CN108678890A - 一种波浪能采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型波浪能采集系统，该系统主要由液压装置，齿轮传动装置，浮子支架和浮子等构成。本发明通过浮子对波浪能进行采集，通过浮子支架连接齿轮传动装置，再通过齿轮传动装置将浮子采集的能量传递给液压装置，液压装置通过压缩液压油将系统采集的能量储存在储能容器中。系统各装置合理的受力和力矩平衡，在波浪能采集过程中能够有效降低能量传递过程中不必要的浪费，最大限度地将波浪能采集至储能容器中。本发明结构简单，采能效率高，在波浪较小时也能对波浪能进行采集，能够适应更广泛的波高范围，提高波浪能的利用率。

Description

一种波浪能采集系统
技术领域
本发明涉及能源采集系统，尤其涉及一种波浪能采集系统。
背景技术
近年来随着对化石能源利用的限制日趋紧张，环境保护的要求日趋严格，人们对新能源的开发和利用越来越重视。地球表面积的71%是海洋，海水蕴藏着巨大的能源资源，主要表现为潮汐能、海流能、波浪能、海水温差和海水温差能等。而波浪能是海水能源中最为丰富的能源之一，据估算，全世界波浪能的理论值约为109kW量级，是是目前世界发电量的数百倍，有着广阔的商用前景，因而也是各国海洋能研究开发的重点。
震荡浮子式波浪能装置通常是将浮子作为波浪能的吸收载体，然后将浮子吸收的能量通过机械或液压装置转换出去，用来驱动电机发电，由浮子、连杆、液压传动机构、发电机和保护装置几部分组成。震荡浮子式发电装置是目前波浪能发电装置中具有明显优势的一种方式，不仅转换效率比较高，而且减少了水下施工，建造容易，成本低廉。
由于震荡浮子式波浪能发电装置中浮子对波浪能量的吸收和传递过程直接影响整个系统的发电效率，因此，一套合理的波浪能采集系统对震荡浮子式波浪能发电装置至关重要。液压装置相对机械系统能量转换更稳定，更容易控制，在浮子式波浪能采集系统中具有更明显的优势。将波浪的上下运动直接转化为液压装置的往复运动对液压装置的放置平台要求较高，为了让液压储能装置适应更多的平台结构，需要对能量传递过程中力的方向进行调整，而齿轮的最大优势在于能够有效改变力的方向，并且具有非常高的传动效率，一般在90%以上。由于在波浪能采集过程中，波浪的能量大部分最初将以浮力的形式传递给浮子，然后由浮子进一步传递，因此以当地波况为参考，以浮子受到的浮力为基准对波浪能采集装置进行设计更加可靠，同时便于对整个系统的效率进行计算。另外，各单元的连杆的受力和力矩能够直接反应能量传递效率，保证各连接单元的受力和力矩平衡可以保证波浪能采集系统能量采集过程更稳定，采集效率更高。
因此，为更高效地采集波浪能，促进波浪能发电装置的发电效率，使波浪能更有效地利用，本发明设计了一种带有液压装置、齿轮传动装置和浮子的一种波浪能采集系统，使波浪能才过程更加稳定、可靠，同时结构简单，容易布置，对平台适应性强。
发明内容
本发明为了解决现有技术的上述不足，提供了一种波浪能采集系统。
本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种波浪能采集系统，包括平台，平台上设有液压装置、齿轮传动装置、浮子支架和浮子；所述的液压装置包括液压缸筒和活塞杆，所述齿轮传动装置由齿轮和齿条啮合构成，所述活塞杆和齿条一端连接；通过齿轮传动装置可以有效改变力的传动方向，并且齿轮传动本身具有传动效率高，能量传递稳定的优点。由于齿轮能够有效调整力的传递方向，系统中力的方向由齿轮传动装置控制，则活塞杆只需完成一个方向上的往复运动，因此液压缸筒可以固定在平台上，避免液压系统相对平台的运动造成能量损失和装置损坏。另外，固定的液压装置更便于保护，避免海水、平台摆动等对活塞杆和液压缸筒的腐蚀和损坏。
进一步的，所述的浮子支架一端与齿轮的转动轴连接，另一端与浮子连接；所述浮子随水平面的高低上下运动，所述浮子的运动带动与之连接浮子支架。通过这种连接方式，浮子、浮子支架、齿轮传动装置和液压装置的运动最终都以齿轮转动轴为转动中心进行运动，较少的转动中心可以保证系统的稳定性，同时，齿条受力方向始终与齿轮分度圆相切，浮子的浮力方向近似与浮子支架水平端点的运动方向近似相切，支架端点的运动和齿轮的运动为同心圆，又力矩大小计算为∣M∣=∣F∣·∣L∣·sinα，则相切是α为90°，力矩值最大，因此，能量传递过程中效率最大。
进一步的，所述的浮子采能过程中的运动状态包括静止，向上运动和向下运动。
