CN108087188B - 一种可变浮子面积的点浮式波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种可变浮子面积的点浮式波浪能发电装置，主要包括浮子系统、能量转换系统、支撑基础系统、连杆系统和控制系统。其中浮子系统可随时灵活地改变浮子面积。连杆系统的连杆与浮子系统连接，跟随浮子进行上下活塞运动产生机械能。能量转换系统将机械能转换为电能，并可随时向外部装置提供高强液压能。在能量转换系统外部设有刚性液压滑套，可提供支撑力将整个发电装置成为倒三角固定形式。控制系统起到实时通讯以及控制各执行机构动作，使发电装置处于最佳匹配状态。本发明实时提高波浪能吸收效率及中间能量转化效率，降低建造成本，增加经济效益。提高装置抵抗极端海况能力，延长部件使用寿命，减少维护费用，提高设备安全性。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源发电技术领域，特别涉及一种可变浮子面积的点浮式波浪能发电装置。
背景技术
随着世界经济的发展、人口的激增与社会的进步，人类对能源的需求日益增长。因石燃料能源危机和环境变化压力，使得可再生新型能源在全球越来越受到重视。其中占地球表面积70％的海洋蕴藏着大量的能源，包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。波浪能由于开发过程中对环境影响小且以机械能形式存在，是目前最受关注与开发的海洋能发电类型。利用波浪能发电可为边远海岛和海上设施等提供清洁能源，还可利用波浪能提供的动力进行海水淡化，从深海提取低温海水进行空调制冷以及制氢等。近年来，国家大力发展波浪能发电产业，波浪能发电技术取得了长足的进步，陆续有试验电站投入商业运行。可以预见不远的将来，随着海洋波浪能发电技术日益成熟，将会有越来越多的海洋波浪能发电系统接入电网运行。
我国波浪能发电从20世纪80年代左右开始有较多研究。目前，波浪能发电技术大致划分为振荡水柱式、振荡浮子式(点浮式)、筏式、摆式、越浪式(收缩波道)等技术。点浮式装置尺度相比其他形式小，由相对运动的浮体、支撑结构、液压或发电装置组成。点吸收式利用波浪的升沉带动动浮子与静浮体之间的相对运动吸收波浪能，因对波浪能资源条件的要求较低，小浪下转换效率较高，受到市场青睐。但实际研发商业化的过程中存在很多缺点：一是，我国波浪能资源浪小且不规则，无法实时控制浮子实际受力面积与波浪大小匹配，不能提高海洋能源利用率；二是，研发技术不成熟使得开发成本高，各级能量转换效率无法得到提升；三是，极端条件(大风大浪)下的安全性问题也受到人们越来越多的关注。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可变浮子面积的点浮式波浪能发电装置，随着海洋波浪大小变化，通过改变吸收能量浮子部分的面积，匹配波浪大小变化情况，始终获得很高的能量利用效率。同时对于液压能量转换系统采用双向活塞杆联动操作，提高能量转换效率，增加经济效益。此外本发明在达到上述目的过程中，利用已有的固定结构使整体外形设计为三角形形式，增加点浮式波浪能发电装置整体稳定性，解决了点浮式发电装置安全性能弱的通病。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可变浮子面积的点浮式波浪能发电装置，包括：
用于实现能量捕获的漂浮在海面上的浮子系统1；
用于将浮子系统1捕获的机械能转化为电能的能量转换系统2；
