CN110792551A - 台风下振荡浮子式波能发电装置保护机构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了台风下振荡浮子式波能发电装置保护机构和方法，属于波浪能发电技术领域。保护机构主要包括制动模块和控制模块。所述制动模块由制动油缸和支撑结构组成，是对浮子进行制动的主要施力部分，制动油缸连接发电装置的液压蓄能器，为制动机构提供动力；控制模块由电磁阀组和远程控制器组成，用于控制制动模块。台风环境下，通过控制使制动油缸液压杆伸出，将浮子压至下限位置并制动，以防止浮子的大幅快速运动对装置结构造成破坏；恢复正常海况后，通过控制使制动油缸液压杆收回，取消对浮子的制动，装置恢复工作。本发明的制动效果好、结构简单、应用范围广、操作便捷，可在台风环境下对振荡浮子式波浪能装置进行很好的保护。

Description

台风下振荡浮子式波能发电装置保护机构和方法

技术领域

本发明属于波浪能发电技术领域，具体涉及台风下振荡浮子式波能发电装置保护机构和方法。

背景技术

波浪能是海洋能源中的一种，是可再生的清洁能源，具有储量大、分布广、获取简易等特点。波浪能发电主要是通过一级能量转换将波浪的机械能转化为波浪能俘获机构的机械能，再通过二级或三级能量转换将波浪能俘获机构的机械能转化为电能。振荡浮子式波浪能发电装置由于其结构简单、能量转换效率较高且成本较低，因而成为较为常见且应用广泛的一种波浪能装置，其工作原理是利用浮子作为波浪能的一级俘获机构，吸收波浪能转换为浮子的机械能，然后将浮子的机械能转化为电能。

振荡浮子式波浪能发电装置一般被布置于离岸较远的海域，而且长期处于无人值守的状态，在面临台风等极端海况时，如果没有得到有效地保护，装置完全暴露在恶劣海况之下，极易受到台风的破坏而无法正常工作，极大地降低装置的工作寿命，造成经济损失，影响波浪能装置的商业化应用。因此，在台风环境下对振荡浮子式波浪能发电装置进行保护是延长其工作寿命的重要手段。

经检索发现，公布号为CN 207363816 U的专利中公开了一种带有浮子保护机构的振荡浮子发电系统。其特征是：发电系统包括前体底座和顶部工作平台，在潜浮体底座和顶部工作平台之间沿周向等间隔分布有四根导杆，浮子的四角分别穿在上述的一根导杆上并且可以沿导杆上下移动，在上下移动过程中浮子通过传动机构驱动液压马达实现发电。在顶部工作平台上安装有浮子升降控制箱，浮子升降控制箱内设置可与远程控制中心通信的控制感应系统，受控制感应系统控制的动力系统，由动力系统驱动的传动系统，传动系统的输出轴与浮子升降控制箱外的卷筒相连接并可带动其旋转，在卷筒上缠绕绳索，绳索的头部穿过顶部工作平台安装在浮子顶部的预埋钢孔中。

本发明的一种用于振荡浮子式波浪能发电装置的保护机构与公布号为CN207363816 U的实用新型专利中公开的保护机构存在以下不同：

浮子保护方式不同：公布号为CN 207363816 U的实用新型专利将浮子拉升离开海面。本发明中采用将浮子压入低于海水海面的方式实现自我保护，能够在恶劣海况下波面抬升的高度较大时完全避免受到海面的风浪冲击，减小波浪对浮子结构的载荷冲击。具有较高的安全系数、可靠性高。驱动浮子机构不同：公布号为CN 207363816 U的实用新型专利使用卷筒旋转收起四根绳索，通过绳索同时拉动浮子驱动浮子。本发明采用的是液压油缸，具有耐腐蚀性高，刚性和抗弯能力强，结构布置简单等优点，能够实现精确控制和快速反应，具有较高的可靠性。

经检索发现，公布号为CN 108061001 A的发明专利中公开了一种极端海况浮子及其自锁定方法。其特征是：针对波浪能浮子安装于多个平行导杆上，在波浪中沿着导杆运动的情况，在每一根导杆上安装一个可以沿着导杆升降的机械爪，在浮子上的对应位置有提升环。这些机械爪受到整个波浪能装置上顶板的控制箱的控制完成升降和开合，机械爪在被传动到位置后，机械爪抓锁提升环限制浮子运动。

