CN111425334A - 一种自导向式多自由度波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自导向式多自由度波浪能发电装置，包括支撑模块和发电模块；所述支撑模块采用多箱体桁架式结构；所述发电模块包括自导向液压PTO装置和磁感应发电装置；自导向液压PTO发电装置通过波浪带动两个立柱在不同方向产生纵摇，立柱往复摆动，使液压发电机发电；磁感应发电装置在波浪作用下双浮子沿立柱外周垂荡运动，带动磁棒在立柱内上下往复运动，电磁场发生位移产生的磁感线被电磁线圈切割而产生电能。本发明建立了基于纵摇和垂荡联合运动的自导向多自由度波浪能俘获***，改变了传统装置仅俘获一个方向的波浪能缺点，实现了对任意方向波浪能的综合利用，大大提高了波浪能俘获效率；可广泛运用到现存的海洋工程结构中。

Description

一种自导向式多自由度波浪能发电装置
技术领域
本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种自导向式多自由度波浪能发电装置。
背景技术
随着世界经济不断高速发展，人类对能源的需求量愈来愈大，按目前统计的年均开采量估算，中国到2040年石油资源将面临枯竭，到2060年天然气将面临耗尽，到2300年煤炭存储量将开采完毕。此外，化石能源燃料在燃烧时，会产生一氧化碳、二氧化碳及和可吸入颗粒物等有害物质，严重污染了人类的生存环境，威胁着人类的生命安全。因此，近几十年来，如何有效和充分利用各种可再生能源包括波浪能、水能、风能以及太阳能等引起了人们越来越广泛的关注。海洋波浪能作为一种清洁的可再生能源，具有能量品质较高、能流密度大、分布范围广、建设和维护成本低、易实现功能多元化等优点，具有广阔的开发前景。中国是海洋大国，从渤海、黄海、东海到南海，总面积超过470万平方公里，海岸线总长度超过3.2万公里，沿海平均波高在1m左右，波浪能蕴藏量可达1.5亿千瓦，全国波浪能能流分布以浙江中部，台湾，福建省海坛岛以北，渤海海峡为最高，达5.11～7.73千瓦/米。
波浪发电是波浪能开发利用的主要方式，波能转换装置(Wave EnergyConverter，WEC)是专门应用于波浪发电的设备。它的工作原理是首先将波浪能转换成波能转换装置主体的机械能，然后通过能量输出***将机械能转换成电能。目前国内外对于波浪能发电装置的研究热点与重点主要集中于以下3种被认为是具有商品化潜力的发电装置：振荡水柱式、越浪式以及振荡浮子式波浪能转换装置。振荡水柱式波能发电装置是利用一个与海水连通的容器装置，通过波浪作用，驱动气室内水柱作往复运动，使得水面位置发生变化，引起容器内的空气体积变化，通过压缩容器内的空气产生作用力驱动叶轮工作，带动发电装置发电。振荡水柱波能装置的优点是相对脆弱的机械部分只与往复流动的水流或空气流接触，不与海水接触，防腐性能好；通过气室将低速波浪能量转换成高速运动的气流，传递方便，安全可靠，故障少、维护方便；其缺点是转换效率低，建造费用高。越浪式波浪能量转换装置在进行波浪能转换时，通常有两个转换过程，首先将波浪能转化为可供涡轮电机运行的机械能，实现能量的一次转换过程，然后通过涡轮电机将机械能转化为电能进行输出，实现能量的两次转换过程。越浪式波浪能量转换装置的优点是装置活动部件较少，整体稳定性较高，可靠性好，波浪能量转换效率较高，维护费用较低，在大浪时***电力输出稳定；其缺点是小浪下的***转换效率较低。振荡浮子式波浪能发电装置是目前种类最丰富的波能转换装置，该类装置的特点是其能量吸收***都是活动的、可以随波浪运动的浮体，装置在工作时，波浪带动浮体做往复运动，从而带动内部的液压装置或发电机，完成能量转化过程。目前，该类装置主要通过浮体的垂荡、摆动以及多浮体组合等运动和形式实现波浪能发电。其能量转换装置主要是直线电机和液压***，但发电效率达不到理想要求，能量利用率低下。
