CN101963125A - 浮体基绳轮海浪发电系统 - Google Patents

浮体基绳轮海浪发电系统 Download PDF

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Abstract

浮体基绳轮海浪发电系统。本发明涉及一种波浪能发电系统，其包括波浪能采集部分、发电机、基座，其波浪能采集部分的机理是：波浪推动浮体，拉紧绳，进而带动浮体上的转轮转动做功，输出机械能，实现波浪能的采集；波浪下落阶段，用很小的力让转轮倒转，收回绳，如此一拉一收，不断循环。波浪能采集部分提供动力给发电机发电。本系统能够适应大多数波形的波浪，抗风浪性强、造价低、易维护。

Description

浮体基绳轮海浪发电系统
技术领域
本发明涉及一种海浪发电系统。
背景技术
海洋波浪能源是一种无穷无尽的可再生能量资源，如何利用这样丰富的能量资源为人类服务，是前人和现代人一直在研究的重要课题，利用波浪能发电就是其中一大课题。
海洋受复杂的自然因素变化影响，其波浪、海潮的大小和形式变化，给人们利用海洋波浪能量来进行稳定发电产生较大的困难。
根据以往的研究经验，认为目前利用波浪能发电有以下几种比较有效的方法：即振荡水柱波能装置、聚波水库波能装置、摆式波能装置等。
振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便。其缺点是二级能量转换效率较低、对小波浪能适应性也不强，且造价高昂。
聚波水库装置的优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定。不足之处是电站建造对地形有要求，不易推广。
摆式波能装置，摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性，摆式装置的转换效率较高，但现有的装置机械的维护较为困难，容易损坏，且适合于海浪大小变化较大、又易于设计制造的大规模的成熟的装置还未见有报道。
总之，由于种种原因，迄今为止，还未出现一个实用的海浪发电系统。本人之前已发明了类似的浮体绳轮海浪发电系统，但那个系统的转轮放在水下的基板上，给日后的维护造成了很大困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种浮体基绳轮海浪发电系统，它能够自动适应大部分波形的波浪，且抗风浪能力强、造价低廉、易维护。
本发明的技术方案：
本系统包括波浪能采集部分，传动部分、发电机、基座等，波浪能采集部分负责将无规律的波浪能转换成有规律的可利用的机械能，传动部分负责将可利用机械能进行传递，发电机将输入的机械能转换成电能。波浪能采集部分也可以不经传动部分直接带动发电机发电。
本系统的波浪能采集部分，其总思路就是让波浪推动浮体拉紧绳，进而带动浮体上的转轮转动做功，输出机械能，实现波浪能的采集；波浪下落阶段，用很小的力让转轮倒转，收回绳，如此一拉一收，不断循环。
具体实现有以下几种形式，分别为收绳装置收绳方式、泵自主收绳方式、传感器控制发电机收绳方式。
第一种：收绳装置收绳方式
这是有棘轮机构的形式，具体为：
其采集部分包括浮体、绳I、转轮及其主轴、棘轮机构、收绳装置；绳I一端系在基座上，另一端缠绕在转轮上，转轮的主轴安装在浮体上，转轮通过主轴与棘轮机构轴连，棘轮机构的单向传动方向跟转轮的放绳方向一致，收绳装置是与转轮轴连的一接恒流电源的直流小电机，产生扭矩与收绳方向相同，收绳装置或者是：与主轴轴连的一小转轮上缠有绳II，绳II缠向小转轮的方向跟绳I缠向转轮的方向相反，绳II的另一端系有重物或一弹簧或一气缸的活塞，活塞的绳II一侧气压大于另一侧，对绳II形成拉力。
对于小电机收绳方式的，多个采集单元一起工作的时候，每个小电机也可以串联起来共用一个恒流电源，以降低成本。
对于气缸或弹簧收绳式的，绳II与活塞或弹簧之间加一个滑轮。
对于重物收绳式加一个重物行程用的滑筒，滑筒内表面以及重物外表面涂润滑油。
转轮的两侧有挡板。
波浪能采集部分输出的动力，可以经液压传动系统或气压传动系统传递给发电机进行发电，也可以直接接发电机发电，下面一一分别陈述：
A.气压传动
波浪能采集部分的棘轮机构输出接气泵，气泵从大气中抽气压入高压管，高压管通向气轮机或气压马达，在那里气压能转换成机械能，并带动发电机发电，气体也被排入大气。
气压传动系统提供动力给发电机，在由气压传动输入端至输出端的压力管道中途，分叉出一支路通向海底蓄能器，该蓄能器结构形式有2种，一种是一混凝土气室，下端有孔与海水相通，上端开口与气管相通；另一种是气囊结构，气囊与气管相通，气囊处于混凝土容器内，容器下端有孔与海水相通。
B.液压传动
波浪能采集部分的棘轮机构输出接液压泵，液压油被液压泵从油箱压入高压管，然后流向液压马达，在那里液压能转换为机械能，带动发电机发电，然后液压油也再经滤油器流回油箱。
波浪能采集部分通过液压传动系统提供动力给发电机，在液压高压管路的接近输入端和输出端部分都设有蓄能器，每个蓄能器内的气体都通过气管彼此相通，实现联网。
液压泵选用低转速轴向柱塞泵或径向柱塞泵。
C.直接接发电机发电
波浪能采集部分的棘轮机构接直流发电机，并在主环路上串联大电感稳流，主环路是负载所在的大电流回路。
第二种：泵自主收绳方式
