CN104061115B - 一种漂浮式多浮子波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漂浮式多浮子波浪能发电装置，包括浮动式结构、锚泊系统、液压传动系统和发电系统。浮动式结构漂浮在海面上并由锚泊系统系留，浮动式结构的多个浮子分别由摆臂连接主浮体。浮子随波运动并与波浪产生共振，受波浪激励做升沉运动的浮子带动摆臂绕固定支点摆动，驱使液压缸的活塞杆做往复运动，推动液压缸中的油性介质进入液压系统形成回路进入液压马达，液压马达旋转带动发电机发电，实现利用波浪能发电。本装置利用随波浪上下起伏运动的多个浮子吸收海水波浪能，通过阻尼式底盘以及三点水平系留方式的锚泊系统提高装置主浮体在风浪中的稳性，具有转换效率高、稳性强、可靠性高的特点。

Description

一种漂浮式多浮子波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及海洋波浪能发电装置，特别是涉及漂浮式多浮子波浪能发电装置。

背景技术

随着煤炭、石油等化石能源的日渐枯竭，开发利用各种新形式的可再生能源成为世界各国共同关注的焦点。以波浪能为代表的海洋能源具有储量巨大、清洁并可再生的特点，是一种极具发展潜力的替代能源形式。波浪能的开发利用从上世纪七十年代世界石油危机爆发后得到欧洲北海沿岸国家的重视，经过三十多年的密集投入和持续开发，已经获得了长足进展。

早期的波浪能发电装置多为岸基固定式结构，将波浪能装置安装在岸边修建的固定水工基础或建筑物上，后发展出离岸座底式装置。离岸座底式装置的结构形式与岸基固定装置相似，同样需要修建固定式的水工安装基础或离岸的海上建筑物。无论岸基还是离岸的固定式波浪能发电装置都需要修建大型的水工基础或海上建筑物，工程投资高、难度大，严重影响波浪能发电装置的经济效益。另外，固定式结构没有缓冲能力，易受到风浪的破坏，发电装置可靠性较差，限制了波浪能利用的实用化及推广前景。

基于上述原因，目前国内外正在研究开发的波浪能装置已逐渐采用漂浮式结构。漂浮式装置是将波能俘获系统安装在浮动的载体或平台上，如波浪能发电船，或者俘获系统本身就是漂浮式的结构物。如英国的“海蛇”漂浮式波浪能发电装置，它是由多节圆柱型的浮筒通过铰接结构连接在一起组成，通过浮筒在波浪作用下的相对运动驱动铰接点的液压系统产生能量。

但是，漂浮式结构的波浪能发电装置目前都存在着发电装置载体及俘获结构的体积巨大，导致装置吃水面积较大，载体受风浪作用明显，自身稳性差，使得载体与俘获结构之间的相对运动不明显，波浪能吸收和利用的效率低。俘获结构体积巨大还会导致发电装置对波浪作用的响应速度较慢，使得俘获结构的运动与波浪之间存在相位差，影响装置的波浪能吸收效率。而且，我国近海由于受地形影响，波浪破碎显著，小波浪的情况较多，在小波浪条件下大型载体和俘获结构的波浪能装置普遍性能较差，难以实现波浪能利用的产业化。

发明内容

针对现有技术的波浪能发电装置所存在的不足，本发明推出一种漂浮式多浮子波浪能发电装置，采用作升沉运动的多个浮子与呈稳定姿态的主浮体的组合结构，利用受波浪激励作用的浮子与主浮体的相对运动俘获波浪能，以适应小波浪海况，加快波浪响应速度，提高波浪能吸收和利用效率。

本发明所涉及的漂浮式多浮子波浪能发电装置包括浮动式结构、锚泊系统、液压传动系统和发电系统。浮动式结构漂浮在海上，由锚泊系统系留，液压传动系统和发电系统设置在浮动式结构内。

浮动式结构包括浮子、主浮体和摆臂，摆臂连接浮子和主浮体。主浮体包括柱型浮筒、仪器平台和底盘，柱形浮筒由圆筒型结构的上浮筒、浮体舱和下浮筒构成，浮体舱位于柱形浮筒的中部，浮体舱直径大于上浮筒和下浮筒的直径。摆臂中部安装液压传动系统的液压缸，液压缸上端伸出的活塞杆上端与仪器平台下侧外周边铰接。