以及，用于固定整套装置的支撑基础系统3；
其中，所述浮子系统1吸收能量部分的面积随着海洋波浪大小变化而变化。
所述浮子系统1主要包括中心固定浮子1-1、边缘移动翻折浮子1-2及万向连接件1-3三大部分，其中移动翻折浮子1-2在中心固定浮子1-1的外沿平均分为4块每块90度，万向连接件1-3为高强度不锈钢锁扣连接件，连接中心固定浮子1-1与边缘移动翻折浮子1-2，外部推力可使边缘移动翻折浮子1-2向下翻折与中心固定浮子1-1垂直或水平展开与中心固定浮子1-1平行，并瞬间自动锁死，当海面起风时产生波浪时，带动漂浮在海面上的浮子系统1整体上下移动，将波浪能量转化为上下移动的机械能。
本发明还包括用于连接浮子系统1与能量转换系统2以及连接能量转换系统2与支撑基础系统3的连杆系统4。
所述连杆系统4主要包括上活动连杆4-1、下活动连杆4-2、侧向撑杆4-3及装配在能量转换系统2外侧的无摩擦刚性液压滑套4-4，侧向撑杆4-3包括侧向上撑杆4-3-1和侧向下撑杆4-3-2；上活动连杆4-1连接中心固定浮子1-1与能量转换系统2，下活动连杆4-2连接能量转换系统2与支撑基础系统3，刚性液压滑套4-4套在能量转换系统2外壁，通过侧向上撑杆4-3-1与边缘移动翻折浮子1-2连接，通过侧向下撑杆4-3-2与下活动连杆4-2连接，从而实现浮子系统1与海底的液压滑套4-4、上活动连杆4-1以及下活动连杆4-2一起上下联动运动。
所述能量转换系统2主要包括液压系统2-1、蓄能器2-2、液压马达与电机2-3三大部分，能量转换系统2与刚性液压滑套4-4共用一套液压系统2-1，液压系统2-1包括油路管道以及各式电磁阀，当管路注满液压油，上活动连杆4-1和下活动连杆4-2推动液压系统2-1的液压油流动于各电磁阀时产生液压能，将外部机械能转化为液压能，液压系统2-1终端为液压马达，液压油流过液压马达带动电机转动，将液压能转化为电能，达到将上下活动连杆机械能转化为电能的目的，蓄能器2-2连接在液压系统2-1中，具有存储与释放压力的功能。
所述支撑基础系统3固定于海床，起到支撑整个发电装置作用。
本发明还包括用于控制浮子系统1表面积大小的控制系统5，所述控制系统5包括岸上岸上监控系统5-1、以太网交换机5-2、多功能控制卡5-3以及相应参数传感器；
所述多功能控制卡5-3安装于中心固定浮子1-1内，传感器包括用于监测风速的风速传感器5-4、用于监测风向的方向传感器5-5以及用于监测浪的拍力大小的力传感器5-6，并安装于浮子系统1的中心固定浮子中心固定浮子1-1上端，当多功能控制卡5-3接收含有风速、风向和浪的拍力参数信息时，根据控制策略算法给出相应指令，使执行机构动作；
以太网交换机5-2连接岸上监控系统5-1与海上多功能控制卡5-3，通过光纤进行岸上人机界面与海上多功能控制卡的通信，岸上监控系统5-1提供远程控制指令；
当多功能控制卡5-3接收含有风速、风向和浪的拍力参数信息时：
通过风速、风向及力的信息，多功能控制卡5-3判定为小海况时，若边缘移动翻折浮子1-2为水平状态，控制蓄能器2-2将对部的刚性液压滑套4-4建立向下压力使其向下移动，从而带动侧向上撑杆(4-3-1)向下运动，连带将边缘移动翻折浮子1-2向下翻折90度，垂直于中心固定浮子1-1并自动锁死，从而使浮子系统1表面积变小，更佳匹配外部波浪能的大小，蓄能器2-2此时释放压力为零，不提供动力，整个浮子及上下活动连杆将随波浪一起上下运动；若边缘移动翻折浮子1-2为垂直于中心固定浮子1-1，则系统保持；