因此，现有的波浪能发电装置对于波浪能的利用，只是通过一些机械原理单一地捕获波浪的垂向能量或纵向能量，不能有效充分地利用波浪的能量。而且，大多数装置只能实现对单一方向波浪能的利用，不能根据波浪方向具有不确定性的特点实现对各个方向的波浪能利用。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种自导向式多自由度波浪能发电装置，能够实现对任意方向波浪能的利用，提高装置对波浪能的俘获效率。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种自导向式多自由度波浪能发电装置，包括支撑模块和发电模块；所述支撑模块包括呈正三角形分布的第一浮箱、第二浮箱和第三浮箱，每个浮箱的正下方均竖直连接有压载箱；所述发电模块包括自导向液压PTO装置和磁感应发电装置；所述自导向液压PTO装置包括立柱、液压发电机、液压杆、第一圆形凹槽、第二圆形凹槽、多个滚珠、轴承、固定杆和圆盘；所述液压发电机的一端通过液压杆连接立柱的顶部，另一端连接有滚珠放置于第一圆形凹槽内；所述立柱的底部与轴承铰接连接有固定杆，所述固定杆穿过轴承且两端固定在圆盘上，所述圆盘的外侧至少对称连接有两个滚珠放置于第二圆形凹槽内；所述滚珠与第一圆形凹槽和第二圆形凹槽滑动配合；所述磁感应发电装置包括浮子、磁棒、电磁线圈和连杆；所述浮子垂直安装于立柱的外周且能沿着立柱上下垂荡运动，所述立柱内上半部分设置有电磁线圈，所述浮子顶端通过连杆设有磁棒，所述磁棒可沿立柱内部上下运动。
进一步的，所述第一浮箱、第二浮箱和第三浮箱均为圆柱型，各个浮箱之间通过平面桁架结构相互连接；所述压载箱也呈圆柱型，且各个压载箱之间通过平面桁架结构相互连接。
进一步的，所述第一圆形凹槽和第二圆形凹槽的外圈分别内切于上部和下部所述平面桁架结构之间所形成的正三角形。
进一步的，所述第一浮箱、第二浮箱和第三浮箱的底部分别与压载箱通过空间桁架结构相互连接，能有效保证整个装置的稳定性和安全性。
也就是说支撑模块包括三个浮箱与三个压载箱，三个浮箱之间与三个压载箱之间均按正三角形布置，每个浮箱与其对应位置的压载箱、空间桁架结构的中心处于同一铅垂线上，有效增加整个装置的稳定性和安全性。
采用桁架结构可以最大程度地透过波浪，减少波能的损失量，使得发电装置捕获和吸收到的能量达到最大化。
进一步的，所述立柱为圆柱筒型且有两个，所述液压杆呈Y型，液压杆一端与液压发电机连接，液压杆人字型两端分别与两个立柱的顶端外壁相连。
进一步的，所述立柱顶端还设置有限位器。限位器用于防止入射浪高超过设计的最大波高，浮子脱离立柱对发电模块产生破坏。
进一步的，所述浮子外侧呈幂指数形状，上部呈圆柱状，下部呈抛物面形状。采用幂指数外部形状的浮子增加了捕获装置与波浪的接触面积，在波浪的周期运动中，浮子产生的位移更大，所收集到的能量也就更多。
进一步的，所述固定杆的中心同圆盘的圆心上下对应，所述固定杆的长度与圆盘的直径一致。
进一步的，所述圆盘的外侧对称设置有四个滚珠。
其中，顶部的液压发电机置于水平面以上，越过海水飞溅区，避免了其与海水的直接接触，大大延长了发电装置的寿命。
本发明的发电模块包括自导向液压PTO发电装置和磁感应发电装置，其中自导向液压PTO发电装置在不同方向的波浪作用下，带动两个立柱不同方向纵摇，使立柱沿运动导轨往复摆动，从而使液压发电机发电，将波浪能转换为电能；所述磁感应发电装置在波浪作用下立柱摆动的同时，双浮子沿立柱外周垂荡运动，带动磁棒在立柱内上下往复运动，电磁场发生位移，从而所产生的磁感线被电磁线圈切割而产生电能。
