CN103344865B - 浮体绳轮波浪发电陆地模拟试验平台 - Google Patents

浮体绳轮波浪发电陆地模拟试验平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种浮体绳轮波浪发电陆地模拟试验平台，包括电机(1)、减速机(2)、摇臂(3)、定滑轮(4)、配重(5)、传动轴(6)、扭矩传感器(7)、卷筒(8)、绳索(9)；由变频器控制的电机(1)通过减速机(2)驱动一曲轴，曲轴上通过拉簧(10)系有绳索(9)，绳索(9)另一端缠在一卷筒(8)上，卷筒(8)通过扭矩传感器(7)接浮体绳轮传动系统，所述卷筒(8)上还缠着另一根绳索，或与其轴连的另一个卷筒上缠着另一根绳索，该绳索另一端绕过一定滑轮(4)系一配重(5)，定滑轮(4)的支架安装在平台上。本发明可以在陆地上模拟各种频率、波高的波况，对浮体绳轮装置进行性能测试，从而指导装置的优化工作。

Description

浮体绳轮波浪发电陆地模拟试验平台
技术领域
本发明涉及一种浮体绳轮波浪发电陆地模拟试验平台。
背景技术
“浮体绳轮波浪发电”是基于浮体绳轮机构采集波浪能，并进行发电的振荡浮子式波浪能发电装置。目前市场上还没有浮体绳轮波浪发电效率专用试验平台，关于振荡浮子波浪发电效率的研究一般借用振荡浮子波浪发电模型试验，该试验在一造浪水池(或水箱)中进行，由于发电模型是原型机的等比例缩小体，该试验一般用来研究发电原理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种浮体绳轮波浪发电陆地模拟试验平台。
一种浮体绳轮波浪发电陆地模拟试验平台，包括电机(1)、减速机(2)、摇臂(3)、定滑轮(4)、配重(5)、传动轴(6)、扭矩传感器(7)、卷筒(8)、绳索(9)；由变频器控制的电机(1)通过减速机(2)驱动一曲轴，曲轴上通过拉簧(10)系有绳索(9)，绳索(9)另一端缠在一卷筒(8)上，卷筒(8)通过扭矩传感器(7)接浮体绳轮传动系统，所述卷筒(8)上还缠着另一根绳索，或与其轴连的另一个卷筒上缠着另一根绳索，该绳索另一端绕过一定滑轮(4)系一配重(5)，定滑轮(4)的支架安装在平台上。
所述的试验平台，所述卷筒(8)包括螺栓(11)、弹簧(12)、压紧球(13)、导轮(14)、导轮凹槽(15)、输出轴(16)；卷筒(8)的外圆筒上设置一径向的螺栓(11)，卷筒的中心为输出轴(16)，输出轴(16)上套有导轮(14)，螺栓(11)通过弹簧(12)压在压紧球(13)上，导轮(14)上设置有导轮凹槽(15)。
所述的试验研究平台，所述浮体绳轮传动系统为：扭矩传感器(7)接超越离合器，再驱动增速器，增速器的输出轴接泵或电机。
本浮体绳轮波浪发电效率陆上试验研究平台的搭建主要是在陆上实验室通过模拟海上发电平台，获得一定的实验数据来进行分析，为将来海上试验做准备。
附图说明
图1为浮体绳轮波浪发电效率陆上试验研究平台原理示意图；
图2为直驱式发电效率实验平台
图3为液压式单系统原理图
图4为液压式双系统原理图
图5为摇臂结构示意图；
图6为卷筒结构示意图；6-2为图6-1的A-A剖面图；
1电机，2减速机，3摇臂，4定滑轮，5配重，6传动轴，7扭矩传感器，8卷筒，9绳索，10拉簧，11螺栓，12弹簧，13压紧球，14导轮，15导轮凹槽，16输出轴。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1，浮体绳轮波浪发电陆地模拟试验平台包括电机1、减速机2、摇臂3、定滑轮4、配重5、传动轴6、扭矩传感器7、卷筒8、绳索9；
