CN106014758B - 一种振荡浮子式波浪能发电系统的功率测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种振荡浮子式波浪能发电系统的功率测量装置，由运动传递部分和能量俘获部分(PTO)组成，运动传递部分包括U型框、拉压传感器、双面齿条以及连接轴组成；所述能量俘获部分包括方形框、转角传感器、齿条传动机构、直流发电机以及轴承、轴承座等部分。工作时，浮体在波浪作用下产生的运动由运动传递部分带给PTO系统，从而由传感器记录数据。本发明主要解决振荡浮子式波浪能发电装置测试时的功率测量问题，能够有效测量模型的输出功率，并可以直观的显示发电效果。本发明结构形式简单，成本低，稳定性好，同时测量结果可靠，能够模拟不同PTO阻尼下模型的运动和功率效果。

Description

一种振荡浮子式波浪能发电系统的功率测量装置
技术领域
本发明涉及一种功率测量装置，尤其涉及一种振荡浮子式波浪能发电系统的功率测量装置，属于可再生能源开发利用领域。
背景技术
近年来，全球能源供求日益紧张，环境保护与CO2减排的呼声越来越高，这极大地促进了清洁能源的开发和利用。波浪能是一种清洁能源，其转换技术也得到较大发展，多种不同类型的波浪能发电装置被提出，其中振荡浮子式波浪能发电系统是研究的热点。
2008年美国俄勒冈州立大学提出名为L-10的垂荡波浪发电装置，该装置由一个吃水较深的圆柱浮筒和一个环形浮子组成，在圆柱上安装有直线轴承滑道，浮子通过圆柱上的滑道相对于圆柱做垂荡运动。为减小上述装置中圆柱浮筒的垂荡运动，美国OPT公司开发了一种外加在圆柱浮筒下部安装水平阻尼板的式的波浪能发电装置，浮筒通过沿圆柱做垂荡运动，驱动液压系统实现能量转换，该装置的原型样机海试装机容量达40kW。专利《振荡浮子式波浪能发电装置》(专利号CN202926514U)一种具有工程周期短、模块化程度高、能量吸收效率高、结构牢固、抗风浪能力强、使用寿命长等优点的振荡浮子式波浪能发电装置。
该类波浪能发电装置具有共同的特点：两浮体间仅有一个方向的相对平动运动，且正是利用此运动发电。在概念走向投入实际生产之前，需要对其性能进行研究，水池模型试验或海上试验是研究的重要手段之一。而测试时，运动性能和输出功率的大小是衡量其可行性和实用性的重要指标。
目前，在测试时缺少相应的测量机构，或在成本和装置复杂度上存在较大缺陷。测量浮体运动的传统方法多是采用光感应系统，此类方法不仅设备复杂，成本高，且对于较小模型布置仪器难，存在遮挡和干扰现象，从而难以获得理想的试验数据。波浪能发电装置概念多采用液压发电装置或直驱电机，测试时，若采用此类能量俘获系统会增大成本，而不添加PTO阻尼模拟效果不好。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术在测试时发电功率难测量且成本高的问题，同时本着经济实用的原则而提供一种振荡浮子式波浪能发电系统的功率测量装置。
本发明的目的是这样实现的：包括内浮子和设置在内浮子外的外浮子，其特征在于：在外浮子上端安装有倒U型框，倒U型框上端的中间位置安装有连接轴，连接轴的下端设置有拉压传感器，拉压传感器的端部连接的双面齿条，在内浮子上端安装有方形框架，方形框架的一端安装有一对轴承座，一对轴承座中安装有转轴，转轴上安装有第一齿轮，转轴的端部连接有转角传感器，方向框架的另一端安装有电机支座，电机支座上安装有直流发电机，直流发电机的转轴上安装有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮位于双面齿条的两端并同时与双面齿条啮合。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述直流发电机还外接有可变电阻，且外接的可变电阻的阻值越小，转动直流发电机所克服的阻尼越大，外接的可变电阻的阻值越大，转动直流发电机所克服的阻尼越小。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明主要解决振荡浮子式波浪能发电装置测试时的功率测量问题，能够有效测量模型的输出功率，并可以直观的显示发电效果。该装置结构形式简单，成本低，稳定性好，同时测量结果可靠，能够模拟不同PTO阻尼下模型的运动和功率效果。本发明很容易对测试时的相对运动和输出功率进行测量，同时使用直流发电机和外接电阻的组合形式模拟PTO阻尼，结果可靠，使不同PTO阻尼下的试验研究变得简单。可见，该装置对振荡浮子式波浪能发电系统测试的进行和结果的测量具有重要意义。
