CN112283010B - 一种可扩展型多自由度波浪能发电装置 - Google Patents

一种可扩展型多自由度波浪能发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可扩展型多自由度波浪能发电装置。包括至少一个运动单元，每个运动单元包括中央浮筒、上浮筒、连接臂、转换机构和动力输出模块，中央浮筒通过转换机构与连接臂的一端铰接在一起，上浮筒通过转换机构与连接臂的另一端铰接在一起，动力输出模块布设在上浮筒中。本发明可采集装置在多个自由度上的运动采集波浪能，从而最大程度地吸收波浪能，提高了波浪能采集效率和波浪转换效率，并且装置的可扩展性能高，易将若干套本装置形成一个具有超高柔性且可集中维护的波浪能发电场，提高了装置的可靠性和工作寿命，降低了装置的维护管理难度和经济成本。

Description

一种可扩展型多自由度波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及一种波浪能发电领域的装置，具体涉及一种可扩展型多自由度波浪能发电装置。
背景技术
21世纪后随着可持续发展的不断推进，越来越多的国家都更加重视海洋能源的开发和利用，以波浪能、潮汐能、潮流能和海上风能为主的各类发电系统、平台和装置的研究和开发应运而生。目前，对于波浪能的开发利用，其发电装置种类繁多，由于装置俘获波能的机理不同，装置的安装位置和水深条件不同，波能转换为电能的方式也多种多样。根据装置的工作原理，波浪能电装置可大体分为三类，包括振荡水柱式、振荡体式和越浪式，而各大类又可以拆分为固定式、漂浮式、浸没式等小类。不同的波浪能发电装置具有不同的结构和机械特点，在实际设计和应用中分别利用液压缸、空气透平、水轮机、水力透平、线性发电机等实现能量的转化和输出。
随着波浪能发电装置研究的深化，降低经济成本、产业化应用波浪能发电装置成为人们越来越集中研究的方向。类比属性较为接近的太阳能、风能等可再生能源的发展历程，建立波能发电场，利用阵列式的波能发电装置，并充分优化配置，在简化设计、节省成本等方面有很多需要我们进一步研究的地方，这对波浪能发电装置的可扩展性提出了更大的挑战。
现有的波浪能发电装置多为单自由度单方向采集波浪能，采集波浪能的效率不仅不高，且多个方向不能自由随波运动易瞬间承受巨大的波浪载荷，致使波浪能转换装置发生故障，如现有采用直线转换机构的装置中，就存在液压活塞杆发生断裂的事故。另外，波浪能发电装置多为独立的设备，需要进行阵列布设时，也多是多套装置独立布设，可扩展性不高，不易进行阵列，布设的工作量大，后期的维护也较困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，波浪能发电装置单自由度单方向采集波浪能而使采能效率不高的问题，以及波浪能发电装置需要进行阵列布设时，布设的工作量大、集中维护困难、可扩展性不高带来较高的成本等问题。
为解决现有技术中的不足，本发明的技术方案是：
本发明包括至少一个运动单元，每个运动单元包括中央浮筒、上浮筒、连接臂、转换机构和动力输出模块，中央浮筒通过转换机构与连接臂的一端铰接在一起，上浮筒通过转换机构与连接臂的另一端铰接在一起，动力输出模块布设在上浮筒中。
所述的转换机构包括连接在连接臂中的第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸和中心桩，第一液压缸、第二液压缸和第三液压缸均沿圆周间隔均布在以中心桩为圆心的中心圆上，中心桩的一端与连接臂固连在一起。
所述的转换机构还包括连接在中央浮筒或上浮筒中的第四液压缸、第五液压缸、第六液压缸和中心柱，第四液压缸、第五液压缸和第六液压缸均沿圆柱间隔均布在以中心柱为圆心的中心圆上，中心柱的一端与中央浮筒或上浮筒固连在一起。
所述的转换机构还包括第一万向铰接结构、第二万向铰接结构、第三万向铰接结构和第四万向铰接结构，中心柱的另一端与中心桩的另一端通过第一万向铰接结构连接在一起；第一液压缸的缸杆端通过第二万向铰接结构与第四液压缸的缸杆端铰接，第二液压缸的缸杆端通过第二万向铰接结构与第五液压缸的缸杆端铰链，第三液压缸的缸杆端通过第二万向铰接结构与第六液压缸的缸杆端铰链，第一液压缸的缸体、第二液压缸的缸体、第三液压缸的缸体与连接臂固定连接，第四液压缸的缸体、第五液压缸的缸体、第六液压缸的缸体与中央浮筒或上浮筒固定连接。
