CN108252849A - 一种圆筒型直线发电机、波浪能发电装置及其监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于单柱式海洋平台的圆筒型直线发电机、波浪能发电装置及其监控方法，波浪能发电装置包括单柱式海洋平台、圆筒型直线发电机和圆柱形浮筒；单柱式海洋平台包括悬浮台、圆柱形导柱和控制舱，悬浮台通过软索与固定在海床的桩基连接，圆柱形导柱的上下两端分别与悬浮台和控制舱固定；圆柱形导柱上套设有可旋转漂浮圈，在圆柱形导柱上设置有上限位器和下限位器；圆筒型直线发电机设置在圆柱形浮筒内，可旋转漂浮圈与圆筒型直线发电机的驱动轴前端通过漂浮式绳索连接。本发明能够提高波浪能发电装置对海洋波浪环境的适应性和安全性，从而为单柱式海洋平台的生产生活，提供稳定和可靠的电能支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于单柱式海洋平台的圆筒型直线发电机、波浪能发电装置及其监控方法，属于新能源发电技术。
背景技术
单柱式海洋平台远离海岸线，在其生产生活的过程中，需要大量的电能支持。为了提高能源利用效率和降低资金投入，可以采用就近取材的方式，通过在单柱式海洋平台附近投放波浪能发电装置，为海洋平台的生产生活提供电能支持。目前，现有的波浪能发电装置，主要分为漂浮式和阿基米德式。
中国专利申请CN201410340596.X公开了一种双浮筒海洋波浪发电装置抗击风暴冲击的装置及方法。该波浪能发电装置属于漂浮式的，由外浮筒、内浮筒、发电机、阻尼盘、主控中心和终端控制中心等组成。在海洋波浪垂直方向力的驱动下，外浮筒与内浮筒之间的相对运动，驱动发电机把波浪能转换成电能。但该装置的核心部件——电磁锁模块，具有以下不足之处：电磁锁结构中，半圆头形电磁铁与导轨之间的往复运动，容易损坏线圈绕组，从而导致电磁锁模块的损坏。此外，整个波浪发电装置，是通过锚链固定在海平面的。在不同海洋波浪方向的作用下，该波浪发电装置围绕锚链做圆周运动。与单柱式海洋平台的结构相比较，该漂浮式波浪能发电装置不适合应用到单柱式海洋平台之中。
中国专利申请CN201610471209.5公开了一种改进的阿基米德式波浪能发电装置。该发电装置主要由波浪能收集装置和下部结构组成。其中，下部结构主要由桁架结构、垂荡板、系泊系统、浮力桶、压载舱等组成。但是，该波浪能发电装置没有考虑恶劣海洋(飓风、台风等)环境下的安全性问题，并且不利于后期的系统装置维护和管理工作。特别地，该发电装置也不易布设在单柱式海洋平台附近，因为其会对海洋平台的柱基部分产生不利影响。
综上所述，通过锚链系泊的漂浮式波浪能发电装置，以及安装在海底的阿基米德式波浪能发电装置，均不能应用于单柱式海洋平台的电能供给之中。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明根据海洋波浪的运动特性和单柱式海洋平台的特殊结构，提供了一种适用于单柱式海洋平台的圆筒型直线发电机、波浪能发电装置及其监控方法，能够提高波浪能发电装置对海洋波浪环境的适应性和安全性，从而为单柱式海洋平台的生产生活，提供稳定和可靠的电能支持。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于单柱式海洋平台的圆筒型直线发电机，包括动子铁芯、定子、驱动轴、前端盖和后端盖，动子铁芯设置在定子内，通过前端盖和后端盖密封，动子铁芯后端通过弹性结构与后端盖连接，动子铁芯前端与圆筒型直线发电机的驱动轴后端固定，驱动轴前端伸出前端盖，动子铁芯在弹性结构和驱动轴的拉力作用下相对定子做直线往复运动；所述定子内设置永磁体和减重槽。采用减重槽的设计，可以降低圆筒型直线发电机的重量，优化圆筒型直线发电机的磁场分布，从而提高电机的运行效率。
