CN103410654B - 波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波浪能发电装置，包括连接单元、至少两组中空的浮体和至少一组波浪能提取单元，所述波浪能提取单元用于吸收所述浮体相对运动产生的机械能，并将该机械能储存至储能单元，以驱动发电机发电；所述连接单元将相邻的两组浮体铰接；所述波浪能提取单元密封设置于所述浮体内部。本发明中，通过连接单元将相邻的浮体铰接，能量提取单元设置在浮体内部，连接单元的结构简单，能量提取单元设置在浮体内部，因而需要防腐处理环节较少，波浪能发电装置的使用寿命和运行可靠性较高。

Description

波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及波浪发电技术，尤其涉及一种波浪能发电装置。

背景技术

波浪能发电是通过波浪能转换装置将波浪能进行转换，通过波浪能转换装置捕获波浪所具有的动能和势能，并将波浪能转换装置与海面相交的水线面内的一部分波浪能转换为机械能，再将机械能转换为电能，实现波浪能到电能的转换。

专利号ZL200480015527.6的中国专利文献公开了一种波动力装置、连接单元及其提取动力和制造方法，其中，波动力装置包括多个悬浮体构件，相邻的每对悬浮体构件之间通过连接单元相互连接，以形成连续布置的铰连接。连接单元与悬浮体构件的形状相同，连接单元的每端具有一组支承，每组支承可以通过支承销连接相邻的悬浮体构件，每个连接单元的两端还设置有液压杆组件，液压杆组件的两端分别连接悬浮体构件和连接单元，液压杆组件设置在弹性密封件内，通过弹性密封件对液压杆组件密封。

上述现有技术提供的波动力装置，连接单元的外形结构与漂浮体构件的形状相同，并且，连接单元中的连接装置结构复杂，需要防腐处理的元件较多，液压杆组件分别连接在漂浮构件体和连接装置之间，每个液压杆组件都需要进行密封防腐保护，需要防腐保护的环节及元件多，波浪能发电装置运行可靠性较低。

发明内容

本发明提供一种波浪能发电装置，用于解决现有技术中波浪能发电装置连接装置结构复杂，防腐处理环节较多，使用寿命和运行可靠性较低的技术缺陷。

本发明提供的一种波浪能发电装置，包括连接单元、至少两组中空的浮体和至少一组能量提取单元，所述能量提取单元用于吸收所述浮体相对运动产生的机械能，并将该机械能储存至储能单元，以驱动发电机发电；

所述连接单元将相邻的两组浮体铰接；所述能量提取单元密封设置于所述浮体内部。

如上所述的波浪能发电装置，优选地，所述连接单元包括球面轴承和法兰管轴；

所述球面轴承的外环上设有法兰，所述球面轴承的外环及法兰与第二浮体的端部内壁连接；

所述法兰管轴一端的法兰与第一浮体的端部外壁连接，所述法兰管轴的主体穿设在所述球面轴承的内环中，且深入至所述第二浮体内部。

如上所述的波浪能发电装置，优选地，所述能量提取单元为四组，每组能量提取单元包括两个液压缸；

所述液压缸的缸体端部与位于所述第二浮体内部的法兰管轴一端铰接，所述液压缸的活塞杆端部与所述第二浮体内壁铰接。

如上所述的波浪能发电装置，优选地，位于所述第二浮体内部的法兰管轴一端开设有四个安装平台，每个安装平台上设置有用于安装所述液压缸的螺纹孔，所述液压缸的缸体端部通过球铰与所述法兰管轴的安装平台铰接，所述液压缸的活塞杆端部通过球铰与所述第二浮体内壁上的安装座铰接。

如上所述的波浪能发电装置，优选地，所述能量提取单元包括第一组能量提取单元和第二组能量提取单元；所述第一组能量提取单元包括两组平行设置的液压缸，所述第二组能量提取单元包括两组平行设置的液压缸，所述第一组能量提取单元与所述第二组能量提取单元前后布置且相互正交。