本发明将波浪能转化为双自由度(纵摇和垂荡)耦合运动机械能，效率高于单自由度的垂荡或摆式发电装置，且设置了由第一圆形凹槽、第二圆形凹槽和多个滚珠之间的配合滑动所组成的自导向装置，实现了对波浪各个方向的利用。其中纵摇自由度获能主要通过铰接于圆盘上的双立柱实现，圆盘和支撑载体采用轴承连接，可以灵活转动，波浪作用推动双立柱摆动，由此俘获波浪前进的动能，进而激活与支撑载体之间连接的液压***做功，此外，双立柱截面采用流线型设计，充分利用流体的力学性能，发挥双立柱的自导向功能，可有效提高纵摇自由度的波能转换能力。其中垂荡自由度的获能主要通过套接与双立柱的浮子实现，浮子底部采用优化设计构型，波浪作用下浮子充分利用波浪的升沉特性沿立柱滑动，进而激活安装于立柱内部的直线电机式***发电。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明的支撑模块采用多箱体桁架式结构，充分利用桁架结构的透波特性，降低波浪冲击效应，提升装置***的动态稳定性；减小了支撑模块对波浪输入的阻滞效应，同时降低了其对获能结构水动力及运动的影响，加强了***结构的稳定性，提高了深水环境下波浪能的俘获能力；
(2)本发明的发电模块采用液压-机械能联合一体化设计，建立了基于纵摇和垂荡联合运动的双自由度波浪能俘获***，分别通过液压和直驱动力输出***，将立柱纵摇和浮子垂荡和运动有效利用，极大地提高了波浪能的俘获效率；
(3)本发明提出了双立柱和双浮子组成的波浪能俘获结构形式，双立柱与底部浮式载体铰接，提高了纵摇运动能量输入；
(4)本发明的浮子采用圆柱和抛物面组合形式，契合波浪运动特性，降低了浮子运动带来的阻尼损失；
(5)本发明建立了基于圆形凹槽与滚珠的自导向装置，改变了传统装置仅俘获一个方向的波浪利用缺点，实现了整体装置对任意方向波浪能的利用，大大提高了装置对波浪能俘获效率；
(6)本发明可运用到现存的海洋工程结构，具有运用范围广，环境影响小、能量俘获效率高的优点。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明支撑模块的结构示意图；
图3是本发明发电模块的结构示意图；
图4是本发明的液压PTO发电装置的俯视图；
图5是本发明的立柱与固定杆连接示意图；
图6是本发明的磁感应发电装置的内部结构示意图；
图7是本发明的浮子结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本实施例的一种自导向式多自由度波浪能发电装置，包括支撑模块和设置于支撑模块内部的发电模块。支撑模块由上部圆柱型浮箱结构(包括第一浮箱1、第二浮箱2和第三浮箱3)和下部对应的圆柱型压载箱4结构组成。发电模块包括自导向液压PTO装置和磁感应发电装置，其中自导向液压PTO装置在不同方向的波浪作用下，带动两个立柱5不同方向纵摇，使立柱5沿运动导轨往复摆动，从而使液压发电机6发电，将波浪能转换为电能；其中磁感应发电装置在波浪作用下立柱5摆动的同时，双浮子7沿立柱5外周垂荡运动，带动磁棒8在立柱5内上下往复运动，电磁场发生位移，从而所产生的磁感线被电磁线圈9切割而产生电能。
如图2所示，支撑模块中的第一浮箱1、第二浮箱2和第三浮箱3均为宽圆柱体，上部各个浮箱之间通过平面桁架结构19相互连接呈正三角形形状布置；三个浮箱下面均竖直连接有压载箱4，压载箱4也为宽圆柱体，且各个压载箱4之间也通过平面桁架结构19相互连接呈正三角形形状布置，正三角形的结构能够增加装置的整体稳定性。平面桁架结构19的两端与第一浮箱1、第二浮箱2、第三浮箱3和其对应的三个压载箱4相契合，降低结构的整体重量及成本。每个位置的浮箱与其对应位置的压载箱处于同一铅垂线上，且之间通过空间桁架结构20连接，有效保证结构的稳定性和安全性。采用桁架的结构形式可以最大程度地透过波浪，减少波能的损失量，从而使发电装置捕获和吸收到的能量达到最大化。桁架采用玻璃钢制成，强度高、耐腐蚀、重量轻。