本发明的一种用于振荡浮子式波浪能发电装置的保护机构与公布号为CN108061001 A的发明专利中公开的保护机构存在以下不同：

保护机构不同：本发明是利用制动油缸限制浮子运动，从而完成制动，公布号为CN108061001 A的发明专利中是利用机械爪抓取和锁定波浪能浮子。保护方式不同：本发明是利用制动油缸按压浮子到下限位置实现制动，公布号为CN 108061001 A的发明专利是将浮子抓锁后抬升一定高度实现制动。具体组成不同：本发明所涉及的保护系统是由制动机构、动力机构、控制机构组成，公布号为CN 108061001 A的发明专利是由提升环、导杆、机械爪、浮子升降控制箱组成的。

发明内容

本发明的目的在于提供解决在台风环境下振荡浮子式波浪能装置的保护问题的台风下振荡浮子式波能发电装置保护机构和方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

台风下振荡浮子式波能发电装置保护机构，包括制动模块和控制模块：

制动模块包括制动油缸101、支撑结构102，制动油缸上又设有无杆腔进油口103和有杆腔进油口104，控制模块包括电磁阀组201和远程控制器，电磁阀组201包括电磁阀一301、电磁阀二302、电磁阀三303；制动油缸101为单出杆，支撑结构102安装在波浪能装置的载体上，支撑结构102为拱形基座，制动油缸101穿过支撑结构102的拱形孔并通过支撑结构102的基座固定在波浪能发电装置的载体上，制动油缸101固定在浮子上方、制动油缸101的液压杆伸出方向与浮子运动方向平行，液压杆拟作用点位于浮子重心垂向延长线上，制动油缸101的液压杆的行程大于浮子的运动行程，有杆腔进油口103、无杆腔进油口104分别通过管路与电磁阀连接；电磁阀一301为总阀门，连接波浪能发电装置液压蓄能器的高压球阀，电磁阀二302通过管路与制动油缸无杆腔连接，电磁阀三303通过管路与制动油缸有杆腔连接；远程控制器由信号接收终端和控制软件组成。

台风下振荡浮子式波能发电装置保护方法包括以下具体步骤：

(1)当台风到来时，操作人员利用控制软件向波浪能装置发送控制信号，信号接收端接收到信号后对信号进行识别并根据信号对电磁阀进行控制。

(2)当天气转好之后，控制人员发送解除制动的指令。

步骤(1)具体包括：

控制软件向波浪能装置发送制动指令，在接收到指令之后信号接收端控制电磁阀一开启，此时液压蓄能器的高压液压油通过电磁阀一进入与制动油缸相连的管路，在电磁阀一开启状态下，电磁阀二开启，此时液压蓄能器的高压液压油通过电磁阀二经由管路进入制动油缸的无杆腔，在高压液压油的压力作用下，制动油缸液压杆伸出并推动浮子至下限位置。

步骤(2)具体包括：

在信号接收端收到信号后，在电磁阀一开启状态下，控制软件发出制动油缸收回指令，电磁阀三开启，电磁阀二关闭，此时液压蓄能器的高压油通过电磁阀三经由管路进入制动油缸的有杆腔，在高压油的压力作用下，油缸液压杆收回，同时将无杆腔中的液压油经由液压油回流装置压回液压系统的储油箱，同时控制软件发出制动控制功能关闭指令，电磁阀一关闭，制动油缸恢复无动力状态。

一种台风环境下振荡浮子式波浪能装置的保护机构，主要包括制动模块和控制模块。用于在台风环境下通过远程控制使制动油缸液压杆伸出，将振荡浮子式波浪能发电装置的浮子压至下限位置并制动，以防止在台风作用下浮子的大幅快速运动而对装置结构造成破坏；恢复正常海况时，通过远程控制使制动油缸液压杆收回，取消制动，波浪能装置恢复为工作状态。

所述的一种台风环境下振荡浮子式波浪能发电装置的保护机构，其特征是：所述制动模块是保护机构中的主要施力部分，用于按压浮子至下限位置，进而对浮子进行制动；所述控制模块用于对制动模块进行远程控制。

所述的一种台风环境下振荡浮子式波浪能发电装置的保护机构，其特征是：所述制动模块主要包括制动油缸、支撑结构；所述控制模块主要包括电磁阀组和远程控制器。

所述的一种台风环境下振荡浮子式波浪能发电装置的保护机构，其特征是：所述制动油缸位于浮子上方并且液压杆运动方向与浮子运动方向平行，用于推动浮子下行，并在下限位置限制浮子的运动；支撑结构安装于波浪能装置的载体上，用于固定和支撑制动油缸；所述电磁阀组是打开和关闭制动机构液压油路的阀门，由三个电磁阀组成；远程控制器由信号接收终端和控制软件组成。