通过风速、风向及力的信息，多功能控制卡5-3判定为大海况时，若边缘移动翻折浮子1-2为垂直于中心固定浮子1-1状态，控制蓄能器2-2将对部的刚性液压滑套4-4建立向上压力使其向上移动，从而带动侧向上撑杆(4-3-1)向上运动，连带将边缘移动翻折浮子1-2展开，水平于中心固定浮子1-1并自动锁死，从而使浮子系统1表面积变大，更佳匹配外部波浪能的大小，此时蓄能器2-2释放压力为零，不再提供动力，整个浮子及上下活动连杆将随波浪一起上下运动；若边缘移动翻折浮子1-2为水平于中心固定浮子1-1，则系统保持；
通过风速、风向及力的信息，多功能控制卡5-3判定为极端海况，即不需要工作，只需抵抗台风时，根据此时装置运动状态及边缘移动翻折浮子1-2的位置，将整个装置处于大面积状态，即边缘移动翻折浮子1-2处于水平，并使液压系统2-1对系统提供外部支撑压力并保持，使装置整体结构为倒三角形，具有稳定性，以最大限度抵抗台风，提高设备整体使用寿命。
本发明还包括用于输送最终电能的电缆6，所述电缆6为海底专用电缆，与能量转换系统2终端液压马达发电机2-3相连，将产生的电能传输至岸上电网。
与现有技术相比，本发明采用了一种可变浮子面积的新型点浮式波浪能发电装置设计结构，具有动态高吸收率、高能量转换、超强稳定性的特点，主要优点如下：
(1)能量捕获单元(浮子)可根据实际海况情况，改变浮子本身面积，实时匹配波浪大小，具有灵活性，不同海况下，均提高对波浪能吸收效率。
(2)该点浮式波浪能发电装置与传统形式相比，具有上下活动连杆联动同时做机械运动功能，共用一套液压系统，减少固定设备投入，降低研发、建造成本。提高系统各级能量转化效率，增加经济效益。
(3)该点浮式波浪能发电装置与传统形式相比，外部增加侧向撑杆与液压刚性滑套，液压系统可控制蓄能器对外部提供压力，使整个发电装置外部形成倒三角形支撑结构，增加装置整体稳定性能，提高装置抵抗极端海况能力，提高部件使用寿命，减少维护费用，提高设备安全性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明浮子系统示意图。
图3为本发明发电装置的控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参照附图1，本发明设计一套可变浮子表面积的点浮式波浪能发电装置，主要包括能量捕获的浮子系统1、能量转换系统2、支撑基础系统3、连杆系统4、控制系统5五大部分。连杆系统4的上活动连杆4-1连接浮子系统1与能量转换系统2，下活动连杆4-2连接支撑基础系统3与能量转换系统2，最终产生的电能通过电缆6输送至输送到岸上电网中。
具体来说，能量转换系统2主要包括液压系统2-1、蓄能器2-2、液压马达与电机2-3三大部分。液压系统2-1中包含油路管道以及各式电磁阀。当管路注满液压油，上活动连杆4-1和下活动连杆4-2推动液压系统2-1的液压油流动于各电磁阀时产生液压能，将外部机械能转化为液压能，液压系统2-1终端为液压马达，液压油流过液压马达带动电机转动，将液压能转化为电能。能量转换系统2具有将上下活动连杆机械能转化为电能的作用。蓄能器2-2连接在液压系统2-1当中，可实时控制其对应阀门的开关，使其具有存储与释放压力的功能。
进一步的，连杆系统4主要包括上活动连杆4-1、下活动连杆4-2、四个侧向撑杆4-3及装配在能量转换系统外侧无摩擦刚性液压滑套4-4。其中刚性液压滑套4-4与能量转换系统2共用一套液压系统2-1。上活动连杆4-1两端连接能量捕获的中心固定浮子1-1与能量转换系统2，跟随浮子系统1在能量转换系统2中做上下活塞运动。下活动连杆4-2两端连接能量转换系统2与支撑基础系统3。刚性液压滑套4-4套在能量转换系统2钢壁外部，上端通过侧向上撑杆4-3-1与移动翻折浮子1-2连接、下端通过侧向下撑杆4-3-2与下活动连杆4-2连接。当浮子系统1随波浪上下运动时，通过联动结构可使下活动连杆4-2做同步上下活塞运动。
