CN103758683B - 一种振荡浮子式波浪能发电装置的平衡稳定机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振荡浮子式波浪能发电装置的平衡稳定机构。现有振荡浮子式发电装置中未发现能随着风浪环境的变化而调节装置的稳定结构。本发明中壳体的底部开设有多个壳体通水孔，顶部固定有吊环；电源及驱动模块控制伺服电机，伺服电机的输出轴与减速器的输入轴固定；减速器的输出轴与丝杆的一端固定，丝杆的另一端从平衡箱顶部伸至底部；活塞与丝杆螺纹连接，将平衡箱分隔成上、下两个腔室，上腔室为气腔，下腔室为海水腔；海水腔的底部开设有多个平衡箱通水孔，平衡箱通水孔的数量与壳体通水孔的数量相等；每个平衡箱通水孔与壳体对应的壳体通水孔对齐设置；气腔与多个气囊连通。本发明能调节自身结构以提高发电装置的整体平衡稳定性。
Description
技术领域
本发明属于海洋能源利用技术领域，涉及振荡浮子式波浪能发电装置，具体涉及一种振荡浮子式波浪能发电装置的平衡稳定机构。
背景技术
随着社会现代化进程的加速，人类对能源的需求与日俱增，能源短缺问题也越来越明显，而解决这一问题的有效途径就是开发利用新型能源。海洋波浪能作为一种环保可再生新能源越来越受到全世界的关注，其研究和利用日益广泛。我国拥有1.8万公里的海岸线、6000多个岛屿及490万平方公里的管辖海域海洋面积，据世界能源委员会的调查显示,我国沿海的波浪能储量约为700万千瓦,有着广阔的开发前景。
目前的波浪能发电装置主要有以下三种类型：一、振荡水柱式发电装置，该装置是利用波浪带动气室内的水柱作上下往复运动，从而使水柱上部的空气柱产生振荡运动，再由空气推动发电装置发电。该装置对波浪能密度要求较高，适用于大风浪区域，但建造成本高、波浪能转换效率低；二、聚波蓄能式发电装置，该装置是利用逐渐变窄的波道使波高不断增加，直到波峰高过波道的边墙而溢出至蓄水库中，再利用水轮发电机组进行发电。该装置可靠性好、维护方便，但对地形和波道要求严格；三、振荡浮子式发电装置，该装置是利用波浪推动浮子运动来吸收波浪能，再由浮子带动机械或液压装置结构驱动发电装置来发电。该装置吸收波浪能效率高、结构简单。但是浮子振荡太剧烈会削弱整个发电装置的平衡稳定性，甚至破坏结构可靠性。因此振荡浮子式发电装置仅适用于波浪能密度较低的场合，在恶劣的海洋环境中整个发电装置的稳定性不高、可靠性低。
而现实的海洋环境多变，尤其是大风浪及其不可准确预测性，要求振荡浮子式发电装置必须本身具有较高的平衡稳定性来抵抗恶劣的工作环境，而且这种平衡稳定性最好能够与风浪环境相适应，即风浪大时，平衡稳定机构调节到较大的作用阈值，以削弱风浪对发电装置稳定性及结构的破坏，而风浪小时，平衡稳定机构调节到较小的作用阈值，以提高浮子的振动程度而提高发电效率。据已检索的大量文献资料，振荡浮子式发电装置中未发现其本身自带的平衡稳定机构具有自适应性，即能够随着风浪环境的变化而调节装置的稳定结构。目前在振荡浮子发电装置的平衡稳定机构都为不可调节的质量块，通过质量块对浮子的拖拽，以减小大风浪时浮子的振荡程度。例如，申请号为201110337128.3，名称为“多振荡浮子式波浪能液压发电装置”的发明专利中，配重体通过传动索与振荡浮子相连，配重体的作用主要有两点：一是配合浮子拉紧传动索；二是提高装置整体的平衡稳定性。申请号为201220616249.1,名称为“漂浮型振荡浮子式液压波浪能发电装置”的实用新型专利中，配重物也为不可调节的质量块。上述专利中，配重体都是不可调节的质量块，装置的稳定性在安装完成时便完全确定，如遇较大风浪时，无法调整自身结构对风浪做出响应以提高整体装置的稳定性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种振荡浮子式波浪能发电装置的平衡稳定机构，该平衡稳定机构能够随着风浪环境的变化而调节自身结构以提高发电装置的整体平衡稳定性。