目前很多泵可以当马达用，例如配流盘或配流轴式柱塞泵，所以也可以用泵自主收绳方式，具体为：其采集部分包括浮体、绳I、转轮及其主轴，系统的传动部分为液压传动系统，包括可以兼作马达的泵、准出单向阀、准入单向阀、高压蓄能器、中压蓄能器、低压油箱、液压马达、补油泵；绳I一端系在基座上，另一端缠绕在转轮上，转轮的主轴安装在浮体上，转轮通过主轴与泵轴连，泵的压力管路分叉，一路通过准出单向阀与高压蓄能器相通，一路通过准入单向阀与中压蓄能器相通，泵的吸油口经吸油管与低压油箱接通，液压马达介于高压蓄能器与低压蓄能器之间，补油泵从低压油箱抽油到中压蓄能器。
高压蓄能器储存的高压液压油经节流阀流向液压马达，液压马达将液压能转换为机械能，带动发电机旋转，进行发电。液压马达排出的液压油再进入中压蓄能器，在收绳I阶段通过泵流回低压油箱，自此完成了它的循环。
第三种：传感器控制收绳方式
很多发电机也可以当电机来用，例如直流发电机，所以也可以采用这种发电机来自主收绳，具体为：其采集部分包括浮体、绳I、转轮及其主轴、监视转轮转动方向的正反转传感器、支环路恒流电源，继电器开关，发电机为直流发电机或者用一个大功率发电机跟一个直流小电机连轴代替；绳I一端系在基座上，另一端缠绕在转轮上，转轮的主轴安装在浮体上，转轮通过主轴与发电机轴连，正反转传感器发生信号给继电器开关，用于控制直流发电机与支环路、直流发电机与主环路的接入断开，对于小功率电机与大功率发电机连轴方式，继电器开关则为控制小功率电机与支环路、大功率发电机与主环路的接入断开；继电器开关也可用干簧管或场效应管、可控硅替代，主环路为负载所在的大电流回路，支环路为支环路恒流电源所在的小电流回路，小电流在直流发电机上或直流小电机上产生扭矩与收绳方向相同。
多个波浪能采集单元一起工作时，对于直流发电机收绳方式，如多个发电机在控制它与主环路接通断开的继电器开关闭合后，多个发电机串联在一个主环路上，在多个发电机与支环路的继电器开关闭合后，串联在一个支环路上；对于大功率发电机与直流小电机连轴方式的，多个直流小电机在控制它与支环路接通断开的继电器开关闭合后，多个直流小电机串联在一个支环路上。
主环路上的负载为包括逆变器、整流滤波器、电压比较器及伺服电机组成的电路；逆变器的结构是：一信号发生器控制两个场效应管轮流开关，继而分别控制两个以相反方向缠绕在变压器输入端的线圈与主环路的接通和断开，变压器的输出端接整流滤波器，电压比较器将整流滤波器输出的电压跟基准电压进行比较，输出控制信号给伺服电机滑动变压器输出端上的电刷。
正反转传感器通过监测与主轴轴连的一个转盘来判断转轮的转动方向。每次切换要有一定的间隔时间。
收绳装置收绳方式、泵自主收绳方式以及传感器控制收绳方式，都有同样的特征要素：浮体、绳I、转轮、基座、主轴，并且转轮的主轴在浮体上。
浮体、基座、过载保护器、绳I、转轮等系统外围构件：
1.浮体
浮体为封闭壳体结构，浮体表面壳体有一个凹槽，转轮位于凹槽两壁之间，主轴的两端插入凹槽的两壁，插口处套有密封圈。
浮体里面可以充入压强比大气压大的气体。
当多个采集单元一起工作时，多个绳轮可以共用一个圆柱形浮体；或采用易弯面形式，即多个绳轮单元分散到不同浮体上，这些浮体在一个平面内间隔排列，浮体与浮体之间用抗拉弹性材料做成的面衔接，从而组成一个整体的易弯曲的面。易弯面的浮体要做圆角处理。
本系统也可以用船当浮体。
2.基座
对于该系统的基座：基座有2种形式，第一种是固定在海床上的桩基，第二种是被水面浮体用绳子悬吊在水中的基板，绳子一端系在基板上，另一端系在水面浮体上；基板的位置固定方式可以采用锚定方式，也可以采用被水下浮体拉紧的绳子限位方式，即在基板上设有孔，绳子从孔穿过，绳子一端系在时刻浮在水下的水下浮体上，另一端系在插在海床上的楔子上；基板上可安装水阻门，该水阻门，像一扇门，门只能向上开。楔子为一类似于大的螺丝钉形状，可以拧入海床上，与海床牢固结合。
3.过载保护器
绳I上串接一过载保护器，其具体结构是：一侧的绳系在端盖上，另一侧的绳系在水桶形的套筒底部，端盖直径比套筒内径大，用弹簧将端盖与套筒的底部连接起来，并且当端盖盖在套筒上时，弹簧仍处于拉紧状态，其拉力大小接近于系统工作时绳I的最高允许拉力，伸缩管一端固套在端盖上，另一端固套在套筒的底部。
4.绳I
绳I在靠近基座一直不可能缠绕在转轮上的部分可以用直杆来代替。
5.转轮
转轮的两侧有挡板。
本发明具有以下优点：
1、抗风浪能力非常强：由于绳是一种挠性构件，随便海浪上下左右怎么摇摆，都不影响工作。转轮可以将绳放的很长，这等于大大延长了波浪冲击的缓冲距离，不跟波浪硬碰硬，减小了瞬时冲击力，其抗风浪能力由此得以增强。
2、易于维护：系统的核心部分在浮在海面上的浮体内，维护的时候只需要打开浮体的盖即可，非常方便，这是跟将转轮及其他部分放在水下基座的方式相比所具有的最大优点。
3、耐腐蚀、防渗漏：该系统只有浮体、绳、大转轮、主轴的一部分、箱体表面浸在海水里，而这些作了防锈处理，其它的都在箱体内，减少了与海水接触的部件。另外，箱体内充入比所处水深的压强大的气体，可以防止海水进入箱体内。
4、适应波形能力强、有效工作时间长，波浪能吸收转换能力高：因为任何波形的海浪都是以上下起伏表现的，所以浮体不管在那种波形下，都会上下起伏而工作。易弯面或柱形浮体可以减少波浪能的绕流引起的能量损失。另外由于适应各种波浪，其有效作业时间也增长，从而整体效率也高。
5、成本低廉：该系统结构简单，系统的机壳就是浮体，没有造价高昂的大型水泥混凝土设施，不需耗费大量的钢材，如果用船来当浮体，则进一步降低了成本。