参照附图2，本发明浮子系统1主要包括中心固定浮子1-1、边缘移动翻折浮子1-2及万向连接件1-3三大部分。其中移动翻折浮子1-2在浮子系统1外沿且平均分为4块(每块90度)，每块分别与撑杆4-3连接，万向连接件1-3为高强度不锈钢锁扣连接件，连接中心固定浮子1-1与边缘移动翻折浮子1-2。外部推力可使移动翻折浮子1-2向下收缩垂直(90度)于中心固定浮子1-1或水平展开与中心固定浮子1-1平行(180度)，并瞬间自动锁死。当海面起风时产生波浪时，带动漂浮在海面上的浮子系统1整体上下移动，将波浪能量转化为上下移动的机械能。
进一步地，浮子系统1上端装有风速传感器5-4、风向传感器5-5以及力传感器5-6，多功能控制卡5-3安装于中心固定浮子1-1内，这些信息传递给多功能多功能控制卡5-3进行控制逻辑算法分析计算，并下达指令给液压系统，液压系统执行控制指令，执行机构对移动翻折浮子1-2进行驱动，使其翻折或者铺平。
参照附图3，本发明设计的可变浮子面积的点浮式波浪能发电装置控制系统包含了岸上监控系统5-1、以太网交换机5-2、多功能控制卡5-3。
以太网交换机5-2连接岸上监控系统5-1与海上多功能控制卡5-3，通过光纤进行岸上人机界面与海上多功能控制卡的通信，岸上监控系统5-1提供远程控制指令。
多功能控制卡5-3与风速传感器5-4，风向传感器5-5和力传感器5-6相连，当这些参数传感器信息传递给多功能控制卡5-3后，多功能控制卡5-3会根据控制策略算法给出相应指令，使执行机构动作。
本发明的工作原理为：
当海面起风，产生波浪时，点浮式波浪能发电装置的浮子系统1会跟随波浪的起伏进行上下运动，并且利用联动结构带动活动上活动连杆4-1、下活动连杆4-2双向对液压系统2-1连续做功，在液压系统2-1内部建立液压能，将外部捕获的机械能转换为液压能。液压能再带动液压系统末端液压马达及电机2-3转动，产生电能，完成从波浪能到电能的发电过程。
与此同时海上多功能控制卡5-3实时接收到风速、风向以及外力海浪大小参数信息，控制板卡均选为FPGA实时控制板卡，控制周期短，在4-10ms内完成信号输入、计算和输出的控制过程。多功能控制卡会根据已编程的控制逻辑算法进行判别并给出相应动作。
具体来说，根据风速传感器5-4，风向传感器5-5和力传感器5-6的信息，多功能控制卡5-3判定为风速小于2m/s，浪高小于2m，即“小海况”，若边缘移动翻折浮子1-2为水平状态，将控制指令下达液压系统2-1，让液压系统2-1中的蓄能器2-3对外部的刚性液压滑套4-4建立“向下”压力，使其向下运动，通过与之相连的侧向上撑杆4-3-1带动4块边缘移动翻折浮子1-2向下转90度，垂直于中心固定浮子1-1并自动锁死，从而使浮子系统1表面积变小，更佳匹配外部波浪能的大小。此时多功能控制卡5-3控制蓄能器2-3释放压力减小为零，不再提供动力。使整个浮子及上下活动连杆将随波浪一起上下运动，将波浪能转换为电能发电。若边缘移动翻折浮子1-2为垂直于中心固定浮子1-1状态，则整体装置保持。