所述的第一万向铰接结构、第二万向铰接结构、第三万向铰接结构和第四万向铰接结构均为关节轴承或十字万向节结构。
所述的中央浮筒三个侧面均设置有安装位置安装转换机构，中央浮筒三个侧面通过各自的转换机构分别与三个连接臂的一端铰接在一起，三个上浮筒通过各自的转换机构分别与三个连接臂的另一端铰接在一起，动力输出模块布设在每个上浮筒中。
所述的上浮筒包括钢制骨架、聚乙烯填充泡沫和聚氨酯弹性外壳，聚乙烯填充泡沫包覆钢制骨架，聚氨酯弹性外壳包裹聚乙烯填充泡沫。
所述的中央浮筒或上浮筒为六边形棱柱体结构或圆柱体结构。
所述的上浮筒浮于水面，中央浮筒浮于水面或悬浮于水中。
所述的中央浮筒内设有压载舱。
相邻所述的运动单元之间通过各自的上浮筒固定连接而连接。
本发明中的上浮筒或中央浮筒与连接臂之间通过转换机构连接在一起，转换机构中的的万向铰接结构逐一将连接臂中的液压缸与中央浮筒或上浮筒中的液压缸连接在一起，同时将中心桩与中心柱连接在一起，使得作为吸能部件的浮筒和连接臂在任何一个方向的运动都将推动液压缸的运动，从而最大程度地吸收波浪能，提高波浪采集效率。
本发明中的所述的可扩展型多自由度波浪能发电装置可通过连接件将上浮筒固连在一起，形成一个具有超高柔性且可集中维护的波浪发电场，因为有提供多个自由度运动的转换机构，整个发电场犹如水上漂浮的布匹一样随浪起伏摇荡。扩展本波浪能发电装置能够充分利用海洋中的波浪能量，可有效解决现有技术中波浪采集效率较低的问题。此外，本发明装置中的吸能部件之间的相互作用也可提高装置的波能收集效率及转换效率，节省了经济成本，维护管理难度大大降低。
本发明的有益效果是：
(1)装置可在多个自由度上采集波浪能，提高了波浪能采集效率；
(2)吸能部件之间的相互作用提高了装置的波浪能转换效率；
(3)装置的可扩展性高，易将若干套装置连接在一起，形成可集中维护的波浪发电场；
(4)装置的可靠性和工作寿命有所提高，装置的维护管理难度和经济成本大大降低。
附图说明
图1是本发明提出的一种可扩展型多自由度波浪能发电装置示意图；
图2是转换机构局部示意图；
图3是图2中A-A局部示意图；
图4是图2中B-B局部示意图；
图5是图2中C向局部示意图；
图6是本装置扩展后的示意图。
图中，1中央浮筒、2上浮筒、3连接臂、4转换机构、403中心柱、404中心桩、401b第一液压缸、401d第二液压缸、401f第三液压缸、401a第四液压缸、401c第五液压缸、401e第六液压缸、402第一万向铰接结构、402A第二万向铰接结构、402B第三万向铰接结构、402C第四万向铰接结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的具体实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方案作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明包括至少一个运动单元，每个运动单元包括中央浮筒1、上浮筒2、连接臂3、转换机构4和动力输出模块，中央浮筒1通过转换机构4与连接臂3的一端铰接在一起，上浮筒2通过转换机构4与连接臂3的另一端铰接在一起，动力输出模块布设在上浮筒2中。
具体实施的中央浮筒1和上浮筒2的结构可以是圆柱体也可以是多边形棱柱体，具体实施的中央浮筒1和上浮筒2的结构为六边形棱柱体结构，这对多套装置进行扩展时，可让装置与装置紧凑地连接在一起，并且中央浮筒1采用棱柱体形状便于转换机构4的安装。在多自由度采集波浪能的情况下，中央浮筒1和上浮筒2的结构不必像单自由度采集系统那样须将浮筒形状作为设计的首要任务进行深入研究。中央浮筒1或上浮筒2作为装置的系泊浮筒。具体实施的动力输出模块包括液压马达、发电机、蓄能器、油箱、减压阀。
中央浮筒1可与若干个连接臂3通过转换机构4连接在一起，具体实施中，中央浮筒1三个侧面均设置有安装位置安装转换机构4，中央浮筒1三个侧面通过各自的转换机构4分别与三个连接臂3的一端铰接在一起，三个上浮筒2通过各自的转换机构4分别与三个连接臂3的另一端铰接在一起，动力输出模块布设在每个上浮筒2中。