6、基板悬于水中，这样就摆脱了对陆地的依赖，可以到深海作业，吸收更大的波浪能。
附图说明
图1：小电机收绳式+发电机结构图
图2：重物收绳式+液压泵结构图
图3：重物收绳式+液压泵核心图
图4：弹簧收绳式+发电机结构图
图5：气缸收绳式+气泵结构图
图6：气缸收绳式+气泵波浪能采集单元外观图
图7：浮体绳轮+海底蓄能器+气压传动图
图8：两种海底蓄能器结构图
图9：泵自主收绳式液压系统图
图10：液压传动系统的输入端、执行端蓄能器联网
图11：传感器控制发电机自主收绳机电图
图12：传感器控制直流小电机收绳(发电机与小电机连轴式)机电图
图13：多直流发电机串联工作电路图
图14：多直流发电机串联工作电路功能框图
图15：多绳轮单元共用圆柱型浮体工作示意图
图16：多浮体绳轮单元组成易弯面整体图
图17：水上浮体+水下浮体+楔子+垂吊基板详细结构图
图18：水上浮体+水下浮体+楔子+垂吊基板侧视图
图19：过载保护器结构图
1-浮体            32-孔
2-转轮            33-海底蓄能器
3-绳I             34-混凝土气室
4-基板            35-弹簧
5-棘轮机构        36-发电机
6-主轴            37-直流发电机兼电动机
7-绳II            38-正反转传感器
8-密封圈          39-继电器开关
9-滑筒            40-楔子
10-液压泵         41-水阻门
11-重物           42-水面浮体
12-小转轮         43-海面
13-活塞           44-海底
14-液压压力管     45-抗拉弹性衔接面
15-液压回油管     46-伸缩管
16-单向阀         47-套筒
17-蓄能器         48-端盖
18-液压马达       49-绳子
19-滤油器         50-直流小电机
20-油箱           51-水下浮体
21-气管           52-混凝土容器
22-气囊
23-泵兼马达
24-高压蓄能器
25-中压蓄能器
26-补油泵
27-气缸
28-滑轮
29-锚
30-气泵
31-气轮机
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
发明内容
本发明的目的是提供一种浮体基绳轮海浪发电系统，它能够自动适应大部分波形的波浪，且抗风浪能力强、造价低廉、易维护。
本发明的技术方案：
本系统包括波浪能采集部分，传动部分、发电机、基座等，波浪能采集部分负责将无规律的波浪能转换成有规律的可利用的机械能，传动部分负责将可利用机械能进行传递，发电机将输入的机械能转换成电能。波浪能采集部分也可以不经传动部分直接带动发电机发电。
本系统的波浪能采集部分，其总思路就是让波浪推动浮体拉紧绳，进而带动浮体上的转轮转动做功，输出机械能，实现波浪能的采集；波浪下落阶段，用很小的力让转轮倒转，收回绳，如此一拉一收，不断循环。
具体实现有以下几种形式，分别为收绳装置收绳方式、泵自主收绳方式、传感器控制发电机收绳方式。
第一种：收绳装置收绳方式(图1～图6)
这是有棘轮机构的形式，具体为：其采集部分包括浮体(1)、绳I(3)、转轮(2)及其主轴(6)、棘轮机构(5)、收绳装置；绳I(3)一端系在基座上，另一端缠绕在转轮(2)上，转轮(2)的主轴(6)安装在浮体(1)上，转轮(2)通过主轴(6)与棘轮机构(5)轴连，棘轮机构(5)的单向传动方向跟转轮(2)的放绳方向一致，收绳装置是与转轮(2)轴连的一接恒流电源的直流小电机(50)，产生扭矩与收绳方向相同，收绳装置或者是：与主轴(6)轴连的一小转轮(12)上缠有绳II(7)，绳II(7)缠向小转轮(12)的方向跟绳I(3)缠向转轮(2)的方向相反，绳II(7)的另一端系有重物(11)或一弹簧(35)或一气缸(27)的活塞(13)，活塞(13)的绳II(7)一侧气压大于另一侧，对绳II(7)形成拉力。
当波浪推动浮体(1)时，浮体(1)远离上基座，绳I(3)被拉紧，因为波浪推力很大，绳I(3)产生的扭矩远远大于收绳装置产生的以及摩擦扭矩，扭矩不平衡让转轮(2)开始旋转，转轮通过与其轴连的棘轮机构(5)输出动力。
1)在此过程转轮(2)的旋转也对收绳装置做功，带动小电机(50)旋转；
2)如果是小转轮(12)+绳II(7)+重物(11)形式，就拉动重物(11)上升；
3)如果是小转轮(12)+绳II(7)+弹簧(35)，就拉紧弹簧(35)；
4)如果是小转轮(12)+绳II(7)+气缸(27)的活塞(13)，就拉动活塞(13)。
当波浪下落浮体(1)靠近基座时，绳I(3)变松，此时波浪推力产生的扭矩降低接近0，收绳装置产生的扭矩大于摩擦扭矩，扭矩又不平衡了，于是转轮(2)在收绳装置的作用下开始转动收绳I(3)。
1)收绳装置如果是接恒流源的小电机(50)，则转轮(2)会在小电机(50)的扭矩下反转收绳；
2)如果是小转轮(12)+绳II(7)+重物(11)式的，重物(11)在重力的作用下，拉动绳II(7)使小转轮(12)反转，进而带动转轮(2)反转，将绳I(3)收回；
3)如果是小转轮(12)+绳II(7)+弹簧(35)式，弹簧(35)的拉力拉动绳II(7)使小转轮(12)反转，进而带动转轮(2)反转收回绳I(3)；
