CN109723598A - 一种多自由度复合型波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度复合型波浪能发电装置。装置中有包括圆柱体气室、空气透平和电能转换机构的振荡水柱式波浪能发电模块；和包括三个空间等距排列且形状完全相同的、内部设有动力输出模块的浮筒和连杆，连杆两端分别设有转动关节，分别与浮筒和中央立柱连接的点吸收式波浪能发电模块。本发明可实现振荡水柱式与点吸收式波浪能转换方式的结合，有利于提高发电效率；将浮筒按照空间等距排列，可从各个方向的入射波中吸收能量，实现从除首摇外其余五个自由度方向运动中吸收和转换能量；将连杆与浮筒、中央立柱间的连接方式设为允许单自由度方向相对转动的转动关节，相比于线性传动进行能量转换的方式，避免端部截停导致的应力过大。
Description
技术领域
本发明涉及波浪能发电装置，特别是涉及一种多自由度复合型波浪能发电装置。
背景技术
随着科技发展，人们对以石油、煤炭、天然气为主的传统化石能源的需求也在呈指数倍增长。就能源利用整体布局而言，目前有高达80%的部分来源于传统化石能源，而传统化石能源的过度依赖所带来的能源短缺与环境恶化问题已导致人类发展受到限制。促进能源转型，大力发展可再生清洁能源已经成为世界各国的自觉行动。波浪能因其能流密度较高、资源分布广泛且潜力巨大而获得广泛关注。目前存在如振荡水柱式、点吸收式等多种波能转换装置类型，但发电效率低依然是制约其发展的主要问题。
这使得将多种波能转换方式相结合，并通过多浮子空间等距排列的方式实现多自由度能量转换成为一种新思路。
发明内容
为了解决波浪能装置普遍发电效率低的问题，本发明的目的在于提供一种多自由度复合型波浪能发电装置。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括：中央立柱，三根连杆，三个浮筒，六个转动关节，电能转换机构，压载水舱，圆柱体气室，空气透平和输入轴；
装置中有振荡水柱式波浪能发电模块与点吸收式波浪能发电模块，其中：
1)振荡水柱式波浪能发电模块，包括中央立柱内的圆柱体气室、空气透平和电能转换机构，中央立柱底部安装在压载水舱上；装在圆柱体气室上部中心孔口的空气透平通过输入轴和电能转换机构连接，将波浪能转化为空气透平的动能转化为电能；
2)三个空间等距排列且形状完全相同的点吸收式波浪能发电模块，均包括：浮筒和连杆；浮筒内部设有动力输出模块，连杆两端分别设有转动关节，连杆两端的转动关节分别与中央立柱和浮筒连接，将浮筒与连杆及中央立柱与连杆间的相对运动的动能转化为电能。
所述电能转换机构，包括：增速齿轮箱、输出轴和电机：增速齿轮箱的一端与输入轴连接，输出轴的一端与增速齿轮箱的另一端连接，输出轴的另一端与电机连接，增速齿轮箱、输出轴和电机均位于密封罩内。
所述连杆两端转动关节分别与中央立柱和浮筒连接方式，为允许单自由度方向相对转动连接，相比于线性传动进行能量转换的方式，避免端部截停导致的应力过大。
所述浮筒由密封舱与外部包围的浮力材料（如聚乙烯泡沫塑料）组成，密封舱内设有动力输出（PTO）模块，采用机械式、液压式或气动式的一级能量转换环节，实现将连杆与浮筒和连杆与中央立柱间的相对运动的动能转化为电能的过程，并入电网。
将浮筒按照空间等距排列，间隔角度为120°，能从各个方向的入射波中吸收能量，实现从除首摇外其余五个自由度方向运动中吸收和转换能量。
将该装置进行阵列式布置，提高发电量，通过单点系泊或多点系泊的方式将中央立柱与海底相连。
本发明具有的有益效果是：
1)本发明可实现振荡水柱式与点吸收式波浪能转换方式的结合，有利于提高发电效率。