本发明包括壳体、伺服电机、减速器、丝杆、活塞、平衡箱、气囊和电源及驱动模块。所述壳体的底部开设有多个壳体通水孔，顶部固定有吊环；伺服电机、减速器、丝杆、活塞、平衡箱、气囊和电源及驱动模块均设置在壳体内；所述的电源及驱动模块控制伺服电机，伺服电机的输出轴与减速器的输入轴固定；所述减速器的输出轴与丝杆的一端固定，丝杆的另一端从平衡箱的顶部伸入，并伸至底部；所述的活塞与丝杆螺纹连接，将平衡箱分隔成上、下两个腔室，上腔室为气腔，下腔室为海水腔；所述海水腔的底部开设有多个平衡箱通水孔，平衡箱通水孔的数量与壳体通水孔的数量相等；每个平衡箱通水孔与壳体对应的壳体通水孔对齐设置；所述的气腔与多个气囊连通。
所述的电源及驱动模块包括供电系统、平衡稳定控制器、传感器和伺服驱动器；所述的供电系统包括蓄电池、逆变器、DC/DC电源转换模块、平衡稳定控制器稳压芯片和传感器稳压芯片。所述蓄电池的输出端与逆变器的输入端及DC/DC电源转换模块的输入端连接；逆变器的输出端与伺服驱动器的电源输入端连接；DC/DC电源转换模块的输出端与平衡稳定控制器稳压芯片的输入端、平衡稳定控制器的第一电源输入端连接；平衡稳定控制器稳压芯片的输出端与传感器稳压芯片的输入端、平衡稳定控制器的第二电源输入端连接；传感器稳压芯片为传感器供电；所述平衡稳定控制器的传感器输入端与传感器的输出端连接，控制信号输出端与伺服驱动器的转速控制信号输入端和转向控制信号输入端连接；所述伺服驱动器的交流电输出端与伺服电机的电源输入端连接，伺服电机的编码器输出端与伺服驱动器的编码信号输入端连接。
所述的传感器为加速度传感器，也可为速度传感器或振动传感器。
所述的平衡稳定控制器包括单片机IC1、第一光电耦合器IC2、第二光电耦合器IC3、JTAG端子U、复位按键K、二极管D、电容C、第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3、第四限流电阻R4、第五限流电阻R5、第六限流电阻R6、第七限流电阻R7、第八限流电阻R8和第九限流电阻R9；所述的单片机IC1采用单片机ATmega128，第一光电耦合器IC2和第二光电耦合器IC3的型号均为TLP521-1。
所述平衡稳定控制器稳压芯片的输出端输出+5V电压与单片机IC1的21脚、52脚、64脚，JTAG端子U的4脚、7脚，二极管D的负极，第一限流电阻R1的一端、第六限流电阻R6的一端、第七限流电阻R7的一端、第八限流电阻R8的一端及第九限流电阻R9的一端连接。所述第一限流电阻R1的另一端与复位按键K的一端、二极管D的正极、电容C的一端及单片机IC1的20脚连接；复位按键K的另一端和电容C的另一端连接并接地。所述JTAG端子U的1脚与单片机IC1的57脚、第九限流电阻R9的另一端连接，3脚与单片机IC1的55脚、第七限流电阻R7的另一端连接，5脚与单片机IC1的56脚、第八限流电阻R8的另一端连接，9脚与单片机IC1的54脚、第六限流电阻R6的另一端连接，2脚、10脚均接地，6脚、8脚均悬空。所述单片机IC1的22脚、53脚、63脚均接地。
所述的传感器稳压芯片输出+3.3V电压与传感器的1脚、6脚连接；传感器的7脚与单片机IC1的10脚连接，14脚与单片机IC1的11脚连接，13脚与单片机IC1的12脚连接，12脚与单片机IC1的13脚连接，2脚、5脚均接地。所述的传感器采用三轴加速度计MMA7455。
所述DC/DC电源转换模块的输出端输出+24V电压与第三限流电阻R3的一端及第五限流电阻R5的一端连接；第三限流电阻R3的另一端与第一光电耦合器IC2的4脚及伺服驱动器的转速控制信号输入端连接，第五限流电阻R5的另一端与第二光电耦合器IC3的4脚及伺服驱动器的转向控制信号输入端连接；所述第一光电耦合器IC2的1脚与第二限流电阻R2的一端连接，第二限流电阻R2的另一端与单片机IC1的14脚连接；所述第二光电耦合器IC3的1脚与第四限流电阻R4的一端连接；第四限流电阻R4的另一端与单片机IC1的51脚连接；第一光电耦合器IC2的2脚、3脚及第二光电耦合器IC3的2脚、3脚均接地。
本发明的有益效果：