优选的，所述定子内沿动子铁芯移动方向设置有一组成对的减重槽，成对的两个减重槽分布在永磁体的两侧。
优选的，还包括自锁机构，所述自锁机构包括自锁弹簧、自锁块、压力传感器和直行程电动执行器；前端盖与驱动轴接触的表面设置有导向槽，自锁弹簧的一端与导向槽底部连接，自锁弹簧的另一端与自锁块连接；驱动轴与前端盖接触的表面设置有自锁槽，直行程电动执行器设置在自锁槽的底部，压力传感器设置在自锁槽的侧面；当前端盖与驱动轴相对运动到达自锁位置时，导向槽与自锁槽正对，自锁弹簧将自锁块部分推入到自锁槽内，通过自锁块锁定前端盖和驱动轴的相对位置，压力传感器实时检测自锁块对驱动轴的作用力；直行程电动执行器根据控制信号，将自锁块推出自锁槽，解除自锁块对前端盖和驱动轴相对位置的锁定。
优选的，所述定子内的永磁体之间安装有加强筋和磁桥。
一种适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置，包括单柱式海洋平台、圆筒型直线发电机和圆柱形浮筒；所述单柱式海洋平台包括悬浮台、圆柱形导柱和控制舱，悬浮台通过软索与固定在海床的桩基连接，圆柱形导柱的上下两端分别与悬浮台和控制舱固定；圆柱形导柱上套设有可旋转漂浮圈，在圆柱形导柱上设置有上限位器和下限位器，通过上限位器和下限位器限制可旋转漂浮圈相对于圆柱形导柱的直线运动范围；圆筒型直线发电机设置在圆柱形浮筒内，在海面静止状态，圆筒型直线发电机通过圆柱形浮筒漂浮在海面上，圆筒型直线发电机位置高于海平面，动子铁芯在水平方向做直线运动；可旋转漂浮圈与圆筒型直线发电机的驱动轴前端通过漂浮式绳索连接。在较大海洋波浪浪高(台风、飓风引起的)情况下，旋转飘浮圈将会碰触到上限位器或下限位器，使上限位器或下限位器向控制器发出报警信号，以便海洋平台上的工作人员对波浪能发电装置进行打捞回收，从而避免波浪能发电装置被台风、飓风等恶劣海洋环境破坏的风险。
优选的，所述圆柱形浮筒的内筒壁和外筒壁之间设置有角铁支撑架，并通过聚氨酯泡沫填充；内筒壁和外筒壁偏心设置，圆筒型直线发电机安装在内筒壁内，在外筒壁上安装配重块，减缓圆柱形浮筒的旋转动作。此外，偏心设置和配置块的其它作用是：使圆筒型直线发电机位于海平面之上，降低圆筒型直线发电机对于防海水腐蚀和密封的要求；保障整个波浪能发电装置的吃水深度处于合理范围内。
优选的，所述控制舱内安装有控制器，圆柱形浮筒上安装有卫星定位器；控制器包括电源单元、时钟单元、数据存储单元、无线数据通信单元、卫星定位单元和监控器，卫星定位单元用于监测圆柱形浮筒的位置，监控器用于采集上限位器、下限位器、压力传感器的监控信号，产生直行程电动执行器的控制信号。
优选的，所述控制器采用Intel系列的ATmega16型号单片机，卫星定位器采用ATGM332D型号的北斗卫星定位器。ATGM332D卫星定位器不仅可以接收北斗卫星的定位数据，也可以接收GPS卫星的定位数据，从而提高波浪能发电装置定位的可靠性。
一种适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置监控方法，包括如下步骤：
(1)监控器的卫星定位单元通过无线方式采集圆柱形浮筒的位置信息；
(2)对采集到的圆柱形浮筒位置信息进行处理和判断：若圆柱形浮筒脱离单柱式海洋平台，则通过监控器发出警报；否则，采集上限位器和下限位器的触动信息，进入步骤(3)；
(3)对采集到的上限位器和下限位器信息进行判断和处理：若可旋转漂浮圈触动上限位器或下限位器，则表明波浪浪高极大(由台风、飓风等引起的)，需要通过监控器发出警报，提醒海洋平台上的工作人员对波浪能发电装置进行打捞和回收；否则，采集压力传感器的检测信息，进入步骤(4)；