液压传动系统包括液压缸、蓄能器组、单向阀件和输油管，液压缸通过输油管连接蓄能器组和发电系统的液压马达。

所述的浮动式结构的浮子为4-6个，分别由摆臂连接主浮体的顶端。浮子呈短柱状，中间为直径1米、高0.25米的圆柱体，上下两侧为锥体，浮子总高0.5米。

所述的主浮体高11.4米，包括柱型浮筒、仪器平台和底盘。柱形浮筒高 10米，由三段不同直径的圆筒型结构连接而成，包括上浮筒、浮体舱和下浮筒。浮体舱高3米、直径1.5米，位于柱形浮筒的中部，上下两端分别通过密封法兰与上浮筒和下浮筒连接，确保浮体舱的密封性能。浮体舱直径大于上浮筒和下浮筒的直径。

仪器平台呈圆盘形，位于主浮体的顶端，仪器平台的下侧与柱形浮筒的上浮筒连接。仪器平台上安置太阳能电池板和仪器架，仪器架上端安装有风速仪、航标灯和通讯天线等仪器设备。

底盘位于主浮体的底端，为短圆筒形结构，固定在下浮筒的下端。底盘圆筒外侧设置阻尼片，8个阻尼片沿圆筒周边等距离设置并呈辐射状排列。

摆臂呈“Y”字型结构，长3.5米。摆臂下端与浮子单点铰接，上端通过双连接点铰接在上浮筒的顶部。摆臂中部安装有液压传动系统的液压缸，摆臂与液压缸下端通过铰接方式连接。液压缸内设置活塞，从液压缸上端伸出的活塞杆与仪器平台的下侧外周边铰接。

所述的锚泊系统包括浮球、锚链和系留锚，浮球通过锚链分别连接主浮体的柱型浮筒和设置海底的系留锚，使漂浮式多浮子波浪能发电装置系留海中。锚泊系统的浮球为3个，等距离设置在主浮体外围，在海面以下一定深度呈中性漂浮状态。浮球通过水平悬链连接主浮体柱型浮筒，通过垂直悬链连接海底系留锚。系留锚包括抓力锚和重力锚。

所述的液压传动系统包括液压缸、蓄能器组、单向阀件、输油管。液压缸设置在摆臂中部，蓄能器组、单向阀件、输油管设置在主浮体的柱形浮筒内。液压缸与蓄能器组由输油管连接，输油管设置单向阀件。

所述的发电系统包括油箱、液压马达、发电机，发电系统设置在主浮体的柱形浮筒内。油箱、液压马达与液压传动系统的蓄能器组由输油管连接，液压马达连接发电机。

本发明所涉及的漂浮式多浮子波浪能发电装置海面上呈漂浮状态，通过锚泊系统固定在海底。在波浪作用下，浮子会产生一定周期和振幅的随波运动，并与波浪产生共振；做升沉运动的浮子带动摆臂绕固定支点摆动，驱使液压缸的活塞杆做往复运动，推动液压缸中的油性介质进入液压系统形成回路；液压缸工作时活塞杆做双向运动，单向阀使液压缸排出的介质始终为单向回路；油性介质从液压缸中通过油管输出，进入高压蓄能器增压，再进入液压马达；液压马达旋转带动发电机发电，实现利用波浪能发电。

本发明所涉及的漂浮式多浮子波浪能发电装置利用随波浪上下起伏运动的多个浮子吸收海水波浪能，通过阻尼式底盘以及三点水平系留方式的锚泊系统提高装置主浮体在风浪中的稳性，具有转换效率高、稳性强、可靠性高的特点，为波浪能发电装置的研究开发展现新的前景。

