CN112302859B - 一种模块化可扩展型波浪能发电装置 - Google Patents

一种模块化可扩展型波浪能发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化可扩展型波浪能发电装置。包括浮筒、连接臂和连接件，连接臂通过连接件与浮筒连接在一起；系泊件设置于连接端的下底面的中心上，连接端的上底面与浮子端的下端固连在一起，连接端沿圆周间隔均布若干个连接安装座，连接安装座与连接端为一体铸造成型或焊接在一起。本装置采用模块化设计，方便了装置在海上的安装，操作方便，降低了装置的安装难度和经济成本，并且提高了装置的可扩展性能，扩展后的装置形式多样，可根据用户需求进行配置，且维护方便，且连接臂中的液压缸可多自由度吸收波浪能，提高了装置的发电效率。

Description

一种模块化可扩展型波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及波浪能发电领域的一种装置，具体涉及一种模块化可扩展型波浪能发电装置。
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。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独立的设备，需要进行阵列布设时，也多是几套装置独立布设，并且相互间的连接形式不同，需要连接的部件众多，在部署的过程中带来了很大的工作量，装置的可扩展性能不高，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，克服现有技术的不足，提供了一种模块化可扩展型波浪能发电装置，将波浪能发电装置设计成两个模块，两个模块均设有相互匹配的连接接口界面，模块之间只需通过简易的螺栓或插销等连接件连接即可。
本发明的技术方案是：
本发明包括浮筒、连接臂和连接件，连接臂通过连接件与浮筒连接在一起；浮筒包括浮子端、连接端、连接安装座和系泊件；系泊件设置于连接端的下底面的中心上，连接端的上底面与浮子端的下端固连在一起，连接端沿圆周间隔均布若干个连接安装座，连接安装座与连接端为一体铸造成型或焊接在一起。
连接臂包括长臂和两组液压缸组件，长臂为两端对称结构，两组液压缸组件对称安装于长臂的两端，每组液压缸组件包括一个液压缸安装座、一个万向铰接结构和一个凹面连接块；沿长臂中心到两端依次安装有液压缸安装座、万向铰接结构和凹面连接块，万向铰接结构的一端设置在凹面连接块背面的正中位置，万向铰接结构的另一端设置在长臂的一端，凹面连接块的背面与长臂之间通过万向铰接结构连接在一起。
连接臂还包括安装座耳板和凹面连接块耳板，两个安装座耳板对称安装于液压缸安装座两侧，凹面连接块耳板安装于凹面连接块背面的垂直中心线或水平中心线的两侧。
所述的凹面连接块的两侧均设有连接件安装孔，连接安装座上设有连接件安装孔，凹面连接块的连接件安装孔与连接安装座上的连接件安装孔通过连接件固定在一起，凹面连接块正面的中间部分呈凹陷形，作为连接于连接端103的接口界面，用于固定连接端。
所述的连接臂还包括若干个液压缸，若干个液压缸在垂直于轴向的平面上沿周向错位布置，若干个液压缸的一端分别安装于凹面连接块背面的水平中心线或者垂直中心线两侧的凹面连接块耳板上，若干个液压缸的另一端分别安装于液压缸安装座两侧的安装座耳板上；若干个液压缸与安装座耳板和凹面连接块耳板之间均采用销连接。
所述的万向铰接结构为十字万向节结构或球轴承结构。
所述的长臂或浮子端内均安装有动力输出(PTO)模块。
所述的浮筒或连接臂均采用Q345材料或钢筋混凝土材料。
n个所述的连接臂和n+1个所述的浮筒通过若干连接件扩展成一字排开的蛇形装置或多边形装置。
所述的扩展后的蛇形装置或多边形装置通过系泊组件与浮筒中的系泊件连接。
本发明的有益效果是：
(1)浮筒和连接臂采用模块化设计，一旦出现故障，可整个模块更换，维护方便；
(2)浮筒和连接臂之间采用螺栓或插销类的连接件连接，海上部署容易，操作方便；
(3)连接臂中的液压缸可多自由度吸收波浪能，提高了装置的发电效率；