(4)对采集到的压力传感器信息进行判断和处理：若压力传感器有检测到受力，则表明波浪能发电装置处于自锁状态，启动时钟单元计时，进入步骤(5)；否则，返回步骤(1)；
(5)对压力传感器检测到的受力值进行进一步判断：若压力传感器检测到的受力值小于安全值，则表明波浪浪高处于安全值范围内，可以通过监控器向直行程电动执行器发送命令，启动波浪能发电装置，进入步骤(6)；否则，返回步骤(1)；
(6)监控器完成当前波浪能发电装置自锁时间的统计。
有益效果：本发明提供的圆筒型直线发电机、波浪能发电装置及其监控方法，不仅可以在不同波浪方向下进行发电运行，也可以在较高海洋波浪波高情况下实现自锁(停止运行)，从而提高了整个系统装置对波浪环境的适应性和安全性，最终能够为海洋平台的生产生活提供稳定的电能支持。
附图说明
图1为海洋波浪的运动轨迹示意图；
图2为适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置的整体结构示意图；
图3为圆柱形浮筒及圆筒型直线发电机整体的剖面结构示意图；
图4为圆筒型直线发电机的剖面结构示意图；
图5为自锁机构的剖面结构示意图；
图6为控制器的结构框图；
图7为适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置监控方法实施流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
图1给出了海洋波浪的运动轨迹示意图。如图1所示，在地区之间不同大气压和温度的环境下，海平面6上产生了海风1，海风1是产生海洋波浪5主要原因，海洋波浪5的运动方向与海风1的运动方向一致。在一个波浪周期中，海洋波浪5做椭圆运动2，主要分为水平方向运动和垂直方向运动。并且，随着海水深度4的增加，海洋波浪5做椭圆运动2的水平方向幅值和垂直方向幅值减小。在接近海床3的附近，海洋波浪5几乎处于静止状态。本案提出的适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置，是漂浮在海平面6上的，其利用海洋波浪5产生的水平方向力，把波浪能转换成电能。
如图2所示，为一种适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置，包括单柱式海洋平台、圆筒型直线发电机18和圆柱形浮筒17；所述单柱式海洋平台包括悬浮台13、圆柱形导柱12、上甲板7和下甲板8之间的控制舱，悬浮台13通过软索14与固定在海床3的桩基15连接，圆柱形导柱12的上下两端分别与悬浮台13和控制舱固定；圆柱形导柱12上套设有可旋转漂浮圈10，在圆柱形导柱12上设置有上限位器9和下限位器11，通过上限位器9和下限位器11限制可旋转漂浮圈10相对于圆柱形导柱12的直线运动范围；圆筒型直线发电机18设置在圆柱形浮筒17内，在海面静止状态，圆筒型直线发电机18通过圆柱形浮筒17漂浮在海面上，圆筒型直线发电机18位置高于海平面，圆筒型直线发电机18的动子铁芯29在水平方向作直线运动；可旋转漂浮圈10与驱动轴30前端通过漂浮式绳索16连接。
圆筒型直线发电机18与圆柱形浮筒17之间的相对往返运动，是由海洋波浪5的水平方向力、弹性结构20的恢复力、圆柱形导柱12通过可旋转漂浮圈10和漂浮式绳索16对圆筒型直线发电机18的拉力，共同完成的。并且，在海洋波浪5的作用下，波浪能发电装置可以通过漂浮式绳索16和可旋转漂浮圈10，与海洋波浪5的运动方向达到一致，从而提高了波浪能发电装置对波浪环境的适应性。