2)本发明将浮筒按照空间等距排列，间隔角度为120°，可从各个方向的入射波中吸收能量，实现从除首摇外其余五个自由度方向运动中吸收和转换能量。
3)本发明将连杆分别与浮筒、中央立柱间的连接方式设置为允许单自由度方向相对转动的转动关节，相比于线性传动进行能量转换的方式，避免端部截停导致的应力过大。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是本发明的中央立柱剖面图。
图3是本发明的电能转换机构剖面图。
图中：1、中央立柱，2、连杆，3、浮筒，4、转动关节，5、电能转换机构，6、压载水舱，7、圆柱体气室，8、空气透平，9、输入轴，10、增速齿轮箱，11、输出轴，12、电机，13、密封罩。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明包括：中央立柱1，三根连杆2，三个浮筒3，六个转动关节4，电能转换机构5，压载水舱6，圆柱体气室7，空气透平8和输入轴9；
装置中有振荡水柱式波浪能发电模块与点吸收式波浪能发电模块，其中：
1)振荡水柱式波浪能发电模块，包括中央立柱1内的圆柱体气室7、空气透平8和电能转换机构5，中央立柱1底部安装在压载水舱6上，压载水舱6以控制浸没水深；装在圆柱体气室7上部中心孔口的空气透平8通过输入轴9和电能转换机构5连接，将波浪能转化为空气透平8的动能转化为电能；
2)三个空间等距排列且形状完全相同的点吸收式波浪能发电模块，均包括：浮筒3和连杆2；浮筒3内部设有动力输出模块，连杆2两端分别设有转动关节4，连杆2两端的转动关节4分别与中央立柱1和浮筒3连接，将浮筒3与连杆2及中央立柱1与连杆2间的相对运动的动能转化为电能。
所述电能转换机构5，包括：增速齿轮箱10、输出轴11和电机12：增速齿轮箱10的一端与输入轴9连接，输出轴11的一端与增速齿轮箱10的另一端连接，输出轴11的另一端与电机12连接，增速齿轮箱10、输出轴11和电机12均位于密封罩13内。
所述连杆2两端转动关节4分别与中央立柱1和浮筒3连接方式，为允许单自由度方向相对转动连接，相比于线性传动进行能量转换的方式，避免端部截停导致的应力过大。
所述浮筒3由密封舱与外部包围的浮力材料（如聚乙烯泡沫塑料）组成，密封舱内设有动力输出（PTO）模块，采用机械式、液压式或气动式的一级能量转换环节，实现将连杆2与浮筒3和连杆2与中央立柱1间的相对运动的动能转化为电能的过程，并入电网。
将浮筒按照空间等距排列，间隔角度为120°，能从各个方向的入射波中吸收能量，实现从除首摇外其余五个自由度方向运动中吸收和转换能量。
将该装置进行阵列式布置，提高发电量，通过单点系泊或多点系泊的方式将中央立柱1与海底相连。
本发明的工作原理是：
一种多自由度复合型波浪能发电装置浮于水面，系泊缆一端与中央立柱1相连，另一端与固定在海底的锚相连，可采用单点系泊或多点系泊的方式。在入射波作用下，圆柱体气室7内的振荡水柱不断冲击致使上方的空气做强迫运动，空气往复穿过中央立柱1顶部中心的气口，带动气口处的空气透平8旋转，后依次带动输入轴9以及电能转换机构5中的增速齿轮箱10、输出轴11和电机12进行发电，将波浪能转化为空气透平8的动能转化为电能。
与此同时，浮筒3由密封舱与外部包围的浮力材料（如聚乙烯泡沫塑料）组成，其在波浪力作用下运动，致使连杆2与浮筒3之间及连杆2与中央立柱1之间发生单自由度方向的相对转动，而浮筒3密封舱内设有动力输出模块，可采用机械式、液压式、气动式等方式的一级能量转换环节，若采用液压式能量转换机构，可将浮筒3与连杆2及中央立柱1与连杆2间的相对转动转化为液压缸内活塞的往复平动，进而转化为液体的压力能，通过液压马达转化为电能。通过将浮筒3按照空间等距排列，间隔角度为120°，可从各个方向的入射波中吸收能量，实现从除首摇外其余五个自由度方向运动中吸收和转换能量。