4)如果是小转轮(12)+绳II(7)+气缸(27)，压差在活塞(13)上的产生的拉力拉动绳II(7)，拉动小转轮(12)、转轮(2)反转，将绳I(3)收回。
在此收绳I(3)过程中，因为棘轮机构(5)的单向传动性，不输出动力，棘轮机构(5)的止回棘爪可以防止已输出给负载的动力又传回给转轮(2)。
值得说明的是，小电机(50)之所以接恒流电源是因为，在小电机(50)有时可能停转甚至倒转，如果接普通电源，小电机(50)内的电流会非常大，甚至烧坏小电机，所以一定要选用恒流电源或能限制住最大电流的电源。多个浮体绳轮单元一起工作的时候，每个小电机(50)也可以串联起来共用一个恒流电源，以降低成本。
考虑到浮体(1)的内部空间可能受限制，以及为了规整绳II(7)的拉力方向，可以在绳II(7)与活塞(13)、绳II(7)与弹簧(35)之间加一个滑轮(28)，对于重物(11)式，因为浮体(1)上下颠簸，重物(11)如果不加限制会左右摇晃，无法工作，所以要加一个滑筒(9)，供重物(11)行程限制需要，滑筒(9)内表面以及重物(11)外表面涂润滑油，减小摩擦。
让转轮(2)倒转收绳I(3)用多大的力好，要根据摩擦扭矩以及转动惯量而定，一般4N·m的扭矩就足够了，作用在绳I(3)上的力即为50N左右。如果是小电机(50)，120W的就能够满足要求，如果是重物(11)、弹簧(35)或气缸(27)，还要设定小转轮(12)的直径，其直径越小，重物(11)、弹簧(35)或气缸(27)所需要的行程也越小，行程是根据最大波高来设计的。行程过短，则重物(11)、弹簧(35)、气缸(27)超出使用范围，容易被损坏。一般设行程为2m，小转轮(12)跟转轮(2)的直径比为1∶6，这样即使12m的巨浪冲过来，也可以应付。如果小转轮直径25mm，绳II(7)上的拉力就得为320N，如果是重物收绳，重物(11)就得32kg，对于弹簧(35)，因为其拉力大小是线性变化，所以取其平均值。对于气缸(27)，就要考虑活塞(13)的面积和压差的大小，浮体(1)壳体内的压强可以作为活塞(13)有绳II一侧的供压，设计为比大气压高0.3M帕，则活塞(13)直径就得设为37mm。
棘轮机构(5)选用齿型的。
波浪能采集部分输出的动力，可以经液压传动系统或气压传动系统传递给发电机进行发电，也可以直接接发电机发电，下面一一分别陈述：
A.气压传动(图7)
波浪能采集部分的棘轮机构(5)输出接气泵(30)，气泵(30)从大气中抽气压入高压管，高压管通向气轮机(31)或气压马达，在那里气压能转换成机械能，并带动发电机(36)发电，气体也被排入大气。
气压传动系统提供动力给发电机，在由气压传动输入端至输出端的压力管道中途，分叉出一支路通向海底蓄能器(33)，该蓄能器结构形式有2种，一种是一混凝土气室(34)，下端有孔(32)与海水相通，上端开口与气管(21)相通；另一种是气囊(22)结构，气囊(22)与气管(21)相通，气囊(22)处于混凝土容器(52)内，容器下端有孔(32)与海水相通。(见图8)
波浪做功的周期性脉冲很大，类似一个正弦半波，气压传动的输入端——气泵(30)压气流量忽大忽小，另外，气压传动的输出端气轮机(31)或气马达也可能由于某些原因，突然停车或突然失速，对系统形成很大危害。将气压管路与海底蓄能器相通后，气压管路的压强就等于海底蓄能器(33)的气压，而海底蓄能器(33)的气压跟所处海底水深的压强是一样的，不受气压的脉冲影响，所以海底蓄能器(33)可以起到稳压、消除脉冲的作用，还可以在大浪天气，储存超出系统装机发电能力的那部分能量，在小浪天气里，再释放能量供气轮机(31)或气马达发电用。
海底蓄能器(33)的设计水深，根据实际情况而定，如果是100m的水深，则海底蓄能器(33)就能得到1Mpa的压强，而这正是一般的活塞式压缩机的排气压力上限，海底蓄能器(33)的高度不宜太高，因为要考虑到浮力的影响，可设为2m，这样100平米面积的海底蓄能器可储存的能量就是100m2×2m×1Mpa＝2×108J，可供10Kw的发电机连续运行5.56小时。
B.液压传动(图10)
波浪能采集部分的棘轮机构(5)输出接液压泵(10)，液压油被液压泵(10)从油箱(20)压入高压管，然后流向液压马达(18)，在那里液压能转换为机械能，带动发电机(36)发电，然后液压油也再经滤油器(19)流回油箱(20)。
在液压高压管路的接近输入端和输出端部分都设有蓄能器(17)，每个蓄能器(17)的气体都通过气管(21)彼此相通，实现联网。
由于波浪的无规律性，不同地点的浮体(1)的节奏是不一样的，可能有的浮体(1)在上升，有的在下落，上升的浮体绳轮单元的液压泵(10)的排油流量就大，而下落过程中的排油流量为0，蓄能器(17)的气体相通联网，可以起到提高蓄能器(17)利用率的作用，而且液压高压管路的接近输入端与输出端的蓄能器联网，在出现液压脉冲的时候，由于气压的传动速度比液压快好多倍，可以快速的将液压脉冲能量释放到输出端，减少了液压能在输入端的积聚，降低了液压高压管路压强的脉动，保护了系统，。
液压泵(10)最好选用柱塞泵，例如轴向柱塞泵，其所需扭矩受转速影响小、效率高。
一个靠近输入端的蓄能器(17)可以供临近的4个波浪能采集单元的液压泵(10)使用，而因为系统的液压传动系统的输出端一般只有一个，所以靠近输出端的蓄能器，要设计的容积比较大。
C.直接接发电机发电(图1、图4)