如图3所示，为了尽可能地降低波浪能发电装置的重量，并有利于后期维护和打捞回收，采用以下措施：所述圆柱形浮筒17的内筒壁、外筒壁和端壁均由4厘米厚的高分子量聚乙烯板焊接而成；为了增加圆柱形浮筒17的牢固性、不变形性和密封性，在圆柱形浮筒17的内筒壁和外筒壁之间设置有角铁支撑架23，并通过聚氨酯泡沫22填充；内筒壁和外筒壁偏心设置，圆筒型直线发电机18安装在内筒壁内，在外筒壁上安装配重块21，减缓圆柱形浮筒17的旋转动作。此外，偏心设置和配置块的其它作用是：使圆筒型直线发电机18位于海平面6之上，降低圆筒型直线发电机18对于防海水腐蚀和密封的要求；保障整个波浪能发电装置的吃水深度处于合理范围内。
如图4所示，为适用于单柱式海洋平台的圆筒型直线发电机18，包括动子铁芯29、定子28、驱动轴30、前端盖32和后端盖31，动子铁芯29设置在定子28内，通过前端盖32和后端盖31密封，动子铁芯29后端通过弹性结构20与后端盖31连接，动子铁芯29前端与驱动轴30后端固定，驱动轴30前端伸出前端盖32，动子铁芯29在弹性结构20和驱动轴30的拉力作用下相对定子28做直线往复运动；所述定子28内沿动子铁芯29移动方向设置有一组成对的减重槽27，成对的两个减重槽27分布在永磁体26的两侧；所述定子28内设置永磁体26，永磁体26之间安装有加强筋24和磁桥25。在定子28内设置减重槽27，是为了提高圆筒型直线发电机18的磁路分布和运行性能，并降低圆筒型直线发电机18的重量。此外，动子铁芯29上的三相绕组A、B和C为分布式绕组，目的是增强发电机输出电压的正弦性，从而降低输出电压的高次谐波分量。
如图5所示，在前端盖32和驱动轴30上设置有自锁机构，所述自锁机构包括自锁弹簧36、自锁块37、压力传感器38和直行程电动执行器39；前端盖32与驱动轴30接触的表面设置有导向槽35，自锁弹簧36的一端与导向槽35底部连接，自锁弹簧36的另一端与自锁块37连接；驱动轴30与前端盖32接触的表面设置有自锁槽40，直行程电动执行器39设置在自锁槽40的底部，压力传感器38设置在自锁槽40的侧面；当前端盖32与驱动轴30相对运动到达自锁位置时，导向槽35与自锁槽40正对，自锁弹簧36将自锁块37部分推入到自锁槽40内，通过自锁块37锁定前端盖32和驱动轴30的相对位置，压力传感器38实时检测自锁块37对驱动轴30的作用力；直行程电动执行器39根据控制信号，将自锁块37推出自锁槽40，解除自锁块37对前端盖32和驱动轴30相对位置的锁定。密封圈34的作用是提高圆筒型直线发电机18的密封性能，防止海水渗入到发电机内部。同时，前端盖32和驱动轴30之间通过导轨33提高相对移动的稳定性，通过密封圈34实现密封。
在较大海洋波浪波高的情况下，圆筒型直线发电机18的动子部分和定子部分之间相对运动达到最大值，使自锁块37与自锁槽40处于同一条垂直线上。此时，在自锁弹簧36的驱动下，自锁块37运动到自锁槽40之中，使圆筒型直线发电机18的动子部分与定子部分之间形成自锁，停止发电机的运行工作。特别地，压力传感器38可以检测到定子部分与动子部分之间的水平作用力，该水平作用力的大小与海洋波浪波高成正比。因此，当海洋波浪波高降低之后，压力传感器38的受力也会降低。此时，监控器可以通过无线指令控制直行程电动执行器39的，驱动自锁块37复位，从而使圆筒型直线发电机18恢复到运行状态。此外，挡块41起到了保护作用。