所述浮子支架的水平长度L1、浮子的行程H，活塞杆的长度L，齿轮的分度圆半径ra，齿条的行程L0，齿条的长度L3的关系为，L大于L0，L3大于L；
静止时，浮子吃水线位于水平线，浮子支架和浮子自身重力G和浮子本身的浮力F0满足F0×L1≈G×L2，其中L1为浮子支架的长度，L2为齿轮旋转中心至浮子支架和浮子重心的水平距离；
向上运动时，浮子吃水线位于水平线，浮子支架和浮子自身重力G和液压装置对齿条的最大作用力Fmax1与浮子收到的浮力F0满足F0×L1≈G×L2+Fmax1×ra，L1为浮子支架的长度，L2为齿轮旋转中心至浮子支架和浮子重心的水平距离，ra为齿轮7的分度圆半径；
向下运动时，浮子吃水线位于水平线，浮子支架和浮子自身重力G和液压装置对齿条的最大作用力Fmax2与浮子收到的浮力F0满足G×L2≈F0×L1+Fmax2×ra，其中L1为浮子支架的长度，L2为齿轮旋转中心至浮子支架和浮子重心的水平距离，ra为齿轮的分度圆半径。
因此，在系统的设计和浮子的运动过程中，始终满足力矩平衡，保证浮子能够波浪运动而更加平顺地运动。同时，浮子的三条吃水线的落差尽量小，减少波浪与浮子间的相对运动，充分利用波浪的上下位移产生的能量，使波浪能的采集效率最大化。
进一步的，所述液压装置为双作用液压缸，液压缸筒固定在平台上，活塞杆长度L由齿条单向行程L0由浮子的行程H、齿轮的分度圆半径（ra）和浮子支架的长度L1确定，满足公式：，L大于L0，齿条长度L3大于L。双作用的液压缸可以同时利用浮子上下运动过程的能量，而根据公式计算的活塞杆长度L和齿条长度L3根据各装置实际运动运动进行计算，可以有效避免不必要的浪费，同时降低液压装置的损害风险。
本发明与现有技术相比的优点是：
1、通过齿轮传动装置使波浪能采集系统的运动中心尽量少，增强了能量传递过程中系统的稳定性；
2、通过齿轮传动有效改变力的方向，使相对精密的液压装置更安全地固定在平台上，保证液压装置运动过程中的稳定性，更便于对液压装置的保护，延长液压装置的使用寿命。
3、波浪能采集系统工作过程中，传动过程始终保持力矩的动态平衡，使才能过程更平顺，使系统设计更具科学性。
4、系统的传动机构使各个运动装置受到的力和力臂夹角最大，使传动过程中力矩值最大，能量传递过程效率最大。
5、水平面较小的落差，可以提高浮子对波浪能的吸收效率，可以满足更小波浪高度下的采能。
附图说明
图1本发明总体结构示意图。
图2本发明部分结构示意图。
图3浮子运动过程对应水平面位置示意图。
图4各结构受力和力臂示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详述。
如图1、图2所示，一种波浪能采集系统，包括平台，平台上设有液压装置1、齿轮传动系统2、浮子支架3和浮子4；液压装置1包括液压缸筒5和活塞杆6，液压缸筒5固定在平台上；齿轮传动系统2由齿轮7和齿条8啮合组成，啮合位置可以有多种位置；活塞杆6与齿条8连接，随齿条8的运动而做往复运动；浮子支架3一端与齿轮7转动轴连接，另一端与浮子4连接；所述浮子4随水平面的高低上下运动，所述浮子4的运动带动与之连接的浮子支架3；液压装置1采用双作用液压缸，可以同时采集浮子4向上和向下运动的能量。
浮子支架3的水平长度L1、浮子4的行程H，活塞杆6的长度L，齿轮7的分度圆半径ra，齿条8的行程L0，齿条8的长度L3的关系为，L大于L0，L3大于L。其中浮子4的行程H可以根据实际波况中的波高H0进行确定，理论上H为波高H0减去浮子最高吃水位置和最低吃水位置的落差，如图3所示，理论最高吃水线10和理论最低吃水线11之间的落差假设为H1，即H=H0-H1。根据本关系进行计算，可以有效掌握活塞杆6和齿条8的理论长度，以此理论长度为基础，适当增加工程应用中的长度，即能保证波浪能采集系统能够采集浮子整个运动过程中吸收的能量，又能有效避免装置长度过大造成的浪费或过小造成的采能效率低。
浮子4随着波浪的上下运动而绕齿轮7转动轴做近似上下运动，从而带动整个波浪能采集系统的运动。浮子4的运动过程可以假设为三个状态，即静止状态，向上运动状态和向下运动状态。
如图3和4所示，浮子4的吃水线位置为9时，浮子4处于静止状态，系统各装置不发生运动，此时液压装置2对齿条8的作用力为0，浮子4受到的浮力F0，浮子支架3和浮子4自身重力G满足F0×L1≈G×L2，其中L1和L2分别F0和G相对齿轮7转动轴的力臂，即L1为浮子支架3的长度，L2为齿轮7旋转中心至浮子支架3和浮子4重心的水平距离。
