CN102767466B - 潮流能和波浪能综合性能测试装置 - Google Patents

Abstract

一种潮流能和波浪能综合性能测试装置，它包括水槽、造流机构、造波机构、潮流能捕获装置、波浪能捕获装置、液压系统、发电装置、制淡装置、测试单元，所述造流机构和造波机构设在水槽一端，所述潮流能捕获装置和波浪能捕获装置设在水槽中部，所述潮流能捕获装置和波浪能捕获装置均与液压系统连接，所述液压系统一路与发电装置连接，所述液压系统另一路与制淡装置连接，所述测试单元分别与发电装置和制淡装置连接。该测试装置能人工调整工况对潮流能捕获装置和波浪能捕获装置的综合性能进行测试。

Description

潮流能和波浪能综合性能测试装置

技术领域

本发明属于潮流能和波浪能综合利用技术领域，具体来讲涉及一种试验用的潮流能和波浪能综合性能测试装置。

背景技术

在海岛上，潮流能捕获装置和波浪能捕获装置将海洋能一次捕获后，转换为液压能，所述液压能一方面可以驱动液压马达带动发电机发电，通过整流、稳压、逆变后为岛上用户提供用电；另一方面通过液压马达带动高压泵工作为制淡系统提供能量，为岛上用户供应淡水。为了使潮流能捕获装置和波浪能捕获装置能更高效地捕获能量，在正式投入使用前，需要对潮流能捕获装置和波浪能捕获装置的综合性能进行测试，通过测试来调整潮流能捕获装置和波浪能捕获装置的相关参数，使得潮流能捕获装置和波浪能捕获装置的能量捕获效率和可靠性更高。但将潮流能捕获装置和波浪能捕获装置直接放入海中测试，由于风浪等原因造成设备安全性和测试人员的人身安全性均较差，测试工况不易控制、耗时长，造成海中测试人力和物力投入大、费用高。故需要一种能人工调整工况对潮流能捕获装置和波浪能捕获装置的综合性能进行测试的装置，现有技术不能提供这样的测试装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能人工调整工况对潮流能捕获装置和波浪能捕获装置的综合性能进行测试的潮流能和波浪能综合性能测试装置。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的潮流能和波浪能综合性能测试装置，它包括水槽、造流机构、造波机构、潮流能捕获装置、波浪能捕获装置、液压系统、发电装置、制淡装置、测试单元，所述造流机构和造波机构设在水槽一端，所述潮流能捕获装置和波浪能捕获装置设在水槽中部，所述潮流能捕获装置和波浪能捕获装置均与液压系统连接，所述液压系统一路与发电装置连接，所述液压系统另一路与制淡装置连接，所述测试单元分别与发电装置和制淡装置连接。

采用以上结构后，本发明潮流能和波浪能综合性能测试装置与现有技术相比，具有以下优点：

由于本发明提供了一种可在实验室进行试验的潮流能和波浪能综合性能测试装置，它包括造流机构、造波机构、潮流能捕获装置、波浪能捕获装置、液压系统、发电装置、制淡装置、测试单元，所述造流机构和造波机构用来模拟海洋能中的潮流能和波浪能，且在试验条件下，模拟的潮流能流速和波浪能浪高可人工调整和控制，也就是可以模拟各种工况的潮流能和波浪能，潮流能捕获装置和波浪能捕获装置对各种工况下的潮流能和波浪能进行捕获，捕获后的能量通过液压系统传输和存储，并用于发电装置发电和制淡装置淡化海水，发电装置输出电量和制淡装置输出淡水的体积通过测试单元测试，通过测试数据来判断潮流能捕获装置和波浪能捕获装置的捕获效率，如波浪能浪高不变化情况下，先针对潮流能捕获装置在各种潮流能流速工况下的能量捕获效率进行测试，针对测试数据来调整潮流能捕获装置的相关参数以使波浪能捕获装置与潮流能捕获装置综合捕获效率更高；然后针对波浪能捕获装置在各种波浪能浪高工况下进行测试，通过测试单元的测试数据来调整波浪能捕获装置中各部件的尺寸大小等相关参数以使潮流能与波浪能综合捕获效率更高，综合测试数据，选择潮流能和波浪能综合捕获效率较高的潮流能与波浪能耦合装置，测试试验完成后对捕获效率较高、可靠性较好的波浪能与潮流能耦合装置制造后投入海中测试和使用，与直接投入海中进行测试相比，在实验室做测试降低了测试成本，同时实验室条件下设备的安全性和人员的人身安全有保证，根据测试结果制造出的潮流能耦合装置投入海中使用能提高潮流能和波浪能综合捕获效率。