(4)装置的模块化设计大大提高了装置的可扩展性能，扩展后的装置形式多样，可根据用户需求进行配置，且维护方便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的浮筒示意图；
图3是本发明的连接臂示意图；
图4是本发明图3中的A向局部视图；
图5是本发明图3中的B向局部视图；
图6是本发明扩展后的示意图。
图中，1浮筒、2连接臂、3连接件、101浮子端、103连接端、102连接安装座、104系泊件、201长臂、202a第一液压缸、202b第二液压缸、202c第三液压缸、202d第四液压缸、201e液压缸安装座、203凹面连接块、204万向铰接结构、205安装座耳板、206凹面连接块耳板。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，本发明包括浮筒1、连接臂2和连接件3，连接臂2通过连接件3与浮筒1连接在一起。浮筒1和连接臂2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，具体实施的浮筒1或连接臂2采用Q345材料或钢筋混凝土材料。连接件3可以是插销、铆接件或榫接件，具体实施的连接件3采用内六角头螺栓连接。
如图2所示，浮筒1包括浮子端101、连接端103、连接安装座102和系泊件104；系泊件104设置于连接端103的下底面的中心上，连接端103的上底面与浮子端101的下端固连在一起，如采用焊接。连接端103沿圆周间隔均布若干个连接安装座102，连接安装座102与连接端103为一体铸造成型或焊接在一起。具体实施的连接端103上开设若干个连接孔，作为浮筒1与连接臂2之间的连接孔。在工作状态时，浮子端101浮于水面，而连接端103以及连接安装座102没于水下。
如图3所示，连接臂2包括长臂201和两组液压缸组件，长臂201为两端对称结构，两组液压缸组件对称安装于长臂201的两端，每组液压缸组件包括一个液压缸安装座201e、一个万向铰接结构204和一个凹面连接块203；沿长臂201中心到两端依次安装有液压缸安装座201e、万向铰接结构204和凹面连接块203，万向铰接结构204的一端设置在凹面连接块203背面的正中位置，万向铰接结构204的另一端设置在长臂201的一端，凹面连接块203的背面与长臂201之间通过万向铰接结构204连接在一起，具体实施的万向铰接结构204为十字万向节结构或球轴承结构。
连接臂2还包括安装座耳板205和凹面连接块耳板206，两个安装座耳板205沿平行于凹面连接块203背面的垂直中心线或水平中心线对称安装于液压缸安装座201e两侧，凹面连接块耳板206安装于凹面连接块203背面的垂直中心线或水平中心线的两侧。具体实施的安装座耳板205、凹面连接块耳板206与液压缸安装座201e、凹面连接块203背面可以是焊接或者螺栓连接。
如图3所示，凹面连接块203的两侧均设有连接件安装孔，连接安装座102上设有连接件安装孔，凹面连接块203的连接件安装孔与连接安装座102上的连接件安装孔通过连接件3固定在一起，凹面连接块203正面的中间部分呈凹陷形，作为连接于连接端103的接口界面，用于固定连接端103，其形状与连接端103的外壁形状一致，本实施例中凹面连接块203与连接端103的外壁同心。
连接臂2还包括若干个液压缸，若干个液压缸在垂直于轴向的平面上沿周向错位布置，若干个液压缸的一端分别安装于凹面连接块203背面的水平中心线或者垂直中心线两侧的凹面连接块耳板206上，若干个液压缸的另一端分别安装于平行于凹面连接块203背面的水平中心线或者垂直中心线的液压缸安装座201e两侧的安装座耳板205上；若干个液压缸与安装座耳板205和凹面连接块耳板206之间均采用销连接。
