基于系泊锚链张力驱动的海床套筒式直线波浪能发电装置的制作方法

本发明涉及海洋可再生能源利用及海洋工程装备，具体而言，涉及基于系泊锚链张力驱动的海床套筒式直线波浪能发电装置。

背景技术：

1、波浪能是海洋能的重要组成部分，具有储量丰富、分布广泛等特点。然而波浪能的高效开发与利用仍存在诸多技术难题。目前常见的波浪能发电装置包括振荡浮子式、振荡水柱式以及摆动板式等，其主要通过浮体的升沉或摆动运动驱动机械或电磁系统发电。

2、在现有技术中，部分装置采用浮体直接驱动发电机的方式，但该类装置存在以下问题：

3、（1）发电设备通常布置于浮体或水面附近，易受海洋环境（海水腐蚀、风浪冲击等）影响，可靠性较低；

4、（2）系泊系统仅用于结构定位，未对锚链中的动态张力进行能量利用，造成能量浪费；

5、（3）若将发电装置布置于海床，则通常需要复杂的密封结构以实现运动部件穿舱，密封难度大，寿命受限；

6、（4）现有直线发电装置多采用动子在密封腔内往复运动的形式，存在动密封复杂、维护困难等问题。

7、因此，如何在保证结构可靠性的前提下，充分利用系泊系统中的动态张力，实现结构简单、密封可靠的波浪能发电装置，是当前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于系泊锚链张力驱动的海床套筒式直线波浪能发电装置，以解决现有技术中发电装置布置复杂、密封困难以及能量利用效率低的问题。

2、具体包括以下目的：

3、目的一是利用浮体在波浪作用下产生的运动，通过锚链张力变化驱动发电，实现对系泊系统能量的回收利用；

4、目的二是将发电装置布置于海床，避免海面复杂环境对发电设备的影响，提高系统稳定性与耐久性；

5、目的三是采用中心定子固定、外套筒动子往复运动的结构形式，避免传统穿舱动密封结构，降低密封难度；

6、目的四是通过非磁性密封壳体实现电磁结构的完全密封，在保证防水性能的同时允许磁场传递，提高装置可靠性；

7、目的五是通过由圆台输入件、活动圆柱输出件、辅助滚轮、弹性伸缩支架、定轨滚轮及限位圆孔组成的万向取力装置，将浮体多自由度运动引起的锚链斜向张力转化为相对稳定的轴向往复运动，提高发电效率；

8、目的六是通过设置限位、缓冲及防砂结构，提高装置在海洋环境中的长期运行稳定性。

9、本发明涉及基于系泊锚链张力驱动的海床套筒式直线波浪能发电装置，包括：浮体，所述浮体的下表面设置有锚链；所述锚链的端部设有万向取力装置；所述万向取力装置的下端部设置有竖向拉杆；所述竖向拉杆的外表面设置有导向结构；所述竖向拉杆下端连接外套筒动子，所述外套筒动子套设于固定设置的中心定子组件外围，并在所述竖向拉杆驱动下沿轴向往复运动，所述中心定子组件固定于海床基础上，所述中心定子组件底端的外表面套设有下缓冲板。所述浮体设置于海面，在波浪作用下产生多自由度运动；

10、所述浮体通过锚链与设置于海床上的万向取力装置连接。

11、作为优选，所述万向取力装置包括锚链接头、球铰连接件、圆台输入件、活动圆柱输出件、辅助滚轮、弹性伸缩支架、刚性支架、定轨滚轮、圆柱下缓冲板、圆柱缓冲弹簧、圆柱上缓冲板、固定外壳和限位圆孔；所述万向取力装置包括与竖向拉杆相连接的活动圆柱输出件，所述活动圆柱输出件内部形成用于容纳圆台输入件的工作空腔，所述工作空腔内设置有圆台输入件，活动圆柱输出件下端与竖向拉杆连接，所述圆台输入件顶部设置有球铰连接件，使锚链在波浪作用下产生空间摆动时，圆台输入件能够在预设角度范围内随锚链张力方向发生偏转；所述球铰连接件上表面通过设置的锚链接头与所述锚链连接；所述活动圆柱输出件与所述圆台输入件之间通过辅助滚轮和弹性伸缩支架连接，所述辅助滚轮与所述圆台输入件接触，所述弹性伸缩支架的一端连接所述辅助滚轮，另一端与所述活动圆柱输出件连接；所述活动圆柱输出件通过刚性支架和定轨滚轮与万向取力装置外壳连接，所述刚性支架与固定外壳连接，所述定轨滚轮与活动圆柱输出件接触；所述活动圆柱输出件底部与所述固定外壳接触位置设置有圆柱下缓冲板，所述圆柱下缓冲板下表面设置有若干圆柱缓冲弹簧，所述圆柱缓冲弹簧另一端连接在所述固定外壳的内壁上。

12、所述辅助滚轮设置于活动圆柱输出件内侧，并通过弹性伸缩支架及刚性支架安装于活动圆柱输出件上。弹性伸缩支架用于使辅助滚轮与圆台输入件的锥面保持预接触，以减少空行程和冲击；刚性支架用于在弹性伸缩支架压缩至预设位移后形成刚性承力路径，避免弹性结构过度吸收锚链张力；