作为改进，所述造流机构包括桨叶驱动机构和桨叶，所述桨叶与桨叶驱动机构的输出轴固定连接，桨叶驱动机构带动桨叶旋转，搅动水槽内的海水来模拟潮流能。

作为改进，所述造波机构包括驱动机构、凸轮、滚轮、连接件和造波板，所述凸轮与驱动机构的输出轴固定连接，所述滚轮与凸轮转动连接，所述滚轮与连接件一端固定连接，所述造波板与连接件另一端固定连接，驱动机构带动凸轮周期性转动，造波板上下摆动拍打水槽内的海水来模拟波浪能。

作为改进，所述波浪能捕获装置位于潮流能捕获装置上方，所述波浪能捕获装置与潮流能捕获装置固定连接，在水槽空间有限的状况下，节省空间，方便安装。

作为优选，所述潮流能捕获装置包括叶轮、叶轮导向辊、导流罩、齿轮传动机构和支撑架，所述导流罩叶轮固定连接，所述叶轮导向辊与支撑架固定连接，所述支撑架与水槽固定连接，所述齿轮传动机构与叶轮固定连接，所述叶轮导向辊与叶轮转动连接，所述叶轮和导流罩朝向造流机构，所述波浪能捕获装置为振荡浮子式波浪能捕获装置，它包括浮子、基柱、摆臂和摆动缸，所述摆臂一端与浮子铰接，所述摆臂另一端与摆动缸活塞杆铰接，所述摆动缸固定在基柱上，所述基柱固定在支撑架上；所述叶轮的水流冲击下发生转动的同时，大小齿轮啮合传动，带动液压泵工作，所述振荡浮子式波浪能捕获装置将浮子的浮动通过摆臂转为摆动缸的液压能输出；同时在水槽空间有限的状况下，基柱直接固定在支撑架上，基柱长度大大缩短，节省材料，且基柱直接固定在支撑架上安装后结构更紧凑，节省空间。

作为改进，所述液压系统包括泵、蓄能器组件、电磁阀、液压马达，所述泵的输入轴与潮流能捕获装置的输出轴固定连接，所述波浪能捕获装置出口与蓄能器组件管路连接，所述泵、电磁阀和液压马达经管路连接，所述液压马达有两个，其中一个液压马达与发电装置的发电机连接，另外一个液压马达与制淡装置中的泵连接。所述潮流能捕获装置经泵将捕获的潮流能转为液压能通过管路传输存储到蓄能器组件，所述波浪能捕获装置捕获将捕获的波浪能经摆动缸转为液压能经管路传输后存储到蓄能器组件，蓄能器组件内存储的能量通过液压马达输出用于发电装置发电和制淡装置海水淡化。

作为改进，所述的潮流能和波浪能综合性能测试装置还包括控制装置，所述测试单元和控制装置电连接，测试单元的数据传输给控制装置，能通过控制装置以演示的方式直观表示出来。

作为优选，所述测试单元包括用于测量潮流能流速的传感器、用于测量波浪能浪高的传感器、用于测量液压系统中各管路内压力的压力传感器、用于测量制淡装置的淡水流速的流速传感器、用于测量采集发电装置输出电功率的电量采集卡、与各传感器相配的显示仪表和用于安装显示仪表的控制柜，所述测淡水流速的传感器安装在制淡装置淡水输出总管路上，所述测量波浪能浪高的传感器设在水槽内壁上，所述测量潮流能流速的传感器设在潮流能捕获装置上，所述控制柜设在水槽的一角。所述传感器将测量的数据传送到显示仪表进行显示，通过显示仪表直观得到测试需要的数据。

