CN109236544B - 一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，属于波浪能发电装备技术领域。本发明为了解决单个点吸式发电装置发电功率低，连杆结构承受弯矩大的问题，设计了一种发电装置。支座上安装有发电单元和多个桩柱，多个桩柱布置在发电单元的周围；浮子通过球铰连接机构和刚性连杆连接在发电单元上；支座用于安装多个桩柱和发电单元，发电单元用于将浮子上下振荡的机械能转化为电能，刚性连杆用于传递浮子上下振荡的机械能，球铰连接机构用于连接浮子和刚性连杆，球铰连接机构允许浮子围绕球铰连接机构转动，浮子用于收集波浪能，多个桩柱用于将波浪能聚集在浮子所在位置，锚链用于固定整个发电装置在海域中的位置。本发明用于海上发电中。
Description
技术领域
本发明涉及一种点吸式波浪能发电装置，具体涉及一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，属于波浪能发电装备技术领域。
背景技术
能源是人类社会赖以生存和发展的保障，也是国民经济和社会发展的基础。波浪能作为一种绿色能源，储量大，分布广，获取方式多样，是最有发展前景的海洋能源之一。特别是在一些缺乏常规能源的海岛和海上设施中，波浪能显示出了特有的优越性和生命力。点吸式波浪能发电装置利用浮子的升沉运动来捕获波浪能，是一种转化效率高、建造难度小、投资成本小的波浪能发电装置。
单个浮子的发电功率受到浮子大小、波浪振幅的限制，不能满足大规模的用电需求。近年来，许多高校和科研院所对点吸式波浪能发电装置进行了研究。针对单个浮子发电功率受限的问题，大部分学者采用浮子形状优化或者增加浮子数量的方式来提高发电功率，前者对发电功率的增加是有限的，后者增加工程难度和建造成本，并且没有在根本上增加单个浮子的发电功率。例如，申请号为CN201110337128.3，发明名称为多振荡浮子式波浪能液压发电装置，其通过改变浮子的数量来提高发电功率，提高系统的稳定性。
传统的点吸式发电装置的浮子和发电单元间的连接多采用刚性连杆或者柔性绳索。刚性连杆的连接方式，由于浮子只能上下运动，连杆必然承受波浪力产生的弯矩，特别是浮子与连杆的连接处；柔性绳索的连接方式，虽然减小了结构承受的弯矩，但是由于绳索具有弹性，必然会产生能量消耗，并且绳索的强度存在劣势。例如，申请号为CN201720575468.2，发明名称为一种波浪能发电装置，其中浮子与传动连杆采用刚性连接；申请号为CN201611173582.9，发明名称为一种新型波浪能发电装置，其中浮子与发电机采用缆绳柔性连接。
因此，如何从根本上增加单个点吸式发电装置功率，改善浮子和发电单元的连接方式，成为了本领域亟待突破的瓶颈。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明为了解决单个点吸式发电装置发电功率低，连杆结构承受弯矩大的问题，进而设计了一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置。
本发明所采取的方案为：一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，包括支座、发电单元、刚性连杆、球铰连接机构、浮子、多个桩柱和锚链；所述支座上安装有发电单元和多个桩柱，多个桩柱布置在发电单元的周围；浮子通过球铰连接机构和刚性连杆安装在发电单元上；所述支座用于安装多个桩柱和发电单元，发电单元用于将浮子上下振荡的机械能转化为电能，刚性连杆用于传递浮子上下振荡的机械能，球铰连接机构用于连接浮子和刚性连杆，球铰连接机构允许浮子围绕球铰连接机构转动，浮子用于收集波浪能，多个桩柱用于将波浪能聚集在浮子所在位置，锚链用于固定整个发电装置在海域中的位置。
进一步地：所述发电单元为直线式发电单元，其包括上限位弹簧、定子、上挡板、动子、下挡板和下限位弹簧，所述定子内设置有动子，动子的上端设置有上挡板，动子的下端设置有下挡板，定子的上端设置有上限位弹簧，定子的下端设置有下限位弹簧，刚性连杆与动子连接。如此设置，当刚性连杆上下运动时，带动着动子相对于定子做切割磁感线运动，从而产生电能。在不可预知的波浪条件下，浮子和刚性连杆的运动可能超过发电单元所允许的范围，当刚性连杆向上的运动超过所允许的范围时，安装在动子上的上挡板和上限位弹簧接触，通过弹簧的变形达到吸能的效果，避免结构的损坏。同理，下挡板和下限位弹簧可以避免刚性连杆向下的极限运动对结构的毁坏。
进一步地：所述球铰连接机构包括球铰座和安装在球铰座内的球体，球铰座与球体之间可以填充润滑油，球体与刚性连杆连接，球铰座与浮子连接。如此设置，与浮子相连接的球铰座在波浪的作用下可以围绕球体转动，从而减小浮子和刚性连杆连接处的弯矩。
