CN112049750B - 一种新型筏式波浪能转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型筏式波浪能转换装置，包括铰链连接的两筏体、液压系统和双稳态装置。双稳态装置位于一个筏体的内腔中，包括支架梁、弧形连杆、有杆油缸和活塞式结构的弹簧组件；支架梁沿竖向固定，与弧形连接杆呈弓形布置，弧形连杆的中间位置与球铰的转动体连接；有杆油缸和弹簧组件各有两套，两套有杆油缸在支架梁和弧形连杆之间呈喇叭状铰接，弹簧组件分别铰接于弧形连杆的端面，且其弹簧处于压缩状态。筏体静止时，弹簧组件的轴向中心线过球铰的转动中心；有杆油缸连接的油管与液压系统连接。双稳态装置的设置可提高波能转换器的峰值波能捕获效率，可有效降低其等效固有频率，提高其在低频区的波能捕获效率，提升其在复杂海况下的性能。

Description

一种新型筏式波浪能转换装置
技术领域
本发明属于海洋工程可再生能源领域，涉及一种新型筏式波浪能转换装置。
背景技术
浩瀚的海洋蕴含着丰富的能源，波浪能是其最常见的形式之一。相比于风能和太阳能等可再生清洁能源，波浪能具有能量密度高的特点。然而在实际开发利用波浪能过程中存在波能装置转换效率不高、安装维修成本高和普适性较差等原因，导致目前仍未大规模生产应用于实践。
波能转换的概念有很多，而在迄今为止提出的波能转换装置中，铰接浮体波能转换器具有高波能转换效率，并且无需依赖固定的约束结构的特点，在波浪能的利用过程中被广泛采用。虽然铰接浮体波能转换装置在海洋技术方面有着巨大的应用潜力，但由于波浪能转换技术进步较慢和海洋条件恶劣，其在工业规模上仍未开发，其中线性波能转换器最重要的问题是提高捕获效率，然而该类装置需要在波浪激励与波能装置发生共振时具有较好的波能转换效率，当波浪激励频率偏离共振频率时波能转换效率下降明显，有效波能转换频带非常窄。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种转换效率高、适应性强的新型筏式波浪能转换装置。
本发明提供的这种新型筏式波浪能转换装置，包括筏体、铰链、液压系统和双稳态装置。筏体为扁盒式的空心浮子，相邻两筏体之间通过铰链连接，液压系统包括液压控制系统、液压马达和发电机。双稳态装置设置于相邻两筏体中一个筏体的内腔近端部处，包括支架梁、弧形连杆、有杆油缸和活塞式结构的弹簧组件；支架梁与弧形连接杆呈弓形布置，弧形连杆的两端面和近端面处的内侧分别对称连接有耳座，支架梁上连接有关于其长度方向中心面对称的两个耳座；支架梁沿竖向布置，其两端分别与所述筏体的顶面和底面连接；所述铰链为球铰，弧形连杆的中间位置处与球铰的转动体连接；有杆油缸有两套，两套有杆油缸在支架梁和弧形连杆之间呈喇叭状布置，活动端与弧形连杆内侧的耳座铰接，固定端与支架梁上同侧的耳座铰接；弹簧组件有两套，各套弹簧组件的活动端与弧形连杆端面的耳座铰接，且筏体处于静止状态时，弹簧组件的轴向中心线过球铰的转动中心；有杆油缸的无杆腔和有杆腔连接的油管与所述液压系统连接。
上述技术方案的一种实施方式中，所述球铰包括一对固定座和嵌装于两固定座之间的球体，球体的径向两侧对称连接有连接头，固定座为带连接法兰的半球壳，两固定座对应连接头位置处分别开设有弧形槽，其中一个连接头从弧形槽中伸出，另一个连接头位于弧形槽中。
上述技术方案的一种实施方式中，安装所述双稳态装置的筏体的端板中心位置处开设有与所述球体匹配的安装孔，球体一侧穿过安装孔进入筏体内腔中，两固定座通过连接法兰及紧固件固定于端板的内外侧，位于弧形槽中的连接头与所述弧形连杆的中间位置处固接，另一连接头固定于另一筏体的端板外侧中心位置处。
上述技术方案的一种实施方式中，所述弧形连杆的中部横截面面积最大，且弧形连杆的横截面面积从中部往两侧逐渐递减。
上述技术方案的一种实施方式中，所述油缸的活塞杆的轴向中心线与所述弧形连杆末端转动时的切向平行。
上述技术方案的一种实施方式中，所述弹簧组件包括套筒、活塞杆和弹簧，弹簧封装于套筒内，活塞杆的底板挤压弹簧、杆体从套筒一端的中心位置处伸出，杆体外端连接有与所述耳座匹配的耳板；弹簧为压缩弹簧。
上述技术方案的一种实施方式中，所述弹簧的数量为两根，活塞杆的底板位于两根弹簧之间，底板挤压其上方的弹簧。