如图3、图4所示，浮子4的吃水线为10时，浮子4处于向上运动状态，液压装置2将对齿条8产生作用力，而这种作用力将随着储能容器内的压力增大而逐渐增大，假设液压装置2对齿条8的最大作用力为Fmax1，浮子4受到的浮力F0，浮子支架3和浮子4自身重力G，液压装置2对齿条8的最大作用力Fmax1满足F0×L1≈G×L2+Fmax1×ra，其中，L1为浮子支架3的长度，L2为齿轮7旋转中心至浮子支架3和浮子4重心的水平距离，ra为齿轮7的分度圆半径。
如图3、图4所示，浮子4的吃水线为11时，浮子4处于向下运动状态，液压装置2对齿条8产生反方向的作用力，这种作用力随着储能容器内的压力增大而逐渐增大，假设此时的最大作用力为Fmax2，浮子4收到的浮力F0，浮子支架3和浮子4自身重力G，液压装置2对齿条8的最大作用力Fmax2满足G×L2≈F0×L1+Fmax2×ra，其中L1为浮子支架3的长度，L2为齿轮7旋转中心至浮子支架3和浮子4重心的水平距离，ra为齿轮7的分度圆半径。
通过上述三种状态下力矩平衡的计算，可以根据当地波况更为准确地确定新型波浪能采集系统各个结构的基本参数，选用合适的液压缸压力范围，避免压力过大或者不足造成浮子4不能有效采能，或者不能充分采能等问题。
浮子4底部设计为带有弧度的底面，减小波浪冲击浮子4时的兴波，减少波浪自身能量的损失。浮子吃水线10距离上表面具有一定的余量，吃水线11距离底面最低点具有一定的余量，保证液压装置1作用力过大时系统能够继续运行。同时，尽量减小吃水线10和吃水线11的落差，可以相对增加浮子4的运动行程，从而使采能的总量更大。
另外，当浮子4随波浪运动的行程相对浮子支架3的水平长度不大时，浮子4的运动可以近似为上下运动，浮子支架3的水平长度可以近似为浮子4受到的浮力相对齿轮7中心轴的力臂，力臂和浮力夹角α可以近似为90°。由力矩大小可表示为∣M∣=∣F∣*∣L∣*sinα，因此本发明中浮子4产生的浮力对齿轮传动装置2旋转的力矩值最大，具有较高能量传递效率。而齿条8式中与齿轮7始终相切，活塞杆6对齿条8直接相连，力矩值维持最大，能量损失最小。因此，总体而言，新型波浪能采集系统的能量传递过程始终维持最高的能量传递效率，大大降低到了能量传递过程中的能量损失，从而有效提高了波浪能采集系统的采能效率。
上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (5)

1.一种波浪能采集系统，包括平台，平台上设有液压装置（1）、齿轮传动装置（2）、浮子支架（3）和浮子（4）；所述的液压装置（1）包括液压缸筒（5）和活塞杆（6），所述齿轮传动装置（2）由齿轮（7）和齿条（8）啮合构成，所述活塞杆（6）和齿条（8）一端连接；所述浮子支架（3）一端与齿轮（7）的转动轴连接，另一端与浮子（4）连接；所述浮子（4）随水平面的高低上下运动，所述浮子（4）的运动带动与之连接浮子支架（3）。
2.根据权利要求1所述的一种波浪能采集系统，其特征在于：所述液压装置（1）为双作用液压缸，液压缸筒（5）固定在平台上，活塞杆（6）长度L由齿条（8）单向行程L0由浮子（4）的行程H、齿轮的分度圆半径ra和浮子支架（3）的长度L1确定，满足公式：，L大于L0，齿条（8）长度L3大于L。
3.根据权利要求1所述的一种波浪能采集系统，其特征在于：所述浮子（4）静止时吃水线位于（9），浮子支架（3）和浮子（4）自身重力G和浮子（4）本身的浮力F0满足F0×L1≈G×L2，其中L1为浮子支架（3）的长度，L2为齿轮（7）旋转中心至浮子支架（3）和浮子（4）重心的水平距离。
4.根据权利要求1所述的一种波浪能采集系统，其特征在于：浮子（4）向上运动时吃水线位于（10），浮子支架（3）和浮子（4）自身重力G和液压装置（1）对齿条的最大作用力Fmax1与浮子收到的浮力F0满足F0×L1≈G×L2+Fmax1×ra，其中，L1为浮子支架（3）的长度，L2为齿轮（7）旋转中心至浮子支架（3）和浮子（4）重心的水平距离，ra为齿轮（7）的分度圆半径。
5.根据权利要求1所述的一种波浪能采集系统，其特征在于：浮子（4）向下运动时吃水线位于（11），浮子支架（3）和浮子（4）自身重力G和液压装置（1）对齿条的最大作用力Fmax2与浮子收到的浮力F0满足G×L2≈F0×L1+Fmax2×ra，其中L1为浮子支架（3）的长度，L2为齿轮（7）旋转中心至浮子支架（3）和浮子（4）重心的水平距离，ra为齿轮7的分度圆半径。
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