CN111336058A - 一种集成式波浪能发电装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成式波浪能发电装置及其工作方法，属于新能源波浪能利用领域。本发明包括浮子模块和定子模块，定子模块将能量回收舱、发电舱、高低压蓄能器舱、蓄电池组及电处理舱各舱集成加工于一体，可实现发电装置各模块的自由拆装维修。本发明利用浮子的垂荡运动获取波浪能，浮子与一级液压缸的活塞杆直接相连；一级液压缸的空心活塞杆兼作二级液压缸的缸筒，随浮子运动回收能量转化为机械能；复合回收缸包含A、B、C三个腔，A、B腔分别接入止回阀桥，外加一组高、低蓄能器舱、一个顺序阀及一个定量双向马达构成一个闭合液压驱动回路，驱动发电机工作发电输出至蓄电池组及电处理舱输出稳定电流。

Description

一种集成式波浪能发电装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种集成式波浪能发电装置及其工作方法，属于新能源波浪能利用技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展，对能源的需求日益增加，而世界上的传统化石能源日益减少，能源危机逐渐凸显。化石能源的燃烧也释放了大量有害物质，导致全球变暖，引发了一系列的环境问题。为有效解决日益严重的能源和环境问题，开发并利用可再生能源已成为人类可持续发展的共识。

占地球表面约71％的海洋蕴藏着储量巨大的可再生能源，其理论值可达2.1×106TW·h，主要以海洋风能、波浪能、潮汐能等形式存在。波浪能是所有可再生能源中能量密度最大的一类能源，其能量分布集中、理论能量俘获效率高、有效产能时间长，是各国可再生能源利用的研究热点。

目前现存的波浪能发电装置大多效率较低、使用范围较窄，并且装置结构复杂，成本高，维修困难，使得波浪能发电装置难以产业化。在波浪能利用领域，采用小型化集成式设计方法发电装置还较为少见。

中国专利文献CN 108240280A公开了“基于模块化的超大型浮式平台与波浪能装置集成系统”，该专利包括大小平台模块、张力腿系统、平台间盖板、震荡浮子式波浪能发电装置等，震荡浮子式波浪能发电装置通过齿轮与齿条传动的方式将浮子的摆动转化为活塞杆的水平运动，驱动液压马达发电，该专利为大型化设计，装置结构较为复杂，后期维护成本大，难以实现产业化发电。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种集成式波浪能发电装置及其工作方法，采用模块化的设计方案，装置的小型化、集成化可有效地降低制造、维修及发电成本，有利于波浪能发电装置的产业化。

本发明采用以下技术方案：

一种集成式波浪能发电装置，包括浮子模块和定子模块，所述定子模块由能量回收舱、发电舱、高压蓄能器舱、低压蓄能器舱和蓄电池组及电处理舱集成加工于一体而形成；

所述能量回收舱包括复合回收缸，所述复合回收缸由两级液压缸组成，分别为一级液压缸和二级液压缸，所述一级液压缸的活塞杆为空心结构，且兼做二级液压缸的缸筒，一级液压缸的活塞杆与浮子模块直接连接，可随浮子模块的带动而运动，所述二级液压缸的活塞杆也为空心结构，固定于一级液压缸的缸筒上，值得注意的是，二级液压缸的活塞杆与一级液压缸的缸筒之间不相通，与一级液压缸的活塞杆的空心部分相通，所述一级液压缸的活塞上、下两部分分别形成A腔和C腔，一级液压缸的活塞杆的空心部分与二级液压缸的活塞杆空心部分相通，形成B腔，当一级液压缸的活塞杆跟随浮子模块上下运动时，会带动一级液压缸的活塞上下运动，从而改变A腔、B腔的大小，将液压油压出，这个过程可将波浪能转换为复合液压缸的活塞杆运动的机械能，本发明中的A腔、B腔和C腔的作用面积不同；

所述发电舱包括止回阀桥、顺序阀、双向定量马达和发电机，所述高压蓄能器舱和低压蓄能器舱内均设置有移动活塞，高压蓄能器舱和低压蓄能器舱的移动活塞上部充入不同压力的氮气，下部均充入液压油，高压蓄能器舱和低压蓄能器舱在工作过程中起到削峰填谷的调节作用；

