CN105464894A - 一种多维度的振荡浮子式波浪能转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多维度的振荡浮子式波浪能转换装置，包括：水面浮体、水下阻尼体，水面浮体与水下阻尼体之间使用一组回复弹簧和若干组液压缸连接而成；回复弹簧布置在中间，而若干液压缸则对称布置于水面浮体的两端；水下阻尼体下部设置一用于海面定位的锚定系统；水面浮体内设置一用于发电的液压发电单元；随着海浪的波动，水面浮体相对于水下阻尼体以与回复弹簧的连接点为中心做垂荡、俯仰等多自由度耦合运动，水面浮体的运动驱动液压发电单元发电。本发明采用的水面浮体其下部两端对称布置若干液压缸，可以获取包括垂荡和俯仰等多自由度运动能量，可以大大提高波浪能发电效率。采用回复弹簧，也大大提高了装置对于不同海况的适应性。

Description

一种多维度的振荡浮子式波浪能转换装置

技术领域

本发明实施例涉及波能转换装置领域，尤其涉及一种多维度的振荡浮子式波浪能转换装置。

背景技术

波浪能是一种极具前途的清洁可再生能源，具有能量品质好、储藏量大、分布广泛的优点，它的开发利用对于推进可持续发展、海洋资源开发等具有重要意义，已引起世界诸多沿海国家和国际组织的关注和研究。在中国，对波浪能的开发利用技术的跟踪和研发已经列入了国家能源发展战略。

振荡浮子式通常是一种点吸收式波浪能转换装置，是目前研究最广泛、发展前景最好的波浪能转换技术之一，按照安装位置的不同可以分为岸基装置、近岸装置和离岸装置三大类。岸基装置一般依托海岸或者直接在海岸上安装布置，因为地理位置特殊性的要求，所以很少能够批量设计安装。近岸装置和离岸装置对安装区域要求限制较少，适于批量布置，尤其离岸装置，能够捕获更多的深水区能量。

振荡浮子式装置一般由两大部分组成：动浮体和静浮体，动浮体由一个或者多个浮体组成，漂浮于波面，作为波浪能聚集和吸收的载体，静浮体通常由一个浮体构成作为整个系统的稳定装置，有些应用于浅海水域的装置没有静浮体，动浮体通过连接构件与海底相连起到稳定作用。波浪的起伏运动给动浮体一定的作用力，使得动浮体随着波浪运动，动浮体将波浪能聚集捕获并转化为自身的动能和势能。装置一般采用机械式或液压式PTO系统(PowerTake-offSystem，能量提取系统)，其作用是将浮体运动的机械能提取出来，再经过蓄能器等能量储存、传输单元，最终驱动发电机进行发电，或者通过其他设备制造淡水或冰等。

同其他类型的波浪能转换装置相比，振荡浮子式波浪能装置几乎没有水下结构，建造难度和成本较低；结构简单，抗浪性能较好，可靠性高；装置布置区域受限制较小，易于通过适当的分布形成波浪场，提高发电容量。目前开发的小型装置已经有部分试验应用于沿海小型航标灯器，大中型装置则主要应用于海上波浪能发电场。

传统结构的振荡浮子式波浪能转换装置一般仅吸收浮体上下方向的垂荡运动的能量，即单自由度振荡浮子式波浪能转换装置。传统结构的单自由度式装置具有上述诸多优势，但是也存在以下难以克服的缺点：

(1)单自由度的浮体和PTO系统设计限制了装置波浪能转换效率的进一步提升。浮体在波浪中一般是三维、六自由度运动(纵荡、横荡、垂荡、横摇、俯仰和艏艉摇)，而单自由度装置仅仅吸收浮体在波浪中垂荡运动的能量，其他自由度运动的能量被忽略。

(2)单自由度振荡浮子式波浪能转换装置一般采用有利于垂荡运动的水平截面为圆形的浮体。这种浮体在极端海况下透浪性较差，容易造成装置的损坏。

(3)单自由度振荡浮子式波浪能转换装置浮体一般认为是一个单纯垂荡的浮体，只能有效利用一个垂荡固有频率，即在浮体垂荡固有频率与波浪频率接近或达到共振状态时，装置才具有较高的转换效率，这限制了装置对波浪周期的适应范围。