如图3、图4和图5所示，发电模块包括自导向液压PTO装置和磁感应发电装置。自导向液压PTO装置是在液压PTO装置的基础上增加了自导向装置，包括两个圆柱筒型空心立柱5、液压发电机6、Y型液压杆18、第一圆形凹槽10、第二圆形凹槽11、多个滚珠12、轴承13、固定杆15和圆盘16。液压发电机6的一端通过Y型液压杆18连接两个立柱5的顶部外壁，其另一端连接有滚珠12放置于第一圆形凹槽10内。每个立柱5的底部通过一基座14与轴承13的外圈铰接，固定杆15先后穿过两个轴承13且两端固定在圆盘16上，比如焊接固定，固定杆15的中心和圆盘16的圆心上下对应且长度与圆盘16的直径一致，圆盘16的外侧端面对称连接有四个滚珠12，并放置于第二圆形凹槽11内，其中非相邻两个滚珠12的连线互相垂直。第一圆形凹槽10和第二圆形凹槽11的外圈分别内切于上部和下部所述平面桁架结构19之间所形成的正三角形，内切处采用焊接方式固定。其中，第一圆形凹槽10、第二圆形凹槽11和多个滚珠12之间的配合滑动构成了自导向装置。滚珠12为实心球，其直径略小于第一圆形凹槽10和第二圆形凹槽11，使其能够在凹槽中光滑地配合滑动，同时第一圆形凹槽10和第二圆形凹槽11为半封闭形状，其开口孔径小于滚珠12的直径，防止波浪冲击下滚珠运动轨迹发生变化，甚至从凹槽中脱离。在不同方向的波浪作用下，液压PTO装置在自导向装置的配合下，两个立柱5在不同方向产生纵摇，使立柱5沿运动导轨往复摆动，从而使液压发电机6发电，将波浪能转换为电能。顶部的液压PTO装置置于水平面之上，越过海水飞溅区，避免其与海水的直接接触，大大延长了发电装置的寿命。自导向液压PTO装置的能量俘获方式是利用双立柱不同方向的纵摇将俘获的波浪能转化液压能进行发电。
如图5所示，立柱5的安装采用轴承的形式与固定杆15相连，保证在不同方向来浪的情况下，立柱5只能绕着固定杆15转动，且不会产生横向偏移对装置产生破坏。这种半封闭形式的轴承连接方式，在保证立柱5能平稳转动产生纵摇能量的前提下，可以最大限度的减少海水对连接处的侵蚀。
如图6所示，磁感应发电装置包括两个浮子7、两个磁棒8、两个电磁线圈9和两个连杆10。浮子7垂直安装于两个空心立柱5的外周且能沿着立柱5外壁进行上下垂荡运动。电磁线圈9分别设置在两个空心立柱5的内壁，为了节约材料，电磁线圈9布置在立柱5内壁上部1/2处。浮子7的顶端设置有“m”形连杆17，连杆17的中心位置通过连接器21连接有磁棒8，随着浮子7上下垂荡运动，磁棒8沿着立柱5内部同步运动。此时，电磁场也发生位移，产生的磁感线被电磁线圈9切割产生电能。该能量俘获方式是利用浮子的垂荡运动将俘获的波浪能转换为机械能，驱动立柱内部的直线电机式***进行发电。
如图7所示，浮子7的外侧呈幂指数形状，上部圆柱下部抛物面形式的浮子结构，相较于传统的单一圆柱形浮子，更能契合波浪运动特性，真正传递到浮子7上的波能更大，浮子7的垂荡位移也得到了增加，降低浮子7沿导轨运动产生的阻尼损失，增加了捕获装置与波浪的接触面积，在波浪的周期运动中，该浮子所收集到的能量也就更多。
此外，立柱5最上端的位移是最大的，因此两个立柱5的顶端位于液压杆18连接处下方还设置有限位器，保证传递到自导向液压PTO装置的动能是最大的。在极端情况下，入射浪高超过设计的最大波高，浮子7将有可能脱离立柱5对发电模块产生破坏，限位器的存在直接避免了这种危险情况的发生。

Claims (9)