所述A腔、B腔通过工作油管分别连接止回阀桥的上接口和下接口，所述止回阀桥的左接口通过工作油管连接高压蓄能器舱下部，同时该左接口又通过一顺序阀与双向定量马达连接，驱动双向定量马达正转，所述止回阀桥的右接口通过工作油管连接低压蓄能器舱下部，同时该右接口又与双向定量马达连接，驱动双向定量马达正转，所述双向定量马达与发电机连接，带动发电机工作，发电机与蓄电池组及电处理舱连接，发电舱通过发电机输出线连接到蓄电池组及电处理舱，进一步整流逆变存储，输出稳定电能。

优选的，所述止回阀桥由四个单向阀组合而成，四个单向阀分别为第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀，分别位于止回阀桥的上接口与左接口之间，左接口与下接口之间，下接口与右接口之间，以及右接口与上接口之间，保证液压油只能从上接口流向左接口，下接口流向左接口，右接口流向下接口，以及右接口流向上接口。

优选的，所述C腔不通油，所述C腔内安装有左右对称的弹簧，弹簧底部固定于复合回收缸的缸底，弹簧顶部与一级液压缸的活塞连接，使得该活塞在无波浪的情况下能够在中间位置保持平衡，该中间位置是指复合回收缸的上下高度中间位置。

优选的，弹簧数量优选为2个，分别为左弹簧和右弹簧，其一端均固定安装在缸底，分别位于C腔左右两侧。

优选的，高压蓄能器舱的上部压力通常根据海况设定，低压蓄能器舱的目的是给空腔充液，所述高压蓄能器舱的移动活塞上部充入氮气的压力为8Mpa以上，所述低压蓄能器舱的移动活塞上部充入氮气的压力一般为1Mpa以下，优选为0.3～0.5Mpa。

能量回收舱、发电舱、高压蓄能器舱、低压蓄能器舱共同作用时，组成了一种简易高效、节能强稳的闭环海浪发电液压系统，省掉油箱的同时，也减小了整个发电装置的体积。

优选的，所述浮子模块为漂浮在水面上的浮子，本装置其余部分集成加工于定子模块中，浮子与波浪能直接接触，通过随波浪做垂荡运动捕获能量，一级液压缸的活塞杆与该浮子直接连接；

优选的，所述浮子为圆柱浮子。

优选的，所述能量回收舱、发电舱、高压蓄能器舱、低压蓄能器舱和蓄电池组及电处理舱的舱壳均由耐腐蚀的合金材料制成，舱壳外表面均涂有防腐涂料；

各个舱集成于一体形成定子模块，定子模块的外壳也由合金材料制成且为封闭结构，有效防止海水腐蚀，舱壳外表面均涂有防腐涂料；

优选的，耐腐蚀的合金材料可选用铸钛ZT、NH55等，防腐涂料优选为ZS-711无机防腐涂料。

一种上述的集成式波浪能发电装置的工作方法，当波浪推动浮子上升时，一级液压缸的活塞杆随之做上行运动，A腔被压缩流出液压油，液压油经工作油路依次流过止回阀桥的上接口、第一单向阀所在支路、顺序阀驱动双向定量马达正转后，再经止回阀桥的右接口、第三单向阀所在支路进入B腔，上升过程中，左弹簧和右弹簧均未参与；

当波浪推动浮子下降时，一级液压缸的活塞杆随之做下行运动，B腔被压缩流出液压油，液压油经工作油路依次流过止回阀桥的下接口、第二单向阀所在支路、顺序阀驱动双向定量马达正转后，再经止回阀桥的右接口、第四单向阀所在支路进入A腔，在下降过程中，弹簧被压缩，为上升阶段积累一部分弹性势能。

优选的，当波浪推动浮子上升，波浪较大时，A腔出油量大，工作油管瞬时压力过高，一部分液压油进入B腔，剩余液压油经工作油管进入低压蓄能器舱的下部，低压蓄能器舱此时起到一个吸油缓冲储能的作用，本发明的顺序阀入口压力达到一定值开启，保证双向定量马达有一定的工作开启压力；