波浪能采集部分的棘轮机构(5)接直流发电机(36)，并在主环路上串联大电感稳流，主环路就是负载所在的大电流回路。
因为发电机(37)输出的是直流，加上主环路上的电感进行稳流，主环路上的电流就比较恒定，发电机(37)在发电时所需要的扭矩就比较恒定，绳I(3)的拉力也就比较恒定，这有利于根据一个额定绳拉力设计相应的浮体(1)、绳I(3)、基座。并且因为有了电感的储能作用，在发电机(37)离开主环路的半个周期里，主环路依然维持着一定的电流，当发电机(37)再次接入的时候，流经发电机(37)的电流立即从原来支环路的小电流较快的跃升到主环路的大电流，从而可以较快的进入工作状态。
直流发电机的选定额定功率可根据绳轮单元采集的最大功率而定，这还要考虑当地的海浪情况，如果最高为10m、周期8s的海浪，绳I(3)的设计拉力为5000N，则最高采集功率大约为19.6KW，此时的一个波浪周期平均采集功率为6.25KW，则直流发电机的额定功率为19.6KW。平时工作时，发电机的电流一直保持在额定电流的0.9倍左右，例如如果该发电机的额定电压为220V，则额定电流为89A，实际工作时，主环路的电流一直保持在80A左右。
第二种：泵自主收绳方式(图9)
目前很多泵可以当马达用，例如带配流盘或配流轴的轴向柱塞泵、径向柱塞泵，所以也可以用泵自主收绳，具体为：其采集部分包括浮体(1)、绳I(3)、转轮(2)及其主轴(6)，系统的传动部分为液压传动系统，包括可以兼作马达的泵(23)、准出单向阀、准入单向阀、高压蓄能器(24)、中压蓄能器(25)、低压油箱(20)、液压马达(18)、补油泵(26)；绳I(3)一端系在基座上，另一端缠绕在转轮(2)上，转轮(2)的主轴(6)安装在浮体(1)上，转轮(2)通过主轴(6)与泵(10)轴连，泵的压力管路分叉，一路通过准出单向阀与高压蓄能器(24)相通，一路通过准入单向阀与中压蓄能器(25)相通，泵(10)的吸油口经吸油管与低压油箱(20)接通，液压马达(18)介于高压蓄能器(24)与低压蓄能器(25)之间，补油泵(26)从低压油箱(20)抽油到中压蓄能器(25)。
当波浪推动浮体时，浮体(1)远离基座，绳I(3)被拉紧，于是带动转轮(2)旋转，转轮(2)带动与其轴连的泵(23)旋转，泵(23)从低压油箱(20)抽油，经准出单向阀，压入高压蓄能器(24)中，实现将机械能转换成液压能；由于准入单向阀只准液压油进入泵(23)，所以此过程液压油不能进入中压蓄能器(25)；
高压蓄能器(24)储存的高压液压油经节流阀流向液压马达(18)，液压马达(18)将液压能转换为机械能，带动发电机(36)旋转，进行发电。液压马达(18)排出的液压油再进入中压蓄能器(25)。
当波浪下落时，浮体(1)靠近基座，绳I(3)变松，此时泵(23)的出油口压强降低，由于准出单向阀只准液压油出不准进，所以高压蓄能器(24)中的油不能倒流，由于低压油箱(20)压强小于中压蓄能器(25)的压强，液压油在压差的作用下，顶开准入单向阀，向泵(23)注入油，此时泵(23)变成了马达，泵(23)在中压蓄能器(25)与低压油箱(20)的压差作用下，带动转轮(2)反向旋转，将绳I(3)收回。此时液压油经滤油器(19)流回低压油箱(20)，自此完成了它的循环。
需要补充的是，用于让泵(23)倒转的中压蓄能器(25)的液压油来自于泵(23)自己压入高压蓄能器(24)的，由于泵(23)存在泄漏，容积效率不可能为100％，长期下来，液压油不能满足泵(23)倒转所需的量，所以要加一个补油泵(26)，补油泵从低压油箱(20)中抽取液压油到中压蓄能器(25)，以补充足够的中压蓄能器(25)的油量。
具体实施过程中，高压蓄能器(24)的压强设计为30Mpa，中压蓄能器(25)的压强设为0.5Mpa即可。另外为了安全考虑，在液压马达的两端还应该加溢流阀，在高压管路上还应该加节流阀。
第三种：传感器控制发电机收绳方式(图11～图12)
很多发电机也可以当电机来用，例如直流发电机，所以也可以采用这种发电机来自主收绳，具体为：其采集部分包括浮体(1)、绳I(3)、转轮(2)及其主轴(6)、监视转轮转动方向的正反转传感器(38)、支环路恒流电源，继电器开关(39)，发电机为直流发电机(37)或者用一个大功率发电机跟一个直流小电机(50)连轴代替；绳I(3)一端系在基座上，另一端缠绕在转轮(2)上，转轮(2)的主轴(6)安装在浮体(1)上，转轮(2)通过主轴(6)与发电机轴连，正反转传感器(38)发生信号给继电器开关(39)，用于控制直流发电机(37)与支环路、直流发电机(37)与主环路的接入断开，对于小功率电机(50)与大功率发电机连轴方式，继电器开关(39)则为控制小功率电机(50)与支环路、大功率发电机(36)与主环路的接入断开；继电器开关(39)也可用干簧管或场效应管、可控硅替代，主环路为负载所在的大电流回路，支环路为支环路恒流电源所在的小电流回路，小电流在直流发电机(37)上或直流小电机(50)上产生扭矩与收绳方向相同。
当波浪推动浮体(1)时，浮体(1)远离基座时，绳I(3)被拉紧带动转轮(2)正转，正反转传感器(38)侦测到转轮(2)正转，发送信号给继电器控制开关(39)，将发电机(37)切换到主环路，为主环路供电。对于大功率发电机(36)与直流小电机(50)连轴形式，则为发送信号给继电器开关(39)将大功率发电机(36)接入到主环路发电，并将直流小电机(50)从支环路中断开。
