CN103306931A

CN103306931A - 一种波浪能液压泵

Info

Publication number: CN103306931A
Application number: CN2013102732194A
Authority: CN
Inventors: 张永良; 郑思明
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: CN103306931B

Abstract

本发明涉及一种波浪能液压泵，包括若干节波浪能采集浮体、若干液压装置、若干弹簧振子装置以及若干进出水装置。其中，每节波浪能采集浮体内均径向设一肋板。液压装置包括一第一液压缸，第一液压缸铰接于相邻两波浪能采集浮体之间。弹簧振子装置包括一第二液压缸，第二液压缸内的活塞连接一滑杆上配重块的一侧，滑杆水平固定于肋板与波浪能采集浮体的后壁之间。配重块的另一侧经滑杆上的弹簧连接波浪能采集浮体的后壁。进出水装置包括一进水管和一出水管，进水管的一端经过滤器连通海水，进水管的另一端分两路并分别连通第一液压缸和第二液压缸的进水孔。波浪能液压泵的出水管亦分成两路并分别连通第一液压缸和第二液压缸的出水孔。本发明采集效率高、可靠性好，可广泛用于开发海洋能的过程中。

Description

一种波浪能液压泵

技术领域

本发明涉及一种波浪能液压泵，特别是关于一种利用海洋波浪能驱动活塞运动的高效波浪能液压泵。

背景技术

随着化石等不可再生能源的日趋枯竭，世界各国把目光逐渐投向了海洋，特别是到了20世纪70年代逐渐开启了开发海洋能的热潮，而进入21世纪国际社会对海洋能的关注急剧升温。

波浪能作为一种可再生的清洁能源，能流密度大，是海洋能中品位最高、分布最广的能源。把取之不尽用之不竭的波浪能转换为有用的能源是人们长期的愿望，但是由于波浪能的不稳定性，给波浪能的实际应用带来了困难。根据二级转换系统的转换原理，可以将目前世界上的波浪能利用技术大致划分为三种，即气压式、液压式和机械式。其中，液压式波浪能利用装置越来越得到大家的重视，该技术采用浮体俘获波浪能，通过与浮体相连接的液压装置将波浪能转换成液压能，再通过发电机转换成电能或通过其它设备淡化海水或直接泵水。在公开号为CN101811753A，名称为“一种波浪能海水淡化装置”的专利文献中公开了这样一种波浪能利用装置，该装置包括波浪能采集浮体、支撑浮体、液压泵、海水预处理装置和海水淡化系统。其中，液压泵的活塞连杆固定在波浪能采集浮体上，液压泵缸体与支撑浮体相连，支撑浮体底部通过锚索固定在海底。波浪运动会带动波浪能采集浮体作垂荡运动，并与支撑浮体在垂向发生相对位移，驱动液压泵将波浪能转换成液压能，所产生的高压海水可通过反渗透膜组件直接进行海水淡化。在公开号为CN2419388Y，名称为“一种波浪发电装置”的专利文献中公开了这样一种波浪发电装置，该装置由浮板、油箱、蓄能器、回转液压缸、液压马达、发电机所组成。其中，回转液压缸设在浮板与浮板之间，液压马达与回转液压缸之间通过油管连接，在海浪的作用下两浮板间产生相对摆动进而带动液压缸工作，所产生的高压油推动液压马达转动，带动发动机发电。