当波浪推动浮子上升，波浪较小时，A腔瞬时出油量不足，达不到系统的工作油压，此时，高压蓄能器舱的下部出油，经工作油路向顺序阀、双向定量马达供油，维持工作油压的平稳，保证双向定量马达工作持续且有相对稳定的输出，电压瞬时值不至于太高或太低。

进一步优选的，当波浪推动浮子下降，波浪较大时，B腔出油量大，工作油管瞬时压力过高，一部分液压油进入A腔，剩余液压油经工作油管进入低压蓄能器舱的下部；

当波浪推动浮子下降，波浪较小时，B腔瞬时出油量不足，达不到系统的工作油压，此时，高压蓄能器舱的下部出油，经工作油路向顺序阀、双向定量马达供油，维持工作油压的平稳。

整个上升、下降过程中，高压蓄能器舱和低压蓄能器舱作为液压系统中储存和释放压力能的元件协同作用，同时还可以作为短时间供油和吸收系统的振动和冲击的辅助元件。

在能量回收过程中，止回阀桥可以起到一个整流的作用，保证双向定量马达保持单向转动，带动发电机转动，发电机发出的电能通过发电机输出线传送到蓄电池组及电处理舱进一步整流逆变存储，输出稳定电能。

值得注意的是，此处蓄电池组及电处理舱具体如何将发电机输出的电能整流逆变存储，为现有技术，此处不再赘述。

本发明未详尽之处，均可采用现有技术。

本发明的有益效果为：

1)本发明采用模块化的设计，利用浮子模块的垂荡运动采集波浪能，并在浮子模块上升阶段和下降阶段均可采集波浪能，具有双程波能采集特征，本发明的装置不需要任何外部参考点，只借助于浮子模块与内部元件之间的相对运动即可。

2)本发明将水下定子模块的各舱单独封舱之后再集成加工于一体，单一舱出了问题，只需要将相应模块的对应舱拆下来维修即可，方便发电装置各模块的拆卸维修和安装。

3)本发明采用复合回收缸，省掉了油箱，本发明为一种简易高效、节能强稳的海浪发电液压系统，大大减小了波浪能发电装置的体积。

4)本发明的C腔内安装有左右对称的弹簧，使回收缸能够在无波海况下保持中位，具有双程波能采集特征，保证能量回收率。

5)本发明的集成式波浪能发电装置的定子模块为封闭的，抗击自然灾害的能力较强；各舱壳采用耐腐蚀合金材料，可以有效防海水腐蚀；舱壳外围采用表面涂层技术，解决生物附着问题，大大增强了海洋环境的适应性。

6)本发明的发电装置采用模块化的设计，小型化、集成化可有效地降低制造、维修及发电成本，有利于波浪能发电装置的产业化。

附图说明

图1为本发明的集成式波浪能发电装置的结构示意图；

其中，1-浮子模块，2-定子模块，3-蓄电池组及电处理舱，4-顺序阀，5-止回阀桥，6-A腔，7-一级液压缸的活塞杆，8-高压蓄能器舱充入的氮气，9-低压蓄能器舱充入的氮气，10-发电机，11-双向定量马达，12-左弹簧，13-C腔，14-B腔，15-右弹簧，16-高压蓄能器舱，17-低压蓄能器舱，18-工作油管，19-发电机输出线，20-二级液压缸的活塞杆，21-一级液压缸的活塞，22-移动活塞，23-第一单向阀，24-第二单向阀，25-第三单向阀，26-第四单向阀。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种集成式波浪能发电装置，如图1所示，包括浮子模块1和定子模块2，定子模块2由能量回收舱、发电舱、高压蓄能器舱16、低压蓄能器舱17和蓄电池组及电处理舱3集成加工于一体而形成；