图11为直流发电机-电机来回切换的机电图，此时为db、ec接通，发电机切换进主环路。
图12为大功率发电机与小直流电机连轴机电图，此时为be接通、fd接通，大功率发电机(36)切换到主环路中，而小直流电机(50)则被断开。
以上两种方式，都用了一刀双掷的开关方式，这种方式在切换过程中，环路中会出现一个断路瞬间，易产生高压，对继电器开关寿命也有影响，所以在继电器开关容易产生高压的两端都并联了压敏电阻。
图13的切换方式，就避免了这种情况的发生，此时是b1c1、c2d1先接通，发电机两端接入主环路，与一根导线形成并联支路，然后那根导线中间的开关(a1)也在继电器(39)的控制下断开，这样旋转的发电机(37)就切换到了主环路。这种情况下，因为有并联支路的存在，环路没有断路瞬间，继电器开关两端的电压不会过高。
当浮体(1)到达最远点开始靠近基座时，绳I(3)变松，转轮(2)停转甚至在电流产生的力矩作用下反转，正反转传感器(38)侦测到并发信号给继电器控制开关(39)，发信号让直流发电机-电机(37)切换进支环路，在支环路电源提供的小电流作用下，带动转轮(2)倒转，将绳I(3)收回；对于大功率发电机与直流小电机连轴方式，是发信号给继电器开关(39)让大功率发电机(36)从主环路断开，将直流小电机(50)接入到支环路中去，在支环路电源提供的小电流作用下，直流小电机(50)带动转轮(2)倒转，将绳I(3)收回。
对于图11，则为ad、be接通，发电机切换进支环路。
对于图12，则为ae接通、fc接通，大功率发电机(36)与主环路断开，而小直流电机切换进支环路(50)。
对于图13，此时是b2c1、c2d2先接通，发电机两端接入主环路，与一根导线形成并联支路，然后那根导线中间的开关(a2)也在继电器(39)的控制下断开。将发电机(37)两端的开关分别接入支环路的一段导线的两端，随后这跟导线中间的开关也在继电器(39)的控制下断开，此时支环路中的电源提供的小电流，就不走那根导线，而改走发电机(37))，让此时充当电机的发电机(37)带动转轮(2)反转，将绳I(3)收回。
多个波浪能采集单元一起工作时，对于直流发电机(37)收绳方式，如多个发电机在控制它与主环路接通断开的继电器开关(39)闭合后，多个发电机串联在一个主环路上，在多个发电机与支环路的继电器开关(39)闭合后，串联在一个支环路上；对于大功率发电机与直流小电机(50)连轴方式的，多个直流小电机(50)在控制它与支环路接通断开的继电器开关(39)闭合后，多个直流小电机串联在一个支环路上。(见图13)
多个绳轮单元一起工作，为了降低成本，直流发电机(36)串联共用一个主环路，环路电压为所有发电机(36)电压之和，浮体绳轮单元最好沿波浪方向间隔一定距离排列，但不在一条纵队线上，让有的在波峰，有的在波谷，这样部分发电机(36)，部分则不工作，总体上电压能比较恒定，减少电压、电流波动，也可以节省电感的使用量。
主环路上的负载为包括逆变器、整流滤波器、电压比较器及伺服电机组成的电路；逆变器的结构是：一信号发生器控制两个场效应管轮流开关，继而分别控制两个以相反方向缠绕在变压器输入端的线圈与主环路的接通和断开，变压器的输出端接整流滤波器，电压比较器将整流滤波器输出的电压跟基准电压进行比较，输出控制信号给伺服电机滑动变压器输出端上的电刷。(见图14)
因为浮体(1)壳体外海水涌动，且腐蚀性强，正反转传感器(38)难以工作，所以一般通过监测与主轴(6)轴连的一个转盘来判断转轮(2)的转动方向。
需要注意的是，为了防止在发电机(37)切换的时候，出现“摇摆”现象，所谓“摇摆”现象，就是波浪对浮体(1)的作用力对发电机(37)产生的扭矩介于支环路的电流对发电机(37)产生的扭矩与主环路的电流对发电机(37)的扭矩之间时，当切换到主环路时，主环路电流产生扭矩大于波浪产生扭矩，转轮(2)处于收绳I(3)状态，当再切换到支环路时，支环路电流产生扭矩又小于波浪产生扭矩，转轮(2)又处于放绳I(3)状态，如此又切换到主环路，如此快速频繁切换，这就是摇摆现象，所以要给每次切换一定的间隔时间，大约0.3秒。
收绳装置收绳方式、泵自主收绳方式以及传感器控制收绳方式，都有同样的特征要素：浮体、绳I、转轮、基座、主轴，并且转轮的主轴在浮体上。
浮体、基座、过载保护器、绳I、转轮等系统外围构件：
1.浮体
为了达到好的防腐性能，浮体(1)为封闭壳体结构，绳I(3)、转轮(2)、主轴(6)在壳外，浮体(1)表面壳体有一个凹槽，转轮(2)位于凹槽两壁之间，主轴(6)的两端插入凹槽的两壁，插口处套有密封圈(8)。
浮体(1)里面可以充入压强比大气压大的气体，这样海水就不可能进入浮体(1)内对系统进行腐蚀了，并且对于上述的气缸式收绳装置，浮体(1)内腔的气压就可以充当气缸(27)活塞(13)的有绳一侧的供压任务，这样一方面可以简化气缸(27)降低成本，另一方面，浮体(1)内腔的容积很大，在活塞(13)来回滑动时，不会引起气压的太大波动，有利于收绳I(3)力的恒定。这个前面已提到。
当多个采集单元一起工作时，多个绳轮可以共用一个圆柱形浮体(图15，1)；或采用易弯面(图16)形式，即多个绳轮单元分散到不同浮体(1)上，这些浮体(1)在一个平面内间隔排列，浮体(1)与浮体(1)之间用抗拉的弹性材料做成的面(45)衔接，从而组成一个整体的易弯曲的面(图16)，浮体(2)要做圆角处理。(见图15～16)