由变频器控制的电机1通过减速机2驱动一曲轴，该曲轴的摇臂3是两个带有长条孔的钢板，一根两头带螺纹的轴穿过两个长条孔，两头靠螺母夹在钢板上(图5)，长条孔边上带有刻度尺。长条孔也可为一列顺着摇臂排列的孔。该轴系一绳索9(或该轴套一轴承座，轴承座上系有绳索9)，绳索9在靠近摇臂3处串联有拉簧10，绳索另一头缠在一卷筒8上，卷筒8通过扭矩传感器7接超越离合器，再驱动增速器，增速器的输出轴接泵或电机，卷筒8上还缠着(或轴连另一个卷筒上)另一根绳索，该绳索另一端绕过一定滑轮4系一配重5，配重5产生的拉力作用在卷筒8上产生的扭矩，与摇臂3对卷筒8的拉力产生的扭矩相反，但远小于摇臂3产生的扭矩。
经变频器变频后的电流驱动电机1旋转，通过减速机2将力矩放大，驱动摇臂3旋转，摇臂3的曲轴相对于其所系绳索9的另一端所缠的卷筒8，做圆周运动，也可以说，卷筒8相对于曲轴做圆周运动(曲轴视为静止)，而因为波浪的本质是水质点做近似圆周运动，所以就相当于模拟浮体绳轮发电装置上的卷筒相对于海底的锚做圆周运动。通过改变曲轴的旋转频率以及摇臂3的回转半径，可以模拟不同周期和波高的波浪。当曲轴从最靠近卷筒点继续转动时，曲轴与卷筒距离不断增大，由于配重5产生扭矩相对于摇臂产生的扭矩很小，所以卷筒8在摇臂3的作用下旋转，而配重被拉高，势能增加。通过扭矩传感器7带动被测量发电系统发电，通过扭矩传感器7测的扭矩和转速数据，可以得到输入功率。这半个周期，模拟波浪上升过程中，波浪的浮力和推力对浮体做功，驱动卷筒旋转，同时配重5在此过程中势能增加。
当曲轴从离卷筒最远点继续转动时，曲轴与卷筒距离不断缩小，由于绳索是柔性元件，所以绳索松弛，摇臂不能对卷筒产生拉力，此时在配重势能释放，在配重5产生扭矩作用下，卷筒倒转，将绳索收回，这半个周期模拟波浪下落过程中，绳索松弛，浮力不对浮体绳轮系统中的卷筒做功，在配重5的反向力矩作用下回收绳索。
浮体绳轮波浪发电系统的结构及其原理是，一根绳索一端连接海底的锚基，另一端缠绕在浮体上的卷筒上。波浪的本质是水质点做圆周运动，所以海面上的浮体也随着在做圆周运动，当波浪向上浮体上升时，浮体与锚基距离增大，绳索拉动卷筒正向旋转，卷筒通过超越离合器带动发电机或液压泵旋转，同时在这个阶段也收紧了复位弹簧。当波浪向下浮体下落过程中，浮体与锚基距离变小，绳索松弛，这时复位弹簧储存的弹性势能释放将绳索收回，因为超越离合器的单向传动性能，这个阶段不带动发电机或液压泵旋转。该浮体绳轮陆地模拟实验平台，就是用于模拟上面的工况。
图2所示为直驱式实验平台原理图，所谓直驱式发电系统就是直接将浮体采集的波浪能通过增速机增速后直接带动电机发电，中间不经过任何能量转化装置。实验平台的原理基本模拟浮体绳轮波浪发电原理，由电机通过减速机减速后带动曲柄旋转来模拟海浪上下起伏对绳轮的牵拉运动，由于超越离合器只能单向传递扭矩，所以我们曲柄在一个周期内只有半个周期在发电，通过增速机构直接驱动发电机发电。
图3所示为液压式单系统实验平台原理图，液压式与直驱式发电系统的唯一区别由图可以看出，能量转化方面与直驱式不同，液压式发电系统的原理是将卷筒采集的能量通过液压泵产生高压油，在通过蓄能器蓄能之后产生相对稳定的高压油驱动液压马达，由液压马达带动发电机发电，通过这套液压回路我们可以得到比较稳定的电流。
图4所示为液压式双系统实验平台原理图，为了得到更稳定的电流，我们液压式双系统与单系统的区别在于在曲柄转动过程中，两台液压泵交替工作，交替向蓄能器中产生高压油，这样经过蓄能器蓄能后可以产生压力更加稳定的液压油来驱动液压马达。