附图说明

图1为一种漂浮式多浮子波浪能发电装置基本结构示意图；

图2为一种漂浮式多浮子波浪能发电装置液压传动系统结构示意图；

图3为一种漂浮式多浮子波浪能发电装置发电系统结构示意图。

图中标记说明：

01、太阳能电池板 02、仪器平台

03、摆臂 04、上浮筒

05、密封法兰 06、水平悬链

07、底盘 08、仪器架

09、液压缸 10、浮子

11、浮球 12、连接板

13、浮体舱 14、下浮筒

15、阻尼片 16、垂直悬链

17、重力锚 18、抓力锚

19、液压缸出油口A 20、活塞杆

21、活塞前侧油管 22、活塞后侧油管

23、液压缸出油口B 24、出油单向阀A

25、进油单向阀A 26、出油单向阀B

27、进油单向阀B 28、高压蓄能器

29、低压蓄能器 30、出油管

31、进油管 32、油箱

33、液压马达 34、发电机

具体实施方法

结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，图1显示了漂浮式多浮子波浪能发电装置外部基本结构，图2和图3分别显示了漂浮式多浮子波浪能发电装置液压传动系统和发电系统的基本结构。

如图所示，漂浮式多浮子波浪能发电装置包括浮动式结构、锚泊系统、液压传动系统和发电系统。浮动式结构漂浮在海上，由锚泊系统系留，液压传动系统和发电系统与浮动式结构设置在一起。

浮动式结构包括浮子10、主浮体和摆臂03，浮子10分别由摆臂03连接主浮体的顶端。

浮子10呈短柱状，中间为圆柱体，上下两侧为锥体。

主浮体包括柱型浮筒、仪器平台02和底盘07。柱形浮筒由三段不同直径的圆筒型结构连接而成，包括上浮筒04、浮体舱13和下浮筒14。浮体舱 13位于柱形浮筒的中部，上下两端分别通过密封法兰与上浮筒03和下浮筒 14连接，确保浮体舱13的密封性能。浮体舱13直径大于上浮筒03和下浮筒14的直径。

仪器平台02呈圆盘形，位于主浮体的顶端，仪器平台02的下侧与柱形浮筒的上浮筒03连接。仪器平台02上安置太阳能电池板01和仪器架08，仪器架08上端安装有风速仪、航标灯和通讯天线等仪器设备。

底盘07位于主浮体的底端，为短圆筒形结构，固定在下浮筒14的下端。底盘07的圆筒外侧设置阻尼片15，8个阻尼片15沿圆筒周边等距离设置并呈辐射状排列。

摆臂03呈“Y”字型结构，下端与浮子10单点铰接，上端通过双连接点铰接在上浮筒04的顶部。摆臂03中部安装有液压传动系统的液压缸09，摆臂03与液压缸09下端通过铰接方式连接。液压缸09上端伸出活塞杆20，活塞杆20的上端与仪器平台02的下侧外周边铰接。

锚泊系统包括浮球11、锚链和系留锚。浮球11为表面钢制、内充泡沫塑料的球体，锚链包括水平悬链06和垂直悬链16，浮球11通过水平悬链06 连接主浮体柱型浮筒的浮体舱13，通过垂直悬链16连接海底系留锚，3个浮球等距离设置在主浮体柱型浮筒的浮体舱13的外围。水平悬链06和垂直悬链16的一端由连接板12固定一起再与浮球11连接。系留锚包括重力锚17 和抓力锚18。

液压传动系统包括液压缸09、蓄能器组、单向阀件、输油管。液压缸09 设置在主浮体外部的摆臂03上。蓄能器组、单向阀件、输油管设置在主浮体的柱形浮筒内。液压缸09与蓄能器组由输油管连接，输油管设置单向阀件。蓄能器组包括高压蓄能器28和低压蓄能器29，输油管包括活塞前侧油管21、活塞后侧油管22、进油管31和出油管30，单向阀包括进油单向阀A25、进油单向阀B27、出油单向阀A24和出油单向阀B26。

与液压缸出油口A19相连的活塞前侧油管21通过出油单向阀A24和进油单向阀A25分别与高压蓄能器28和低压蓄能器29连接，与液压缸出油口B23 相连的活塞后侧油管22通过出油单向阀B26和进油单向阀B27分别与高压蓄能器28和低压蓄能器29连接。

高压蓄能器28通过压力控制阀与出油管30连接，低压蓄能29通过压力控制阀与进油管31连接。

当进油管31中油性介质压力不足时，油性介质进入低压蓄能器29中蓄能；油压增大到一定程度，低压蓄能器29的压力控制阀打开，油性介质从低压蓄能器29中输出，进入液压缸09。