如图3、图4和图5所示，具体实施的连接臂2包括第一液压缸202a、第二液压缸202b、第三液压缸202c和第四液压缸202d，第一液压缸202a和第二液压缸202b分别设置在万向铰接结构204的两侧，第一液压缸202a和第二液压缸202b的一端分别安装于凹面连接块203背面的水平中心线两侧的凹面连接块耳板206上，第一液压缸202a和第二液压缸202b的另一端分别安装于平行于凹面连接块203背面的水平中心线的液压缸安装座201e两侧的安装座耳板205上；第三液压缸202c和第四液压缸202d分别设置在万向铰接结构204的两侧，第三液压缸202c和第四液压缸202d的一端分别安装于凹面连接块203背面的垂直中心线两侧的凹面连接块耳板206上，第三液压缸202c和第四液压缸202d的另一端分别安装于垂直于凹面连接块203背面的水平中心线的液压缸安装座201e两侧的安装座耳板205上，第一液压缸202a、第二液压缸202b、第三液压缸202c和第四液压缸202d与安装座耳板205和凹面连接块耳板206之间均采用销连接。第一液压缸202a、第二液压缸202b、第三液压缸202c和第四液压缸202d的耳环均用关节轴承，优选为自润滑关节轴承，内孔是自润滑球轴承，高强度铜合金(CuZn25Al5，CuZn24Al6Fe3Mn4)作为基础材料，并按一定比例在其工作面加工出孔穴并填入固体润滑剂，高强度的铜合金提供了很高的承载能力，而固体润滑剂则可以形成较低的摩擦副。
具体实施中，长臂201和液压缸安装座201a的形状可以是圆柱或棱柱形，长臂201或浮子端101内安装有动力输出PTO模块。动力输出模块包括液压马达、发电机、蓄能器、油箱、安全阀、单向阀、减压阀。液压缸收集到的液压能被输送至动力输出(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。整个装置的系泊形式为多点系泊形式，系泊点设置在连接端103下底面的系泊件104上。
整个连接臂2集成了波浪能转换的液压缸以及动力输出(PTO)模块的部件，其为高度模块化的设计，并且液压缸的布置采用多方位布置，避免装置有限地吸收单边自由度上的能量，实现了装置的多自由收集波浪能。
如图6所示，n个所述的连接臂2和n+1个所述的浮筒1通过若干连接件3扩展成一字排开的蛇形装置或多边形装置，扩展后的蛇形装置或多边形装置通过系泊组件与浮筒1中的系泊件104连接。具体实施中，两个浮筒1和一个连接臂2可构成一套波浪能发电装置，若要将该波浪能发电装置进行扩展，可根据使用要求连接若干套模块化设计的连接臂2和获能浮筒1，以扩展成需要的形式，如一字排开的蛇形，或在浮筒1的连接端103上另外安装两个连接臂2，并在连接臂2的另一端安装上浮筒1以形成三角形，或更多的连接臂2和浮筒1扩展而成的六边形等形状，甚至更大的波浪能发电场，以扩大总的转换能量。
本发明的具体实施过程为：
(1)在波浪能发电装置进行装配或海上扩展时，只需要将模块化设计好的浮筒1和连接臂2的连接界面配合好用螺栓连接即可。
(2)之后将系泊系统布置到海中，系泊接口连接至浮筒1上的系泊件104上完成装置的系泊定位。对于扩展后的装置，并非所有的浮筒1都要连接至系泊系统，根据需要而定，一般将装置扩展后的边缘处的进行系泊附件的连接达到整个装置甚至时波浪发电场的系泊。
(3)装置在工作过程中，浮筒1和连接臂2受到波浪作用后，浮筒1和连接臂2之间发生相对的运动，任何一个方向上的运动都将推动连接臂2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浮筒1或连接臂2上的动力输出(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，使马达驱动模块当中的发电机发电。
由此，本发明装置可在多个自由度上的运动，实现了更高的波浪能转换效率；装置的模块化设计方便了装置在海上的安装，并且提高了装置的可扩展性能，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，降低了装置的安装难度和经济成本，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形状、转换机构中液压缸的数量或连接臂的形状及布设角度等。该装置中的连接臂可按照到其他海上浮体或陆上摆动体上，通过浮体或摆动体的运动驱动连接臂中的液压缸转换能量，不限于本实施例中提到的浮筒与连接臂之间的连接。

Claims (7)

1.一种模块化可扩展型波浪能发电装置，其特征在于：