所述的一种台风环境下振荡浮子式波浪能发电装置的保护机构，其特征是：所述制动油缸为单出杆，油缸液压杆伸出口位于油缸的下方，油缸液压杆的行程与大于浮子的运动行程，以保证油缸液压杆伸出时可将浮子按压至浮子运动的下限位置；所述支撑结构为一拱形基座，制动油缸穿过支撑结构的拱形孔并通过基座固定于波浪能发电装置载体一侧，并使制动油缸位于浮子的上方；所述三个电磁阀分别为1号电磁阀、2号电磁阀和3号电磁阀，可发射和接收信号，并根据接收到的信号控制各自阀门的开闭；所述信号接收终端为一工控计算机，可通过有线或无线的方式接收或发射信号；所述控制软件具有控制制动油缸液压杆伸出、制动油缸液压杆收回和开启/关闭制动控制的命令功能，并通过信号接收终端将命令传输至相应的电磁阀。

所述的一种台风环境下振荡浮子式波浪能发电装置的保护机构，其特征是：所述制动油缸与波浪能发电装置共用一套液压系统，具有两个油口，分别位于制动油缸的有杆腔和无杆腔上，通过电磁阀组与液压系统的蓄能器相连，由蓄能器为制动油缸提供动力；所述1号电磁阀是总阀门，连接波浪能发电装置液压蓄能器的高压球阀，用于控制液压蓄能器与制动油缸之间的油路；所述2号电磁阀与制动油缸的无杆腔连接，用于控制使制动油缸液压杆伸出；所述3号电磁阀与制动油缸的有杆腔连接，用于控制是制动油缸液压杆收回。

一种用于台风环境下振荡浮子式波浪能发电装置的保护方法，其依托的是所述的保护机构，其特征在于：操作人员可在远程终端通过控制软件对制动模块进行控制；在台风环境下，操作人员首先通过控制软件开启制动控制功能，启动制动油缸，然后通过控制开启制动油缸液压杆的伸出功能，在液压蓄能器压力的作用下制动油缸液压伸出并将浮子按压至下限位置，由于制动油缸的制动作用，浮子在该位置保持不动；恢复至正常海况后，操作人员通过开启制动油缸收回功能，在液压蓄能器压力的作用下，制动油缸收回液压杆至最上方，然后关闭制动控制功能，在此状态下浮子可自由运动。

所述的一种用于台风环境下振荡浮子式波浪能发电装置的保护方法，其特征在于：控制软件对制动油缸的控制操作通过对电磁阀组的控制实现；控制软件发出制动控制功能开启指令，1号电磁阀开启，此时液压蓄能器的高压油通过1号阀进入与制动油缸相连的管路；在1号阀开启状态下，控制软件发出制动油缸伸出指令，2号电磁阀开启，此时液压蓄能器的高压油通过2号阀进入制动油缸的无杆腔，在高压油的压力作用下，油缸液压杆伸出并推动浮子至下限位置；在1号阀开启状态下，控制软件发出制动油缸收回指令，3号电磁阀开启，此时液压蓄能器的高压油通过3号阀进入制动油缸的有杆腔，在高压油的压力作用下，油缸液压杆收回，同时将无杆腔中的液压油压回液压系统的储油箱，浮子恢复自由运动状态；控制软件发出制动控制功能关闭指令，1号电磁阀关闭，制动油缸恢复无动力状态，无杆腔中的剩余液压油使油缸杆保持为收回状态。

随着波浪能发电领域的不断发展，振荡浮子式波浪能装置以其结构简单、发电效率高的优势逐渐成为波浪能利用技术领域的研究热点，并取得了诸多的应用成果。振荡浮子式波浪能装置利用浮子随波浪的垂荡运动驱动动力输出系统进行发电。但是在我国沿海，经常受到台风侵袭，在台风海况下，大波浪、强风条件使浮子产生剧烈的运动，浮子会与波浪能装置的支撑结构发生碰撞，损坏装置结构，造成经济损失。