如上所述的波浪能发电装置，优选地，所述第一组能量提取单元的中心线与浮体纵向剖面之间具有夹角，该夹角为横摇角。

如上所述的波浪能发电装置，优选地，所述法兰管轴具有用于穿设电缆和油管的中心轴孔。

如上所述的波浪能发电装置，优选地，所述第一浮体与所述第二浮体之间设置有波纹护套，所述波纹护套一端通过法兰与所述第一浮体的端部外壁连接，所述波纹护套另一端通过法兰与所述第二浮体的端部外壁连接，所述法兰管轴的外端部设置在所述波纹护套内，将所述法兰管轴的外端部密封。如上所述的波浪能发电装置，优选地，所述球面轴承的两端设置有用于密封球面轴承的密封圈。

如上所述的波浪能发电装置，优选地，每组浮体包括多个横向连接的圆柱形中空管。

本发明提供的波浪能发电装置，通过连接单元将相邻的浮体铰接，能量提取单元设置在浮体内部，连接单元的结构简单，能量提取单元设置在浮体内部，因而需要防腐处理环节较少，波浪能发电装置的使用寿命和运行可靠性较高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的波浪能发电装置的主视图；

图2为图1所示波浪能发电装置的俯视图；

图3为图1中I处的局部放大图；

图4为本发明实施例提供的连接单元和能量提取单元的剖视图；

图5为本发明实施例提供的能量提取单元的剖视图；

图6为本发明实施例提供的能量提取单元的空间布置图；

图7为本发明实施例提供的波浪能发电装置的摆动状态图；

图8为本发明实施例提供的波浪能发电装置的原理图；

图9为本发明另一实施例提供的波浪能发电装置的主视图；

图10为图9所示的波浪能发电装置的俯视图；

图11为图9所示的波浪能发电装置的左视图。

附图标记：

100-第一浮体；200-第二浮体；1-连接单元；

2-能量提取单元；3-波纹护套；11-球面轴承；

12-法兰管轴；13-密封圈；14-锁紧环；

15-安装座；16-球铰；17-法兰；

21-第一组能量提取单元；22-第二组能量提取单元。

具体实施方式

图1为本发明实施例提供的波浪能发电装置的主视图；图2为图1所示波浪能发电装置的俯视图；图3为图1中I处的局部放大图。

如图1-3所示，本实施例提供的一种波浪能发电装置，包括连接单元、至少两组中空的浮体和至少一组能量提取单元，能量提取单元用于吸收浮体相对运动产生的机械能，并将该机械能储存至储能单元，以驱动发电机发电。连接单元将相邻的两组浮体铰接；能量提取单元密封设置于浮体内部。浮体的数量可以根据海面波浪大小确定，相邻的浮体之间可以通过连接单元铰接，使得相邻浮体可以相对于彼此中心线在一定的扇区内自由摆动，能量提取单元抵抗相邻浮体的相对摆动，相邻浮体的相对摆动将波浪能转换为机械能，能量提取单元可以将相邻浮体相对摆动的机械能转换成液压能等其他能量，然后驱动发电机转动发电。

浮体可以为圆筒形或椭圆筒形，为减小极端海况下的拖曳力，可以将第一浮体100(前端浮体)的艏部制成圆锥形状或椭圆形状，在极端海况下，该波浪能发电装置可以像冲浪滑板一样潜入水中，减小波浪对波浪能发电装置的冲击。

连接单元将第一浮体100和第二浮体200铰接，可以实现万向铰接，使得第一浮体100和第二浮体200可以在一定扇区角度内自由摆动。当然，如果波浪能发电装置具有多个浮体，则其他相邻浮体之间也可以通过连接单元铰接，具体连接方式和铰接结构相同。

能量提取单元可以为液压缸结构，通过液压缸提取的波浪能转换为液压能存储在蓄能单元内，通过蓄能单元内的液压能驱动液压马达和发电机进行发电。本实施例中，可以将能量提取单元设置在第一浮体100和第二浮体200的中空壳体内，避免海水对能量提取单元的腐蚀。