圆柱形浮体(图15，1)抵御风暴能力强，在海浪将浮体翻了个的情况下，浮体依然可以在绳I(3)的拉力下，产生转动扭矩，恢复到正常工作状态，而易弯面(图16)形式，则可以避免波浪能的绕流，提高波浪冲击力的吸收效率，而且可以用较小的浮体获得较大的波浪冲击力。
其实本系统也可以用船当浮体，这样还减少了一部分成本，对于船本身来说，它可以不用柴油机，而用海浪来发电。
浮体(1)壳体可用玻璃钢来做，或者是钢板，外面浸塑或糊玻璃钢，浮体(1)的下面因为要承受冲击力以及主轴的向下压力，所以铺设两条角钢或工型梁，贯穿浮体，转轮(2)的主轴(6)支架就做在这梁上。
浮体(1)的大小根据设计功率而定，它决定了采集功率的大小。对于圆柱形浮体(图15，1)，其可设计为：直径1.5m，每2m宽度布设一个绳轮单元，绳I的额定工作拉力为104N，对于易弯面(图16)形式，浮体(1)的体积可以比额定绳I拉力所需要的小，但抗拉弹性材料衔接面(45)厚度一定要满足要求，一般可用橡胶来制作，为了防止阳光照射导致老化以及与浮体(1)之间摩擦导致磨损，可在上面敷一层遮光抗磨材料。浮体(1)的四角也要做圆角处理，避免应力集中，撕裂胶皮。
2.基座
对于该系统的基座：基座有2种形式，第一种是固定在海床上的桩基，第二种是被水面浮体(42)用绳子(49)悬吊在水中的基板(4)，绳子(49)一端系在基板上(4)，另一端系在水面浮体(42)上；基板(4)的固定方式可以采用锚定方式，也可以采用被水下浮体(51)拉紧的绳子(49)限位方式，即在基板(4)上设有孔(32)，绳子(49)从孔(32)穿过，绳子(49)一端系在时刻浮在海面(43)下的水下浮体(51)上，另一端系在插在海床(44)上的楔子(40)上；(图17～18)
楔子(40)为一类似于大的螺丝钉形状，可以拧入海床(44)上，与海床(44)牢固结合。
由于有潮汐落差的影响，第一种基座形式只适合于没有收绳行程限制的形式，例如上面的小电机(50)收绳方式、种泵(23)自主收绳方式和传感器控制发电机(37)收绳I方式，对于重物(11)式、弹簧(35)式及气缸(27)式都不适合。对它们可采用第二种——悬吊基板形式，基板(4)由被水面上的水面浮体(42)悬吊的，所以垂直位置跟随水面浮体(42)而动，涨潮时，水面浮体(42)上升，基板也上升，退潮时，水面浮体(42)下落，基板(4)也下落，基板(4)离海面(43)的距离保持一定。
基板(4)的水平位置由穿孔(32)的绳子(49)来限制，由于这根绳子(49)上面系的水下浮体(51)一直处于水面(43)下，绳子(49)一直处于拉紧状态，所以，基板(4)如果水平移动必然遇到该绳子(49)的阻碍，而基板(4)上下移动绳子(49)不限制。因为绳子是挠性构件，自由度高，这种悬吊基板结构可以应付灾害性的风暴，因为基板是可以活动的，所以可以延长作用力的作用时间，从而减小了海浪对它的作用力。
基板(4)上可安装水阻门(41)，该水阻门(41)，像一扇门，门只能向上开。这样在多根绳I(3)拉动基板(4)的时候，水的阻力会很大，阻碍基板(4)上升，但毕竟会上升一段距离，当绳I(3)的拉力变小的时候，基板(4)应该回位，否则基板(4)会被不断的往上走，当然也可以加大基板(4)的重力，但为了节省材料，设置了水阻门(41)，它可以降低基板(4)的下沉阻力，相当于加大了基板(4)的重量。基板(4)垂直方向的位置更多是由悬吊其的水面浮体(1)来决定，其他的都是对它的扰动。为避免波浪对悬吊基板(4)用的水面浮体(1)产生巨大冲击力以及波浪上下起伏引起的浮力陡然变化，进而影响到基板稳定，悬吊用的水面浮体(1)做成细圆柱形。
基板(4)可用海水水泥混凝土来做，厚度50mm，但还应该加肋以增强刚度，面积则随海面上的浮体(1)铺设面积而定，如果浮体(1)铺设的面积为1000m×5m，则基板(4)也铺设为1000m×5m，为了保证基板(4)的稳定性基板(4)的四个角都要系上水面浮体(42)的绳子。水面浮体(42)可以做成直径500mm，高3m的圆柱体。水下浮体(51)可以用硬挤塑泡沫球来做。一般基板(4)的水平位置用两根系有水下浮体(51)的绳子(49)就可以把它固定住，既能防止漂移又能防止旋转。绳子(49)就选用尼龙绳，抗腐蚀。楔子(40)可用碳钢外敷陶瓷来做。水阻门(41)也用海水水泥混凝土来做。
3.过载保护器
由于海浪变幻莫测，有时威力无比，所以为以防万一，绳I(3)上串接一过载保护器，其具体结构是：一侧的绳I系在端盖(48)上，另一侧的绳I(3)系在水桶形的套筒(47)底部，端盖(48)直径比套筒(47)内径大，用弹簧(35)将端盖(48)与套筒(47)的底部连接起来，并且当端盖(48)盖在套筒(47)上时，弹簧(35)仍处于拉紧状态，拉力大小接近于系统工作时的绳I(3)的最高允许拉力，伸缩管(46)一端固套在端盖(48)上，另一端固套在套筒(47)的底部。(见图19)
平时，绳I(3)的拉力小于允许值，即小于预紧弹簧(35)的拉力，弹簧(35)不会被再度拉长，但当绳I(3)的拉力突然由于某种原因超过允许值的时候，超过了弹簧(35)拉力，弹簧(35)便伸长缓冲，从而保护了系统，当绳I(3)的拉力又回到允许值以下时，弹簧(35)则复位，端盖(48)则重新盖到套筒(47)上。伸缩管(46)的作用是保护内部的端盖(48)、套筒(47)、弹簧(35)不被腐蚀。
如绳I(3)的允许拉力极限为104N，则弹簧(35)的预紧拉力接近104N。伸缩管(46)用橡胶材料制作，必要的时候内缠钢丝。