本发明的有益效果在于：

本发明要解决振荡浮子式波浪能装置在面临极端海况时的自我保护问题。本发明能够通过控制软件自动或者手动操作通过远程控制按压浮子进入水下以免受到水面的具有较大能量的风浪冲击，防止由于浮子的运动幅度过大撞击波浪能装置支撑结构而引起装置结构损坏。因为水下相对水面处的水动力载荷要小并更为稳定，且水深越大水下结构受到波面的影响越小，所以将浮子按压至水下的下限位置能够在很大程度保护波浪能浮子和整个波浪能装置。本专利建造成本低、结构简单、可靠性高，液压传动机构重量轻、体积小、反应速度快、操作简便，可以通过控制机构实现远程控制，易于维护、便于更换元件和构件。

本发明所述的一种用于振荡浮子式波浪能发电装置的保护机构中的制动机构中，油缸缸体和液压杆都采用符合海洋要求的耐腐蚀性强、抗弯抗疲劳性好、强度高的不锈钢，并且具有较高的防渗漏性能，能够符合大部分海洋环境的环保要求。

附图说明

图1为本发明保护系统的制动模块图；

图2为本发明保护系统的控制模块图；

图3为本发明的电磁阀组示意图；

图4为本发明的电磁阀组与其他装置配合简图；

图5为本发明在正常海况下的具体实施方式；

图6为本发明在制动状态下的具体实施方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

制动模块如图1所示，其包括制动油缸101、支撑结构102，制动油缸上又设有无杆腔进油口103和有杆腔进油口104，其中，制动油缸101为单出杆，支撑结构102安装在波浪能装置的载体上，用于固定和支撑制动油缸，该支撑结构如图所示为一拱形基座，制动油缸101穿过支撑结构102的拱形孔并通过支撑结构102的基座固定于波浪能发电装置的载体之上，同时保证制动油缸101固定在浮子上方、制动油缸101的液压杆伸出方向与浮子运动方向平行，同时液压杆拟作用点位于浮子重心垂向延长线上，避免产生破坏力矩对装置结构造成破坏，同时制动油缸101的液压杆的行程大于浮子的运动行程以保证浮子能被按压至下限位置，与此同时还满足制动油缸液压杆收回时不会影响波浪能装置正常工作时浮子的运动。有杆腔进油口103、无杆腔进油口104分别通过管路与电磁阀连接。

控制模块如图2所示，其包括电磁阀组201和远程控制器，所述的电磁阀组共包括三个电磁阀，分别与波浪能装置液压系统的蓄能器202的高压球阀、制动油缸的无杆腔、制动油缸的有杆腔所连接的管路相连。利用蓄能器202内的高压液压油，配合电磁阀的开闭控制液压油的进入与排出完成制动油缸液压杆的伸出、收回及完成装置的制动与解除制动动作。远程控制器由信号接收终端与控制软件组成(图中未标出)，其中信号接收终端为一个工控计算机，其可以用来接收或者发射信号，对接收到的信号进行处理操控电磁阀的开闭进而操控油缸的伸出与收回。信号接收端设置在波浪能装置的控制单元内，与波浪能装置的控制单元进行整合，并通过信号线与电磁阀组连接。控制软件具控制制动油缸液压杆伸出、制动油缸液压杆收回和开启/关闭制动控制的命令功能。

所述电磁阀组如图3所示，其包括电磁阀一301、电磁阀二302、电磁阀三303，其中电磁阀一301为总阀门，连接波浪能发电装置液压蓄能器的高压球阀；电磁阀二302通过管路与制动油缸无杆腔连接；电磁阀三303通过管路与制动油缸有杆腔连接。本发明的动力来源是波浪能发电装置的液压蓄能器，并通过电磁阀组的组合开闭实现对制动油缸液压杆的伸出与收回动作的控制，以达到本发明的设计目的。

