CN107917039B - 一种全封闭惯性点吸式波浪能装置 - Google Patents

一种全封闭惯性点吸式波浪能装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，属于波浪能发电技术领域，包括浮子、机械系统、永磁直线发电机、电控模块及锚泊装置。浮子为全封闭式，用于捕获波浪的能量，将波浪的动能和位能转换为浮子摇荡运动的机械能；机械系统将浮子摇荡运动的机械能转换为质量块和传动轴的直线振荡运动的机械能；永磁直线发电机联结传动轴和质量块，将质量块和传动轴的振荡运动机械能转换为电能。本发明克服了振荡浮子式波浪能发电装置存在的不足，装置构型独特，系统振荡频率可控，环境适应能力强，能量转换效率高，有效地解决了波浪能装置耐海水腐蚀的问题，系统可靠性高、便于海上和陆上安装维护，生产建造成本低，具有广泛的应用前景。

Description

一种全封闭惯性点吸式波浪能装置
技术领域
本发明属于波浪能发电技术领域，具体涉及一种全封闭惯性点吸式波浪能装置。
背景技术
能源是经济和社会发展的动力。随着人类社会对能源需求量的增加，能源紧缺和环境污染已成为全球范围内所面临的严峻问题，寻找可替代的可再生能源是解决这一问题的有效途径。海洋波浪能具有分布广泛、储量丰富和可再生的特点，开发利用波浪能对于改善能源结构与环境污染、发展海岛经济和海防等具有重要意义。
波浪能装置的形式有很多，根据其转换原理，主要有振荡水柱、振荡浮子和越浪式三大类。相对而言，振荡浮子式波浪能装置具有离岸布置灵活、转换效率高、结构简单等优点，成为研究和应用最为广泛的一类装置。根据其结构形式，振荡浮子式波浪能装置通常包括能量俘获系统和能量转换(PTO)系统两个部分；能量俘获系统的主要形式有点吸式、摆式、鸭式和筏式等，PTO系统由传动系统和发电设备组成，传动系统有机械式、液压式或气压式传动等形式，PTO系统驱动发电机发电。
振荡浮子式波浪能装置依形式不同而各有特点。摆式、鸭式和筏式波浪能装置的共同特点是依波浪的作用推动摆板、鸭头和筏体摇摆而俘获波浪能量，在摆板与支撑载体、鸭头与支撑载体、筏体与筏体之间安装液压缸，将摇摆机械能转换为压力能，再驱动发电机转换为电能。它们的主要优点是易实现大型化、适应不同水深，主要缺点是：波浪转换效率严重依赖于浪向，迎浪时转换效率较高，斜浪或横浪时转换效率严重下降甚至为零；摆式、鸭式装置的支撑结构庞大，波浪冲击载荷大，海洋工程成本高；筏式装置的两个或多个浮体之间的铰接结构受力复杂、易损。点吸式波浪能装置的特点是：振荡浮子的外形通常呈圆柱体或多边形柱体，形似一个振荡“点”吸收波浪能量；它能够适应不同的浪向进行能量转换，浮子的支撑结构相对较小，水下施工量较少，布置灵活，建造容易；因此，点吸式波浪能装置是发展前景较好的波浪能装置。
点吸式波浪能装置也有两类不同的形式。第一类点吸式波浪能装置是基于浮子能量直接传递的原理，利用波浪作用下振荡浮子与其外部支撑载体或海底之间的相对运动，通过液压、气压或直线发电机等能量转换系统实现浮子运动机械能的转换，例如同轴双圆柱体点吸式波浪能装置；这类点吸式装置都存在PTO系统受海水腐蚀或运动部件需长期水密封等难以克服的问题。第二类点吸式波浪能装置是基于质量的惯性原理，利用波浪作用下振荡浮子与其内部活动构件的相对运动，通过液压、气压、发电机等能量转换系统实现浮子内部活动构件运动机械能的转换，也称惯性点吸式波浪能装置；目前应用的点吸式陀螺仪惯性波浪能装置，其PTO系统置于近似船型的浮体中，将波浪作用下浮体横摇运动的机械能转换为内部惯性陀螺仪的旋转机械能，再带动发电机发电；陀螺仪惯性波浪能装置存在能量俘获依赖于浪向、浮体结构和内部惯性陀螺仪系统复杂、系泊困难等缺点。为此，本专利发明了全封闭惯性点吸式波浪能发电装置，克服了现有点吸式波浪能装置的不足。
专利号为CN206397646U的一种移动性波浪能发电装置公开了一种波浪能发电装置，通过装置内安装的推进器及螺旋桨实现发电装置的自由移动，再利用装置中的摆陀在波浪的影响下带动齿轮和永磁转子切割感应线圈实现发电，该装置移动性较好，能有效的将波浪能转化为电能，但该装置密封性较差，易受海水腐蚀，且连接装置复杂，实现成本较高，维修也较为困难。