4.绳I(3)
绳I(3)的直径由设计拉力以及材料而定，如果是5000N、尼龙绳66，就得12mm，如果用包塑钢丝绳，可以细些。尼龙绳的刚性不如钢丝绳，寿命也不行。因为绳I(3)在靠近基座的部分一直不可能缠绕在转轮(2)上，所以可以用直杆来代替，杆的刚性好，可用碳钢外敷玻璃钢来做。
5.转轮(2)
转轮(2)的中间部分应该凹陷成槽状，侧面有挡板，这样绳I(3)就不易缠到外面去。转轮(2)的直径可设计为150mm，槽宽为100mm，也要用抗腐蚀材料来制作，可以选用碳钢外涂尼龙或四氟乙烯。

Claims (10)

1.一种海浪发电系统，包括波浪能采集部分、发电机、基座，其特征在于：其采集部分包括浮体、绳I、转轮及其主轴、棘轮机构、收绳装置；绳I一端系在基座上，另一端缠绕在转轮上，转轮的主轴安装在浮体上，转轮通过主轴与棘轮机构轴连，棘轮机构的单向传动方向跟转轮的放绳方向一致，收绳装置是与转轮轴连的一接恒流电源的直流小电机，产生扭矩与收绳方向相同，收绳装置或者是：与主轴轴连的一小转轮上缠有绳II，绳II缠向小转轮的方向跟绳I缠向转轮的方向相反，绳II的另一端系有重物或一弹簧或一气缸的活塞，活塞的绳II一侧气压大于另一侧，对绳II形成拉力。
2.根据权利要求1所述的一种海浪发电系统，其特征在于：波浪能采集部分通过气压传动系统提供动力给发电机，在由气压传动输入端至输出端的压力管道中途，分叉出一支路通向海底蓄能器，该蓄能器结构形式有2种，一种是一混凝土气室，下端有孔与海水相通，上端开口与气管相通；另一种是气囊结构，气囊与气管相通，气囊处于混凝土容器内，容器下端有孔与海水相通。
3.一种海浪发电系统，包括波浪能采集部分、传动部分、发电机、基座，其特征在于：其采集部分包括浮体、绳I、转轮及其主轴，系统的传动部分为液压传动系统，包括可以兼作马达的泵、准出单向阀、准入单向阀、高压蓄能器、中压蓄能器、低压油箱、液压马达、补油泵；绳1一端系在基座上，另一端缠绕在转轮上，转轮的主轴安装在浮体上，转轮通过主轴与泵轴连，泵的压力管路分叉，一路通过准出单向阀与高压蓄能器相通，一路通过准入单向阀与中压蓄能器相通，泵的吸油口经吸油管与低压油箱接通，液压马达介于高压蓄能器与低压蓄能器之间，补油泵从低压油箱抽油到中压蓄能器。
4.根据权利要求1或3所述的一种海浪发电系统，其特征在于：波浪能采集部分通过液压传动系统提供动力给发电机，在液压高压管路的接近输入端和输出端部分都设有蓄能器，每个蓄能器内的气体都通过气管彼此相通，实现联网。
5.一种海浪发电系统，包括波浪能采集部分、发电机、基座，其特征在于：其采集部分包括浮体、绳I、转轮及其主轴、监视转轮转动方向的正反转传感器、支环路恒流电源，继电器开关，发电机为直流发电机或者用一个大功率发电机跟一个直流小电机连轴代替；绳I一端系在基座上，另一端缠绕在转轮上，转轮的主轴安装在浮体上，转轮通过主轴与发电机轴连，正反转传感器发生信号给继电器开关，用于控制直流发电机与支环路、直流发电机与主环路的接入断开，对于小功率电机与大功率发电机连轴方式，继电器开关则为控制小功率电机与支环路、大功率发电机与主环路的接入断开；继电器开关也可用干簧管或场效应管、可控硅替代，主环路为负载所在的大电流回路，支环路为支环路恒流电源所在的小电流回路，小电流在直流发电机上或直流小电机上产生扭矩与收绳方向相同。
6.根据权利要求5所述的一种海浪发电系统，其特征在于：多个波浪能采集单元一起工作时，对于直流发电机收绳方式，如多个发电机在控制它与主环路接通断开的继电器开关闭合后，多个发电机串联在一个主环路上，在多个发电机与支环路的继电器开关闭合后，串联在一个支环路上；对于大功率发电机与直流小电机连轴方式的，多个直流小电机在控制它与支环路接通断开的继电器开关闭合后，多个直流小电机串联在一个支环路上。
7.根据权利要求1、3或5所述的一种海浪发电系统，其特征在于：浮体为封闭壳体结构，浮体表面壳体有一个凹槽，转轮位于凹槽两壁之间，主轴的两端插入凹槽的两壁，插口处套有密封圈。
8.根据权利要求7所述的一种海浪发电系统，其特征在于：当多个采集单元一起工作时，多个绳轮可以共用一个圆柱形浮体；或采用易弯面形式，即多个绳轮单元分散到不同浮体上，这些浮体在一个平面内间隔排列，浮体与浮体之间用抗拉弹性材料做成的面衔接，从而组成一个整体的易弯曲的面。
9.根据权利要求1、3或5所述的一种海浪发电系统，其特征在于：基座有2种形式，第一种是固定在海床上的桩基，第二种是被水面浮体用绳子悬吊在水中的基板，绳子一端系在基板上，另一端系在水面浮体上；基板的位置固定方式可以采用锚定方式，也可以采用被水下浮体拉紧的绳子限位方式，即在基板上设有孔，绳子从孔穿过，绳子一端系在时刻浮在水下的水下浮体上，另一端系在插在海床上的楔子上；基板上可安装水阻门，该水阻门，像一扇门，门只能向上开。
10.根据权利要求1、3或5所述的一种海浪发电系统，其特征在于：绳I上串接一过载保护器，其具体结构是：一侧的绳系在端盖上，另一侧的绳系在水桶形的套筒底部，端盖直径比套筒内径大，用弹簧将端盖与套筒的底部连接起来，并且当端盖盖在套筒上时，弹簧仍处于拉紧状态，其拉力大小接近于系统工作时绳I的最高允许拉力，伸缩管一端固套在端盖上，另一端固套在套筒的底部。
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