能量回收舱包括复合回收缸，复合回收缸由两级液压缸组成，分别为一级液压缸和二级液压缸，一级液压缸的活塞杆7为空心结构，且兼做二级液压缸的缸筒，一级液压缸的活塞杆7与浮子模块1直接连接，可随浮子模块1的带动而运动，二级液压缸的活塞杆20也为空心结构，其上下两端固定于一级液压缸的缸筒上，值得注意的是，二级液压缸的活塞杆20与一级液压缸的缸筒之间不相通，但与一级液压缸的活塞杆7的空心部分相通，一级液压缸的活塞21上、下两部分分别形成A腔6和C腔13，一级液压缸的活塞杆7的空心部分与二级液压缸的活塞杆20空心部分相通，形成B腔14，当一级液压缸的活塞7杆跟随浮子模块1上下运动时，会带动一级液压缸的活塞21上下运动，从而改变A腔6、B腔14的大小，将液压油压出，这个过程可将波浪能转换为复合液压缸的活塞杆运动的机械能；

发电舱包括止回阀桥5、顺序阀4、双向定量马达11和发电机10，高压蓄能器舱16和低压蓄能器舱17内均设置有移动活塞22，高压蓄能器舱16和低压蓄能器舱17的移动活塞上部充入不同压力的氮气，下部均充入液压油，高压蓄能器舱16和低压蓄能器舱17在工作过程中起到削峰填谷的调节作用；

A腔6、B腔14通过工作油管分别连接止回阀桥5的上接口和下接口，止回阀桥5的左接口通过工作油管连接高压蓄能器舱16下部，同时该左接口又通过一顺序阀4与双向定量马达11连接，驱动双向定量马达11正转，止回阀桥5的右接口通过工作油管18连接低压蓄能器17舱下部，同时该右接口又与双向定量马达11连接，驱动双向定量马达11正转，双向定量马达11与发电机10连接，带动发电机10工作，发电机10与蓄电池组及电处理舱3连接，发电舱通过发电机输出线19连接到蓄电池组及电处理舱，进一步整流逆变存储，输出稳定电能。

实施例2：

一种集成式波浪能发电装置，结构如实施例1所述，所不同的是，止回阀桥5由四个单向阀组合而成，四个单向阀分别为第一单向阀23、第二单向阀24、第三单向阀25和第四单向阀26，分别位于止回阀桥5的上接口与左接口之间，左接口与下接口之间，下接口与右接口之间，以及右接口与上接口之间，保证液压油只能从上接口流向左接口，下接口流向左接口，右接口流向下接口，以及右接口流向上接口。

实施例3：

一种集成式波浪能发电装置，结构如实施例1所述，所不同的是，C腔13不通油，C腔13内安装有左右对称的弹簧，弹簧底部固定于复合回收缸的缸底，弹簧顶部与一级液压缸的活塞连接，使得该活塞在无波浪的情况下能够在中间位置保持平衡，该中间位置是指复合回收缸的上下高度中间位置。

弹簧数量优选为2个，分别为左弹簧12和右弹簧15，其一端均固定安装在复合回收缸缸底，分别位于C腔13左右两侧。

实施例4：

一种集成式波浪能发电装置，结构如实施例1所述，所不同的是，高压蓄能器舱16的上部压力通常根据海况设定，低压蓄能器舱17的目的是给空腔充液，高压蓄能器舱16的移动活塞上部充入氮气的压力为8Mpa以上，低压蓄能器舱17的移动活塞上部充入氮气的压力为0.3～0.5Mpa，如图1所示，8为高压蓄能器舱充入的氮气，9为低压蓄能器舱充入的氮气。

能量回收舱、发电舱、高压蓄能器舱16、低压蓄能器舱17共同作用时，组成了一种简易高效、节能强稳的闭环海浪发电液压系统，省掉油箱的同时，也减小了整个发电装置的体积。

实施例5：

一种集成式波浪能发电装置，结构如实施例1所述，所不同的是，浮子模块1为漂浮在水面上的浮子，本装置其余部分集成加工于定子模块中，浮子与波浪能直接接触，通过随波浪做垂荡运动捕获能量，一级液压缸的活塞杆7与该浮子直接连接；

浮子为圆柱浮子。

实施例6：

一种集成式波浪能发电装置，结构如实施例1所述，所不同的是，能量回收舱、发电舱、高压蓄能器舱16、低压蓄能器舱17和蓄电池组及电处理舱3的舱壳均由耐腐蚀的合金材料制成，舱壳外表面均涂有防腐涂料；

