CN105952575B - 一种波浪发电装置及控制方法 - Google Patents

一种波浪发电装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波浪发电装置及控制方法，包括支架、发电装置、控制器、浮标、设于浮标上的GPS定位仪和水上装置；所述水上装置包括滚筒、设于滚筒内的转轴、与转轴两端滑动连接的固定环、分别与每个固定环连接的两条缆绳、设于每条缆绳下部的压力传感器、设于缆绳下端的金属管内的可竖向伸展的气囊、与气囊连接的点火器、设于气囊下部的金属管内的主锚钉和若干条侧锚钉；本发明具有适用范围广、能量转化效率高、稳定性好的特点。

Description

一种波浪发电装置及控制方法
技术领域
本发明涉及波浪发电技术领域，尤其是涉及一种适用范围广、能量转化效率高、稳定性好的波浪发电装置及控制方法。
背景技术
海洋能源的开发利用是能源研究的方向，在地球矿物能源逐渐枯竭及环境状况日益恶化的形势下，如何有效利用资源丰富、可再生的海洋资源，显得十分重要；
波浪能是最清洁的可再生资源，全世界沿海岸线连续耗散的波浪能功率达27×105MW，技术上可利用的波浪能潜力为10×105MW。
现有的波浪发电装置存在价格昂贵，能量转化效率低及安装地域受限的不足。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的波浪发电装置价格昂贵，能量转化效率低的不足，提供了一种适用范围广、能量转化效率高、稳定性好的波浪发电装置及控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种波浪发电装置，包括支架、发电装置、控制器、浮标、设于浮标上的GPS定位仪和水上装置；所述水上装置包括滚筒、设于滚筒内的转轴、与转轴两端滑动连接的固定环、分别与每个固定环连接的两条缆绳、设于每条缆绳下部的压力传感器、设于缆绳下端的金属管内的可竖向伸展的气囊、与气囊连接的点火器、设于气囊下部的金属管内的主锚钉和若干条侧锚钉；浮标与转轴连接；
滚筒一端设有环形凹槽，环形凹槽中设有拉绳，转轴上设有与环形凹槽配合的盖板，盖板上设有拉绳出孔，支架上设有动滑轮和定滑轮，拉绳与动滑轮连接，一端固定于支架上、另一端绕过动滑轮、定滑轮的牵引绳与发电装置连接；控制器分别与2个压力传感器、2个点火器和GPS定位仪电连接。
滚筒将波浪的作用力转化为对拉绳的拉伸力，并通过动滑轮将拉伸的行程放大，通过发电装置将机械能转化为可以储存的电能。
在熟悉的水域，水底的深度是已知的，因此，本发明根据已知的水底深度，通过两个压力传感器的压力检测，即可知道金属管是否已经到达水域底部，从而控制锚固操作。
气囊用于将主锚钉和各条侧锚钉固定在水底土层或岩层上，气囊弹开时具有足够的爆发力，使本发明的锚固结构可以固定在任何质地的水底固定物上，水上装置被稳定的固定。
支架和发电装置可以设置在岸边、防波堤或者水上平台上。
因此，本发明具有适用范围广、能量转化效率高、稳定性好的特点。
作为优选，所述滚筒上设有若干条横向延伸的凸条；所述浮标采用发泡材料制成。
各个凸条的设置，增大了滚筒与水的接触面积，滚筒吸收了更多的波浪能，可以转化出更多的机械能。
作为优选，所述发电装置包括齿条、与齿条连接的复位弹簧、齿轮、与齿轮配合的两个棘轮和两个发电机；齿条和齿轮相啮合，齿轮通过两个棘爪分别与两个棘轮相配合，两个棘轮的转轴分别与两个发电机的转子连接。
当牵引绳的拉力大于复位弹簧的推力时，齿条向右移动，齿轮顺时针转动，齿轮通过棘爪带动棘轮转动。棘轮的转轴带动一个发电机的转子转动，发电机发电；
当牵引绳的拉力小于复位弹簧的推力时，齿条向左移动，齿轮逆时针转动，齿轮通过棘爪带动另一个棘轮转动。另一个棘轮的转轴带动另一个发电机的转子转动，发电机发电。
作为优选，所述金属管侧壁上设有若干个开口，每条侧锚钉前端位于对应的开口处；所述主锚钉和各个侧锚钉均呈下端尖的圆锥形，主锚钉上端设有圆形挡板，主锚钉和各个侧锚钉均通过金属链与金属管连接，金属管下端和各个开口上均设有盖板。
气囊起爆后推动圆形挡板快速向下移动，金属管下端的盖板被弹开，各个开口上的盖板被推开，主锚钉和各个侧锚钉进入水底土层或岩层中。
作为优选，滚筒与转轴间隙配合，滚筒内壁上设有若干个交错排列的凹槽，每个凹槽中均设有钢珠，每个钢珠均与转轴相接触。
一种波浪发电装置的控制方法，包括如下步骤：