反之，根据风速传感器5-4，风向传感器5-5和力传感器5-6的信息，多功能控制卡5-3判定为风速大于2m/s，浪高大于2m，即“大海况”时，若边缘移动翻折浮子1-2处于垂直于中心固定浮子1-1位置，多功能控制卡下达指令控制液压系统蓄能器2-3对外部的刚性液压滑套4-4建立“向上”压力，使其向上运动，通过与之相连的侧向上撑杆4-3-1带动4块边缘移动翻折浮子1-2向上伸展转90度，水平于中心固定浮子1-1并自动锁死，从而使浮子系统1表面积变大，更佳匹配外部波浪能“大海况”情况。此时多功能控制卡5-3控制蓄能器2-3释放压力为零不再提供动力，整个浮子及上下活动连杆将随波浪一起上下运动，将波浪能转换为电能发电。若边缘移动翻折浮子1-2为水平于中心固定浮子1-1，则系统保持。
当通过风速传感器5-4，风向传感器5-5和力传感器5-6的信息，多功能控制卡5-3判定为风速大于10m/s，浪高大于10m，即“极端海况”时，发电装置应处于不工作状态。多功能控制卡5-3根据此时装置运动状态及边缘移动翻折浮子1-2的位置，下达指令让液压系统蓄能器2-3建立相应方向外力，带动外部的刚性液压滑套4-4运动。使整个装置处于“大面积(边缘移动翻折浮子处于水平)”状态，并保持蓄能器建立的压力不变，始终对整体发电装置提供外部支撑外力。此时装置本身结构为倒三角形，具有超高稳定性，可以最大限度抵抗台风侵害，提高设备整体使用寿命。
整个控制过程通过太网交换机5-2连接岸上监控系统5-1与海上多功能控制卡5-3，通过光纤进行岸上人机界面与海上多功能控制卡的通信，完成数据的传递和控制命令的传输。
Claims (4)
1.一种可变浮子面积的点浮式波浪能发电装置，其特征在于，包括：
用于实现能量捕获的漂浮在海面上的浮子系统(1)；
用于将浮子系统(1)捕获的机械能转化为电能的能量转换系统(2)；
以及，用于固定整套装置的支撑基础系统(3)，所述支撑基础系统(3)固定于海床，起到支撑整个发电装置作用；
其中，所述浮子系统(1)吸收能量部分的面积随着海洋波浪大小变化而变化；
所述浮子系统(1)包括中心固定浮子(1-1)、边缘移动翻折浮子(1-2)、万向连接件(1-3)及连杆系统(4)，其中移动翻折浮子(1-2)在中心固定浮子(1-1)的外沿平均分为4块，每块90度，万向连接件(1-3)为高强度不锈钢锁扣连接件，连接中心固定浮子(1-1)与边缘移动翻折浮子(1-2)，外部推力可使边缘移动翻折浮子(1-2)向下翻折与中心固定浮子(1-1)垂直或水平展开与中心固定浮子(1-1)平行，并瞬间自动锁死，当海面起风时产生波浪时，带动漂浮在海面上的浮子系统(1)整体上下移动，将波浪能量转化为上下移动的机械能；
所述连杆系统(4)用于连接浮子系统(1)与能量转换系统(2)以及连接能量转换系统(2)与支撑基础系统(3)，包括上活动连杆(4-1)、下活动连杆(4-2)、侧向撑杆(4-3)及装配在能量转换系统(2)外侧的无摩擦刚性液压滑套(4-4)，侧向撑杆(4-3)包括侧向上撑杆(4-3-1)和侧向下撑杆(4-3-2)；上活动连杆(4-1)连接中心固定浮子(1-1)与能量转换系统(2)，下活动连杆(4-2)连接能量转换系统(2)与支撑基础系统(3)，刚性液压滑套(4-4)套在能量转换系统(2)外壁，通过侧向上撑杆(4-3-1)与边缘移动翻折浮子(1-2)连接，通过侧向下撑杆(4-3-2)与下活动连杆(4-2)连接，从而实现浮子系统(1)与海底的液压滑套(4-4)、上活动连杆(4-1)以及下活动连杆(4-2)一起上下联动运动；
