风浪混合动力发电转换装置风浪混合动力发电转换装置 工程学院 陈功 曹星 李晴 张磊 指导教师：吴子岳 摘要：海洋波浪能和风能是当前世界上为数不多的无污染、可再生的清洁型能源，然而现在单独的波浪能用来发电的效率较低，相对成本也较大；普遍采用的风能发电，能量利用效率也不高；同时，更加缺少两种能源的同时开发混合利用的技术。为解决这一技术空白，在现有的基础上实现新能源的高效利用，本项目提供了一种风浪混合动力发电转换装置，通过转向单向选择机构和行星轮动力叠加机构来实现海洋波浪能和风能的动力叠加，使输出轴转速增加，这样风能与波浪能可同时转换为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。本项目主要采用理论分析，模拟仿真，模型加工和测试改进来实现，最终成品可用于实际的海洋发电中，具有一定的商业开发价值。希望通过本装置可缓解 21 世纪能源短缺问题，走可持续发展道路，为祖国的新能源开发提供一份微薄的力量。 关键字：波浪能；风能；机构；叠加 一、项目来源一、项目来源和意义和意义 （一一）项目的选题项目的选题 地球上拥有丰富的风能，现有的风力发电技术已相当成熟了，在全世界的范围内已得到广泛的应用和普及。然而当前传统的水利储能发电由于受到时间地域水资源条件的制约，以及环境人文等因素的影响，越来越多的彰显出它的局限性和滞后性。 海洋面积占地球表面百分之七十，海面以上拥有丰富的风能，海面以下的波浪能更是无处不在，但是单独的波浪能风能用来发电效率较低，相对成本较大，且两种能源没有得到同时开发的混合利用。针对这种现象，结合我国当前国情和自身实际能力出发，我们小组选择了开发一种风浪混合动力转换装置，通过自身所学的机械设计制造的知识，努力攻克其中关于两种能力叠加的技术难题，实现能量高效利用和资源的优化配置。 （二）目的与意义（二）目的与意义 本小组成员希望通过本项目的实施，是每个成员在“发现问题，分析问题，解决问题”这一过程中，培养和锻炼自身的科研探索能力，加工出一个可行可靠高效的实验模型，同时希望项目的成果能运用到实际的生产领域中，创造出一定的市场价值，为国家的新能源的开发利用贡献一份微薄力量。 项目的意义在于 1.风浪混合发电可以提高利用海洋能源发电的效率，实现能量高效叠加，提高了发电的效率，同时降低了能源利用成本。 2.从长远意义上来说，为缓解能源紧张，实现绿色能源高效利用，为走可持续发展道路做出了贡献。 二、二、项目的创新点与特色项目的创新点与特色 （一）（一）项目项目创新点创新点 1.实现海洋发电中的风能、波浪能混合利用，并且实现动力高效传动。 2.风浪混合动力发电转换装置的机构设计中， 采用了单向轴承转向选择机构和行星轮动力叠加机构。 （1）单向轴承选择传动方向：波浪上下落差不确定是涡轮的转动方向不确定，而动力叠加必须满足两端太阳轮为转向相反的输入转速，涡轮传递到一对锥齿轮带动套筒单向转动， 锥齿轮与套筒之间的连接采用一对斜坡方向相反滚子式单向轴承， 单向轴承外圈与锥齿轮过盈配合，内圈与套筒间隙配合，通过单向轴承的顺时针转动，逆时针锁死来实现方向选择，保证套筒始终沿一个方向转动。 （2）行星轮系转速叠加：行星轮系的动力叠加采用行星轮的减法机构，风能输入通过链传动带动行星架的轴的顺时针转动， 传递到行星轮上单方向转动， 波浪能输入方向选择后带动套筒是一侧太阳轮逆时针转动，行星轮与太阳轮的配合带动另一侧太阳轮顺时针转动，根据行星轮系的角速度计算公式可得，太阳轮的角速度增加，为两输入的角速度叠加。 3套筒输出带动主轴输出，之间采用直齿轮配合，大齿轮带动小齿轮，不仅可提高转速，而且能输出稳定恒定转速，供发电机以恒定转速工作输出电能。 （二二）项目特色项目特色 本项目提供的是一种波浪能、风能混合发电的动力叠加、转换系统，属于动能转化技术领域，其结构的灵魂部分就是主轴，主轴上设置有数个做功组件，每个做功组件通过齿轮啮合与主轴相连接，波浪推动浮漂上下浮动，风力带动叶片转动，通过连杆使单向叠加做功驱动主轴单方向旋转，主轴旋转将动力通过与主轴相连的变速箱的动力输入轴传递给变速箱，再传到与变速箱的动力输出轴相连的发电机上进行发电， 发出的电通过并网变流器输送至电网。本发明的波浪能风能混合发电系统与现有技术相比，具有结构简单、传动效率高、生产成本低、制造技术娴熟、易大规模生产等特点，可形成规模发电站，能适应各种气候环境及海况，抗风能力强，且能综合利风力，波浪发电设备。 三、项目实施三、项目实施 （一）初步方案确立（一）初步方案确立 根据理念设计图 （图 1） ， 制作出装置的按比例缩小模型， 以求实现模型模拟实物 （图 2）工作的最佳效果，制作成模型后进入最为关键的仿真测试阶段，在水槽中模拟海洋环境（水槽的水面之上安装可调式风扇，用以模拟海风环境；水面之下安装可调式涡轮，用以模拟波浪环境） ，并在水槽中加入浮标，在浮标上承载转换装置模型，通过调节可调式风扇和涡轮的输出参量完成不同海洋环境的真实模拟，记录各环境下的模拟结果，通过整理、计算，得到能量转换效率的最终结果。 （二）核心机构功能（二）核心机构功能 （1）棘轮机构选择传动方向；风能转换机构确保风叶始终顺时针转动，从而使链轮 9顺时针转动，太阳轮 13 也朝顺时针转动，经行星轮系 12 传动到太阳轮 14，使太阳轮 14 始终沿逆时针转动。 棘孔大锥齿轮机构 15 和 20 内部棘轮机构的棘爪斜面沿顺时针排布， 与压迫弹簧共同作用，涡轮顺时针转动时，棘孔大锥齿轮 20 逆时针转动，棘孔大锥齿轮 20 内部棘爪未压迫弹簧收缩，太阳轮输入轴 21 与棘孔大锥齿轮 20 键连接，发生逆时针转动;同时棘孔大锥齿轮 15 顺时针转动， 棘孔大锥齿轮 15 内部棘爪受压迫弹簧压缩， 导致太阳轮输入轴 21 与棘孔大锥齿轮 15 无键连接，棘孔大锥齿轮 15 空转，太阳轮输入轴 21 带动太阳轮14 逆时针转动， 从而使行星轮系顺时针转动带动主轴 24 转动； 同理， 当涡轮逆时针转动时，棘孔大锥齿轮 15 带动太阳轮输入轴 21 逆时针转动，从而使太阳轮 14 逆时针转动，从而使行星轮系顺时针转动带动主轴 24 转动。 （2）行星轮系动力叠加；行星轮系在太阳轮 13 和 14 啮合情况下始终沿顺时针转动，带动主轴 24 转动。 棘轮机构保证水轮顺时针或逆时针转动的情况下实现太阳轮 14 沿逆时针转动，从而实现行星轮系两种动力的叠加。 （三）方案核心机构改进（三）方案核心机构改进 （1）棘轮机构的替换 棘轮机构选购时，市场楔块式超越离合器不匹配，定制成本高，机械结构复杂，而原理是实现轴的转动方向的单向选择，而单向轴承原理顺时针转动逆时针抱死的原理可实现轴的单向转动，通过一对单向轴承的相对安装来实现涡轮传动到套筒轴上始终为恒定转向。 （2）行星机构动力叠加方案更改 速度叠加与扭矩叠加 设计方案： 行星轮系 两端太阳轮作为动力输入， 而行星轮作为动力叠加后的带动主轴输出，而实际的输出转速为两端太阳轮转速之差。 方案的更改，一端太阳轮作为涡轮的动力输入，行星轮系作为风叶的动力输入，通过链的传动带动行星轮绕太阳轮转动，行星轮与太阳轮的速度叠加通过另一端太阳轮输出 行星轮系带动轴添加滚动轴承，由滑动摩擦变成滚动摩擦，减少能量损耗 （3）主轴转速提高输出 转速叠加后从太阳轮的套筒轴输出，为得到稳定的输出转速，采用一对齿轮配合，套筒轴上的大齿轮带动输出轴上小齿轮，从而使输出轴的转速增加。 