摆锤式波浪发电机设计说明书:往复式发电机
摆锤式波浪发电机设计说明书
设计者：马兆玉，潘傲翔，闵功伟
指导教师：×××，×××
海南大学 机电工程学院 海口 邮编：570228
摘 要
波浪能是海洋可再生能源中的一种, 是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。我国对波浪能的研究、利用起步较晚，现有的波浪发电装置主要有振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子式波能转换装置和收缩波道式波能转换装置等，但是这些装置共同存在的问题是波浪能转化为电能的中间环节较多，从而造成能量转化率低，电力输出的波动性较大，这严重的影响了波浪发电大规模的开发利用。为了解决现有技术所存在的上述不足，本文研制一种摆锤式波浪发电装置，提出一种结构简单，能量转化步骤少，波能转化效率高，成本较低且具有更高可靠性与可行性。
关键词：摆动发电，低成本，效率高
作品内容简介
本文发明一种摆锤式波浪发电装
置，如图1所示，主要包括摆锤13，刚
性绳16，收线盒1，齿轮传动机构，蓄
电池10，摆罩12，摆筒14等，其特征
在于：摆锤13上四点各与四条刚性绳
相连接，刚性绳又通过滑轮15，滑轮9
与传动齿条7相连，传动齿条7另一端
的绳索连到收线盒1中。波浪的拍动促
使摆锤13摆动，通过摆锤的摆动使传
动齿条7发生平移，传动齿条7与齿轮6
啮合，再通过由齿轮6、齿轮4、齿轮5、
齿轮2构成的二级增速装置增速，齿轮
2与棘轮3组成单向传动机构，实现发
电机转轴的单向转动。发电机8尾部与
蓄电池10相连，将电能储存。
图1 摆锤式发电机
1 研制背景及意义
随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，人们对能源的需求日益增长。占地球表面积70%的广阔海洋，集中了97%的水量，蕴藏着大量的能源，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。其中，波浪能由于开发过程中对环境影响最小且以机械能的形式存在，是品位最高的海洋能。
波浪能是海洋可再生能源中的一种, 是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。它是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。据世界能源委员会的调查显示, 全球波浪能的储量约为25亿kw, 我国沿海的波浪能储量约为70万kw 。近年来, 我国沿海地区的用电需求短缺已经成为制约当地社会经济发展的瓶颈。另一方面, 随着我国海洋经济的发展和国防建设的需要, 一大批远离大陆的海岛开发建设已显得十分迫切, 发展波浪能发电可以满足这些地区的用电需要。
波浪发电是波浪能利用的主要方式，波浪能利用装置的种类繁多，这些装置主要基于以下几种基本机理，即利用物体在波浪作用下的振荡和摇摆运动; 利用波浪压力的变化; 利用波浪的沿岸爬升将波浪能转换成水的势能等。目前主要有四种波浪发电装置包括振荡水柱式装置、摆式装置、振荡浮子式波能转换装置和收缩波道式波能转换装置。
2、设计方案
2.1总体设计
本设计的摆锤式波浪发电装置的工作系统如图2所示。由摆锤，刚性绳，滑轮，传动齿条，齿轮，棘轮，棘爪，发电机，蓄电池等构成。其中除机体外所需零件均可直接选型，重点是波能转换和机械传动部分的设计。
图2 摆锤式波浪发电装置系统总体框图
本作品总体为一个可以漂浮在水面上的形状类似于不倒翁的装置，随海面波浪的拍动而摆动但不会侧向翻倒。该发电机主要由动力源、机械传动装置、发电装置、储能装置、机体等部分构成。
2.2动力源
如图所示该装置的动力源为一个摆锤13，摆锤13上方与摆罩12具有球面约束，摆锤13可绕连接点无规则摆动，摆锤13下方设计有四个通孔分别连接四条绳子一端，摆锤摆动时将带动刚性绳运动，从而带动下方的机械传动装置。
2.3机械传动部分
如图4所示，机械传动由四组完全相同的部分构成，上方摆锤牵引下的刚性绳通过滑轮9链接到传动齿条7一端，传动齿条沿滑轨往复运动。齿轮6、齿轮4、齿轮5、齿轮2共同组成齿轮二级增速装置。之后通过齿轮2与棘轮3组成的单向传动机构实现发电机主轴的单向转动。传动齿条7另一端与收线盒1也通过刚性绳相连。
齿轮6齿数分度圆直径为50mm ，齿轮4为30mm ，齿轮5为40mm 齿轮2为50mm 。四个齿轮的模数均为2。
① 传动比计算：
齿轮6与齿轮4的传动比n1=（40÷2）/(80÷2)=0.5
齿轮5与齿轮2的传动比n2=(30÷2) /（60÷2）=0.5
因此总的传动比n=0.5×0.5=0.25
② 运动过程：
1. 收线盒；2,4,5,6. 齿轮；3. 棘轮；7. 传动齿条；
8. 发电机；9. 滑轮；10. 蓄电池
如图5所示为其中一套机械传动机构，从上方摆锤上牵引下来的刚性绳通过滑轮9连接在齿条7一端。刚性绳不受拉力作用时，传动齿条位于滑轨中间位置，当滑轮9处的刚性绳向上拉动时，拉力远大于收线盒的预紧力，收线盒中的刚性绳被不断拉出，传动齿条向滑轮9方向运动，带动齿轮6，通过齿轮4,5传动到齿轮2上，齿轮2内侧棘轮与发电机8主轴上的棘爪啮合，带动发电机主轴旋转发电并将所发的电能储存在蓄电池中。当滑轮9处的绳子不受向上拉力作用时时，收线盒中软质发条的发条力使收线轮转动拉动刚性绳使传动齿条回位。齿轮2,4,5,6反转，棘轮3与发电机轴上的棘爪脱开，发电机不工作。
2.4电路部分
如图6为发电电路图，四个发电机发出的电能通过导线存储到蓄电池中，蓄电池在经过输出接口连接到机体外接口实现对外输出。日常作业期间，对外输出接口做防水处理，对外输电时将接口连接外部设备即可。
3．创新内容
本作品设计一种新型摆锤实现波能转换，具有结构简单，能量转化步骤少，波能转化效率高，成本较低且具有更高可靠性与可行性等优点。
（1）、该设计采用摆锤摆动作为动力来源，水面波动使摆箱的摆动无法避免，可持续稳定提供动力输出。
（2
）、传动设计采用刚性绳和滑轮配合将摆锤的摆动有效利用，机构简单，成
本低廉，适应性强。
（3）、为实现发电机转轴单向转动，专门设计单向传动机构，提高能量的有效利用。
（4）、整个机体采用全密封设计，有效避免了海水对内部装置的腐蚀，减少了维护成本。
（5）、外壳体底部为扁球状浮座，上部为半圆锥状摆筒，既能充分利用水面浮力，又增加了摆动的灵活性。
（6）、
4．应用前景
我国是一个资源丰富的大国，有广阔的海洋资源，中国波浪能的理论存储量为7000万千瓦左右。科学有效的利用这部分能源，能有效缓解部分沿海城镇用电紧张的状况；同时减少煤炭等不可再生能源的消耗，可有效减少废水废气排放，改善生活环境。
我国沿海地区的用电需求短缺已经成为制约当地社会经济发展的瓶颈。另一方面, 随着我国海洋经济的发展和国防建设的需要, 一大批远离大陆的海岛开发建设已显得十分迫切, 发展波浪能发电可以满足这些地区的用电需要。
近年来，中国积极推进新能源开发利用。新能源发电呈加速发展态势，波浪发电产业得到国家政策的鼓励和扶持，投资前景良好。