作为改进，所述水槽包括内胆和外框，所述内胆和外框固定连接，所述内胆两端设有通流口，所述内胆将水槽分为上下两层，实验用海水经由通流口在内胆上方和下方循环流动，使得在测试过程中实验用海水可循环使用。

作为改进，所述水槽底部设有移动装置和可调整高度的支撑机构，所述移动装置可方便推动水槽移动，所述支撑机构可在水槽不移动时，支撑水槽。

附图说明

图1所示是本发明潮流能和波浪能综合性能测试装置的俯视结构示意图。

图2所示是图1中的前视结构示意图。

图3所示是图1中的侧视结构示意图。

图中所示：1、水槽，1.1、内胆，1.2、外框，1.3通流口，1.4、支架，2、造流机构，2.1、桨叶驱动机构，2.2、桨叶，3、造波机构，3.1、驱动机构，3.2、凸轮，3.3、滚轮，3.4、连接件，3.5、造波板，3.6、调整机构，4、潮流能捕获装置，4.1、叶轮，4.2、叶轮导向辊，4.3、导流罩，4.4、齿轮传动机构，4.5、支撑架，5、波浪能捕获装置，5.1、浮子，5.2、基柱，5.3、摆臂，5.4、摆动缸，6、液压系统，6.1、泵，6.2、蓄能器组件，6.3、电磁阀，6.4、液压马达，7、发电装置，8、制淡装置，9、控制装置，10、移动装置，11、支撑装置，12、测试单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请参照图1、图2和图3所示，本发明潮流能和波浪能综合性能测试装置，它包括水槽1、造流机构2、造波机构3、潮流能捕获装置4、波浪能捕获装置5、液压系统6、发电装置7、制淡装置8、测试单元12，所述造流机构2和造波机构3设在水槽1一端，所述潮流能捕获装置4和波浪能捕获装置5设在水槽1中部，所述潮流能捕获装置4和波浪能捕获装置5均与液压系统6连接，所述液压系统6一路与发电装置7连接，所述液压系统6另一路与制淡装置8连接，所述测试单元分别与发电装置7和制淡装置8连接。

所述造流机构2包括桨叶驱动机构2.1和桨叶2.2，所述桨叶2.2与桨叶驱动机构2.1的输出轴固定连接，所述桨叶驱动机构2.1为伺服电机，且需要采用防水处理，如采用隔板将桨叶驱动机构2.1和装有海水的水槽1隔开。

所述造波机构3包括驱动机构3.1、凸轮3.2、滚轮3.3、连接件3.4和造波板3.5，所述凸轮3.2与驱动机构3.1的输出轴固定连接，所述滚轮3.3与凸轮3.2转动连接，所述滚轮3.3与连接件3.4一端固定连接，所述造波板3.5与连接件3.4另一端固定连接。所述驱动机构3.1采用伺服电机，且需要采用防水处理，如采用隔板将驱动机构3.1和装有海水的水槽1隔开，所述滚轮3.3上方设有调整机构3.6，所述调整机构3.6两侧设有挡翼使得滚轮3.3不易从凸轮3.2上掉下去，始终与凸轮3.2保持接触，所述连接件3.4为扭簧，所述扭簧使得滚轮3.3跟随凸轮上下移动时，造波板3.5只是上下摆动而不会窜动。

所述波浪能捕获装置5位于潮流能捕获装置4上方，所述波浪能捕获装置5与潮流能捕获装置4固定连接。

所述潮流能捕获装置4包括叶轮4.1、叶轮导向辊4.2、导流罩4.3、齿轮传动机构4.4和支撑架4.5，所述导流罩4.3叶轮4.1固定连接，所述叶轮导向辊4.2与支撑架4.5固定连接，所述支撑架4.5与水槽1固定连接，所述齿轮传动机构4.4与叶轮4.1固定连接，所述叶轮导向辊4.2与叶轮4.1转动连接，所述叶轮4.1和导流罩4.3朝向造流机构2，所述波浪能捕获装置5为振荡浮子式波浪能捕获装置，它包括浮子5.1、基柱5.2、摆臂5.3和摆动缸5.4，所述摆臂5.3一端与浮子5.1铰接，所述摆臂5.3另一端与摆动缸5.4活塞杆铰接，所述摆动缸5.4固定在基柱5.2上，所述基柱5.2固定在支撑架4.5上。