包括浮筒（1）、连接臂（2）和连接件（3），连接臂（2）通过连接件（3）与浮筒（1）连接在一起；浮筒（1）包括浮子端（101）、连接端（103）、连接安装座（102）和系泊件（104）；系泊件（104）设置于连接端（103）的下底面的中心上，连接端（103）的上底面与浮子端（101）的下端固连在一起，连接端（103）沿圆周间隔均布若干个连接安装座（102），连接安装座（102）与连接端（103）为一体铸造成型或焊接在一起；连接臂（2）包括长臂（201）和两组液压缸组件，长臂（201）为两端对称结构，两组液压缸组件对称安装于长臂（201）的两端，每组液压缸组件包括一个液压缸安装座（201e）、一个万向铰接结构（204）和一个凹面连接块（203）；沿长臂（201）中心到两端依次安装有液压缸安装座（201e）、万向铰接结构（204）和凹面连接块（203），万向铰接结构（204）的一端设置在凹面连接块（203）背面的正中位置，万向铰接结构（204）的另一端设置在长臂（201）的一端，凹面连接块（203）的背面与长臂（201）之间通过万向铰接结构（204）连接在一起；连接臂（2）还包括安装座耳板（205）和凹面连接块耳板（206），两个安装座耳板（205）对称安装于液压缸安装座（201e）两侧，凹面连接块耳板（206）安装于凹面连接块（203）背面的垂直中心线或水平中心线的两侧；
所述的连接臂（2）包括第一液压缸（202a）、第二液压缸（202b）、第三液压缸（202c）和第四液压缸（202d），第一液压缸（202a）和第二液压缸（202b）构成一组液压缸组件并连接在长臂（201）一端，第一液压缸（202a）和第二液压缸（202b）分别设置在万向铰接结构（204）的两侧，第一液压缸（202a）和第二液压缸（202b）的一端分别安装于凹面连接块（203）背面的水平中心线两侧的凹面连接块耳板（206）上，第一液压缸（202a）和第二液压缸（202b）的另一端分别安装于平行于凹面连接块（203）背面的水平中心线的液压缸安装座（201e）两侧的安装座耳板（205）上；第三液压缸（202c）和第四液压缸（202d）构成另一组液压缸组件并连接在长臂（201）另一端，第三液压缸（202c）和第四液压缸（202d）分别设置在万向铰接结构（204）的两侧，第三液压缸（202c）和第四液压缸（202d）的一端分别安装于凹面连接块（203）背面的垂直中心线两侧的凹面连接块耳板（206）上，第三液压缸（202c）和第四液压缸（202d）的另一端分别安装于垂直于凹面连接块（203）背面的水平中心线的液压缸安装座（201e）两侧的安装座耳板（205）上，第一液压缸（202a）、第二液压缸（202b）、第三液压缸（202c）和第四液压缸（202d）与安装座耳板（205）和凹面连接块耳板（206）之间均采用销连接；
多个浮筒（1）之间可扩展地连接，相邻两个浮筒（1）之间均通过连接臂（2）连接。
2.根据权利要求1所述的一种模块化可扩展型波浪能发电装置，其特征在于：所述的凹面连接块（203）的两侧均设有连接件安装孔，连接安装座（102）上设有连接件安装孔，凹面连接块（203）的连接件安装孔与连接安装座（102）上的连接件安装孔通过连接件（3）固定在一起，凹面连接块（203）正面的中间部分呈凹陷形，作为连接于连接端103的接口界面，用于固定连接端（103）。
3.根据权利要求1所述的一种模块化可扩展型波浪能发电装置，其特征在于：所述的万向铰接结构（204）为十字万向节结构或球轴承结构。
4.根据权利要求1所述的一种模块化可扩展型波浪能发电装置，其特征在于：所述的长臂（201）或浮子端（101）内均安装有动力输出PTO模块。
5.根据权利要求1所述的一种模块化可扩展型波浪能发电装置，其特征在于：所述的浮筒（1）或连接臂（2）均采用Q345材料或钢筋混凝土材料。
6.根据权利要求1所述的一种模块化可扩展型波浪能发电装置，其特征在于：n个所述的连接臂（2）和n+1个所述的浮筒（1）通过若干连接件（3）扩展成一字排开的蛇形装置或多边形装置。
7.根据权利要求6所述的一种模块化可扩展型波浪能发电装置，其特征在于：所述的扩展后的蛇形装置或多边形装置通过系泊组件与浮筒（1）中的系泊件（104）连接。
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