发电系统包括油箱32、液压马达33、发电机34，高压蓄能器28通过出油管30与液压马达33连接，低压蓄能器29通过进油管31与油箱32连接，油箱32与液压马达33连接。液压马达33的转动轴连接发电机34电枢。液压马达通过进油管连接油箱。

液压缸09出油油压不足时，油性介质进入高压蓄能器28中蓄能；油压增大到一定程度，高压蓄能器28的压力控制阀打开，油性介质从高压蓄能器 28中输出，进入发电系统。

Claims (4)

1.一种漂浮式多浮子波浪能发电装置，其特征在于：包括浮动式结构、锚泊系统、液压传动系统和发电系统，浮动式结构漂浮在海上并由锚泊系统系留，液压传动系统和发电系统设置在浮动式结构内；浮动式结构包括浮子、主浮体和摆臂，摆臂连接浮子和主浮体；主浮体包括柱型浮筒、仪器平台和底盘，柱形浮筒由圆筒型结构的上浮筒、浮体舱和下浮筒构成，浮体舱位于柱形浮筒的中部，浮体舱直径大于上浮筒和下浮筒的直径；摆臂中部安装液压传动系统的液压缸，液压缸上端伸出的活塞杆上端与仪器平台下侧外周边铰接；液压传动系统包括液压缸、蓄能器组、单向阀件和输油管，液压缸通过输油管连接蓄能器组和发电系统的液压马达；所述的仪器平台呈圆盘形，位于主浮体的顶端，仪器平台的下侧与柱形浮筒的上浮筒连接；仪器平台上安置太阳能电池板和仪器架，仪器架上端安装有风速仪、航标灯和通讯天线；底盘圆筒外侧设置阻尼片，8个阻尼片沿圆筒周边等距离设置并呈辐射状排列；所述的摆臂呈″Y″字型结构，下端与浮子单点铰接，上端通过双连接点铰接在上浮筒的顶部；摆臂中部安装有液压传动系统的液压缸，摆臂与液压缸下端通过铰接方式连接；所述的锚泊系统包括浮球、锚链和系留锚，其中所述锚链包括水平悬链和垂直悬链，浮球通过锚链分别连接主浮体的柱型浮筒和设置海底的系留锚；所述的浮球为3个，等距离设置在主浮体外围，浮球通过水平悬链连接主浮体柱型浮筒，通过垂直悬链连接海底系留锚；所述的底盘位于主浮体的底端，为短圆筒形结构，固定在下浮筒的下端；

所述浮子呈短柱状，上下两侧为锥体。

2.根据权利要求1所述的漂浮式多浮子波浪能发电装置，其特征在于：所述的浮动式结构的浮子为4-6个，分别由摆臂连接主浮体的顶端；所述浮子是中间为直径1米、高0.25米的圆柱体，浮子总高0.5米。

3.根据权利要求1所述的漂浮式多浮子波浪能发电装置，其特征在于：所述的浮动式结构的主浮体高11.4米，主浮体的柱形浮筒高10米，所述柱形浮筒的上浮筒、浮体舱和下浮筒为三段不同直径的圆筒型结构；所述浮体舱高3米、直径1.5米，位于柱形浮筒的中部，上下两端分别通过密封法兰与上浮筒和下浮筒连接，浮体舱直径大于上浮筒和下浮筒的直径。

4.根据权利要求1所述的漂浮式多浮子波浪能发电装置，其特征在于：所述的液压传动系统的蓄能器组、单向阀件、输油管设置在主浮体的柱形浮筒内，液压缸与蓄能器组由输油管连接，输油管上设置单向阀件；蓄能器组包括高压蓄能器和低压蓄能器，输油管包括活塞前侧油管、活塞后侧油管、进油管和出油管，单向阀包括进油单向阀A、进油单向阀B、出油单向阀A和出油单向阀B；与液压缸出油口A相连的活塞前侧油管通过出油单向阀A和进油单向阀A分别与高压蓄能器和低压蓄能器连接，与液压缸出油口B相连的活塞后侧油管通过出油单向阀B和进油单向阀B分别与高压蓄能器和低压蓄能器连接；高压蓄能器通过压力控制阀与出油管连接，低压蓄能器通过压力控制阀与进油管连接。