所述叶轮4.1包括内圈、外圈和叶片，其中内圈、外圈上均布有安装孔；叶片通过紧固件紧固在内圈和外圈上，叶片的角度一般设为12°，针对不同的海域常出现的潮流状况对叶片的角度进行调整，叶片数量根据需要进行调整。在叶轮的外圈上一般均布4-8组螺母丝杆机构，所述螺母丝杆机构一方面用来固定叶片使叶片与内圈、叶片与外圈不发生相对转动，另一方面通过螺母丝杆机构可以来调整叶片的角度。在水流的冲击作用下，叶轮4.1发生转动。

所述叶轮导向辊4.2固定在支撑架4.5上，与叶轮4.1的外圈相切，沿叶轮4.1外周面方向均布有3组，叶轮导向辊4.2两端的凸台用来夹紧叶轮4.2同时起到导向的作用。

所述导流罩4.3有两个，所述导流罩4.3均与外圈固定连接，所述两个导流罩4.3关于叶轮4.1对称设置，可以实现潮流能的双向捕获。导流罩4.3起聚流作用的同时增加水流的速度，从而降低叶轮4.1的启动流速，大大提高发电效率，还可以起到保护叶片的作用。

所述齿轮传动机构4.4包括大齿轮和小齿轮，所述大齿轮安装在叶轮4.1的外圈上，所述小齿轮与液压泵连接，叶轮4.1在水流冲击下发生转动，大齿轮与小齿轮啮合传动。

所述支撑架4.5由槽钢焊接而成，起支撑叶轮4.1的作用，所述支撑架4.5表面进行防锈处理。

所述液压系统6包括泵6.1、蓄能器组件6.2、电磁阀6.3、液压马达6.4，所述泵6.1的输入轴与潮流能捕获装置4的输出轴固定连接，所述波浪能捕获装置5出口与蓄能器组件6.2管路连接，所述泵6.1、电磁阀6.3和液压马达6.4经管路连接，所述液压马达6.4有两个，其中一个液压马达6.4与发电装置7的发电机连接，另外一个液压马达6.4与制淡装置8中的泵连接。所述泵6.1的输入轴与潮流能捕获装置4的输出轴固定连接是指，所述泵6.1的输入轴与齿轮传动机构4.4的小齿轮转轴固定连接，叶轮4.1转动时大齿轮与小齿轮啮合传动从而带动泵6.1工作。所述蓄能器组件6.2包括3个蓄能器，其中两个蓄能器分别与泵6.1和摆动缸5.4经分支管路连接，第三个蓄能器设在两个分支管路合并后的主管路上，所述蓄能器组件6.2、电磁阀6.3、液压马达6.4、发电装置7和制淡装置8均设在水槽1上的支架1.4上，测试时支架1.4上方的蓄能器组件6.2、电磁阀6.3、液压马达6.4、发电装置7和制淡装置8不淹在水里，一般采用隔板将与支架1.4上方的发电装置7等与装水的水槽1隔开。

所述的潮流能和波浪能综合性能测试装置还包括控制装置9，所述测试单元12和控制装置9电连接。

所述测试单元12包括用于测量潮流能流速的传感器、用于测量波浪能浪高的传感器、用于测量液压系统6中各管路内压力的压力传感器、用于测量制淡装置8的淡水流速的流速传感器、用于测量采集发电装置7输出电功率的电量采集卡、与各传感器相配的显示仪表和用于安装显示仪表的控制柜，所述测淡水流速的传感器安装在制淡装置8淡水输出总管路上，所述测量波浪能浪高的传感器设在水槽1内壁上，所述测量潮流能流速的传感器设在潮流能捕获装置4上，所述控制柜设在水槽1的一角。所述多个显示仪表安装在测试单元12控制柜上，所述控制柜设于水槽1远离造波机构3的一端且控制柜内的显示仪表防水处理，控制柜表面防锈蚀处理。