所述控制舱为上甲板7和下甲板8之间的空间，在控制舱内安装有控制器，圆柱形浮筒17上安装有卫星定位器19，卫星定位器安装在圆柱形浮筒17的上部，高于海平面；如图6所示，控制器包括电源单元、时钟单元、数据存储单元、无线数据通信单元、卫星定位单元和监控器，卫星定位单元用于监测圆柱形浮筒17的位置，监控器用于采集上限位器9、下限位器11、压力传感器38的监控信号，产生直行程电动执行器39的控制信号。所述控制器采用Intel系列的ATmega16型号单片机，卫星定位器19采用ATGM332D型号的北斗卫星定位器。ATGM332D卫星定位器不仅可以接收北斗卫星的定位数据，也可以接收GPS卫星的定位数据，从而提高波浪能发电装置定位的可靠性。
如图7所示，为一种适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置监控方法，包括如下步骤：
(1)监控器的卫星定位单元通过无线方式采集圆柱形浮筒的位置信息；
(2)对采集到的圆柱形浮筒位置信息进行处理和判断：若圆柱形浮筒脱离单柱式海洋平台，则通过监控器发出警报；否则，采集上限位器和下限位器的触动信息，进入步骤(3)；
(3)对采集到的上限位器和下限位器信息进行判断和处理：若可旋转漂浮圈触动上限位器或下限位器，则表明波浪浪高极大(由台风、飓风等引起的)，需要提醒海洋平台上的工作人员对波浪能发电装置进行打捞和回收；否则，采集压力传感器的检测信息，进入步骤(4)；
(4)对采集到的压力传感器信息进行判断和处理：若压力传感器有检测到受力，则表明波浪较大，波浪能发电装置处于自锁状态，启动时钟单元计时，进入步骤(5)；否则，返回步骤(1)；
(5)对压力传感器检测到的受力值进行进一步判断：若压力传感器检测到的受力值小于安全值，则表明浪高处于安全值范围内，可以通过监控器向直行程电动执行器发送命令，启动波浪能发电装置，进入步骤(6)；否则，返回步骤(1)；
(6)监控器完成当前波浪能发电装置自锁时间的统计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种适用于单柱式海洋平台的圆筒型直线发电机，其特征在于：包括动子铁芯(29)、定子(28)、驱动轴(30)、前端盖(32)和后端盖(31)，动子铁芯(29)设置在定子(28)内，通过前端盖(32)和后端盖(31)密封，动子铁芯(29)后端通过弹性结构(20)与后端盖(31)连接，动子铁芯(29)前端与驱动轴(30)后端固定，驱动轴(30)前端伸出前端盖(32)，动子铁芯(29)在弹性结构(20)和驱动轴(30)的拉力作用下相对定子(28)做直线往复运动；所述定子(28)内设置永磁体(26)和减重槽(27)。
2.根据权利要求1所述的适用于单柱式海洋平台的圆筒型直线发电机，其特征在于：所述定子(28)内沿动子铁芯(29)移动方向设置有一组成对的减重槽(27)，成对的两个减重槽(27)分布在永磁体(26)的两侧。
3.根据权利要求1所述的适用于单柱式海洋平台的圆筒型直线发电机，其特征在于：还包括自锁机构，所述自锁机构包括自锁弹簧(36)、自锁块(37)、压力传感器(38)和直行程电动执行器(39)；前端盖(32)与驱动轴(30)接触的表面设置有导向槽(35)，自锁弹簧(36)的一端与导向槽(35)底部连接，自锁弹簧(36)的另一端与自锁块(37)连接；驱动轴(30)与前端盖(32)接触的表面设置有自锁槽(40)，直行程电动执行器(39)设置在自锁槽(40)的底部，压力传感器(38)设置在自锁槽(40)的侧面；当前端盖(32)与驱动轴(30)相对运动到达自锁位置时，导向槽(35)与自锁槽(40)正对，自锁弹簧(36)将自锁块(37)部分推入到自锁槽(40)内，通过自锁块(37)锁定前端盖(32)和驱动轴(30)的相对位置，压力传感器(38)实时检测自锁块(37)对驱动轴(30)的作用力；直行程电动执行器(39)根据控制信号，将自锁块(37)推出自锁槽(40)，解除自锁块(37)对前端盖(32)和驱动轴(30)相对位置的锁定。