发明内容

本发明实施例提供一种多维度的振荡浮子式波浪能转换装置，以克服上述技术问题。

本发明多维度的振荡浮子式波浪能转换装置，包括：

水面浮体、水下阻尼体、回复弹簧、若干液压缸、液压发电单元以及锚定单元；

所述水面浮体漂浮于波面，所述水下阻尼体位于水面之下，所述回复弹簧、所述若干液压缸设置于所述水面浮体与所述水下阻尼体之间，所述锚定单元设置于所述水下阻尼体下部；

所述水面浮体内设置有用于发电的液压发电单元。

进一步地，所述水面浮体为长方体或者圆柱体。

进一步地，所述回复弹簧两端分别位于所述水面浮体、所述水下阻尼体的中心点。

进一步地，所述若干液压缸对称布置于所述水面浮体的两端。

进一步地，所述水面浮体的长等于或者小于波长的二分之一。

本发明采用的水面浮体为具有一定纵向尺寸的浮体，且其下部两端对称布置若干液压缸，可以获取包括垂荡和俯仰等多自由度运动能量，可以大大提高波浪能发电效率。同时，本发明采用回复弹簧，也大大提高了装置对于不同海况的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明多维度的振荡浮子式波浪能转换装置结构示意图；

图2为本发明多维度的振荡浮子式波浪能转换装置垂荡运动幅频响应特征对比曲线图；

图3为本发明多维度的振荡浮子式波浪能转换装置平均转换功率对比曲线图；

图4为本发明多维度的振荡浮子式波浪能转换装置转换功率时域对比曲线图；

图5为本发明多维度的振荡浮子式波浪能转换装置发电单元工作原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明多维度的振荡浮子式波浪能转换装置结构示意图，如图1所示，本实施例的装置可以包括：

水面浮体101、液压发电单元102、水下阻尼体103、回复弹簧104、若干液压缸105以及锚定单元106；

所述水面浮体漂浮于波面，所述水下阻尼体位于水面之下，所述回复弹簧、所述若干液压缸设置于所述水面浮体与所述水下阻尼体之间，所述锚定单元设置于所述水下阻尼体下部；

所述水面浮体内设置有用于发电的液压发电单元。

进一步地，所述水面浮体为长方体或圆柱体。

进一步地，所述水面浮体的长等于或者小于波长的二分之一。

具体来说，水面浮体即动浮体，是一具有一定长度的浮筒。水下阻尼体作为静浮体，是一具有较大水平截面积的平板状浮体，具有较大的垂荡运动附加质量，在海水中基本不受波浪作用，为装置提供一个相对于海底近似静止的平台。在波浪的作用下，水面浮体以与回复弹簧的连接点为中心做垂荡、俯仰等多自由度耦合运动。水面浮体与水下阻尼体的相对运动带动若干组液压缸的活塞杆往复运动使其内部的液压油成高压状态，并将所获得的高压液压油输送到液压发电单元产生电能。锚定单元的锚链(绳)与水下阻尼体连接，将水面浮体和水下阻尼体固定在一定位置和深度的海域。本实施例采用的水面浮体为具有一定纵向长度的长方体，且其下部两端对称布置若干液压缸，可以获取包括垂荡和俯仰等多自由度运动能量，可以大大提高波浪能发电效率。采用回复弹簧，也大大提高了装置对于不同海况的适应性。

进一步地，所述回复弹簧两端分别位于所述水面浮体、所述水下阻尼体的中心点。如图2所示，回复弹簧对本装置水面浮体垂荡运动幅频响应特征的影响。随着回复弹簧的弹性系数K从0N/m增大至15000N/m，水面浮体的垂荡幅值对应减小，从而该回复弹簧限制了装置的垂荡运动幅度，起到了保护装置的作用。回复弹簧对装置平均转换功率的影响，如图3所示。随着回复弹簧的弹性系数K从0N/m增大至15000N/m，本装置适应的波浪周期范围增大，从而提高了本装置的工作范围。上述图2、图3中的理论计算曲线是基于在线性规则波的前提下，采用牛顿-欧拉方法推导出浮体的垂荡和俯仰运动方程所得；本实施例中计算条件参数为：水面浮体采用长方体结构，长度4.0m，宽度和高度为1.0m，吃水0.5m；波高1.2m。