1、当振荡浮子式波浪能发电装置所处的工作环境不稳定时，可以通过增大本发明的自身重量来增强平衡稳定性；当工作环境恢复稳定后，减轻本发明的自身重力，提高波浪能的吸收效率。
2、本发明结构简单，可调节性能好，波浪能转换效率高。
附图说明
图1为本发明的整体结构剖视图；
图2为本发明中电源及驱动模块的示意图；
图3为图2中平衡稳定控制器的电路图；
图4为本发明与振荡浮子式波浪能发电装置的装配立体图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种振荡浮子式波浪能发电装置的平衡稳定机构包括壳体1、伺服电机2、减速器3、丝杆4、活塞5、平衡箱6、气囊7和电源及驱动模块8。壳体1的底部对称开设有两个壳体通水孔1-1，顶部固定有吊环9；伺服电机2、减速器3、丝杆4、活塞5、平衡箱6、气囊7和电源及驱动模块8均设置在壳体1内；电源及驱动模块8控制伺服电机2，伺服电机2的输出轴与减速器3的输入轴固定；减速器3的输出轴与丝杆4的一端固定，丝杆4的另一端从平衡箱6的顶部伸入，并伸至底部；活塞5与丝杆4螺纹连接，将平衡箱6分隔成上、下两个腔室，上腔室为气腔6-1，下腔室为海水腔6-2；海水腔6-2的底部开设有两个平衡箱通水孔6-3，每个平衡箱通水孔6-3与壳体对应的壳体通水孔1-1对齐设置；气腔6-1的两侧分别与一个气囊7连通。
如图2所示，电源及驱动模块8包括供电系统8-1、平衡稳定控制器8-2、传感器8-3和伺服驱动器8-4；传感器8-3采用飞思卡尔公司的三轴加速度计MMA7455。供电系统8-1包括蓄电池8-1-1、逆变器8-1-2、DC/DC电源转换模块8-1-3、平衡稳定控制器稳压芯片8-1-4和传感器稳压芯片8-1-5。蓄电池8-1-1的输出端与逆变器8-1-2的输入端及DC/DC电源转换模块8-1-3的输入端连接；逆变器8-1-2的输出端与伺服驱动器8-4的电源输入端连接；DC/DC电源转换模块8-1-3的输出端与平衡稳定控制器稳压芯片8-1-4的输入端、平衡稳定控制器8-2的第一电源输入端连接；平衡稳定控制器稳压芯片8-1-4的输出端与传感器稳压芯片8-1-5的输入端、平衡稳定控制器8-2的第二电源输入端连接；传感器稳压芯片8-1-5为传感器8-3供电；平衡稳定控制器8-2的传感器输入端与传感器8-3的输出端连接，控制信号输出端与伺服驱动器8-4的转速控制信号输入端和转向控制信号输入端连接；伺服驱动器8-4的交流电输出端与伺服电机的电源输入端连接，伺服电机2的编码器输出端与伺服驱动器8-4的编码信号输入端连接。
如图3所示，平衡稳定控制器8-2包括单片机IC1、第一光电耦合器IC2、第二光电耦合器IC3、JTAG端子U、复位按键K、二极管D、电容C、第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3、第四限流电阻R4、第五限流电阻R5、第六限流电阻R6、第七限流电阻R7、第八限流电阻R8和第九限流电阻R9；单片机IC1采用ATMEL公司的八位单片机ATmega128，第一光电耦合器IC2和第二光电耦合器IC3的型号均为TLP521-1。
平衡稳定控制器稳压芯片8-1-4的输出端输出+5V电压与单片机IC1的21脚、52脚、64脚，JTAG端子U的4脚、7脚，二极管D的负极，第一限流电阻R1的一端、第六限流电阻R6的一端、第七限流电阻R7的一端、第八限流电阻R8的一端及第九限流电阻R9的一端连接。第一限流电阻R1的另一端与复位按键K的一端、二极管D的正极、电容C的一端及单片机IC1的20脚连接；复位按键K的另一端和电容C的另一端连接并接地。JTAG端子U的1脚与单片机IC1的57脚、第九限流电阻R9的另一端连接，3脚与单片机IC1的55脚、第七限流电阻R7的另一端连接，5脚与单片机IC1的56脚、第八限流电阻R8的另一端连接，9脚与单片机IC1的54脚、第六限流电阻R6的另一端连接，2脚、10脚均接地，6脚、8脚均悬空。单片机IC1的22脚、53脚、63脚均接地。