本发明的双稳态装置的势能曲线具有双稳态特性，即存在两个势能井。双稳态装置的弹簧组件的两根弹簧始终处于压缩状态，两筏体没有相对转动时，远离弧形连杆的弹簧的压缩量大于其内侧弹簧的压缩量，保证两根弹簧整体处于压缩状态。当弹簧组件过弧形连杆与球铰转动中心的连线时,弹簧组件对两筏体的相对转动提供负刚度作用，双稳态装置处于不稳定平衡点。当弧形连杆在波浪作用下发生转动时，弹簧组件的压缩量将逐渐减小，弹簧组件对筏体相对转动产生的负刚度作用逐渐减小，当弧形连杆转过一特定角度时，弹簧组件提供的负刚度与筏体的纵摇转动静水恢复力刚度相等时，双稳态装置处于稳定平衡点。在上述过程中，由于弹簧的压缩状态导致弹簧组件对弧线连杆呈现出负刚度特性。当弧线连杆继续转动时，弹簧继续被拉伸使双稳态装置又表现为正刚度特性，可约束筏体不产生大幅度的纵摇转动运动，保证筏体安全。当弧形连杆上的载荷大于一定值时，弧形连杆将在双势能井中做往复运动，由于双势能井中往复运动的跳跃特性可有效的增大弧形连杆的转动角度，其次可以调节两筏体的相对转动相位差，提供相位控制的作用。总之，本换能装置增设双稳态装置后，在一定的波浪激励作用下，换能装置的弹性力在纵摇运动的相位平面上能形成一个椭圆势井，其长轴接近铰链筏体纵摇运动的模态方向，由此可放大筏体的铰接运动，同时使两筏体的纵摇运动趋于反向，起到相位控制的作用，提高波能捕获效率，另一方面由于弹簧组件对弧形连杆的转动提供负刚度，可有效的降低换能装置的等效固有频率，提高换能装置在低频区的波能捕获效率，同时由于双稳态装置的双井间跳跃特性，能有效地拓宽换能装置的波能转换频带，提高转换效率，增大发电量，同时提升换能装置在复杂海况下的适应性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的使用状态示意图。
图2为图1的俯视示意图。
图3为图1中双稳态装置与球铰中球体的放大连接示意图。
图4为图1中双稳态装置与球铰连接的放大轴侧示意图。
图5为图3中弹簧组件的剖视放大结构示意图。
图6为图1中双稳态装置的不稳定平衡点位置示意图。
图7为图1中双稳态装置的稳定平衡点位置示意图。
图8为图1中双稳态装置势能函数曲线示意图。
图9为本实施例与常规筏式波浪能转换装置的波能捕获宽度对比图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例公开的这种新型筏式波浪能转换装置，包括左筏体1、右筏体2、球铰3、双稳态装置4和液压系统。
结合图1、图2可以看出，左、右筏体均为扁盒式的空心浮子，左、右筏体之间对称连接有前、后两个球铰3。
结合图1至图4可以看出，每个球铰3采用两个带连接法兰的半球壳作为固定座31，两固定座中嵌装可转动的球体32，球体的径向两侧对称连接有左连接头33和右连接头34，两固定座31对应相应的连接头位置处分别开设有弧形槽，其中一个连接头从弧形槽中伸出。
左边筏体1的端板中心位置处开设有与球体32相应的安装孔。
球铰3安装时，其两固定座31的连接法兰通过螺栓固定于左边筏体1的端板对应安装孔处的内外侧，球体32的左侧穿过安装孔进入左筏体1的内腔中，右连接头34连接于右边筏体2端板的中心位置处。
每个球铰3通过左连接头33连接一套双稳态装置4。
双稳态装置4包括弧形连杆41、工字梁支架42、有杆油缸43和弹簧组件44；
弧形连杆41的中部横截面面积最大为圆柱状，其横截面面积从中部往两侧逐渐递减，中部与左连接头33过盈连接，左连接头上有用于安装弧形连杆的弧形孔。
弧形连杆42的两端面和近端面处的内侧分别对称连接有双耳板座，工字梁支架41上连接有关于其长度方向中心面对称的两个双耳板座。
工字梁支架42与弧形连接杆41呈弓形布置，工字梁支架42的两端分别与左筏体1的顶部和底部内壁固定。
有杆油缸43有两套，两有杆油缸在工字梁支架41和弧形连杆42之间呈喇叭状布置，有杆油缸的缸套底部和活塞杆外端分别连接有单耳板，有杆油缸的两端分别与工字梁支架41和弧形连杆42之间通过耳板座、耳板和销轴铰接。
结合图1至图5可以看出，弹簧组件44有两套，每套弹簧组件44包括套管441、活塞杆442和弹簧443。