专利号为CN205605353U的一种惯性振子波浪能发电装置公开了一种利用惯性振子实现波浪能发电的装置，该装置利用惯性原理，装置中振子能有效吸收载体平台六自由度运动中蕴含能量最大的垂荡和横摇机械能，但该装置必须安装在浮标、船舶等小型浮式结构上使用，虽然能在一定程度上避免海水腐蚀，但其使用范围受到局限，且一旦其安装载体出现问题或在周围海上环境恶劣的情况下，该装置报废率很高，不适于长期应用。
专利号为CN105804928A的一种混合型波浪能发电装置公开了一种波浪能转换装置及能量输出装置，包括能吸收浮子多个自由度运动能量的波浪能转换装置及布置于波浪能转换装置内部的液压式能量输出系统，该发明能量俘获宽度比高，海况适应性强，实现的功能繁多，但其中心主要集中于能量输出装置上，与本发明所公开的波浪能装置在结构与实现原理上是完全不同的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决现有波浪能装置技术中浮子运动和频率响应差导致的波浪能利用率低、运动部件受海浪直接冲击易损和海水腐蚀导致的波浪能转换系统可靠性低、可维性差和维护成本高等问题的全封闭惯性点吸式波浪能装置。
本发明的目的是这样实现的：
本发明公开了一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，包括浮子、机械系统、永磁直线发电机、电控模块303及锚泊装置，浮子包括保护罩101、上部甲板102、柱形圆筒103、下部甲板104及梭形整流罩105，机械系统包括传动轴系、质量块212、弹簧及框架支撑结构，永磁直线发电机包括永磁直线发电机动子301及永磁直线发电机定子302，电控模块303包括控制器、集成电路、储能装置和信号监测传感器，锚泊装置包括锚环401、锚链402及重力锚块403；其中，浮子通过锚泊装置系泊于海床，框架支撑结构安装于浮子内部，机械系统其他部件、永磁直线发电机及电控模块安装于框架支撑结构上。
对于一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，所述的浮子中的保护罩101活连接于上部甲板102，上部甲板102通过螺栓与柱形圆筒103上端面的法兰孔活连接，将柱形圆筒103封盖，下部甲板104与柱形圆筒103下端内壁面水密焊接，梭形整流罩105与柱形圆筒103的下端面通过螺栓活连接或者焊接；整个浮子为全封闭式中空耐压水密结构，浮子组成部件的材质为不锈钢、玻璃钢或复合材料。
对于一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，所述的柱形圆筒103内壁上设置有第一环形肋骨204及第二环形肋骨208，其中第二环形肋骨208为阶梯型结构，纵截面成L型；第一环形肋骨204位于柱形圆筒103内壁上部，第二环形肋骨208位于柱形圆筒103内壁下部，框架支撑架结构搭载在第一环形肋骨204及第二环形肋骨208上，与浮子形成整体结构。
对于一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，所述的梭形整流罩105的几何外形为流线型变截面回转体，其型线数值的计算公式为：
其中，R1为浮子柱形圆筒半径，R2为梭形整流罩最下端圆截面半径，x为曲线上的点至曲线起始端的水平距离。
对于一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，所述的机械系统中的传动轴系包括传动轴202、第一轴承座203、第一轴承206、第二轴承210及第二轴承座211，传动轴202的上端连接有第一弹簧201，中上部固结有永磁直线发电机的动子301，中下部固结有质量块212，下端连接有第二弹簧213；传动轴202通过第一轴承座203、第一轴承206、第二轴承210及第二轴承座211活连接并固定于框架支撑结构的中心线上，在第一轴承206及第二轴承210的约束下，传动轴202、质量块212及永磁直线发电机动子301沿中心轴线方向上下运动。
对于一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，所述的机械系统中的框架支撑结构为一整体结构，呈鼠笼型，材质为轻质金属、玻璃钢或复合材料，由上轮辐205、下轮辐209以及均布于轮辐外缘的连接杆207组成，其中连接杆207的数量大于三；框架支撑结构置于柱形圆筒103内，上轮辐205及下轮辐209的外缘分别通过螺栓与柱形圆筒103内壁的第一环形肋骨204及第二环形肋骨208活连接并固定，上轮辐205及下轮辐209的中心分别开孔并设置法兰，第一轴承座203及第二轴承座211分别通过法兰安装在上轮辐205及下轮辐209上。