控制器中设有水深阈值W和经纬度范围，将水上装置放到水中，浮标使水上装置浮于水面上，用船上的绳索牵引水上装置移动，并将两条缆绳放到水中，两个压力传感器检测压力信号S(t)，控制器根据压力信号S(t)得到水深值A1和A2，控制器计算A1和A2的平均值A；GPS定位仪检测经纬度B；
当A≥W并且B在经纬度范围内时，控制器控制2个点火器点火，两个气囊竖向伸展，气囊推动主锚钉和各个侧锚钉伸出金属管之外并进入水底土层或岩层中；
波浪推动滚筒顺时针或逆时针转动，拉绳拉动动滑轮上下移动，牵引绳给发电装置提供发电的机械能，发电装置将机械能转化为电能。
作为优选，还包括对检测信号S(t)的修正步骤：
控制器在S(t)中选取若干个时间间隔为Δt的采样值，各个采样值按照时间先后顺序排列构成检测信号I(t)；
对于I(t)中第一个采样值和最后一个采样值之外的每个采样值ES(t1)，利用公式计算平稳系数ratio；
控制器预先设有依次增大的权重阈值0.5，1和1.5；
对于ratio位于[1-A1，1+A1]范围内的采样值，将采样值修正为B1 ES(t1)，B1为小于0.4的实数；
对于ratio位于(0.5，1-A1)或(1+A1，1.5)范围内的采样值，将采样值修正为B2 ES(t1)，；
用修正过的各个采样值代替I(t)中的对应采样值，得到经过修正的检测信号I(t)，用检测信号I(t)替换检测信号S(t)。
因此，本发明具有如下有益效果：适用范围广、能量转化效率高、稳定性好的特点。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明的发电装置的一种结构示意图；
图3是本发明的一种流程图；
图4是本发明的一种原理框图；
图5是本发明的主锚钉和侧锚钉的一种结构示意图。
图中：支架1、控制器3、水上装置4、动滑轮5、定滑轮6、牵引绳7、浮标8、GPS定位仪9、齿轮22、棘轮23、棘爪24、滚筒41、转轴42、固定环43、缆绳44、压力传感器45、气囊46、点火器47、主锚钉48、侧锚钉49、拉绳50、盖板51、凸条411、圆形挡板481。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示的实施例是一种波浪发电装置，包括支架1、发电装置、控制器3、浮标8、设于浮标上的GPS定位仪9和水上装置4；水上装置包括滚筒41、设于滚筒内的转轴42、与转轴两端滑动连接的固定环43、分别与每个固定环连接的两条缆绳44、设于每条缆绳下部的压力传感器45、设于缆绳下端的金属管内的可竖向伸展的气囊46、与气囊连接的点火器47、设于气囊下部的金属管内的主锚钉48和4条侧锚钉49；浮标与转轴连接；
滚筒一端设有环形凹槽，环形凹槽中设有拉绳50，转轴上设有与环形凹槽配合的盖板51，盖板上设有拉绳出孔，支架上设有动滑轮5和定滑轮6，拉绳与动滑轮连接，一端固定于支架上、另一端绕过动滑轮、定滑轮的牵引绳7与发电装置连接；
滚筒上设有7条横向延伸的凸条411；浮标采用发泡材料制成。如图4所示，控制器分别与2个压力传感器、2个点火器和GPS定位仪电连接。
如图2所示，发电装置包括齿条、与齿条连接的复位弹簧、齿轮22、与齿轮配合的两个棘轮23和两个发电机；齿条和齿轮相啮合，齿轮通过两个棘爪24分别与两个棘轮相配合，两个棘轮的转轴分别与两个发电机的转子连接。
如图5所示，金属管侧壁上设有4个开口，每条侧锚钉前端位于对应的开口处；主锚钉和各个侧锚钉均呈下端尖的圆锥形，主锚钉上端设有圆形挡板481，主锚钉和各个侧锚钉均通过金属链与金属管连接。
滚筒与转轴间隙配合，滚筒内壁上设有若干个交错排列的凹槽，每个凹槽中均设有钢珠，每个钢珠均与转轴相接触。
如图3所示，一种波浪发电装置的控制方法，包括如下步骤：
步骤100，检测水深及经纬度
控制器中设有水深阈值W和经纬度范围，将水上装置放到水中，浮标使水上装置浮于水面上，用船上的绳索牵引水上装置移动，并将两条缆绳放到水中，两个压力传感器检测压力信号S(t)，控制器根据压力信号S(t)得到水深值A1和A2，控制器计算A1和A2的平均值A；GPS定位仪检测经纬度B；
步骤200，固定主锚钉和各个侧锚钉
当A≥W并且B在经纬度范围内时，控制器控制2个点火器点火，两个气囊竖向伸展，气囊推动主锚钉和各个侧锚钉伸出金属管之外并进入水底土层或岩层中；
步骤300，波浪发电