实验平台底座由钢架组成，易于搭建和拆装，通过简单更换上面少量机械元件就能满足上述三个试验平台的需要。
在平台的搭建中所选用的是变频电动机，通过变频器调节电动机频率来调节电机转速，从而调节曲柄转速来模拟不同波浪频率下对卷筒的牵拉运动。
通过对曲柄的设计，调节曲柄与绳子铰接位置距曲柄回转中心距离来模拟不同海浪高度对浮体发电的影响。与绳子连接处可以通过调节螺栓位置实现。
为了使我们实验平台获得的数据能够与将来海洋实验数据相匹配，实验平台选用的电机、液压泵、离合器等机械元件的参数都与我们将来工程样机相吻合，由于电机功率大，输出扭矩高，首先我们要保证人员的安全，因此我们提出了实验平台要有过载保护，要求当绳子拉力超过一定值后绳子拉力不再增加，卷筒停止工作，不再输出扭矩。
如果要实现对绳索拉力控制，单纯用机械结构来实现存在结构复杂等问题，较为困难。因此我们将绳子拉力的控制转化为对卷筒扭矩的控制，通过对卷筒特殊设计，绳子带动卷筒旋转过程中，一旦绳子拉力过大、卷筒扭矩过高，这时卷筒进行过载保护不再输出扭矩，整个平台的载荷也就不会增加了。卷筒(实质为扭矩过载打滑结构)的主要结构如图6所示，当绳索9拉力没超过预定载荷即卷筒8没超过预定扭矩时，弹簧12给压紧球13施加压紧力，在压紧球13的作用下卷筒与导轮14不发生相对转动，这时实验平台正常工作，绳索9拉着卷筒8旋转通过输出轴16输出扭矩。当扭矩超过预定载荷时，弹簧12提供的压紧力不足以使压紧球13保持不动，此时压紧球13脱离导轮凹槽15，卷筒8与导轮14发生相对转动即发生打滑，此时输出轴16不再输出扭矩。通过转动螺栓11可以调节调节弹簧对压紧球13的压力，这样可以改变卷筒8过载保护的扭矩。该扭矩过载打滑结构也可设置在减速机2与摇臂3的连接处，当摇臂3承受的扭矩过大，则减速机与摇臂3间便打滑。
通过在绳索9上串联一拉簧10，可以模拟浮体在水中浮力与水深的关系，在水中F＝Shρg，S为浮体底面面积，h为吃水深度，对于一设定的浮体，S、ρ都不变，F与h成正比，而拉簧，F＝kΔL，F与ΔL成正比，所以，只要弹簧系数k＝Sρg，就可以模拟浮力。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种浮体绳轮波浪发电陆地模拟试验平台，其特征在于，包括电机(1)、减速机(2)、摇臂(3)、定滑轮(4)、配重(5)、传动轴(6)、扭矩传感器(7)、卷筒(8)、绳索(9)；由变频器控制的电机(1)通过减速机(2)驱动一曲轴，曲轴上通过拉簧(10)系有绳索(9)，绳索(9)另一端缠在一卷筒(8)上，卷筒(8)通过扭矩传感器(7)接浮体绳轮传动系统，所述卷筒(8)上还缠着另一根绳索，或与其轴连的另一个卷筒上缠着另一根绳索，该绳索另一端绕过一定滑轮(4)系一配重(5)，定滑轮(4)的支架安装在平台上。
2.根据权利要求1所述的试验平台，其特征在于，所述卷筒(8)包括螺栓(11)、弹簧(12)、压紧球(13)、导轮(14)、导轮凹槽(15)、输出轴(16)；卷筒(8)的外圆筒上设置一径向的螺栓(11)，卷筒的中心为输出轴(16)，输出轴(16)上套有导轮(14)，螺栓(11)通过弹簧(12)压在压紧球(13)上，导轮(14)上设置有导轮凹槽(15)。
3.根据权利要求1所述一种浮体绳轮波浪发电陆地模拟试验平台，其特征在于，所述浮体绳轮传动系统为：扭矩传感器(7)接超越离合器，再驱动增速器，增速器的输出轴接泵或电机。
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