所述测试单元12和控制装置9电连接是指，所述测试单元12中的传感器与控制装置9电连接，所述测试单元12传感器采集的数据通过显示仪表显示的同时传送给控制装置9，所述控制装置9包括PLC和PC，PLC接收测试单元12传送的数据，PC对PLC的数据采集和处理后通过在PC的显示器上显示。

所述水槽1包括内胆1.1和外框1.2，所述内胆1.1和外框1.2固定连接，所述内胆1.1两端设有通流口1.3，为了方便水槽1内的水通过内胆1.1上的通流口1.3循环，一般在内胆1.1两端靠近通流口1.3处设有弧形导流块。

所述水槽1底部设有移动装置10和可调整高度的支撑机构11，所述移动装置10采用移动小车，所述水槽1整个放在移动小车上方便移动，所述支撑机构11固定在移动小车底面，根据需要来调整移动小车上的水槽1的高度。

所述液压系统6优选选用水液压元件组成的水液压系统，如泵6.1采用水泵等，采用水作为介质可以避免使用油液作为介质时泄露引起的油液污染，同时可省去油箱，在水槽1空间有限的情况下使结构更紧凑。

说明的是，图2和图3中是去掉控制装置9和前面的外框板1.2后的结构示意图。

本发明潮流能和波浪能综合性能测试装置在工作时，水槽1内的水位应该完全淹没造流机构2和潮流能捕获装置4，且水位应该高过波浪能捕获装置5中浮子5.1的底面，将浮子5.1浮起，另外水位不高于摆动缸5.4为佳，通过调整造流机构2的伺服电机转速来调整模拟出来的潮流能的流速，所述潮流能通过潮流能捕获装置4捕获后，通过齿轮传动机构4.4输出给泵6.1，通过泵6.1将齿轮传动机构4.4的机械能转为泵6.1的液压能存储在蓄能器组件6.2；通过调整造波机构3中的伺服电机转速来调整模拟出来的波浪能的浪高，所述波浪能通过波浪能捕获装置5捕获后，通过摆动缸5.4以液压能形式输出后存储在蓄能器组件6.2；所述蓄能器组件6.2中的液压能通过液压马达6.4转为液压马达6.4的转速和扭矩，所述液压马达6.4带动发电装置7中的发电机和制淡装置8中的泵工作，通过发电装置7中用来模拟路灯的彩色LED灯、模拟房间灯的LED灯和模拟家电的微型风扇表现出来，所述制淡装置8通过模拟将带蓝色的海水经过滤器后变成透明的水来体现。对各种工况潮流能和波浪能进行测试，找出综合性能较好的捕获潮流能捕获装置和波浪能捕获装置，换句话说，找出能量捕获效率较高、捕获可靠性较好的潮流能捕获装置4和波浪能捕获装置5的组合；而能量捕获效率的高低通过测试单元12测出的发电装置7中电能的输出功率或制淡装置8的淡化水流速或体积来体现，若相同测试时间内，发电装置7中电能的输出功率低或制淡装置8的淡化水体积少则反馈出来潮流能捕获装置和波浪能捕获装置能量捕获效率较低，通过调整潮流能捕获装置4和波浪能捕获装置5的相关参数，以达到能量捕获效率更高的目的，最后得到综合性能较好的潮流能捕获装置和波浪能捕获装置，完成测试。

Claims (4)

1.一种潮流能和波浪能综合性能测试装置，其特征在于：它包括水槽(1)、造流机构(2)、造波机构(3)、潮流能捕获装置(4)、波浪能捕获装置(5)、液压系统(6)、发电装置(7)、制淡装置(8)、测试单元(12)，所述造流机构(2)和造波机构(3)设在水槽(1)一端，所述潮流能捕获装置(4)和波浪能捕获装置(5)设在水槽(1)中部，所述潮流能捕获装置(4)和波浪能捕获装置(5)均与液压系统(6)连接，所述液压系统(6)一路与发电装置(7)连接，所述液压系统(6)另一路与制淡装置(8)连接，所述测试单元分别与发电装置(7)和制淡装置(8)连接；