图4为本发明实施例提供的连接单元和能量提取单元的剖视图；图5为本发明实施例提供的能量提取单元的剖视图；图6为本发明实施例提供的能量提取单元的空间布置图；图7为本发明实施例提供的波浪能发电装置的摆动状态图。

如图4-7所示，优选地，本实施例中，连接单元1可以包括球面轴承11和法兰管轴12。球面轴承11的外环上设有法兰17，球面轴承11的外环及法兰17与第二浮体200的端部内壁连接。法兰管轴12一端的法兰121与第一浮体100的端部外壁连接，法兰管轴12的主体穿设在球面轴承11的内环中，且深入至第二浮体200内部。

球面轴承11的两端设置有用于密封球面轴承的密封圈13，密封圈13可以使得球面轴承的两端实现密封固定，避免海水进入球面轴承11内部，提高球面轴承11的使用寿命。在球面轴承14内侧还设置有锁紧环14。

第一浮体100与第二浮体200之间设置有波纹护套3，波纹护套3一端通过法兰与第一浮体100的端部外壁连接，波纹护套3另一端通过法兰与第二浮体200的端部外壁连接，法兰管轴12的外端部设置在波纹护套3内，将法兰管轴12的外端部密封。波纹护套3可以由橡胶护套和弹簧钢丝组成，可提供一定的抗扭刚度。波纹护套3可以避免连接单元与海水的接触，避免海水侵蚀、泥沙对连接单元的磨损以及浮游生物的附着。

能量提取单元可以为四组，每组能量提取单元包括两个液压缸2；液压缸2的缸体端部与位于第二浮体200内部的法兰管轴12一端铰接，液压缸2的活塞杆端部与第二浮体200内壁铰接。具体地，为方便液压缸2的安装，可以在位于第二浮体200内部的法兰管轴12一端开设有四个安装平台122，每个安装平台122上设置有用于安装液压缸2的螺纹孔，液压缸2的缸体端部通过球铰16与法兰管轴12的安装平台122铰接，液压缸2的活塞杆端部通过球铰16与第二浮体200内壁上的安装座15铰接，可以通过螺栓杆实现上述连接。由于采用球面轴承11铰接，相邻浮体可以通过球面轴承11做万向旋转运动，同时液压缸可以绕法兰管轴12的端部做万向运动，能量提取单元可以在纵向空间上任意布置。将液压缸的两端通过球铰连接到法兰管轴12和第二浮体200内壁的安装座15上，可以将储能单元布置在液压缸2的旁边，液压缸2到储能单元距离短，因此能量损失也小，整个波浪能发电装置的工作效率高。

液压缸2的两个腔室都连接到浮体内部的储能单元中。因此，第一浮体100和第二个浮体200之间的相对旋转运动，使得液压缸2的活塞杆在缸体内部做相对直线运动，从而引起液压高压油在储能单元和液压缸2之间流动。图6所示为浮体在静平衡位置处的横剖图，两对液压缸在前，两对液压缸在后。相互垂直的对称轴包括艏摇轴A和纵摇轴B。第一对液压缸B3、B4在纵摇轴B的下侧，第一对液压缸B3、B4的活塞杆端部连接到第二浮体的两个支座上。第二对液压缸A3、A4在纵摇旋转轴B的上侧，第二对液压缸A3、A4的活塞杆端部连接到第二浮体内壁的两个支座上。第三对液压缸B1、B2在艏摇轴A的左侧，第三对液压缸B1、B2的活塞缸端部连接到第二浮体内壁的两个支座上。第四对液压缸A1、A2在艏摇轴A的右侧，第四对液压缸A1、A2的活塞杆端部连接到第二浮体内壁的两个支座上。具体地，能量提取单元包括第一组能量提取单元21和第二组能量提取单元22；第一组能量提取单元21包括两组平行设置的液压缸，第二组能量提取单元22包括两组平行设置的液压缸，第一组能量提取单元21与第二组能量提取单元22前后布置且相互正交，可以保证第一浮体100和第二浮体200相对自由摆动。