各个舱集成于一体形成定子模块，定子模块的外壳也由合金材料制成且为封闭结构，有效防止海水腐蚀，舱壳外表面均涂有防腐涂料；

耐腐蚀的合金材料可选用铸钛ZT，防腐涂料为ZS-711无机防腐涂料。

实施例7：

一种集成式波浪能发电装置的工作方法，当波浪推动浮子上升时，一级液压缸的活塞杆7随之做上行运动，A腔6被压缩流出液压油，液压油经工作油路依次流过止回阀桥5的上接口、第一单向阀23所在支路、顺序阀4驱动双向定量马达11正转后，再经止回阀桥5的右接口、第三单向阀25所在支路进入B腔14，上升过程中，左弹簧12和右弹簧15均未参与；

当波浪推动浮子下降时，一级液压缸的活塞杆7随之做下行运动，B腔14被压缩流出液压油，液压油经工作油路依次流过止回阀桥5的下接口、第二单向阀24所在支路、顺序阀4驱动双向定量马达11正转后，再经止回阀桥5的右接口、第四单向阀26所在支路进入A腔6，在下降过程中，左弹簧12、右弹簧15均被压缩，为上升阶段积累一部分弹性势能。

实施例8：

一种集成式波浪能发电装置的工作方法，如实施例7所示，所不同的是，当波浪推动浮子上升，波浪较大时，A腔6出油量大，工作油管瞬时压力过高，一部分液压油进入B腔14，剩余液压油经工作油管进入低压蓄能器舱17的下部，低压蓄能器舱17此时起到一个吸油缓冲储能的作用，本发明的顺序阀入口压力达到一定值开启，保证双向定量马达有一定的工作开启压力；

当波浪推动浮子上升，波浪较小时，A腔6瞬时出油量不足，达不到系统的工作油压，此时，高压蓄能器舱16的下部出油，经工作油路向顺序阀4、双向定量马达11供油，维持工作油压的平稳，保证双向定量马达工作持续且有相对稳定的输出，电压瞬时值不至于太高或太低。

实施例9：

一种集成式波浪能发电装置的工作方法，如实施例7所示，所不同的是，当波浪推动浮子下降，波浪较大时，B腔14出油量大，工作油管瞬时压力过高，一部分液压油进入A腔6，剩余液压油经工作油管进入低压蓄能器舱17的下部；

当波浪推动浮子下降，波浪较小时，B腔14瞬时出油量不足，达不到系统的工作油压，此时，高压蓄能器舱16的下部出油，经工作油路向顺序阀4、双向定量马达11供油，维持工作油压的平稳。

整个上升、下降过程中，高压蓄能器舱16和低压蓄能器舱17作为液压系统中储存和释放压力能的元件协同作用，同时还可以作为短时间供油和吸收系统的振动和冲击的辅助元件。

在能量回收过程中，止回阀桥5可以起到一个整流的作用，保证双向定量马达11保持单向转动，带动发电机10转动，发电机10发出的电能通过发电机输出线19传送到蓄电池组及电处理舱3进一步整流逆变存储，输出稳定电能。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种集成式波浪能发电装置，其特征在于，包括浮子模块和定子模块，所述定子模块由能量回收舱、发电舱、高压蓄能器舱、低压蓄能器舱和蓄电池组及电处理舱集成加工于一体而形成；

所述能量回收舱包括复合回收缸，所述复合回收缸由两级液压缸组成，分别为一级液压缸和二级液压缸，所述一级液压缸的活塞杆为空心结构，且兼做二级液压缸的缸筒，一级液压缸的活塞杆与浮子模块直接连接，所述二级液压缸的活塞杆也为空心结构，固定于一级液压缸的缸筒上，所述一级液压缸的活塞上、下两部分分别形成A腔和C腔，一级液压缸的活塞杆的空心部分与二级液压缸的活塞杆空心部分相通，形成B腔；

所述发电舱包括止回阀桥、顺序阀、双向定量马达和发电机，所述高压蓄能器舱和低压蓄能器舱内均设置有移动活塞，高压蓄能器舱和低压蓄能器舱的移动活塞上部充入不同压力的氮气，下部均充入液压油；