传感器稳压芯片8-1-5输出+3.3V电压与传感器8-3的1脚、6脚连接；传感器8-3的7脚与单片机IC1的10脚连接，14脚与单片机IC1的11脚连接，13脚与单片机IC1的12脚连接，12脚与单片机IC1的13脚连接，2脚、5脚均接地。
DC/DC电源转换模块8-1-3的输出端输出+24V电压与第三限流电阻R3的一端及第五限流电阻R5的一端连接；第三限流电阻R3的另一端与第一光电耦合器IC2的4脚及伺服驱动器8-4的转速控制信号输入端连接，第五限流电阻R5的另一端与第二光电耦合器IC3的4脚及伺服驱动器8-4的转向控制信号输入端连接；第一光电耦合器IC2的1脚与第二限流电阻R2的一端连接，第二限流电阻R2的另一端与单片机IC1的14脚连接；第二光电耦合器IC3的1脚与第四限流电阻R4的一端连接；第四限流电阻R4的另一端与单片机IC1的51脚连接；第一光电耦合器IC2的2脚、3脚及第二光电耦合器IC3的2脚、3脚均接地。
该振荡浮子式波浪能发电装置的平衡稳定机构的工作原理：
如图1和4所示，该平衡稳定机构通过吊环9固定在振荡浮子式波浪能发电装置的波浪能捕获浮子10下方；传感器8-3检测外界工作环境，并输出信号传给平衡稳定控制器8-2；平衡稳定控制器8-2根据传感器8-3的输出信号判断工作环境是否稳定，并输出控制信号控制伺服驱动器8-4。当风浪较大时，伺服驱动器8-4驱动伺服电机2转动，使活塞5向上移动，将气腔6-1中的气体压缩至气囊7中，海水通过壳体通水孔1-1及平衡箱通水孔6-3进入海水腔6-2，该平衡稳定机构的质量增大，稳定性增强；工作环境稳定时，伺服驱动器8-4驱动伺服电机2转动，使活塞5向下移动，将海水腔6-2中的海水排入海洋。波浪能捕获浮子10捕获波浪能，波浪能发电装置11对波浪能捕获浮子10吸收的波浪能进行发电。
电源及驱动模块8的工作原理：
如图2和3所示，蓄电池8-1-1的输出电压为48V；逆变器8-1-2将蓄电池8-1-1的直流48V转换为交流220V，为伺服驱动器8-4供电；DC/DC电源转换模块8-1-3将蓄电池8-1-1的直流48V转换为直流24V，用来驱动第一光电耦合器IC2和第二光电耦合器IC3放大单片机IC1的脉冲信号；使用平衡稳定控制器稳压芯片8-1-4将DC/DC电源转换模块8-1-3输出的直流24V转换为5V，为单片机IC1供电；传感器稳压芯片8-1-5将平衡稳定控制器稳压芯片8-1-4输出的直流5V转换为3.3V为传感器8-3供电。
平衡稳定控制器8-2的MCU采用型号为ATmega128的单片机IC1，由于单片机IC1的I/O口只能输出低电平为0V、高电平为5V的脉冲信号，而伺服驱动器8-4的控制输入要求为低电平0V、高电平24V的脉冲信号，第一光电耦合器IC2和第二光电耦合器IC3的作用一方面是将单片机IC1的脉冲信号进行放大以与伺服驱动器8-4的控制输入相匹配，另一方面是信号隔离，提高平衡稳定控制器8-2的抗干扰性。当单片机IC1的14脚输出低电平为0V、高电平为5V的脉冲信号时，第一光电耦合器IC2的4脚输出低电平为0V、高电平为24V的脉冲信号，通过第一光电耦合器IC2的4脚将转速控制信号进行隔离放大后输入到伺服驱动器的转速控制信号输入端，从而控制伺服电机2的转速；同理，通过第二光电耦合器IC3，单片机IC1的51脚可以控制伺服电机2的转向。
传感器8-3采用飞思卡尔公司的三轴加速度计MMA7455，通过SPI通信方式与单片机IC1进行数据交换；JTAG端子U采用JTAG接口技术，可为单片机IC1下载、调试程序。
Claims (4)
1.一种振荡浮子式波浪能发电装置的平衡稳定机构，包括壳体、伺服电机、减速器、丝杆、活塞、平衡箱、气囊和电源及驱动模块，其特征在于：
所述壳体的底部开设有多个壳体通水孔，顶部固定有吊环；伺服电机、减速器、丝杆、活塞、平衡箱、气囊和电源及驱动模块均设置在壳体内；所述的电源及驱动模块控制伺服电机，伺服电机的输出轴与减速器的输入轴固定；所述减速器的输出轴与丝杆的一端固定，丝杆的另一端从平衡箱的顶部伸入，并伸至底部；所述的活塞与丝杆螺纹连接，将平衡箱分隔成上、下两个腔室，上腔室为气腔，下腔室为海水腔；所述海水腔的底部开设有多个平衡箱通水孔，平衡箱通水孔的数量与壳体通水孔的数量相等；每个平衡箱通水孔与壳体对应的壳体通水孔对齐设置；所述的气腔与多个气囊连通。