对于一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，所述的质量块212由多层钢质或高密度金属结构的圆形片体组成，每个圆形片体沿径向开U型缝，沿径向嵌到传动轴202上，上下各层片体的U型缝交错布置，所有片体通过定位销和螺栓连接成一体；质量块的质量通过增减片体的数量和质量进行调节。
对于一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，所述的永磁直线发电机定子302通过法兰与第一轴承座203及第二轴承座211活连接，永磁直线发电机动子301与传动轴202设计为一体，或者以套装的方式连接为一体。
对于一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，所述的锚泊装置中锚环401固结于浮子底部，通过锚链402与重力锚块403连接。
本发明的有益效果在于：
本发明公开的一种全封闭惯性点吸式波浪能装置中，浮子的外部构型具有优良的水动力学特性，对于同样的入射波浪，浮子具有较大的响应幅值，能量俘获效率高，即采用尺寸较小的浮子，使波浪能装置能够在长波环境下保持较高的波能转换效率，更有利于点吸式波浪能发电装置的利用以及推广；
对于某一给定的海域波况，通过设置浮子内部机械系统的惯性质量块和弹簧，设计波浪能装置的共振频率，可以使波浪能装置更好地匹配给定海域的波浪频率，从而进一步提高能量转换系统的平均转换效率；
此外，浮子为全封闭水密结构，所有的活动部件均在浮子内部，避免了海水或盐雾对机械和电气部件的腐蚀和海生物附着，增强了波浪能装置对于海洋环境的适应性和可靠性；
浮子内部的机械系统具有整体性，维护时可整体吊装拆卸，不用破坏浮子的外部结构，提高了波浪能装置维护作业的效率。
附图说明
图1为本发明中全封闭惯性点吸式波浪能装置内部结构示意图；
图2为本发明中全封闭惯性点吸式波浪能装置的外部结构示意图；
图3为本发明中全封闭惯性点吸式波浪能装置各个角度的结构示意图；
图4为本发明中全封闭惯性点吸式波浪能装置中机械系统的部件连接示意图；
图5为本发明中全封闭惯性点吸式波浪能装置中框架支撑结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
结合图1，本发明公开了一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，包括浮子、机械系统、永磁直线发电机、电控模块、锚泊装置，是一种适用于单机容量为微型、小型、中型和大型等不同功率范围的波浪能发电装置。浮子通过锚泊装置系泊于海床，机械系统整体置于浮子内部，机械系统由传动轴系(传动轴、轴承、轴承座)、质量块、弹簧及其框架支撑结构组成。具体包括保护罩101、上部甲板102、柱形圆筒103、下部甲板104、梭形整流罩105、第一弹簧201、传动轴202、第一轴承座203、第一环形肋骨204、上轮辐205、第一轴承206、连接杆207、第二环形肋骨208、下轮辐209、第二轴承210、第二轴承座211、质量块212、第二弹簧213、永磁直线发电机动子301、永磁直线发电机定子302、电控模块303、锚环401、锚链402、重力锚块403。
结合图1至图3，所述浮子包括保护罩101、上部甲板102、柱形圆筒103、下部甲板104、梭形整流罩105；所述保护罩101以活连接的方式固定在上部甲板102上；所述柱形圆筒103上端面有法兰孔，所述上部甲板102通过螺栓与柱形圆筒103上端面的法兰孔活连接；所述下部甲板104与柱形圆筒103的下端内壁面通过水密焊接的方式进行连接，使柱形圆筒(103)结构得到加强且承载负荷；所述梭形整流罩105通过水密焊接或者螺栓连接的方式与柱形圆筒103的下端面进行连接；由此保护罩101、上部甲板102、柱形圆筒103、下部甲板104、梭形整流罩105构成了全封闭的中空耐压水密结构，使得浮子内部的机电设备不与海水或水蒸气接触而在惰性气体中工作。所述下部甲板104上有弹簧仓，可以放置第二弹簧213。