波浪能由势能与动能组成，而常规振荡水柱式波浪能转换装置仅能吸收波浪的势能进行发电，发电效率较低，通过将其与点吸收式波浪能转换装置相结合，可同时吸收动能与势能，实现波浪中水质点全轨道运动的能量转化，大大提高发电效率并降低发电成本，且点吸收式装置的引入并不会对其性能造成显著影响。
可通过控制压载水泵抽注压载水来调节压载水舱6进水量以改变浸没深度，在恶劣海况条件下，可增加浸没深度，停止工作，从而保证装置的生存可靠性。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多自由度复合型波浪能发电装置，其特征在于，包括：中央立柱（1），三根连杆（2），三个浮筒（3），六个转动关节（4），电能转换机构（5），压载水舱（6），圆柱体气室（7），空气透平（8）和输入轴（9）；
装置中有振荡水柱式波浪能发电模块与点吸收式波浪能发电模块，其中：
1)振荡水柱式波浪能发电模块，包括中央立柱（1）内的圆柱体气室（7）、空气透平（8）和电能转换机构（5），中央立柱（1）底部安装在压载水舱（6）上；装在圆柱体气室（7）上部中心孔口的空气透平（8）通过输入轴（9）和电能转换机构（5）连接，将波浪能转化为空气透平（8）的动能转化为电能；
2)三个空间等距排列且形状完全相同的点吸收式波浪能发电模块，均包括：浮筒（3）和连杆（2）；浮筒（3）内部设有动力输出模块，连杆（2）两端分别设有转动关节（4），连杆（2）两端的转动关节（4）分别与中央立柱（1）和浮筒（3）连接，将浮筒（3）与连杆（2）及中央立柱（1）与连杆（2）间的相对运动的动能转化为电能。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度复合型波浪能发电装置，其特征在于，所述电能转换机构（5），包括：增速齿轮箱（10）、输出轴（11）和电机（12）：增速齿轮箱（10）的一端与输入轴（9）连接，输出轴（11）的一端与增速齿轮箱（10）的另一端连接，输出轴（11）的另一端与电机（12）连接，增速齿轮箱（10）、输出轴（11）和电机（12）均位于密封罩（13）内。
3.根据权利要求1所述的一种多自由度复合型波浪能发电装置，其特征在于，所述连杆（2）两端转动关节（4）分别与中央立柱（1）和浮筒（3）连接方式，为允许单自由度方向相对转动连接，相比于线性传动进行能量转换的方式，避免端部截停导致的应力过大。
4.根据权利要求1所述的一种多自由度复合型波浪能发电装置，其特征在于，所述浮筒（3）内部由密封舱与外部包围的浮力材料组成，密封舱内设有动力输出模块，采用机械式、液压式或气动式的一级能量转换环节，实现将连杆（2）与浮筒（3）和连杆（2）与中央立柱（1）间的相对运动的动能转化为电能的过程，并入电网。
5.根据权利要求1所述的一种多自由度复合型波浪能发电装置，其特征在于，将浮筒按照空间等距排列，间隔角度为120°，能从各个方向的入射波中吸收能量，实现从除首摇外其余五个自由度方向运动中吸收和转换能量。
6.根据权利要求1所述的一种多自由度复合型波浪能发电装置，其特征在于：将该装置进行阵列式布置，提高发电量，通过单点系泊或多点系泊的方式将中央立柱（1）与海底相连。
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