在美国专利文献US2006/0273593 A1中公开了名称为“波浪发电装置”（Wave PowerApparatus）的一种装置，该装置主要由若干圆筒状连接单元，若干节圆柱浮体，若干个杆式液压缸和液压发电系统构成。其中，若干节圆柱浮体通过所述圆筒状连接单元串接在一起，该圆筒状连接单元允许一侧的圆柱浮体绕一轴作纵摇运动，允许另一侧的圆柱浮体绕另一轴作艏摇运动，两个转轴相互垂直。圆筒状连接单元中设置有杆式液压缸和液压发电系统，其中，杆式液压缸活塞连杆的伸出连接单元与圆柱浮体相连。波浪经过时，各个圆柱浮体相对于连接单元的转动会带动活塞连杆抽离或压入液压缸，安设在连接单元中的液压发电系统可将液压缸液压能转换为电能，完成波浪能的吸收和转换。国际发明专利说明书WO2011/061546A2公开了名称为“波能采集装置”（Apparatus For Extracting Power From Waves）的一种装置。该装置与上述美国专利文献中提及的装置相类似，将原有的圆筒状连接单元简化为具有一定厚度的刚性板，该刚性板连接两侧圆柱浮体，允许两圆柱浮体绕垂直的两个转轴发生转动。液压缸安设在圆柱浮体端部，而液压缸活塞连杆则绕过刚性板直接铰接在相临圆柱浮体上，各个液压缸可同时利用两自由度转动的能量，安设在圆柱浮体端部内的液压发电系统可将液压缸中的液压能转换为电能，实现波浪能的吸收和转换。该装置由于简化了连接构件，具有一定的可靠性，并且保障了一定的波浪能吸收效率。

综上所述，现有波浪能液压泵存在波浪能采集效率有限、可靠性能低以及不利于大规模的推广与使用等缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种波浪能采集效率高、可靠性好，且可以大范围推广应用的波浪能液压泵。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种波浪能液压泵，它包括：若干节串联在一起的波浪能采集浮体，连接于相邻两节所述波浪能采集浮体之间的液压装置，设置于每节所述波浪能采集浮体内部的弹簧振子装置，以及连通所述液压装置和弹簧振子装置的进出水装置；其中，每节所述波浪能采集浮体内均径向地设置有一肋板，所述液压装置包括一水平铰接于所述肋板前侧的第一液压缸，所述第一液压缸的后端开设有进水孔和出水孔；所述第一液压缸的伸出端穿过其自身所在的所述波浪能采集浮体的前壁后与前一个所述波浪能采集浮体的后壁铰接；所述弹簧振子装置包括一水平固定于所述肋板后侧的第二液压缸，所述第二液压缸的前端开设有进水孔和出水孔；所述第二液压缸的活塞通过连杆机构连接一配重块的一侧，所述配重块滑动设置在一滑杆上，所述滑杆水平固定于所述肋板与波浪能采集浮体的后壁之间；所述配重块的另一侧通过一穿设在所述滑杆上的弹簧连接所述波浪能采集浮体的后壁；所述进出水装置包括一进水管和一出水管，所述进水管的一端通过过滤器连通海水，所述进水管的另一端经过所述过滤器后分成两路并分别通过单向阀连通所述第一液压缸和第二液压缸的进水孔；所述出水管的一端连通高压海水需求端口，所述出水管的另一端亦分成两路并分别通过单向阀连通所述第一液压缸和第二液压缸的出水孔。

相邻两节所述波浪能采集浮体通过单向铰连接。

所述波浪能采集浮体是由外侧喷涂有防腐材料的铁皮弯卷焊接而成的密闭筒，且其前端为倾斜楔面，后端为垂直平面。

所述波浪能采集浮体横截面是长轴与短轴长度比为1～5之间的椭圆形。

所述液压装置为杆式液压装置，所述第一液压缸为一杆式液压缸，所述杆式液压缸的底部通过球头杆与固定在所述肋板的前侧且靠近上端处的球铰座铰接；所述杆式液压缸的内部插设一活塞连杆，所述活塞连杆贯穿自身所在的所述波浪能采集浮体前端的倾斜楔面后，与设置在前一个所述波浪能采集浮体后壁上的另一球铰座铰接，所述杆式液压缸的前端上壁处开设一通气孔。

所述第二液压缸为一阻尼液压缸，所述阻尼液压缸水平固定在一水平承重板上，所述水平承重板的前端固定在所述肋板上，后端由两支撑柱支撑。

所述连杆机构由第一连杆、摇杆和第二连杆顺序铰接而成，所述第一连杆与所述配重块的前侧且靠近上端铰接，所述第二连杆与所述阻尼液压缸的活塞铰接，所述摇杆的中上部通过销轴与固定在所述水平承重板后端中心位置的双耳环铰接。