所述的一种用于台风环境下振荡浮子式波浪能发电装置的保护方法，结合图4所示简图进行解释。图中包括电磁阀401、电磁阀402、电磁阀403、管路404、管路405、制动油缸无杆腔406、制动油缸有杆腔407、波浪能装置液压系统的液压蓄能器408、液压油回流装置409。当台风到来时，操作人员利用控制软件向波浪能装置发送控制信号，信号接收端接收到信号后对信号进行识别并根据信号对电磁阀进行控制。具体为：控制软件向波浪能装置发送制动指令，在接收到指令之后信号接收端控制电磁阀401开启，此时液压蓄能器的高压液压油通过电磁阀401进入与制动油缸相连的管路，在电磁阀401开启状态下，电磁阀402开启，此时液压蓄能器的高压液压油通过电磁阀402经由管路404进入制动油缸的无杆腔，在高压液压油的压力作用下，制动油缸液压杆伸出并推动浮子至下限位置；当天气转好之后，控制人员发送解除制动的指令。具体为：在信号接收端收到信号后，在电磁阀401开启状态下，控制软件发出制动油缸收回指令，电磁阀403开启，电磁阀402关闭，此时液压蓄能器的高压油通过电磁阀403经由管路405进入制动油缸的有杆腔，在高压油的压力作用下，油缸液压杆收回，同时将无杆腔中的液压油经由液压油回流装置409压回液压系统的储油箱，浮子恢复自由运动状态，同时控制软件发出制动控制功能关闭指令，电磁阀401关闭，制动油缸恢复无动力状态，无杆腔中的剩余液压油使油缸液压杆保持为收回状态。

图5和图6分别表示在台风状态下和正常状态下本发明的工作状态，在图中，未给出波浪能装置的其他结构，仅给出了本发明所涉及制动模块，部分控制模块。如图5所示，在台风状态下，在接收到控制人员的制动指令后，在电磁阀组的配合之下，制动油缸的液压杆伸出，将浮子按压至最低位置。同时可以看到支撑结构使制动油缸液压杆伸出方向与浮子运动方向平行，并保证液压杆拟作用点位于浮子重心垂向延长线上。如图6所示，在正常海况之下，控制人员发送解除制动的命令后，在电磁阀组的配合之下，制动油缸液压杆收回，解除对浮子的限制，浮子恢复正常工作状态。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.台风下振荡浮子式波能发电装置保护机构，其特征在于，包括制动模块和控制模块：

制动模块包括制动油缸(101)、支撑结构(102)，制动油缸上又设有无杆腔进油口(103)和有杆腔进油口(104)，控制模块包括电磁阀组(201)和远程控制器，电磁阀组(201)包括电磁阀一(301)、电磁阀二(302)、电磁阀三(303)；制动油缸(101)为单出杆，支撑结构(102)安装在波浪能装置的载体上，支撑结构(102)为拱形基座，制动油缸(101)穿过支撑结构(102)的拱形孔并通过支撑结构(102)的基座固定在波浪能发电装置的载体上，制动油缸(101)固定在浮子上方、制动油缸(101)的液压杆伸出方向与浮子运动方向平行，液压杆拟作用点位于浮子重心垂向延长线上，制动油缸(101)的液压杆的行程大于浮子的运动行程，有杆腔进油口(103)、无杆腔进油口(104)分别通过管路与电磁阀连接；电磁阀一(301)为总阀门，连接波浪能发电装置液压蓄能器的高压球阀，电磁阀二(302)通过管路与制动油缸无杆腔连接，电磁阀三(303)通过管路与制动油缸有杆腔连接；远程控制器由信号接收终端和控制软件组成。

2.台风下振荡浮子式波能发电装置保护方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

(1)当台风到来时，操作人员利用控制软件向波浪能装置发送控制信号，信号接收端接收到信号后对信号进行识别并根据信号对电磁阀进行控制。

(2)当天气转好之后，控制人员发送解除制动的指令。

3.根据权利要求2所述的台风下振荡浮子式波能发电装置保护方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：

控制软件向波浪能装置发送制动指令，在接收到指令之后信号接收端控制电磁阀一开启，此时液压蓄能器的高压液压油通过电磁阀一进入与制动油缸相连的管路，在电磁阀一开启状态下，电磁阀二开启，此时液压蓄能器的高压液压油通过电磁阀二经由管路进入制动油缸的无杆腔，在高压液压油的压力作用下，制动油缸液压杆伸出并推动浮子至下限位置。

4.根据权利要求2所述的台风下振荡浮子式波能发电装置保护方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：

在信号接收端收到信号后，在电磁阀一开启状态下，控制软件发出制动油缸收回指令，电磁阀三开启，电磁阀二关闭，此时液压蓄能器的高压油通过电磁阀三经由管路进入制动油缸的有杆腔，在高压油的压力作用下，油缸液压杆收回，同时将无杆腔中的液压油经由液压油回流装置压回液压系统的储油箱，同时控制软件发出制动控制功能关闭指令，电磁阀一关闭，制动油缸恢复无动力状态。

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