图1所示的“日”字形，还能够是“目”字形或“田”字形，只要所选海域够大，还能够进行更大面积的网格化组合；只要漂浮体（1）能够通过锚链桩（2.26）锚定在预定海域，并将各个发电单元的输出电缆（2.25）汇集起来铺设到岸上，就能够将其电能源源不断地向外输送；当“日”字形漂浮体（1）与发电单元（2）的结合，并且只作为发电平台使用时，其舱内需要增加配重；若配合网箱养殖并配置了网箱（3），并且网箱（3）的自身重量足以满足漂浮体稳定性的要求，则可以不增加配重，若网箱（3）自身重量不足则也需要增加配重。

参照附图1~8所示实施例，阐述其发电单元（2）的构成及其工作原理；a、构成发电单元的主要部件有：主轴（2.1）、悬臂（2.6.1和2.6.2）、浮子（2.7）、棘轮（2.15）、推力棘爪（2.16）和拉力棘爪（2.17）以及发电机（2.8），还有低转速大流量液压油泵（2.20）、高转速小流量液压马达（2.21）、蓄能器（2.22）、液压油箱（2.23）或大齿轮（2.4）、增速齿轮组（2.5）；b、部件之间的结构关系和工作原理：主轴（2.1）两端通过轴承（2.2）固定在框架下横梁（2.3）上，下横梁（2.3）两端焊接在框架立柱（2.11）上，框架立柱（2.11）的底端固定在网箱漂浮框或漂浮体（1）的上表面；参照附图以自上而下的顺序叙述：在主轴（2.1）上第一个轴承（2.2）之后，安装第一个棘轮（2.15），然后每间隔3米再安装第二个和第三个棘轮（2.15）；在每个棘轮（2.15）的两侧安装沿径向伸展的悬臂（2.6.1）和（2.6.2），悬臂（2.6.1）和（2.6.2）的一端均为两片式结构并且有孔，其孔套装在主轴（2.1）上，其两片分别置于棘轮（2.15）的两边，在悬臂（2.6.1）和（2.6.2）的另一端安装浮子（2.7），浮子（2.7）漂浮于海水表面（2.12）之上；推力棘爪（2.16）安装在悬臂（2.6.1）上能够顶住棘齿（2.30）的部位，拉力棘爪（2.17）安装在悬臂（2.6.2）上能够钩住棘齿（2.30）的部位；推力棘爪（2.16）和拉力棘爪（2.17）通过棘爪轴（2.19）与棘爪轴耳（2.18）连接，棘爪轴耳（2.18）焊接在悬臂（2.6.1）和（2.6.2）上；当悬臂（2.6.1）上的浮子（2.7）被“点状”波浪托起的时候，其悬臂（2.6.1）就能够以主轴（2.1）为圆心向上抬起，其悬臂（2.6.1）上面的推力棘爪（2.16）就能够顶住棘齿（2.30）推动棘轮（2.15）进行步进式旋转，其棘爪（2.16）配合悬臂（2.6.1）所产生的杠杆效应，就能够放大“点状”波浪能对棘轮（2.15）的推动力；当悬臂（2.6.2）上的浮子（2.7）被“点状”波浪托起的时候，其悬臂（2.6.2）也能够以主轴（2.1）为圆心向上抬起，当该悬臂（2.6.2）及其浮子（2.7）向下落的时候，其悬臂（2.6.2）上面的拉力棘爪（2.17）就能够钩住棘齿（2.30），拉动棘轮（2.15）沿上述同一方向进行步进式旋转，该侧是依靠浮子（2.7）和悬臂（2.6.2）自重的下压力而拉动棘轮（2.15）旋转的，如果该侧的浮子（2.7）及其悬臂（2.6.2）因自重不足而压力不够时，能够通过在该悬臂（2.6.2）的末端或在浮子（2.7）的上面增加配重，也能够通过向浮子（2.7）里面注水的方法增加配重；由于棘轮（2.15）是安装固定在主轴（2.1）上的，因此其棘轮（2.15）所获得的旋转力就能够汇集于主轴（2.1），主轴（2.1）再通过大流量低转速液压油泵（2.20）和小流量高转速液压马达（2.21）或者大齿轮（2.4）和增速齿轮组（2.5）传递给发电机（2.8），发电机（2.8）发出的电能通过输出电缆（2.25）传输到岸上的整流变电站通过变压整流后输入电网。