进一步地：所述多个桩柱由多个半径为r的圆柱形桩柱组成，所述圆柱形桩柱的尺寸大小都相同，其水面以上高度h大于聚焦后结构内部波浪振幅。组成多桩柱的圆柱形桩柱数量越多，聚波效果越明显。所述结构内部是指多个桩柱围合区域。
进一步地：所述多个桩柱由多个边长为a的正棱柱组成，所述正棱柱的尺寸大小都相同，其水面以上高度h大于聚焦后结构内部波浪振幅。组成多桩柱的正棱柱数量越多，聚波效果越明显。所述结构内部是指多个桩柱围合区域。
进一步地：所述桩柱以同心圆半径L规则环绕在中心浮子的周围。因为波浪传播方向是任意且不确定的，该桩柱的规则性分布，可以保证不同入射波方向下的聚波效果。
进一步地：所述浮子为海面浮体，其形状为圆饼状或圆锥状。
本发明所达到的效果为：
本发明的创新尤其在于基于波浪干涉的聚波，不是单纯地增加浮子数量来提高发电效率。具体地，本发明是通过在浮子周围设置多桩柱，将多桩柱产生的散射波聚集在浮子处，可显著提高浮子振荡幅度，从根本上增加发电效率。由于球铰结构的存在，可显著减小浮子与连杆连接处所受的弯矩，提高发电装置的安全性和使用寿命。整个装置结构简单，实施容易，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构图；
图2为图1中的除去外围多桩柱和锚链的示意图；
图3为图1中外围多桩柱的安装示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为图1中发电单元的示意图；
图6为图1中的球铰连接机构的示意图；
图7为聚波后装置内部波浪振幅的分布情况示意图。
附图标记：
1-支座，2-发电单元，3-刚性连杆，4-球铰连接机构，5-浮子，6-桩柱，7-锚链，101-桩柱安装孔，201-上限位弹簧，202-定子，203-上挡板，204-动子，205-下挡板，206-下限位弹簧，401-球座，402-球体。
具体实施方式
为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例：结合图1至图7，对本实施方式的一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置进一步进行阐述：
图1中公开的是本实施方式的一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，包括支座1、发电单元2、刚性连杆3、球铰连接机构4、浮子5、多个桩柱6和锚链7；所述支座1上安装有发电单元2和多个桩柱6，多个桩柱6布置在发电单元2的周围；浮子5通过球铰连接机构4和刚性连杆3安装在发电单元2上。
图2为除去多个桩柱6和锚链7之外的发电装置。101为支座1上预留的桩柱安装孔。
图3和图4分别为只保留了支座1和多个桩柱6后发电装置的立体效果图和俯视图。从图4中可以看出多个半径为r的圆柱结构桩柱以半径为L的同心圆规则环绕布置。桩柱的数量可选择为8。圆柱半径r和同心圆半径L可以根据发电装置安装海域的波况优化得到。
图5为发电单元示意图，发电单元为直线式发电单元，发电单元2包括上限位弹簧201，定子202，上挡板203，动子204，下挡板205和下限位弹簧206。当刚性连杆3上下运动时，带动着动子204相对于定子202做切割磁感线运动，从而产生电能。在不可预知的波浪条件下，浮子5和刚性连杆3的运动可能超过发电单元所允许的范围，当刚性连杆3向上的运动超过所允许的范围时，安装在动子204上的上挡板203和上限位弹簧201接触，通过弹簧的变形达到吸能的效果，避免结构的损坏。同理，下挡板205和下限位弹簧206可以避免刚性连杆向下的极限运动对结构的毁坏。
图6为球铰连接机构4的示意图，球铰4包括球铰座401和球体402，球铰座401与球402之间可以填充润滑油。球体402与连杆3连接。球铰座401与浮子5连接。与浮子5相连接的球铰座401在波浪的作用下可以围绕球体402转动，从而减小浮子5和刚性连杆3连接处的弯矩。
本实施方式中，所述刚性连杆3用于传递浮子5上下运动产生的机械能，所述刚性连杆3和直线电机的动子204连接在一起，浮子5上下往复运动时，通过刚性连杆3带动直线电机的动子204跟定子202相对运动，完成波浪能向电能的转化。
其中，8个桩柱6安装于支座1上，可以将各桩柱产生的散射波聚焦在结构内部，显著提升结构内部的波浪振幅。
其中，8个半径为r的圆柱形桩柱的尺寸大小都相同，其水面以上高度h大于聚焦后结构内部波浪振幅。桩柱的数量越多，聚波效果越明显。
其中，所述多个桩柱以同心圆半径L规则环绕在中心浮子周围。因为波浪传播方向是任意且不确定的，该桩柱的规则性分布，可以保证不同入射波方向下的聚波效果。
其中，在使用时，根据安装海域的波浪情况确定圆柱形桩柱的半径r和同心圆半径L。当r和L选择恰当时，中心浮子处的波幅可增大到入射波高的数倍。