所述造流机构(2)包括桨叶驱动机构(2.1)和桨叶(2.2)，所述桨叶(2.2)与桨叶驱动机构(2.1)的输出轴固定连接；

所述造波机构(3)包括驱动机构(3.1)、凸轮(3.2)、滚轮(3.3)、连接件(3.4)和造波板(3.5)，所述凸轮(3.2)与驱动机构(3.1)的输出轴固定连接，所述滚轮(3.3)与凸轮(3.2)转动连接，所述滚轮(3.3)与连接件(3.4)一端固定连接，所述造波板(3.5)与连接件(3.4)另一端固定连接；

所述波浪能捕获装置(5)位于潮流能捕获装置(4)上方，所述波浪能捕获装置(5)与潮流能捕获装置(4)固定连接；

所述潮流能捕获装置(4)包括叶轮(4.1)、叶轮导向辊(4.2)、导流罩(4.3)、齿轮传动机构(4.4)和支撑架(4.5)，所述导流罩(4.3)与叶轮(4.1)固定连接，所述叶轮导向辊(4.2)与支撑架(4.5)固定连接，所述支撑架(4.5)与水槽(1)固定连接，所述齿轮传动机构(4.4)与叶轮(4.1)固定连接，所述叶轮导向辊(4.2)与叶轮(4.1)转动连接，所述叶轮(4.1)和导流罩(4.3)朝向造流机构(2)；所述波浪能捕获装置(5)为振荡浮子式波浪能捕获装置，它包括浮子(5.1)、基柱(5.2)、摆臂(5.3)和摆动缸(5.4)，所述摆臂(5.3)一端与浮子(5.1)铰接，所述摆臂(5.3)另一端与摆动缸(5.4)活塞杆铰接，所述摆动缸(5.4)固定在基柱(5.2)上，所述基柱(5.2)固定在支撑架(4.5)上；

所述液压系统(6)包括泵(6.1)、蓄能器组件(6.2)、电磁阀(6.3)、液压马达(6.4)，所述泵(6.1)的输入轴与潮流能捕获装置(4)的输出轴固定连接，所述波浪能捕获装置(5)出口与蓄能器组件(6.2)管路连接，所述泵(6.1)、电磁阀(6.3)和液压马达(6.4)经管路连接，所述液压马达(6.4)有两个，其中一个液压马达(6.4)与发电装置(7)的发电机连接，另外一个液压马达(6.4)与制淡装置(8)中的泵连接；

所述测试单元(12)包括用于测量潮流能流速的传感器、用于测量波浪能浪高的传感器、用于测量液压系统(6)中各管路内压力的压力传感器、用于测量制淡装置(8)的淡水流速的流速传感器、用于测量采集发电装置(7)输出电功率的电量采集卡、与各传感器相配的显示仪表和用于安装显示仪表的控制柜，所述测淡水流速的传感器安装在制淡装置(8)淡水输出总管路上，所述测量波浪能浪高的传感器设在水槽(1)内壁上，所述测量潮流能流速的传感器设在潮流能捕获装置(4)上，所述控制柜设在水槽(1)的一角。

2.根据权利要求1所述的潮流能和波浪能综合性能测试装置，其特征在于：所述的潮流能和波浪能综合性能测试装置还包括控制装置(9)，所述测试单元(12)和控制装置(9)电连接。

3.根据权利要求1所述的潮流能和波浪能综合性能测试装置，其特征在于：所述水槽(1)包括内胆(1.1)和外框(1.2)，所述内胆(1.1)和外框(1.2)固定连接，所述内胆(1.1)两端设有通流口(1.3)。

4.根据权利要求3所述的潮流能和波浪能综合性能测试装置，其特征在于：所述水槽(1)底部设有移动装置(10)和可调整高度的支撑机构(11)。