所述进出水装置单独设置于每节所述波浪能采集浮体内，或者设置于海岸或海洋平台上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明沿着来波方向串联若干节波浪能采集浮体，并在每一波浪能采集浮体的内部前端设置一杆式液压缸。通过相邻两波浪能采集浮体之间的上、下摆动带动杆式液压缸内活塞连杆做往复直线运动，将每节波浪能采集浮体采集到的波浪能直接转化为液压能，提高了波浪能液压泵的采集效率。2、本发明弹簧振子装置中的配重块提高了波浪能采集浮体的自重，使波浪能采集浮体达到适宜的吃水深度，从而优化了波浪能采集浮体的采集效果。另外，配重块位于波浪能采集浮体底部，降低了波浪能液压泵的重心，提高了波浪能液压泵的稳定性。3、本发明在每一波浪能采集浮体中均设置一杆式液压缸和一弹簧振子装置，弹簧振子装置自身存在一个由弹簧刚度及配重块质量共同决定的配重块自振频率，当波浪运动引发波浪能采集浮体纵摇时，波浪能采集浮体的纵摇将会带动弹簧振子装置中的配重块作受迫运动。配重块的实际振动频率、波浪能采集浮体的纵摇频率均与来波波浪频率相近。配重块往复振动可以增大波浪能采集浮体的摆动强度，提高了连接在相邻两节波浪能浮体间杆式液压缸的驱动荷载，因此大幅提高了波浪能液压泵的采集效率。4、本发明采用的弹簧振子装置中引入了阻尼液压缸充当阻尼器，阻尼液压缸的进出水口分别通过两单向阀与过滤器和高压海水出水管相连。阻尼液压缸不仅起到了阻尼器作用，而且还起到了与连接在两相邻波浪能采集浮体间杆式液压缸相类似的液压泵的作用。将弹簧振子装置中所要耗散的能量用于泵吸海水，提高了波浪能液压泵的波浪能利用率。本发明可以广泛用于开发海洋能的过程中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是图1的局部放大示意图

图3是本发明单节波浪能采集浮体的内部结构示意图

图4是图3的A-A截面示意图

图5是图3的B-B截面示意图

图6是图4的局部放大示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。需要说明的是，下文中的“前端”、“后端”均针对于波浪的流动方向来定义，其中“前端”指迎着来波方向的一端，“后端”指背离来波方向的一端。

如图1、图2所示，本发明包括若干节通过单向铰11串联在一起的波浪能采集浮体10，以及若干连接于相邻两节波浪能采集浮体10之间的杆式液压装置20。本实施例中，波浪能采集浮体10是由外侧喷涂有防腐材料的铁皮弯卷焊接而成的密闭筒，且其前端面为倾斜楔面，后端面为垂直平面。

在一个优选的实施例中，波浪能采集浮体10的截面呈椭圆形，且椭圆形截面的长轴与短轴的长度比为1～5之间。

如图3、图4所示，波浪能采集浮体10内且靠近前端径向设置有一椭圆形肋板12。在本实施例中，椭圆形肋板12采用刚性较好，能够防止波浪能采集浮体10发生变形的金属材料制成。杆式液压装置20包括一设置在椭圆形肋板12的前表面且靠近上端处的球铰座21，球铰座21通过一根球头杆22与一杆式液压缸23的底部相连。杆式液压缸23的前端上壁处开设有一通气孔24，后端两侧壁处分别开设有一进水孔和一出水孔（图中未示出）。杆式液压缸23的内部插设一活塞连杆25，活塞连杆25贯穿自身所在的波浪能采集浮体10前端的倾斜楔面后，与设置在前一个波浪能采集浮体10后端外壁上的另一球铰座26铰接。