波浪推动滚筒顺时针或逆时针转动，拉绳拉动动滑轮上下移动，牵引绳给发电装置提供发电的机械能，发电装置将机械能转化为电能。
其中，检测信号S(t)经过如下步骤的修正：
控制器在S(t)中选取若干个时间间隔为Δt的采样值，各个采样值按照时间先后顺序排列构成检测信号I(t)；
对于I(t)中第一个采样值和最后一个采样值之外的每个采样值ES(t1)，利用公式计算平稳系数ratio；
控制器预先设有依次增大的权重阈值0.5，1和1.5；
对于ratio位于[1-A1，1+A1]范围内的采样值，将采样值修正为B1 ES(t1)，B1为小于0.4的实数；
对于ratio位于(0.5，1-A1)或(1+A1，1.5)范围内的采样值，将采样值修正为B2 ES(t1)，；
用修正过的各个采样值代替I(t)中的对应采样值，得到经过修正的检测信号I(t)，用检测信号I(t)替换检测信号S(t)。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种波浪发电装置，其特征是，包括支架(1)、发电装置、控制器(3)、浮标(8)、设于浮标上的GPS定位仪(9)和水上装置(4)；所述水上装置包括滚筒(41)、设于滚筒内的转轴(42)、与转轴两端滑动连接的固定环(43)、分别与每个固定环连接的两条缆绳(44)、设于每条缆绳下部的压力传感器(45)、设于缆绳下端的金属管内的可竖向伸展的气囊(46)、与气囊连接的点火器(47)、设于气囊下部的金属管内的主锚钉(48)和若干条侧锚钉(49)；浮标与转轴连接；
滚筒一端设有环形凹槽，环形凹槽中设有拉绳(50)，转轴上设有与环形凹槽配合的盖板(51)，盖板上设有拉绳出孔，支架上设有动滑轮(5)和定滑轮(6)，拉绳与动滑轮连接，一端固定于支架上、另一端绕过动滑轮、定滑轮的牵引绳(7)与发电装置连接；控制器分别与2个压力传感器、2个点火器和GPS定位仪电连接。
2.根据权利要求1所述的波浪发电装置，其特征是，所述滚筒上设有若干条横向延伸的凸条(411)。
3.根据权利要求1所述的波浪发电装置，其特征是，所述发电装置包括齿条、与齿条连接的复位弹簧、齿轮(22)、与齿轮配合的两个棘轮(23)和两个发电机；齿条和齿轮相啮合，齿轮通过两个棘爪(24)分别与两个棘轮相配合，两个棘轮的转轴分别与两个发电机的转子连接。
4.根据权利要求1所述的波浪发电装置，其特征是，所述金属管侧壁上设有若干个开口，每条侧锚钉前端位于对应的开口处；所述主锚钉和各个侧锚钉均呈下端尖的圆锥形，主锚钉上端设有圆形挡板(481)，主锚钉和各个侧锚钉均通过金属链与金属管连接，金属管下端和各个开口上均设有盖板。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的波浪发电装置，其特征是，滚筒与转轴间隙配合，滚筒内壁上设有若干个交错排列的凹槽，每个凹槽中均设有钢珠，每个钢珠均与转轴相接触。
6.一种基于权利要求1所述的波浪发电装置的控制方法，其特征是，包括如下步骤：
控制器中设有水深阈值W和经纬度范围，将水上装置放到水中，浮标使水上装置浮于水面上，用船上的绳索牵引水上装置移动，并将两条缆绳放到水中，两个压力传感器检测压力信号S(t)，控制器根据压力信号S(t)得到水深值A1和A2，控制器计算A1和A2的平均值A；GPS定位仪检测经纬度B；
当A≥W并且B在经纬度范围内时，控制器控制2个点火器点火，两个气囊竖向伸展，气囊推动主锚钉和各个侧锚钉伸出金属管之外并进入水底土层或岩层中；
波浪推动滚筒顺时针或逆时针转动，拉绳拉动动滑轮上下移动，牵引绳给发电装置提供发电的机械能，发电装置将机械能转化为电能。
7.根据权利要求6所述的波浪发电装置的控制方法，其特征是，还包括对检测信号S(t)的修正步骤：
控制器在S(t)中选取若干个时间间隔为Δt的采样值，各个采样值按照时间先后顺序排列构成检测信号I(t)；
对于I(t)中第一个采样值和最后一个采样值之外的每个采样值ES(t1)，利用公式计算平稳系数ratio；
控制器预先设有依次增大的权重阈值0.5，1和1.5；
对于ratio位于[1-A1，1+A1]范围内的采样值，将采样值修正为B1 ES(t1)，B1为小于0.4的实数；
对于ratio位于(0.5，1-A1)或(1+A1，1.5)范围内的采样值，将采样值修正为B2 ES(t1)，
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