1.一种自导向式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：包括支撑模块和发电模块；所述支撑模块包括呈正三角形分布的第一浮箱(1)、第二浮箱(2)和第三浮箱(3)，每个浮箱的正下方均竖直连接有压载箱(4)；所述发电模块包括自导向液压PTO装置和磁感应发电装置；
所述自导向液压PTO装置包括立柱(5)、液压发电机(6)、液压杆(18)、第一圆形凹槽(10)、第二圆形凹槽(11)、多个滚珠(12)、轴承(13)、固定杆(15)和圆盘(16)；所述液压发电机(6)的一端通过液压杆(18)连接立柱(5)的顶部，另一端连接有滚珠(12)放置于第一圆形凹槽(10)内；所述立柱(5)的底部与轴承(13)铰接连接有固定杆(15)，所述固定杆(15)穿过轴承(13)且两端固定在圆盘(16)上，所述圆盘(16)的外侧至少对称连接有两个滚珠(12)放置于第二圆形凹槽(10)内；所述滚珠(12)与第一圆形凹槽(10)和第二圆形凹槽(11)滑动配合；
所述磁感应发电装置包括浮子(7)、磁棒(8)、电磁线圈(9)和连杆(17)；所述浮子(7)垂直安装于立柱(5)的外周且能沿着立柱(5)上下垂荡运动，所述立柱(5)内上半部分设置有电磁线圈(9)，所述浮子(7)顶端通过连杆(17)设有磁棒(8)，所述磁棒(8)可沿立柱(5)内部上下运动。
2.根据权利要求1所述的自导向式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述第一浮箱(1)、第二浮箱(2)和第三浮箱(3)均为圆柱型，各个浮箱之间通过平面桁架结构(19)相互连接；所述压载箱(4)也呈圆柱型，且各个压载箱(4)之间通过平面桁架结构(19)相互连接。
3.根据权利要求2所述的自导向式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述第一圆形凹槽(10)和第二圆形凹槽(11)的外圈分别内切于上部和下部所述平面桁架结构(19)之间所形成的正三角形。
4.根据权利要求1所述的自导向式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述第一浮箱(1)、第二浮箱(2)和第三浮箱(3)的底部分别与压载箱(4)通过空间桁架结构(20)相互连接。
5.根据权利要求1所述的自导向式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述立柱(5)为圆柱筒型且有两个，所述液压杆(18)呈Y型，液压杆(18)一端与液压发电机(6)连接，液压杆(18)人字型两端分别与两个立柱(5)的顶端外壁相连。
6.根据权利要求1所述的自导向式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述立柱(5)顶端还设置有限位器。
7.根据权利要求1所述的自导向式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述浮子(7)外侧呈幂指数形状，上部呈圆柱状，下部呈抛物面形状。
8.根据权利要求1所述的自导向式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述固定杆(15)的中心同圆盘(16)的圆心上下对应，所述固定杆(15)的长度与圆盘(16)的直径一致。
9.根据权利要求1所述的自导向式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述圆盘(16)的外侧对称设置有四个滚珠(12)。
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