具体实施中，装置的系泊形式为多点系泊形式，系泊点可设置在中央浮筒1上，也可以设置在本实施例中的三个上浮筒2上。中央浮筒1、上浮筒2和连接臂3均为密闭的空心腔体，可采用强耐腐蚀能力的双相不锈钢型材进行制作，也可采用玻璃钢或其他复合材料。具体实施的上浮筒2主要由Q355钢材制作的骨架、聚乙烯泡沫填充和聚氨酯弹性外壳组合制作而成，聚乙烯填充泡沫包覆钢制骨架，聚氨酯弹性外壳包裹聚乙烯填充泡沫。中央浮筒1内设有压载舱(图未示出)，压载舱用于控制中央浮筒1在水中的深度，并可在恶劣海况到来时，往中央浮筒1中注入海水，使得上浮筒2的吃水减小甚至悬浮在水面以下，防止恶劣海况对装置造成破坏。在实际工作的情况下，中央浮筒1可打入压载水使其没于水中，而上浮筒2浮于水面，如图1所示的情况，当然也可以控制压载使中央浮筒1与上浮筒2一样浮于水面上。
如图3所示，转换机构4包括连接在连接臂3中的第一液压缸401b、第二液压缸401d、第三液压缸401f和中心桩404，第一液压缸401b、第二液压缸401d和第三液压缸401f均沿圆周间隔均布在以中心桩404为圆心的中心圆上，中心桩404的一端与连接臂3固连在一起，可以是螺栓连接。
如图4所示，转换机构4还包括连接在中央浮筒1或上浮筒2中的第四液压缸401a、第五液压缸401c、第六液压缸401e和中心柱403，第四液压缸401a、第五液压缸401c和第六液压缸401e均沿圆周间隔均布在以中心柱403为圆心的中心圆上，中心柱403的一端与中央浮筒1或上浮筒2固连在一起，可以是螺栓连接。
如图2和图5所示，转换机构4还包括第一万向铰接结构402、第二万向铰接结构402A、第三万向铰接结构402B和第四万向铰接结构402C，中心柱403的另一端与中心桩404的另一端通过第一万向铰接结构402连接在一起；第一液压缸401b的缸杆端通过第二万向铰接结构402A与第四液压缸401a的缸杆端铰接，第二液压缸401d的缸杆端通过第二万向铰接结构402B与第五液压缸401c的缸杆端铰链，第三液压缸401f的缸杆端通过第二万向铰接结构402C与第六液压缸401e的缸杆端铰链，第一液压缸401b的缸体、第二液压缸401d的缸体、第三液压缸401f的缸体与连接臂3固定连接，第四液压缸401a的缸体、第五液压缸401c的缸体、第六液压缸401e的缸体与中央浮筒1或上浮筒2固定连接。
具体实施的第一万向铰接结构402、第二万向铰接结构402A、第三万向铰接结构402B和第四万向铰接结构402C均为关节轴承或十字万向节结构。当中央浮筒1或者是上浮筒2相对与连接臂3发生如图2所示的顺时针转动时，第四液压缸401a和第一液压缸401b将被压缩，第五液压缸401c、第二液压缸401d、第六液压缸401e和第三液压缸401f将被拉伸，而当中央浮筒1或者是上浮筒2相对与连接臂3逆时针转动时，第五液压缸401c、第二液压缸401d、第六液压缸401e和第三液压缸401f将被压缩，而第四液压缸401a和第一液压缸401b将被拉伸。由此可见，转换机构4沿圆周间隔均布三个液压缸的目的是为了使中央浮筒1或者上浮筒2相对于连接臂3发生任何方向的转动都有液压缸被压缩，从而将波浪能转化为发电需要的液压能。若只布设1个或者2个液压缸时，均存在液压缸不被压缩的可能，转换效率相对减小。
如图6所示是本装置扩展后的示意图，扩展时将一个运动单元的上浮筒2与相邻的另一个运动单元的上浮筒2固定连接在一起，可通过钢丝绳绑在一起，也可以在上浮筒2上开设若干个通孔，将一个运动单元的上浮筒2的通孔与另一个运动单元的上浮筒2的通孔通过连接件连接在一起，比如通过钢丝绳串接在一起。扩展后的网状波浪能发电场的系泊形式采用多点系泊形式，系泊点可设置在网状发电场边缘的浮筒2上，也可以设置在网状发电场边缘的中央浮筒1上。
本发明的具体实施过程为：
(1)当中央浮筒1或上浮筒2在波浪的作用下相对连接臂3发生相对运动时，任何一个方向上的运动都将推动转换机构4中的液压缸运动，从而将波浪的动能或势能转换为液压能，液压能被输送至安装在中央浮筒1或上浮筒2的动力输出(PTO)模块的蓄能器当中，当蓄能器达到设定的值时，蓄能器释放能量从而推动动力输出模块中的液压马达工作，使马达驱动模块中的发电机发电。
(2)本装置需要进行扩展时，将一个运动单元的上浮筒2与相邻的另一个运动单元的上浮筒2通过钢丝绳等连接件固连在一起，连接完成之后，在网状发电场边缘的浮筒2上或中央浮筒1上进行系泊附件的连接，以完成整个波浪发电场的系泊。
由此，本发明装置可采集多个自由度上的运动，实现更高的波浪能转换效率，并且装置的可扩展性能高，易将若干套本装置形成一个具有超高柔性且可集中维护的波浪能发电场，提高了装置的可靠性和工作寿命，降低了装置的维护管理难度和经济成本，具有突出显著的技术效果。