如图4所示为数值计算得到的浮体转换功率曲线图，其中，波浪周期为3s，弹簧弹性系数为15000N/m，其他参数与图2、图3相同。PTO系统提取的垂荡运动平均功率为2.95kW，俯仰运动平均功率为0.60kW，本发明装置相比同样结构尺寸的单自由度振荡浮子式波浪能装置，转换效率提高20.34％。

进一步地，所述若干液压缸对称布置于所述水面浮体的两端。

图5为本发明多维度的振荡浮子式波浪能转换装置发电单元工作原理示意图，如图5所示，本实施例发电单元包括：

液动换向阀201、一高压储液蓄能器202、一液压马达203、一异步发电机204、一低压储液蓄能器205和单向阀206，且液压缸105与液动换向阀201和单向阀206的个数一一对应。

其中，液压缸105的活塞杆可动连接水面浮体，液压缸105的排油口通过管道连接液动换向阀201的高压入口，液动换向阀201的高压出口通过管道依次连接高压储液蓄能器202、液压马达203、异步发电机204、低压储液蓄能器205和单向阀206，单向阀206通过管道连接液动换向阀201的低压入口，其低压出口通过管道连接液压缸105的进油口，形成回路。

液压缸105的个数优选为除0以外的偶数个，且对称设置于水面浮体下部的两侧，本实施例为两个。

本实施例装置工作时：随着海浪的波动，水面浮体以与回复弹簧的连接点为中心做垂荡、俯仰等多自由度耦合运动，而水下阻尼体在海水中基本不受波浪作用。水面浮体和水下阻尼体间的相对运动，带动液压缸的活塞杆往复运动使其内部的液压油成高压状态，液压缸中的高压油流经液动换向阀201进入高压储液蓄能器202。从高压储液蓄能器202流出的高压油进入液压马达203并驱动液压马达203旋转，从而带动异步发电机204发电。经过液压马达203后的高压油变为低压油进入低压储液蓄能器205，从低压储液蓄能器205流出的低压油经单向阀206流经液动换向阀201进入液压缸105的进油口，形成一回路，且液压缸105与液动换向阀201和单向阀206的个数相对应。

上述实施例中，回复弹簧的作用主要是为水面浮体提供部分回复力，保证水面浮体在任何波浪状况下均能够有效克服液压缸阻尼力回复至垂荡运动平衡位置，也防止当浪高过大时液压缸活塞因拉伸或压缩过度而受损。同时还可以改变水面浮体垂荡运动幅频响应特征，提高装置对不同周期波浪状况的适应性，并通过周期性的储存和释放波浪能，调节装置的功率曲线特征。

本发明采用水面浮体为具有一定纵向尺寸的浮体，该浮体除了具有垂荡运动固有频率外，还具有明显的俯仰等其他自由度运动的固有频率，当波浪频率接近或达到这些固有频率之一时，配合以布置其两端的若干液压缸，装置即可以获得较高的波浪能转换效率，这有效拓宽了该类型波浪能装置的波浪适应范围。并且本发明采用的水面浮体几何尺寸、质量、液压缸阻尼、弹簧弹性系数等均可以根据使用海域的波浪状况进行调整。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于各种海况的沿海和近海海域。

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 (5)

1.一种多维度的振荡浮子式波浪能转换装置，其特征在于，包括：

水面浮体、水下阻尼体、回复弹簧、若干液压缸、液压发电单元以及锚定单元；

所述水面浮体漂浮于波面，所述水下阻尼体位于水面之下，所述回复弹簧、所述若干液压缸设置于所述水面浮体与所述水下阻尼体之间，所述锚定单元设置于所述水下阻尼体下部；

所述水面浮体内设置有用于发电的液压发电单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水面浮体为长方体或者圆柱体。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述回复弹簧两端分别位于所述水面浮体、所述水下阻尼体的中心点。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述若干液压缸对称布置于所述水面浮体的两端。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述水面浮体的长等于或者小于波长的二分之一。