结合图3及图4，所述机械系统包括第一弹簧201、传动轴202、第一轴承座203、第一环形肋骨204、上轮辐205、第一轴承206、连接杆207、第二环形肋骨208、下轮辐209、第二轴承210、第二轴承座211、质量块212、第二弹簧213。所述上轮辐205、下轮辐209由均布于轮辐外缘的若干根连接杆207通过焊接的方式进行连接，构成机械系统的框架支撑结构。所述第一环形肋骨204与第二环形肋骨208通过焊接的方式固定在柱形圆筒103的合适高度位置。所述第二环形肋骨208的为阶梯型结构，纵截面成L形。柱形圆筒内壁设置上下两道环形肋骨，一方面用于加强浮子柱形圆筒的耐压强度和结构稳定性，另一方面用于搭载机械系统的框架支撑结构，使浮子与框架支撑结构形成整体结构。所述上轮辐205和下轮辐209通过螺栓连接的方式分别与第一环形肋骨204、第二环形肋骨208进行连接。所述第一轴承座203和第一轴承206通过螺栓连接的方式安装在上轮辐205上，第一轴承座203和第一轴承206的中心线与传动轴202的中心线重合；所述第二轴承座211和第二轴承210安装在下轮辐209上，第二轴承座211和第二轴承210的中心线与传动轴202的中心线重合。所述传动轴202依次穿过上轮辐205、下轮辐209、质量块212，传动轴202上下两端分别与第一弹簧201、第二弹簧213连接。所述质量块212固结在传动轴202的中下部位置，质量块212由多层钢质或高密度金属结构的圆形片体组成，便于加工、运输和安装，片体之间通过定位销和螺栓连接成一体，每个圆形片体沿径向开U型缝，上下各层片体的交错U型缝交错布置，质量块的质量通过增减片体的数量和质量进行调节。
所述永磁直线发电机由永磁直线发电机动子301和永磁直线发电机定子302组成。永磁直线发电机定子302通过连接法兰分别与第一轴承座203、第二轴承座211活连接。永磁直线发电机动子301与机械系统的传动轴202设计为一体，固结在传动轴202的中上部位置，动子随传动轴直线运动的过程中切割磁力线发电。
所述电控模块303包括控制器、集成电路、储能装置和信号监测传感器等。所述电控模块303置于浮子内部，通过螺栓固定于下部甲板104上。控制器和集成电路用于电能的变换和管理，储能装置用于电能的存储，信号监测传感器用于波浪能装置外部和内部各类信号的监测、采集等。
所述锚泊装置包括锚环401、锚链402、重力锚块403。所述锚环401固结于梭形整流罩105底部。所述锚链402一端与锚环401连接，一端与重力锚块403连接。
所述波浪能装置，浮子、机械系统和电控模块通过模块化生产制造，装置陆上组装和整体海上运输安装作业方便。陆上制造组装工艺是：完成浮子、机械系统和电控模块的制造后，组装传动轴系、永磁直线发电机，并与框架支撑结构固结；将电控模块吊入浮子并固结于中部柱形圆筒的下甲板上；将机械系统整体吊入浮子内部并固结；最后连接电控模块。海上运输安装工艺是：浮子整体下水后，将浮子整体从岸边拖航至海上既定地点，借助浮吊进行装置的系泊安装；反之，需要进行维修维护时，将浮子整体从海上拖回上岸。
所述波浪能装置，浮子内部机电设备的正常检修、定期大修和部件更换能够在海上实施作业而不需要将整个装置上岸。浮子内部机电设备海上正常检修的操作工艺是：首先拆卸保护罩，工作人员从上部甲板进入浮子内部实施检修或部件更换等作业，检修作业完成后，再将保护罩安装复位。浮子内部机电设备的海上定期大修的操作工艺是：首先拆卸上部甲板，再拆卸框架支撑结构与浮子柱形圆筒的连接螺栓，接着从浮子内整体吊出机械系统至船上，在船上或岸上实施大修作业，大修完成后吊装设备并复位，不用破坏浮子结构的完整性。
本发明所公开的一种全封闭惯性点吸式波浪能装置的工作过程为：
浮子通过锚泊装置系泊于海域中的某一位置，浮子在波浪的作用下开始作多自由度的摇荡运动，摇荡运动的浮子通过第一弹簧201将外力传递至传动轴202和质量块212上。由于传动轴202和质量块212的惯性，受到惯性力的作用产生相对于浮子的振荡运动。传动轴202的运动带动永磁直线发电机动子301运动，从而使永磁直线发电机动子301切割磁感线产生电能。产生的电能输送至电控模块303，通过电控模块进行处理、储存和输送。最终完成将海洋中波浪的能量转化为电能的过程。