最后，需要说明的是：基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围，如改变本实施例中上浮筒的数量、转换机构中液压油缸的数量或连接臂的数量及布设角度等。该装置中的转换机构可以用于海上相对运动的两个浮体之间的波浪能量转换，不限于本实施例中提到的连接臂与上浮筒及中央浮筒之间的连接。

Claims (6)

1.一种可扩展型多自由度波浪能发电装置，其特征在于：
包括至少一个运动单元，每个运动单元包括中央浮筒（1）、上浮筒（2）、连接臂（3）、转换机构（4）和动力输出模块，中央浮筒（1）通过转换机构（4）与连接臂（3）的一端铰接在一起，上浮筒（2）通过转换机构（4）与连接臂（3）的另一端铰接在一起，动力输出模块布设在上浮筒（2）中；
所述的转换机构（4）包括连接在连接臂（3）中的第一液压缸（401b）、第二液压缸（401d）、第三液压缸（401f）和中心桩（404），第一液压缸（401b）、第二液压缸（401d）和第三液压缸（401f）均沿圆周间隔均布在以中心桩（404）为圆心的中心圆上，中心桩（404）的一端与连接臂（3）固连在一起；
所述的转换机构（4）还包括连接在中央浮筒（1）或上浮筒（2）中的第四液压缸（401a）、第五液压缸（401c）、第六液压缸（401e）和中心柱（403），第四液压缸（401a）、第五液压缸（401c）和第六液压缸（401e）均等角均布在以中心柱（403）为圆心的中心圆上，中心柱（403）的一端与中央浮筒（1）或上浮筒（2）固连在一起；
所述的转换机构（4）还包括第一万向铰接结构（402）、第二万向铰接结构（402A）、第三万向铰接结构（402B）和第四万向铰接结构（402C），中心柱（403）的另一端与中心桩（404）的另一端通过第一万向铰接结构（402）连接在一起；第一液压缸（401b）的缸杆端通过第二万向铰接结构（402A）与第四液压缸（401a）的缸杆端铰接，第二液压缸（401d）的缸杆端通过第二万向铰接结构（402B）与第五液压缸（401c）的缸杆端铰链，第三液压缸（401f）的缸杆端通过第二万向铰接结构（402C）与第六液压缸（401e）的缸杆端铰链，第一液压缸（401b）的缸体、第二液压缸（401d）的缸体、第三液压缸（401f）的缸体与连接臂（3）固定连接，第四液压缸（401a）的缸体、第五液压缸（401c）的缸体、第六液压缸（401e）的缸体与中央浮筒（1）或上浮筒（2）固定连接；
所述的上浮筒（2）浮于水面，中央浮筒（1）悬浮于水中；
所述的中央浮筒（1）内设有压载舱。
2.根据权利要求1所述的一种可扩展型多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述的第一万向铰接结构（402）、第二万向铰接结构（402A）、第三万向铰接结构（402B）和第四万向铰接结构（402C）均为关节轴承或十字万向节结构。
3.根据权利要求1所述的一种可扩展型多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述的中央浮筒（1）三个侧面均设置有安装位置安装转换机构（4），中央浮筒（1）三个侧面通过各自的转换机构（4）分别与三个连接臂（3）的一端铰接在一起，三个上浮筒（2）通过各自的转换机构（4）分别与三个连接臂（3）的另一端铰接在一起，动力输出模块布设在每个上浮筒（2）中。
4.根据权利要求1所述的一种可扩展型多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述的上浮筒（2）包括钢制骨架、聚乙烯填充泡沫和聚氨酯弹性外壳，聚乙烯填充泡沫包覆钢制骨架，聚氨酯弹性外壳包裹聚乙烯填充泡沫。
5.根据权利要求1所述的一种可扩展型多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述的中央浮筒（1）或上浮筒（2）为六边形棱柱体结构或圆柱体结构。
6.根据权利要求1所述的一种可扩展型多自由度波浪能发电装置，其特征在于：相邻所述的运动单元之间通过各自的上浮筒（2）固定连接。
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