13、所述定轨滚轮设置于固定外壳与活动圆柱输出件之间，用于限制活动圆柱输出件的横向偏移并引导其沿竖向运动，同时将部分水平载荷传递至固定外壳；

14、所述圆柱下缓冲板、圆柱缓冲弹簧及圆柱上缓冲板设置于活动圆柱输出件的轴向运动路径上，用于缓冲活动圆柱输出件运动至极限位置时产生的冲击；

15、当圆台输入件受锚链斜向张力作用并与辅助滚轮或活动圆柱输出件的内腔斜面接触时，接触支撑力近似垂直于接触斜面，其垂向分力驱动活动圆柱输出件沿轴向运动，其水平分力通过活动圆柱输出件、定轨滚轮及固定外壳传递至海床基础；所述垂向分力与内腔斜面坡度有关，可通过调整斜面角度改变轴向驱动力比例，附图中的斜面坡度仅用于说明力分解原理，不限定具体坡度；

16、当锚链偏角超过预设工作范围时，圆台输入件或其上部连接部与限位圆孔接触，使多余载荷经固定外壳传递至海床基础，从而减少该载荷继续传递至活动圆柱输出件、竖向拉杆及发电单元。

17、所述万向取力装置与竖向拉杆连接，所述竖向拉杆沿竖直方向布置，并在导向结构约束下作往复直线运动；

18、所述竖向拉杆下端连接外套筒动子，所述外套筒动子呈环形套筒结构。

19、作为优选，所述固定外壳的顶端内表面设置有若干圆柱缓冲弹簧，所述圆柱缓冲弹簧的另一端连接有圆柱上缓冲板。

20、作为优选，所述圆台输入件上部高于活动圆柱输出件并穿过固定外壳上部的限位圆孔。

21、作为优选，所述外套筒动子内部设置有永磁体组件，所述中心定子组件外表面设置有定子线圈，所述定子线圈外部设置有密封壳体。

22、作为优选，所述密封壳体与所述外套筒动子之间设置有环形间隙。

23、作为优选，所述导向结构下表面设置有若干缓冲弹簧，所述缓冲弹簧另一端设置有上缓冲板，所述外套筒动子外部还设置有防砂密封结构。

24、所述外套筒动子套设于中心定子组件外围，并在竖向拉杆驱动下沿中心定子组件轴向往复运动；

25、所述中心定子组件固定设置于海床基础上，包括铁芯及绕设于其上的线圈；

26、所述中心定子组件外侧设置有非磁性密封壳体，用于将定子组件与海水环境隔离，同时允许磁场穿透；

27、所述外套筒动子为双层中空环形套筒结构，其内设环形安装腔，永磁体组件设置于所述安装腔内，并沿轴向分段排列，相邻永磁体的磁极方向相反，以形成交变磁场，并避免永磁体直接暴露于海水环境中，所述永磁体组件随外套筒动子运动，与中心定子组件形成相对运动，从而在定子线圈中产生感应电流；

28、所述外套筒动子与中心定子组件之间形成环形间隙，以保证动子与定子之间的相对运动空间，同时作为磁场传递区域；

29、所述装置内部设有上缓冲板和下缓冲板，用于限制外套筒动子的运动行程；

30、所述缓冲弹簧设置于上缓冲板和/或下缓冲板与外套筒动子的接触部位；

31、所述装置入口处设置防砂密封结构，用于防止海水中泥沙进入环形间隙。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果：

33、（1）本发明将系泊锚链中的动态张力转化为发电动力，实现对原本未利用能量的有效回收；

34、（2）采用由圆台输入件、活动圆柱输出件、辅助滚轮、弹性伸缩支架、定轨滚轮、固定外壳及限位圆孔组成的万向取力装置，在锚链偏拉时通过接触支撑力分解形成垂向驱动力，并将水平分力经活动圆柱输出件、定轨滚轮和固定外壳吸收，提高取力过程的稳定性；

35、（3）辅助滚轮通过弹性伸缩支架与刚性支架配合，使滚轮与圆台输入件保持预接触，减少小波浪工况下的空行程；当弹性伸缩支架压缩至预设位移后，由刚性支架形成承力路径，避免驱动力被弹性结构过度吸收；

36、（3）采用外套筒动子与中心定子相对运动结构，使电气部分完全固定，从而避免电缆随动问题，提高可靠性；

37、（4）通过设置非磁性密封壳体，使定子组件处于密封干腔中，同时利用磁场穿透实现能量转换，避免复杂的动密封结构；外套筒动子采用中空环形套筒结构，永磁体组件封装于套筒内部，避免永磁体直接暴露于海水环境中，从而提高装置耐久性与运行可靠性。

38、（5）通过环形间隙设计，保证动子运动平稳，减少摩擦与磨损；

39、（6）通过限位、缓冲及防砂结构，提高装置在海洋环境中的耐久性和运行安全性；

40、（7）整体结构适合海床布置，可与浮式结构或防波堤系统协同使用，具有较好的工程应用前景。