2.根据权利要求1所述的一种振荡浮子式波浪能发电装置的平衡稳定机构，其特征在于：所述的电源及驱动模块包括供电系统、平衡稳定控制器、传感器和伺服驱动器；所述的供电系统包括蓄电池、逆变器、DC/DC电源转换模块、平衡稳定控制器稳压芯片和传感器稳压芯片；所述蓄电池的输出端与逆变器的输入端及DC/DC电源转换模块的输入端连接；逆变器的输出端与伺服驱动器的电源输入端连接；DC/DC电源转换模块的输出端与平衡稳定控制器稳压芯片的输入端、平衡稳定控制器的第一电源输入端连接；平衡稳定控制器稳压芯片的输出端与传感器稳压芯片的输入端、平衡稳定控制器的第二电源输入端连接；传感器稳压芯片为传感器供电；所述平衡稳定控制器的传感器输入端与传感器的输出端连接，控制信号输出端与伺服驱动器的转速控制信号输入端和转向控制信号输入端连接；所述伺服驱动器的交流电输出端与伺服电机的电源输入端连接，伺服电机的编码器输出端与伺服驱动器的编码信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种振荡浮子式波浪能发电装置的平衡稳定机构，其特征在于：所述的传感器为加速度传感器、速度传感器或振动传感器。
4.根据权利要求2所述的一种振荡浮子式波浪能发电装置的平衡稳定机构，其特征在于：所述的平衡稳定控制器包括单片机IC1、第一光电耦合器IC2、第二光电耦合器IC3、JTAG端子U、复位按键K、二极管D、电容C、第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、第三限流电阻R3、第四限流电阻R4、第五限流电阻R5、第六限流电阻R6、第七限流电阻R7、第八限流电阻R8和第九限流电阻R9；所述的单片机IC1采用单片机ATmega128，第一光电耦合器IC2和第二光电耦合器IC3的型号均为TLP521-1；
所述平衡稳定控制器稳压芯片的输出端输出+5V电压，并与单片机IC1的21脚、52脚、64脚，JTAG端子U的4脚、7脚，二极管D的负极，第一限流电阻R1的一端，第六限流电阻R6的一端，第七限流电阻R7的一端，第八限流电阻R8的一端及第九限流电阻R9的一端连接；所述第一限流电阻R1的另一端与复位按键K的一端、二极管D的正极、电容C的一端及单片机IC1的20脚连接；复位按键K的另一端和电容C的另一端连接并接地；所述JTAG端子U的1脚与单片机IC1的57脚、第九限流电阻R9的另一端连接，3脚与单片机IC1的55脚、第七限流电阻R7的另一端连接，5脚与单片机IC1的56脚、第八限流电阻R8的另一端连接，9脚与单片机IC1的54脚、第六限流电阻R6的另一端连接，2脚、10脚均接地，6脚、8脚均悬空；所述单片机IC1的22脚、53脚、63脚均接地；
所述的传感器稳压芯片输出+3.3V电压，并与传感器的1脚、6脚连接；传感器的7脚与单片机IC1的10脚连接，14脚与单片机IC1的11脚连接，13脚与单片机IC1的12脚连接，12脚与单片机IC1的13脚连接，2脚、5脚均接地；所述的传感器采用三轴加速度计MMA7455；
所述DC/DC电源转换模块的输出端输出+24V电压，并与第三限流电阻R3的一端及第五限流电阻R5的一端连接；第三限流电阻R3的另一端与第一光电耦合器IC2的4脚及伺服驱动器的转速控制信号输入端连接，第五限流电阻R5的另一端与第二光电耦合器IC3的4脚及伺服驱动器的转向控制信号输入端连接；所述第一光电耦合器IC2的1脚与第二限流电阻R2的一端连接，第二限流电阻R2的另一端与单片机IC1的14脚连接；所述第二光电耦合器IC3的1脚与第四限流电阻R4的一端连接；第四限流电阻R4的另一端与单片机IC1的51脚连接；第一光电耦合器IC2的2脚、3脚及第二光电耦合器IC3的2脚、3脚均接地。
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