如图3、图4所示，本发明还包括设置在每节波浪能采集浮体10内部的弹簧振子装置30和进出水装置。其中，弹簧振子装置30设置在波浪能采集浮体10内的椭圆形肋板12与后端内壁之间，其包括一刚性滑杆31、一配重块32、一弹簧33、一连杆机构34、一水平承重板35、一阻尼液压缸36、两支撑柱37、一双耳环38和一销轴39。刚性滑杆31水平支撑在椭圆形肋板12下部和波浪能采集浮体10后端下部之间，配重块32穿设在刚性滑杆31上，配重块32的后侧中心位置通过穿设在刚性滑杆31上的弹簧33与波浪能采集浮体10的后端相连。连杆机构34由第一连杆、摇杆和第二连杆顺序铰接而成，配重块32的前侧且靠近上端与连杆机构34的第一连杆相铰接。连杆机构34的第二连杆与水平固定在水平承重板35上的阻尼液压缸36中的活塞铰接，阻尼液压缸36的前端两侧壁处分别开设有一进水孔和一出水孔（图中未示出）。水平承重板35的前端固定在肋板上，后端由两支撑柱37支撑，且水平承重板35后端中心位置设置双耳环38，该双耳环38与连杆机构34的摇杆中上部通过销轴39铰接。

如图5、图6所示，进出水装置包括一连通波浪能采集浮体10外面海水的一进水管41，以及一设置在进水管41上的过滤器42。进水管41经过过滤器42后分成一进水支管43和另一进水支管44。进水支管43通过一单向阀连通杆式液压缸23上的进水孔，进水支管44穿过肋板12后通过一单向阀连通阻尼液压缸36的进水孔。杆式液压缸23的出水孔通过一单向阀与一出水支管45连接。阻尼液压缸36的出水孔通过一单向阀与另一出水支管46连接，出水支管46穿过肋板12后与出水支管45并联成一出水管47。

下面说明本发明的使用流程：

通过单向铰11将相邻的各节波浪能采集浮体10沿着来波方向铰接成一串。当波浪经过时，波浪会带动各节波浪能采集浮体10做上、下相对摆动，波浪能采集浮体10的上、下相对摆动带动活塞连杆25在杆式液压缸23内做直线往复运动。当活塞连杆25做抽离杆式液压缸23的运动时，经过滤器42过滤的海水，通过进水管41吸入，通过单向阀经进水支管43进入杆式液压缸23。当活塞连杆25做压入杆式液压缸23的运动时，又将海水单方向挤出杆式液压缸23，从出水支管45流入出水管47，并经出水管47泵出。

各节波浪能采集浮体10做上、下相对摆动过程中，弹簧振子系统30中的配重块32沿着刚性滑杆31做往复振动。当配重块32沿着刚性滑杆31做拉伸弹簧33的运动时，配重块32带动连杆机构34动作，连杆机构34带动阻尼液压缸36中的活塞抽离缸体，通过进水管41将海水吸入，被吸入的海水经过过滤器42过滤后，通过单向阀经进水支管44进入阻尼液压缸36。而当配重块32沿着刚性滑杆31做压缩弹簧33的运动时，配重块32带动连杆机构34动作，连杆机构34带动阻尼液压缸36中的活塞压入缸体，又将海水单方向挤出弹簧振子系统30中的阻尼液压缸36，从出水支管46和出水管47泵出。出水管47泵出的高压水可以用于海水淡化或直接向陆域泵水，液压系统通过适当改装还可以用作波浪发电。

在各节波浪能采集浮体10做上、下方向的相对摆动过程中，波浪能采集浮体10的运动将会带动配重块32作受迫运动。配重块32在轻质弹簧33的作用下自振频率与波浪频率接近，且配重块32的振动相位与波浪能采集浮体10转动相位相差90度。其中，配重块32的运动以向压缩弹簧33的方向为正向，波浪能采集浮体10的转动以顺时针方向为正向。当波浪能采集浮体10做正向顺时针转动时，配重块32恰好一直处在偏离振动平衡位置沿刚性滑杆31压缩弹簧33的一侧。当波浪能采集浮体10负向逆时针转动时，配重块32恰好一直处在偏离振动平衡位置沿刚性滑杆31拉伸弹簧33的另一侧。配重块32的往复运动有利于波浪能采集浮体的转动，提高了杆式液压缸23的波浪能采集效果。