第一组能量提取单元21的中心线与浮体纵向剖面之间具有夹角，该夹角为横摇角θ。横摇角θ是可以根据波浪能发电装置的系泊系统和压载综合确定。通过设定适当的横摇角θ，波浪能装置可以在波浪力的响应下产生纵摇和艏摇的耦合运动。变化的横摇角θ会影响到横摇、艏摇耦合运动和自激响应的幅度。横摇角θ的选择依据是在最关心的波频下(最常发生的海况下)，使得波浪能发电装置出现最大耦合运动响应。影响横摇角θ的因素包括：波浪能发电装置的总长度、每个浮体分段长度、浮体的截面形状、选址处的平均波浪周期以及能量提取单元的属性等。

通过施加到液压缸的对外输出阻尼来影响相邻浮体的旋转刚度和阻尼，再选取适当的横摇角θ则可激发装置的共振响应。在给定海况下，能提取最大的能量。通过控制不同液压回路的对外力学特性可以在小海况下使得能量提取效率以及能量提取值最大化，带动艏摇为主的运动；在较大海况下，带动以纵摇为主的运动；在极端海况下，限制装置运动响应，提高装置的生存能力。

图8为本发明实施例提供的波浪能发电装置的原理图；如图8所示，当波浪力作用在波浪能发电装置时,相邻浮体产生上下起伏和左右摇摆响应，发生相对摆动运动，实现将波浪能转换为浮体运动的机械能(一级转换)。然后驱动液压缸的活塞的运动，对液压系统加压产生高压油，将机械能转化为液压能(二级转换)。压力油驱动液压马达51旋转，实现将液压能转化为旋转机械能(三级转换)。通过液压马达51驱动发电机52，将旋转机械能转换为电能(四级转换)。为使能量吸收最大化以及能量输出波动尽量小，储能元件选用尺寸及压力容量适当的高压蓄能器53和低压蓄能器54。能量提取单元，即液压缸通过单向阀55把高压油直接注入高压蓄能器53。高压油驱动液压马达51带动发电机52发电。

该波浪能发电装置对外呈现的力学特性要随海况不同而变化。海浪较小时，不宜提供大刚度阻尼，以免对波浪能发电装置运动影响过小；海浪较大时，不宜提供小刚度阻尼，以防止浮体发生碰撞破损。液压缸的每个腔室均配有一个电磁换向阀56，可以调节液压缸的两个腔室的压力差。如果将电磁换向阀56打开，两个腔室压力一致，液压缸对外产生很小阻尼，相当于该液压缸被短路。如果将电磁换向阀56关闭，两个腔室压力将取决于高、低压蓄能器的瞬时值。

为了提高发电单元的发电质量，采用储能单元对瞬时能量进行缓冲，起到消峰蓄能稳压的作用。四对液压缸通过实时调节电磁换向阀56呈现不同的力学特性以匹配瞬时海况。两个横剖面上的液压缸是相互交叉连接到两套能量缓存系统即液压系统中，其中，第一对液压缸B3、B4和第三对液压缸B1、B2接入一套液压系统，第二对液压缸A3、A4和第四对液压缸A1、A2接入另一套液压系统，两套液压系统可以通过截止阀57关断或导通。为提高发电效率可将两套液压回路进行导通，而一旦一套液压回路出现故障，则可通过截止阀57关断两套系统的联系，这样可保证对两个方向的运动均存在约束，而不至于过大的运动导致浮体之间发生碰撞。

本实施例提供的波浪能发电装置，通过连接单元将相邻的浮体铰接，能量提取单元设置在浮体内部，连接单元的结构简单，能量提取单元设置在浮体内部，因而需要防腐处理环节较少，波浪能发电装置的使用寿命和运行可靠性较高。

在上述实施例提供的波浪能发电装置技术方案的基础上，进一步地，法兰管轴12具有用于穿设电缆和油管的中心轴孔123，该中心轴孔123能够满足单回路或多回路的电缆或油管通过，同时满足液压缸2的端部铰接。通过法兰管轴12的中心轴孔123连接电缆及油管，可以保证电缆和油管不与海水接触，不但方便连接，还可以延长电缆和油管的使用寿命。