更为具体地：本实施例的多个桩柱的形状为圆柱形，每个圆柱的尺寸大小一样；圆柱的数量为8；当入射波长为2π(＝6.2831852)米，圆柱的尺寸(半径r和同心圆半径L)半径r＝0.4181m，同心圆半径L＝1.161m，如此将各个圆柱产生的散射波聚集在多个圆柱所围的内部；通过优化桩柱的位置(同心圆半径L)和半径r，来实现将每个圆柱产生的散射波聚集在多个桩柱所围合的结构内部，也就是浮子所在的位置，如图7，圆柱形聚波装置可以形成一个直径约为1.5m的聚波区域，区域内的波浪振幅A整体上可达到入射波振幅A0的2.5倍以上，最大可达到入射波振幅A0的3.2倍。在区域内安装振荡浮子后，可以显著增加浮子的发电功率，即单个浮子的发电效率提高2.5～3.2倍。
其中，所述支座面积要足够大，用以增加整个发电装置的运动阻尼，更好地保持整个装置的稳定性。
所述发电单元还可以采用机械式、液压式发电装置，用于将波浪能转化为电能。
所述浮子为海面浮体，其可以采用圆饼状、圆锥状等，其尺寸大小可根据外围多桩柱结构的聚波范围确定。
所述多桩柱结构为聚波装置，其可采用圆柱、方柱或者其他规则形状的柱状结构。多桩柱的数量越多，聚波效果越好。柱体的尺寸大小和分布位置根据所安装海域的波况优化得到。
所述桩柱结构水面以上长度要足够大，更好地确保水面以上桩柱高度大于聚集后的波幅。
所述锚链重量足够大，更好地确保整个发电装置的安全性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，其特征在于：包括支座(1)、发电单元(2)、刚性连杆(3)、球铰连接机构(4)、浮子(5)、多个桩柱(6)和锚链(7)；所述支座(1)上安装有发电单元(2)和多个桩柱(6)，多个桩柱(6)布置在发电单元(2)的周围；浮子(5)通过球铰连接机构(4)和刚性连杆(3)安装在发电单元(2)上；所述支座(1)用于安装多个桩柱(6)和发电单元(2)，发电单元(2)用于将浮子(1)上下振荡的机械能转化为电能，刚性连杆(3)用于传递浮子(1)上下振荡的机械能，球铰连接机构(4)用于连接浮子(1)和刚性连杆(3)，球铰连接机构(4)允许浮子(1)围绕球铰连接机构(4)转动，浮子(5)用于收集波浪能，多个桩柱(6)用于将波浪能聚集在浮子(5)所在位置，水面以上桩柱高度h大于聚焦后结构内部波浪振幅，锚链(7)用于固定整个发电装置在海域中的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，其特征在于：所述发电单元(2)为直线式发电单元，其包括上限位弹簧(201)、定子(202)、上挡板(203)、动子(204)、下挡板(205)和下限位弹簧(206)，所述定子(202)内设置有动子(204)，动子(204)的上端设置有上挡板(203)，动子(204)的下端设置有下挡板(205)，定子(202)的上端设置有上限位弹簧(201)，定子(202)的下端设置有下限位弹簧(206)，刚性连杆(3)与动子(204)连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，其特征在于：所述球铰连接机构(4)包括球铰座(401)和安装在球铰座(401)内的球体(402)，球铰座(401)与球体(402)之间填充润滑油，球体(402)与刚性连杆(3)连接，球铰座(401)与浮子(5)连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，其特征在于：所述桩柱为圆柱形桩柱或正棱柱形桩柱。
5.根据权利要求4所述的一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，其特征在于：所述多个桩柱由多个半径为r的圆柱形桩柱组成，所述圆柱形桩柱的尺寸大小都相同。
6.根据权利要求4所述的一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，其特征在于：所述多个桩柱由多个边长为a的正棱柱组成，所述正棱柱的尺寸大小都相同。
7.根据权利要求5所述的一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，其特征在于：所述桩柱以浮子(5)为中心，以同心圆半径L规则环绕在浮子的周围。
8.根据权利要求1所述的一种基于多桩柱聚波的点吸式波浪能发电装置，其特征在于：所述浮子(5)为海面浮体，其形状为圆饼状或圆锥状。
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| 群遮效应对海上结构物波漂移力的低减作用;何广华;《哈尔滨工程大学学报》;20171130;第1676-1681页 * |
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