4.根据权利要求1所述的适用于单柱式海洋平台的圆筒型直线发电机，其特征在于：所述定子(28)内的永磁体(26)之间安装有加强筋(24)和磁桥(25)。
5.一种适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置，其特征在于：包括单柱式海洋平台、圆筒型直线发电机和圆柱形浮筒(17)；所述单柱式海洋平台包括悬浮台(13)、圆柱形导柱(12)和控制舱，悬浮台(13)通过软索(14)与固定在海床(3)的桩基(15)连接，圆柱形导柱(12)的上下两端分别与悬浮台(13)和控制舱固定；圆柱形导柱(12)上套设有可旋转漂浮圈(10)，在圆柱形导柱(12)上设置有上限位器(9)和下限位器(11)，通过上限位器(9)和下限位器(11)限制可旋转漂浮圈(10)相对于圆柱形导柱(12)的直线运动范围；圆筒型直线发电机设置在圆柱形浮筒(17)内，在海面静止状态，圆筒型直线发电机通过圆柱形浮筒(17)漂浮在海面上，圆筒型直线发电机位置高于海平面，动子铁芯(29)在水平方向做直线运动；可旋转漂浮圈(10)与圆筒型直线发电机的驱动轴(30)前端通过漂浮式绳索(16)连接。
6.根据权利要求5所述的适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置，其特征在于：所述圆柱形浮筒(17)的内筒壁和外筒壁之间设置有角铁支撑架(23)，并通过聚氨酯泡沫(22)填充；内筒壁和外筒壁偏心设置，圆筒型直线发电机安装在内筒壁内，在外筒壁上安装配重块(21)，减缓圆柱形浮筒(17)的旋转动作。
7.根据权利要求5所述的适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置，其特征在于：所述控制舱内安装有控制器，圆柱形浮筒(17)上安装有卫星定位器(19)；控制器包括电源单元、时钟单元、数据存储单元、无线数据通信单元、卫星定位单元和监控器，卫星定位单元用于监测圆柱形浮筒(17)的位置，监控器用于采集上限位器(9)、下限位器(11)、压力传感器(38)的监控信号，产生直行程电动执行器(39)的控制信号。
8.根据权利要求7所述的适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置，其特征在于：所述控制器采用Intel系列的ATmega16型号单片机，卫星定位器(19)采用ATGM332D型号的北斗卫星定位器。
9.一种适用于单柱式海洋平台的波浪能发电装置监控方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)监控器的卫星定位单元通过无线方式采集圆柱形浮筒的位置信息；
(2)对采集到的圆柱形浮筒位置信息进行处理和判断：若圆柱形浮筒脱离单柱式海洋平台，则通过监控器发出警报；否则，采集上限位器和下限位器的触动信息，进入步骤(3)；
(3)对采集到的上限位器和下限位器信息进行判断和处理：若可旋转漂浮圈触动上限位器或下限位器，则通过监控器发出警报；否则，采集压力传感器的检测信息，进入步骤(4)；
(4)对采集到的压力传感器信息进行判断和处理：若压力传感器有检测到受力，表明波浪能发电装置处于自锁状态，启动时钟单元计时，进入步骤(5)；否则，返回步骤(1)；
(5)对压力传感器检测到的受力值进行进一步判断：若压力传感器检测到的受力值小于安全值，则通过监控器向直行程电动执行器发送命令，启动波浪能发电装置，进入步骤(6)；否则，返回步骤(1)；
(6)监控器完成当前波浪能发电装置自锁时间的统计。
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