本发明通过巧妙的设计，将浮体间的相对运动转化为转动，并通过拉压传感器和转角传感器的组合，得到该类波浪能发电系统的输出功率。拉压传感器和转角传感器分别记录运动过程中的阻尼力和相对运动位移，精度高，且对研究不同波浪参数对浮体运动和功率的影响具有最重要意义；使用直流发电机和外接电阻的形式模拟PTO阻尼，不仅大大降低了成本，而且能很容易通过改变外接电阻的阻值模拟不同的PTO阻尼，方便且高效。本发明通过外接的电容和二极管组成的稳压电路，能直观显示发电效果。在国家自然科学基金项目“漂浮式风浪能混合利用系统水动力性能研究”的模型试验中，已成功使用该装置对发电功率进行了测量，获得的数据结果与数值计算结果吻合较好。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1的俯视方向的结构示意图；
图3是本发明去除内浮子和外浮子后的结构示意图；
图4(a)是本发明的倒U型框部分的结构示意图；图4(b)是图4(a)主视方向的结构示意图；
图5是本发明的方形框架部分的结构示意图；
图6(a)是本发明的双面齿条与两个齿轮啮合时的示意图；图6(b)是图6(a)主视方向的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明所提供的一种振荡浮子式波浪能发电系统的功率测量装置，其安装后效果的轴测视图和俯视图分别为图1和图2所示，具体组成如图3所示，由图4(a)、图4(b)的运动传递部分和图5的能量俘获部分(PTO)组成。运动传递部分包括倒U型框3、拉压传感器5、双面齿条6、连接轴10和转轴14，固定于外浮子2上的U型框3通过连接轴10与拉压传感器5连接，后者另一端通过转轴14与双面齿条相接。也即倒U型框底端固定在外浮子上，并通过连接轴与拉压传感器相连。图5为能量俘获部分，包括固定于内浮子1上的方型框架4，其上有两个与齿条6箱啮合的齿轮7-1和7-2，其第一齿轮7-1通过转轴16和联轴器15连接转角传感器8，第二齿轮7-2直接安装于直流发电机9上；部件11、12、13为轴承座或支座，用于将转角传感器8或直流发电机9固定于方形框架4上。也即本发明的两个齿轮啮合在双面齿条的两侧，分别连有转角传感器和直流发电机，并通过轴承座和方形框固定于内浮子上。
本发明的直流发电机连有外接电路，用于模拟PTO阻尼和能量输出效果的显示；所述外接电路包括电容、二极管、可变电阻以及灯泡等元件，可通过改变电阻阻值的大小模拟不同的PTO阻尼。
本发明的工作原理采用齿轮齿条方式将两浮体间的相对平动转化为转动，具体实现过程如下：由于形状和质量参数的不同，在波浪作用下，外浮子2会和内浮子1发生轴向的相对运动。固定在外浮子上的U型框10将相同的运动形式传递到双面齿条6上，带动两侧啮合的齿轮转动，从而将两浮体间的直线往复运动转化为齿轮的转动。在这一过程中，与第一齿轮7-1相连的转角传感器8记录下了相对运动的时历位移，时历位移量通过对时间的一次和二次微分可以得到时历速度量和时历加速度量；与第二齿轮7-2相连的直流发电机9外接可变电阻，外浮子2克服发电机9的阻尼做功，这一过程中的时历输出力通过拉压传感器5记录下来。
需要特别说明的是，由于与第二齿轮7-2直接相连的直流发电机9外接可变电阻，该电阻将决定转动发电机需要克服的阻尼，即PTO阻尼。且外接电阻阻值越小，转动发电机需要克服的阻尼越大，外接电阻阻值越大，转动发电机需要克服的阻尼越小，因而通过调节外接电阻的阻值大小对不同PTO阻尼值进行模拟。同时，由于发电机9转速的大小和方向都是变化的，因而产生的电流也是变化的，故在外电路中设计有电容和二极管以获得稳定单向的电能，提供给灯泡，后者可持续稳定发光，电能输出效果得到优化。

Claims (2)

1.一种振荡浮子式波浪能发电系统的功率测量装置，包括内浮子和设置在内浮子外的外浮子，其特征在于：在外浮子上端安装有倒U型框，倒U型框上端的中间位置安装有连接轴，连接轴的下端设置有拉压传感器，拉压传感器的端部连接有双面齿条，在内浮子上端安装有方形框架，方形框架的一端安装有一对轴承座，一对轴承座中安装有转轴，转轴上安装有第一齿轮，转轴的端部连接有转角传感器，方向框架的另一端安装有电机支座，电机支座上安装有直流发电机，直流发电机的转轴上安装有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮位于双面齿条的两端并同时与双面齿条啮合。
2.根据权利要求1所述的一种振荡浮子式波浪能发电系统的功率测量装置，其特征在于：所述直流发电机还外接有可变电阻，且外接的可变电阻的阻值越小，转动直流发电机所克服的阻尼越大，外接的可变电阻的阻值越大，转动直流发电机所克服的阻尼越小。
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