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，其特征在于：包括浮子、机械系统、永磁直线发电机、电控模块(303)及锚泊装置，浮子包括保护罩(101)、上部甲板(102)、柱形圆筒(103)、下部甲板(104)及梭形整流罩(105)，机械系统包括传动轴系、质量块(212)、弹簧及框架支撑结构，永磁直线发电机包括永磁直线发电机动子(301)及永磁直线发电机定子(302)，电控模块(303)包括控制器、集成电路、储能装置和信号监测传感器，锚泊装置包括锚环(401)、锚链(402)及重力锚块(403)；其中，浮子通过锚泊装置系泊于海床，框架支撑结构安装于浮子内部，永磁直线发电机及电控模块安装于框架支撑结构上；所述的机械系统中的传动轴系包括传动轴(202)、第一轴承座(203)、第一轴承(206)、第二轴承(210)及第二轴承座(211)，传动轴(202)的上端连接有第一弹簧(201)，中上部固结有永磁直线发电机的动子(301)，中下部固结有质量块(212)，下端连接有第二弹簧(213)；传动轴(202)通过第一轴承座(203)、第一轴承(206)、第二轴承(210)及第二轴承座(211)连接并固定于框架支撑结构的中心线上，在第一轴承(206)及第二轴承(210)的约束下，传动轴(202)、质量块(212)及永磁直线发电机动子(301)沿中心轴线方向上下运动；所述的机械系统中的框架支撑结构为一整体结构，呈鼠笼型，材质为轻质金属、玻璃钢或复合材料，由上轮辐(205)、下轮辐(209)以及均布于轮辐外缘的连接杆(207)组成，其中连接杆(207)的数量大于三；框架支撑结构置于柱形圆筒(103)内，上轮辐(205)及下轮辐(209)的外缘分别通过螺栓与柱形圆筒(103)内壁的第一环形肋骨(204)及第二环形肋骨(208)连接并固定，上轮辐(205)及下轮辐(209)的中心分别开孔并设置法兰，第一轴承座(203)及第二轴承座(211)分别通过法兰安装在上轮辐(205)及下轮辐(209)上。
2.根据权利要求1所述的一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，其特征在于：所述的浮子中的保护罩(101)连接于上部甲板(102)，上部甲板(102)通过螺栓与柱形圆筒(103)上端面的法兰孔连接，将柱形圆筒(103)封盖，下部甲板(104)与柱形圆筒(103)下端内壁面水密焊接，梭形整流罩(105)与柱形圆筒(103)的下端面通过螺栓连接或者焊接；整个浮子为全封闭式中空耐压水密结构，浮子组成部件的材质为不锈钢、玻璃钢或复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，其特征在于：所述的柱形圆筒(103)内壁上设置有第一环形肋骨(204)及第二环形肋骨(208)，其中第二环形肋骨(208)为阶梯型结构，纵截面成L型；第一环形肋骨(204)位于柱形圆筒(103)内壁上部，第二环形肋骨(208)位于柱形圆筒(103)内壁下部，框架支撑架结构搭载在第一环形肋骨(204)及第二环形肋骨(208)上，与浮子形成整体结构。
4.根据权利要求1或2所述的一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，其特征在于：所述的梭形整流罩(105)的几何外形为流线型变截面回转体，其型线数值的计算公式为：
其中，R1为浮子柱形圆筒半径，R2为梭形整流罩最下端圆截面半径，x为曲线上的点至曲线起始端的水平距离。
5.根据权利要求1所述的一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，其特征在于：所述的质量块(212)由多层钢质或高密度金属结构的圆形片体组成，每个圆形片体沿径向开U型缝，沿径向嵌到传动轴(202)上，上下各层片体的U型缝交错布置，所有片体通过定位销和螺栓连接成一体；质量块的质量通过增减片体的数量和质量进行调节。
6.根据权利要求1所述的一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，其特征在于：所述的永磁直线发电机定子(302)通过法兰与第一轴承座(203)及第二轴承座(211)连接，永磁直线发电机动子(301)与传动轴(202)设计为一体，或者以套装的方式连接为一体。
7.根据权利要求1所述的一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，其特征在于：所述的锚泊装置中锚环(401)固结于浮子底部，通过锚链(402)与重力锚块(403)连接。
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