当本发明的波浪能液压泵设置在海岸或海洋平台附近的水域时，进出水装置还可以相应地设置在海岸或海洋平台上，通过管道与波浪能采集浮体10中的杆式液压缸23以及阻尼液压缸36连接，实现海水的泵吸。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种波浪能液压泵，其特征在于，它包括：若干节串联在一起的波浪能采集浮体，连接于相邻两节所述波浪能采集浮体之间的液压装置，设置于每节所述波浪能采集浮体内部的弹簧振子装置，以及连通所述液压装置和弹簧振子装置的进出水装置；其中，每节所述波浪能采集浮体内均径向地设置有一肋板，所述液压装置包括一水平铰接于所述肋板前侧的第一液压缸，所述第一液压缸的后端开设有进水孔和出水孔；所述第一液压缸的伸出端穿过其自身所在的所述波浪能采集浮体的前壁后与前一个所述波浪能采集浮体的后壁铰接；所述弹簧振子装置包括一水平固定于所述肋板后侧的第二液压缸，所述第二液压缸的前端开设有进水孔和出水孔；所述第二液压缸的活塞通过连杆机构连接一配重块的一侧，所述配重块滑动设置在一滑杆上，所述滑杆水平固定于所述肋板与波浪能采集浮体的后壁之间；所述配重块的另一侧通过一穿设在所述滑杆上的弹簧连接所述波浪能采集浮体的后壁；所述进出水装置包括一进水管和一出水管，所述进水管的一端通过过滤器连通海水，所述进水管的另一端经过所述过滤器后分成两路并分别通过单向阀连通所述第一液压缸和第二液压缸的进水孔；所述出水管的一端连通高压海水需求端口，所述出水管的另一端亦分成两路并分别通过单向阀连通所述第一液压缸和第二液压缸的出水孔。

2.如权利要求1所述的一种波浪能液压泵，其特征在于，相邻两节所述波浪能采集浮体通过单向铰连接。

3.如权利要求1或2所述的一种波浪能液压泵，其特征在于，所述波浪能采集浮体是由外侧喷涂有防腐材料的铁皮弯卷焊接而成的密闭筒，且其前端为倾斜楔面，后端为垂直平面。

4.如权利要求1到3任一项所述的一种波浪能液压泵，其特征在于，所述波浪能采集浮体横截面是长轴与短轴长度比为1～5之间的椭圆形。

5.如权利要求3所述的一种波浪能液压泵，其特征在于，所述液压装置为杆式液压装置，所述第一液压缸为一杆式液压缸，所述杆式液压缸的底部通过球头杆与固定在所述肋板的前侧且靠近上端处的球铰座铰接；所述杆式液压缸的内部插设一活塞连杆，所述活塞连杆贯穿自身所在的所述波浪能采集浮体前端的倾斜楔面后，与设置在前一个所述波浪能采集浮体后壁上的另一球铰座铰接，所述杆式液压缸的前端上壁处开设一通气孔。

6.如权利要求1到5任一项所述的一种波浪能液压泵，其特征在于，所述第二液压缸为一阻尼液压缸，所述阻尼液压缸水平固定在一水平承重板上，所述水平承重板的前端固定在所述肋板上，后端由两支撑柱支撑。

7.如权利要求6所述的一种波浪能液压泵，其特征在于，所述连杆机构由第一连杆、摇杆和第二连杆顺序铰接而成，所述第一连杆与所述配重块的前侧且靠近上端铰接，所述第二连杆与所述阻尼液压缸的活塞铰接，所述摇杆的中上部通过销轴与固定在所述水平承重板后端中心位置的双耳环铰接。

8.如权利要求1到7任一项所述的一种波浪能液压泵，其特征在于，所述进出水装置单独设置于每节所述波浪能采集浮体内，或者设置于海岸或海洋平台上。