四、创新项目的研究进展及取得的阶段性成果四、创新项目的研究进展及取得的阶段性成果 （一一）研究进展：研究进展： 项目进度安排： 2011.102011.11 选题，项目计划书定稿，项目申请，初步方案设定 2011.112012.2 方案改进，合理性与可行性的 2012. 32012.6 模型加工，功能测试 2012. 72012.9 数据统计，结果分析，改进完善 2012. 92012.10 研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广 截止目前为止，我们预计完成的任务计划（模型加工，测试，分析，完善 ）已经初步完成，我们已经攻克了关于项目核心的难点一：棘轮机构的方向选择和难点二：星轮的动力叠加问题，在预期时间内完成模型的加工，在后期工作中按计划完成模型的改进。 （二（二）阶段性成果阶段性成果 本项目的具体实施按照项目进度安排一步一步的实施，目前完成进度安排的前三部分，从初步方案的确定到实际实施的方案改进， 再到初步模型的加工， 本小组成员在老师的指导下积极主动的参与到项目的实施中，截止目前为止，完成了模型加工，实物图如下 五五 项目实施体会项目实施体会 （一）零件的市场选购（一）零件的市场选购 方案确定后，接下来便是模型的加工，作为对市场一无所知的学生来说，我们在模型的零件采购过程中可谓是困难重重，一切都是从零开始。在北京东路的机械零件采购市场，当店家问道零件的具体参数时， 我们是一脸茫然， 因为市场上决定机械零件的主要参数与我们专业知识所学和方案确定中的机械参数完全不吻合。 同时本项目的方案提出， 从想象中的 满足原理的构思到具体的方案模型的建立， 我们小组成员完全在是 solidworks 的开发环境下进行的建模， 而完全没有按照市场上已有的标准机械零件和机械设计手册上标准的零件的相关参数进行设计。 从抽象的原理到具体的模型建立，对照实际的零件参数，一步一步确定下来，完成了装置的主体结构的搭建，方案改进，合理性与可行性，通过理论计算的参数与实际市场所有的零件参数相对应 ，而实际过程中与厂家联系定制特殊零件。核心零件因为市场上的缺失而采取定制，而成本太高，不得不采取其他的措施来代替现实相同的功能，同时到木材市场进行木材购买，在自行加工。 （二）零件的网上订购（二）零件的网上订购 网上订购零件，与厂家联系，而实际的情况是量少，而价格高，同时开发票困难，从采购到财务报销过程中遇到了很多麻烦，资金流动困难，在模型搭建过程中，从木材购买再自行加工，生产，经历很多的挫折。 （三三）零件的自行加工）零件的自行加工 利用创新实验室的现有机床， 使用车床 钻床 切割机对采购的零件进行加工， 使之满足符合尺寸要求。 （四）项目实施体会（四）项目实施体会 小组讨论交流，在核心机构的突破上，小组每次讨论都纠结在行星轮系的动力叠加上，转速的叠加与力矩的叠加，行星轮系中以行星轮带动主轴输出，不可能实现转速相加，齿轮的传动靠行星轮与两端的太阳轮啮合，而行星轮只有一个传动比，转动靠速度差来实现， 六、研究中遇到的问题及收获六、研究中遇到的问题及收获 从最初的选题，讨论，到方案的确定，落实，实施一步步走过来，我们在知识中成长，在成长中学到了许多知识。最初，我们是一帮怀揣科技创新梦想的大学生，但是自身能力有限，通过这一年来的不断学习、讨论和与指导老师的交流，我们不断优化方案，不断力求创新，争取做到最好。 事实也证明，只要你有想法，只要你乐意动手实践，动脑思考，你就能实现科技创新的梦想！