所述能量转换系统(2)包括液压系统(2-1)、蓄能器(2-2)、液压马达与电机(2-3)三大部分，能量转换系统(2)与刚性液压滑套(4-4)共用一套液压系统(2-1)，液压系统(2-1)包括油路管道以及各式电磁阀，当管路注满液压油，上活动连杆(4-1)和下活动连杆(4-2)推动液压系统(2-1)的液压油流动于各电磁阀时产生液压能，将外部机械能转化为液压能，液压系统(2-1)终端为液压马达，液压油流过液压马达带动电机转动，将液压能转化为电能，达到将上下活动连杆机械能转化为电能的目的，蓄能器(2-2)连接在液压系统(2-1)中，具有存储与释放压力的功能。
2.根据权利要求1所述可变浮子面积的点浮式波浪能发电装置，其特征在于，还包括用于控制浮子系统(1)表面积大小的控制系统(5)，所述控制系统(5)包括岸上岸上监控系统(5-1)、以太网交换机(5-2)、多功能控制卡(5-3)以及相应参数传感器；
所述多功能控制卡(5-3)安装于中心固定浮子(1-1)内，传感器包括用于监测风速的风速传感器(5-4)、用于监测风向的方向传感器(5-5)以及用于监测浪的拍力大小的力传感器(5-6)，并安装于浮子系统(1)的中心固定浮子中心固定浮子(1-1)上端，当多功能控制卡(5-3)接收含有风速、风向和浪的拍力参数信息时，根据控制策略算法给出相应指令，使执行机构动作；
以太网交换机(5-2)连接岸上监控系统(5-1)与海上多功能控制卡(5-3)，通过光纤进行岸上人机界面与海上多功能控制卡的通信，岸上监控系统(5-1)提供远程控制指令。
3.根据权利要求2所述可变浮子面积的点浮式波浪能发电装置，其特征在于，当多功能控制卡(5-3)接收含有风速、风向和浪的拍力参数信息时：
通过风速、风向及力的信息，多功能控制卡(5-3)判定为小海况时，若边缘移动翻折浮子(1-2)为水平状态，控制蓄能器(2-2)对外部的刚性液压滑套(4-4)建立向下压力使其向下移动，从而带动侧向上撑杆(4-3-1)向下运动，连带将边缘移动翻折浮子(1-2)向下翻折90度，垂直于中心固定浮子(1-1)并自动锁死，从而使浮子系统(1)表面积变小，更佳匹配外部波浪能的大小，蓄能器(2-2)此时释放压力为零，不提供动力，整个浮子及上下活动连杆将随波浪一起上下运动；若边缘移动翻折浮子(1-2)为垂直于中心固定浮子(1-1)，则系统保持；
通过风速、风向及力的信息，多功能控制卡(5-3)判定为大海况时，若边缘移动翻折浮子(1-2)为垂直于中心固定浮子(1-1)状态，控制蓄能器(2-2)对外部的刚性液压滑套(4-4)建立向上压力使其向上移动，从而带动侧向上撑杆(4-3-1)向上运动，连带将边缘移动翻折浮子(1-2)展开，水平于中心固定浮子(1-1)并自动锁死，从而使浮子系统(1)表面积变大，更佳匹配外部波浪能的大小，此时蓄能器(2-2)释放压力为零，不再提供动力，整个浮子及上下活动连杆将随波浪一起上下运动；若边缘移动翻折浮子(1-2)为水平于中心固定浮子(1-1)，则系统保持；
通过风速、风向及力的信息，多功能控制卡(5-3)判定为极端海况，即不需要工作，只需抵抗台风时，根据此时装置运动状态及边缘移动翻折浮子(1-2)的位置，将整个装置处于大面积状态，即边缘移动翻折浮子(1-2)处于水平，并使液压系统(2-1)对系统提供外部支撑压力并保持，使装置整体结构为倒三角形，具有稳定性，以最大限度抵抗台风，提高设备整体使用寿命。
4.根据权利要求1所述可变浮子面积的点浮式波浪能发电装置，其特征在于，还包括用于输送最终电能的电缆(6)，所述电缆(6)为海底专用电缆，与能量转换系统(2)终端液压马达发电机(2-3)相连，将产生的电能传输至岸上电网。
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