另外，相邻的浮体之间还可以设置有机械保护机构，当波浪能发电装置处于无动力状态或控制系统故障时，该机械保护机构可以提供安全保护，防止浮体发生破坏性碰撞。该波浪能发电装置还设置有压载系统，可以调节浮体的吃水深度。

图9为本发明另一实施例提供的波浪能发电装置的主视图；图10为图9所示的波浪能发电装置的俯视图；图11为图9所示的波浪能发电装置的左视图。

如图9-11所示，在上述实施例提供的波浪能发电装置的基础上，每组浮体可以包括多个横向连接的圆柱形中空管。本实施例中，第一浮体100包括三个横向连接的圆柱形中空管，第二浮体200也包括三个横向连接的圆柱形中空管，连接单元将第一浮体100和第二浮体200中的圆柱形空管铰接在一起，使得第一浮体100和第二浮体200可以在一定扇区角度范围内自由摆动，圆柱形中空管可以为轻质材料中空管。

本实施例提供的波浪能发电装置，采用三个横向联体管结构，可以提高波浪能发电装置吸收波浪能的能力，在上述圆柱筒浮体基础上，在圆柱筒浮体的两侧各连接一个轻质材料中空管，可以增加波浪能发电装置的宽度，以增大迎波面宽度，从而显著增加单体波浪能发电装置的发电量和发电功率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种波浪能发电装置，其特征在于，包括连接单元、至少两组中空的浮体和至少一组能量提取单元，所述能量提取单元用于吸收所述浮体相对运动产生的机械能，并将该机械能储存至储能单元，以驱动发电机发电；

所述连接单元将相邻的两组浮体铰接；所述能量提取单元密封设置于所述浮体内部；

所述连接单元包括球面轴承和法兰管轴；

所述球面轴承的外环上设有法兰，所述球面轴承的外环及法兰与第二浮体的端部内壁连接；

所述法兰管轴一端的法兰与第一浮体的端部外壁连接，所述法兰管轴的主体穿设在所述球面轴承的内环中，且深入至所述第二浮体内部。

2.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述能量提取单元为四组，每组能量提取单元包括两个液压缸；

所述液压缸的缸体端部与位于所述第二浮体内部的法兰管轴一端铰接，所述液压缸的活塞杆端部与所述第二浮体内壁铰接。

3.根据权利要求2所述的波浪能发电装置，其特征在于，位于所述第二浮体内部的法兰管轴一端开设有四个安装平台，每个安装平台上设置有用于安装所述液压缸的螺纹孔，所述液压缸的缸体端部通过球铰与所述法兰管轴的安装平台铰接，所述液压缸的活塞杆端部通过球铰与所述第二浮体内壁上的安装座铰接。

4.根据权利要求3所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述能量提取单元包括第一组能量提取单元和第二组能量提取单元；所述第一组能量提取单元包括两组平行设置的液压缸，所述第二组能量提取单元包括两组平行设置的液压缸，所述第一组能量提取单元与所述第二组能量提取单元前后布置且相互正交。

5.根据权利要求4所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述第一组能量提取单元的中心线与所述浮体的纵向剖面之间具有夹角，该夹角为横摇角。

6.根据权利要求1-5任一所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述法兰管轴具有用于穿设电缆和油管的中心轴孔。

7.根据权利要求1-5任一所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述第一浮体与所述第二浮体之间设置有波纹护套，所述波纹护套一端通过法兰与所述第一浮体的端部外壁连接，所述波纹护套另一端通过法兰与所述第二浮体的端部外壁连接，所述法兰管轴的外端部设置在所述波纹护套内，将所述法兰管轴的外端部密封。

8.根据权利要求1-5任一所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述球面轴承的两端设置有用于密封球面轴承的密封圈。

9.根据权利要求1-5任一所述的波浪能发电装置，其特征在于，每组浮体包括多个横向连接的圆柱形中空管。