本实施例的弹簧443采用一根压缩弹簧，置于套筒441内，套筒441的两端均有封盖，活塞杆442的底板横向插入弹簧中部、杆体从一端封板的中心位置处伸出。套筒的封闭端和活塞杆的外端分别连接有耳板，活塞杆442和弧形连杆42之间通过耳板座、耳板和销轴铰接。
双稳态装置4装配完成后形成关于弧形连杆41和工字梁支架42长度方向中心面的对称结构体。
双稳态装置4与球铰3连接后，弹簧组件4的轴向中心线过球体32的转动中心。
有杆油缸43的有杆腔和无杆腔连接的油管YG连接至液压系统，图中未示出。
本实施例的液压系统包括液压控制系统、液压马达和发电机等配置，可参照一种可利用波浪能发电的浮式平台（CN107444575 A）中公开的发电装置结构及配置。
当整个换能装置处于静水面时，筏体之间无相对运动，两弹簧组件中的弹簧的上半段处于初始压缩状态，双稳态装置处于如图6所示的不稳定平衡状态，此时双稳态装置的势能与位移间关系如图8所示。
当整个换能装置受到波浪作用时，左、右筏体出现纵摇运动，球铰3将绕其球体中心运动，并且通过弧形连杆42带动弹簧组件4和有杆油缸43的活塞杆运动，使整个换能装置偏离不稳定平衡点，如图7所示；在双稳态装置的作用下，整个换能装置的转动具有双稳态运动特征。有杆油缸的活塞杆在缸套内往复运动，推动液压油进入液压系统，使液压马达驱动发电机发电，将波浪能转化为电能。
图9为筏式波能转换器在有无安装本双稳态装置的波能捕获宽度比对比图，图中ω*轴代表波浪频率，CW*轴代表波能捕获宽度。
从图9可以看出，本换能装置通过引入双稳态装置，波能捕获宽度比的峰值明显增大，波能捕获的波频带向低频区域扩大。大海中的波浪主要是周期集中在5～9s的低频波，能适应海洋环境，同时增设双稳态装置后，峰值捕获能量提高了约60%。

Claims (7)

1.一种新型筏式波浪能转换装置，包括筏体、铰链和液压系统，筏体为扁盒式的空心浮子，相邻两筏体之间通过铰链连接，液压系统包括液压控制系统、液压马达和发电机，其特征在于：本装置还包括双稳态装置，它设置于相邻两筏体中一个筏体的内腔近端部处；
双稳态装置包括支架梁、弧形连杆、有杆油缸和活塞式结构的弹簧组件；
支架梁与弧形连接杆呈弓形布置，弧形连杆的两端面和近端面处的内侧分别对称连接有耳座，支架梁上连接有关于其长度方向中心面对称的两个耳座；
支架梁沿竖向布置，其两端分别与所述筏体的顶面和底面连接；所述铰链为球铰，弧形连杆的中间位置处与球铰的转动体连接；
有杆油缸有两套，两套有杆油缸在支架梁和弧形连杆之间呈喇叭状布置，活动端与弧形连杆内侧的耳座铰接，固定端与支架梁上同侧的耳座铰接；
弹簧组件有两套，各套弹簧组件的活动端与弧形连杆端面的耳座铰接，且筏体处于静止状态时，弹簧组件的轴向中心线过球铰的转动中心；
有杆油缸的无杆腔和有杆腔连接的油管与所述液压系统连接。
2.如权利要求1所述的新型筏式波浪能转换装置，其特征在于：所述球铰包括一对固定座和嵌装于两固定座之间的球体，球体的径向两侧对称连接有连接头，固定座为带连接法兰的半球壳，两固定座对应连接头位置处分别开设有弧形槽，其中一个连接头从弧形槽中伸出，另一个连接头位于弧形槽中。
3.如权利要求2所述的新型筏式波浪能转换装置，其特征在于：安装所述双稳态装置的筏体的端板中心位置处开设有与所述球体匹配的安装孔，球体一侧穿过安装孔进入筏体内腔中，两固定座通过连接法兰及紧固件固定于端板的内外侧，位于弧形槽中的连接头与所述弧形连杆的中间位置处固接，另一连接头固定于另一筏体的端板外侧中心位置处。
4.如权利要求1所述的新型筏式波浪能转换装置，其特征在于：所述弧形连杆的中部横截面面积最大，且弧形连杆的横截面面积从中部往两侧逐渐递减。
5.如权利要求1所述的新型筏式波浪能转换装置，其特征在于：所述油缸的活塞杆的轴向中心线与所述弧形连杆末端转动时的切向平行。
6.如权利要求1所述的新型筏式波浪能转换装置，其特征在于：所述弹簧组件包括套筒、活塞杆和弹簧，弹簧封装于套筒内，活塞杆的底板挤压弹簧、杆体从套筒一端的中心位置处伸出，杆体外端连接有与所述耳座匹配的耳板；弹簧为压缩弹簧。
7.如权利要求6所述的新型筏式波浪能转换装置，其特征在于：所述弹簧的数量为两根，活塞杆的底板位于两根弹簧之间，底板挤压其上方的弹簧。
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