所述A腔、B腔通过工作油管分别连接止回阀桥的上接口和下接口，所述止回阀桥的左接口通过工作油管连接高压蓄能器舱下部，同时该左接口又通过一顺序阀与双向定量马达连接，所述止回阀桥的右接口通过工作油管连接低压蓄能器舱下部，同时该右接口又与双向定量马达连接，所述双向定量马达与发电机连接，发电机与蓄电池组及电处理舱连接。

2.根据权利要求1所述的集成式波浪能发电装置，其特征在于，所述止回阀桥由四个单向阀组合而成，四个单向阀分别为第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀，分别位于止回阀桥的上接口与左接口之间，左接口与下接口之间，下接口与右接口之间，以及右接口与上接口之间，保证液压油只能从上接口流向左接口，下接口流向左接口，右接口流向下接口，以及右接口流向上接口。

3.根据权利要求1所述的集成式波浪能发电装置，其特征在于，所述C腔不通油，所述C腔内安装有左右对称的弹簧，弹簧底部固定于复合回收缸的缸底，弹簧顶部与一级液压缸的活塞连接，使得该活塞在无波浪的情况下能够在中间位置保持平衡。

4.根据权利要求3所述的集成式波浪能发电装置，其特征在于，弹簧数量优选为2个，分别位于C腔左右两侧。

5.根据权利要求1所述的集成式波浪能发电装置，其特征在于，所述高压蓄能器舱的移动活塞上部充入氮气的压力为8Mpa以上，所述低压蓄能器舱的移动活塞上部充入氮气的压力为1Mpa以下，优选为0.3～0.5Mpa。

6.根据权利要求1所述的集成式波浪能发电装置，其特征在于，所述浮子模块为漂浮在水面上的浮子，一级液压缸的活塞杆与该浮子直接连接；

优选的，所述浮子为圆柱浮子。

7.根据权利要求1所述的集成式波浪能发电装置，其特征在于，所述能量回收舱、发电舱、高压蓄能器舱、低压蓄能器舱和蓄电池组及电处理舱的舱壳均由合金材料制成，舱壳外表面均涂有防腐涂料；

各个舱集成于一体形成定子模块，定子模块的外壳也由合金材料制成，舱壳外表面均涂有防腐涂料。

8.一种权利要求1所述的集成式波浪能发电装置的工作方法，其特征在于，当波浪推动浮子上升时，一级液压缸的活塞杆随之做上行运动，A腔被压缩流出液压油，液压油经工作油路依次流过止回阀桥的上接口、第一单向阀所在支路、顺序阀驱动双向定量马达正转后，再经止回阀桥的右接口、第三单向阀所在支路进入B腔；

当波浪推动浮子下降时，一级液压缸的活塞杆随之做下行运动，B腔被压缩流出液压油，液压油经工作油路依次流过止回阀桥的下接口、第二单向阀所在支路、顺序阀驱动双向定量马达正转后，再经止回阀桥的右接口、第四单向阀所在支路进入A腔。

9.根据权利要求8所述的集成式波浪能发电装置的工作方法，其特征在于，当波浪推动浮子上升，波浪较大时，A腔出油量大，工作油管瞬时压力过高，一部分液压油进入B腔，剩余液压油经工作油管进入低压蓄能器舱的下部；

当波浪推动浮子上升，波浪较小时，A腔瞬时出油量不足，达不到系统的工作油压，此时，高压蓄能器舱的下部出油，经工作油路向顺序阀、双向定量马达供油，维持工作油压的平稳。

10.根据权利要求8所述的集成式波浪能发电装置的工作方法，其特征在于，当波浪推动浮子下降，波浪较大时，B腔出油量大，工作油管瞬时压力过高，一部分液压油进入A腔，剩余液压油经工作油管进入低压蓄能器舱的下部；

当波浪推动浮子下降，波浪较小时，B腔瞬时出油量不足，达不到系统的工作油压，此时，高压蓄能器舱的下部出油，经工作油路向顺序阀、双向定量马达供油，维持工作油压的平稳。

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