参照附图3、4（1、2）所示实施例，阐述其发电单元（2）中以液压传动方式将主轴（2.1）的旋转力传动给发电机（2.8）的方法，该方法是将主轴（2.1）向一端延长并穿出轴承（2），并在其端部安装大流量低转速液压油泵（2.20），在发电机（2.8）的转轴端安装小流量高转速液压马达（2.21），在框架立柱（2.11）前侧的“甲板上”安装有液压油箱（2.23）和蓄能器（2.22）；大流量低转速液压油泵（2.20）的出口与蓄能器（2.22）的出入口之间连接液压油管（2.24.1），在蓄能器（2.22）的出入口与小流量高转速液压马达（2.21）的入口之间连接液压油管（2.24.2），在小流量高转速液压马达（2.21）的出口与液压油箱（2.23）之间连接液压油管（2.24.3），在液压油箱（2.23）与大流量低转速液压油泵（2.20）的入口之间连接液压油管（2.24.4），其主轴（2.1）的旋转力通过液压传动和闭路循环连续不断地传递给发电机并转化为电能，并通过输出电缆（2.25）将电能向外输出。

参照附图5、6所示实施例，阐述其发电单元（2）中以齿轮传动方式将主轴（2.1）的旋转力传动给发电机（2.8）的方法，该方法是在主轴（2.1）上安装大齿轮（2.4），大齿轮（2.4）连接增速齿轮组（2.5），增速齿轮组（2.5）连接发电机（2.8）；将主轴（2.1）的旋转力传递给发电机（2.8），使发电机（2.8）能够连续不断地运转发电，并通过输出电缆（2.25）将电能向外输出。

参照附图3、4、5、6所示实施例，阐述其发电单元（2）安装在“┃”字形漂浮体（1）上单独漂浮使用的方法，该方法是将上述一根主轴（2.1）、三个棘轮（2.15）、六个悬臂（2.6.1和2.6.2）、六个浮子（2.7），以及液压传动系统或齿轮传动系统再包括发电机（2.8）和其必须配备的框架所构成的发电单元（2），单独安装在“┃”字形漂浮体（1）上，以漂浮的形式锚定在所选海域独立使用，并能够将电能通过输出电缆（2.25）向外输送。

参照附图7所示实施例，阐述其发电单元（2）单独固定在桩形基础（2.27）之上，用于退潮后水深小于两米并且能够通过打桩建立桩形基础（2.27）的近岸海域，将浮动式发电模式变成固定式发电模式，该发电单元采用固定模式后其稳定性会更好，还能够完全消除因船体随波浪波动带来的负面影响，只要能够将输出电缆（2.25）通过海底（2.28）铺设到岸上，其电能就能够向外输送。

参照附图1、3、4、5、6所示实施例，阐述其发电单元（2）以“漂浮状态”使用时的特点，即锚链桩（2.26）都设置在其主轴（2.1）一端的方向，用以避免该系统侧面受到较大的涌浪和潮头的冲击。

参照附图3、5所示实施例，阐述发电单元（2）安装在“┃”字形漂浮体（1）上以“漂浮状态”下独立使用时，其漂浮体（1）内都有舱内配重（1.1），在“┃”字形漂浮体（1）的正下方还有配重单元（1.2），配重单元（1.2）通过配重单元连接件（1.3）固定在“┃”字形漂浮体（1）的正下方，以便于更加有效地减少船体浮动和横向摆动，以便于使船体更加稳定，以便于浮子（2.7）更加有效地发挥作用。

上述发电单元不仅限于在一根主轴（2.1）上安装三个棘轮（2.15）、六个悬臂（2.6.1和2.6.2）和六个浮子（2.7），还能够在一根主轴（2.1）安装六个棘轮（2.15）、十二个悬臂（2.6.1和2.6.2）和十二个浮子（2.7），甚至还能够在一根主轴（2.1）安装九个棘轮（2.15）、十八个悬臂（2.6.1和2.6.2）和十八个浮子（2.7），这样其发电机利用效率会更高；当其以“漂浮状态”单独使用时由于“┃”字形漂浮体（1）的体形加长其稳定性将会更好，其浮子所发挥的作用会更充分。

为了降低发电单元（2）的维护量和运行成本，将所述的主轴（2.1）与其两端的轴承（2.2），以及悬臂（2.6.1和2.6.2）与主轴（2.1）之间、棘轮（2.15）与推力棘爪（2.16）之间拉力棘爪（2.17）之间、大齿轮（2.4）与增速齿轮组（2.5）之间均按照免润滑设计。

以上详细描述是本发明较佳的具体的实施方案。因此，不管是采用什么样的结构形式，也不管是否与养殖网箱结合，只要是能够构建起能够容纳若干发电单元的平台，只要是能够将多个浮子所采集的波浪能汇集起来，并通过悬臂或者类似悬臂的装置将其能量放大并用于发电的，都属于本发明的保护范围；除上述表述外，本领域普通技术人员在无需付出创造性的劳动状态下，根据本发明再另外做出诸多修改和变化的，或者本领域技术人员在本发明构思的基础之上通过某种技术手段所得到的技术方案，也应属于本发明所确定的保护范围之内。