CN113294281B - 一种低能流密度下的波浪能发电装置及放大机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低能流密度下的波浪能发电装置及放大机构。包括采能部件、转换机构和至少一组放大机构，采能部件浮于液面，转换机构同轴布设在采能部件的正下方，转换机构位于液面下，放大机构的一端与采能部件的下部可活动地连接，另一端与转换机构外部可活动地连接。本发明有效提高微幅波下装置的波浪能转换效率，结构简单、成本低廉、易于建造，有效解决现有波浪能发电装置不适应低能流密度海域的问题，应用广泛。

Description

一种低能流密度下的波浪能发电装置及放大机构
技术领域
本发明涉及一种波浪能发电装置，具体涉及一种低能流密度下的波浪能发电装置及放大机构。
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，低能流密度下的波浪能发电研究越来越受到学者的重视。低能流密度一般指某一海域波浪能的平均功率密度低于10kW/m，全球低能流密度海域占全球海域的40％左右，且我国大部分近岸海域处在低能流密度的范围中。此外，广泛应用于水文气象观测、水质生态调查、卫星遥感验证以及水面通信中继等领域的水面无人航行器长期工作于海上，所历经的每个海域都不可能是波能密度丰富的海域，也不希望航行器处在恶劣的波浪载荷作用之下，如何将微幅波的能量转化为其前进的动能，正是低能流密度下波浪能发电装置主要解决的问题。
然而，现有技术中很少有面向低能流密度海域的波浪能发电装置，大多数面向波能密度丰富海域，并旨在最大化吸收大密度下的波浪能量，这些装置应用到低能流密度海域时，波能转换系统难以适应海况要求，甚至难以推动PTO系统工作，使得采能效率低。因此，研究一种面向低能流海域，尤其是微幅波激励下的波浪能发电装置意义重大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，对低能流密度下的波浪能进行有效利用，提出一种低能流密度下的波浪能发电装置及放大机构，解决现有波浪能发电装置不适应低能流密度海域的问题。
为解决现有技术中的不足，本发明的技术方案是：
一、一种低能流密度下的波浪能发电装置：
波浪能发电装置包括采能部件、转换机构和至少一组放大机构，采能部件浮于液面，转换机构同轴布设连接在采能部件正下方，转换机构位于液面下，放大机构的一端与采能部件的下部可活动地连接，另一端与转换机构外部可活动地连接。
所述的采能部件整体密度小于波浪能所在液体的密度。
所述的采能部件包括浮体、上铰支座，浮体浮于液面，上铰支座固定连接在浮体底面，用于连接放大机构。
具体地，浮体的密度小于波浪能所在液体的密度。所述的浮体浮于水面上，主要用来吸收波浪的能量，其材质可以是木制、钢结构或玻璃钢材质。
所述的转换机构包括导向柱、下铰支座和水轮机，导管上端同轴固定连接到采能部件的浮体底面中心，导向柱上端可轴向移动地套装在导管中，导向柱下端连接到水轮机的中心轴，导向柱的轴线与水轮机中心轴的轴线重合，导向柱固定或铰接在水轮机上端中心；水轮机外周侧壁设有下铰支座，下铰支座用于连接放大机构，下铰支座固定连接在水轮机的外部。导管的轴线与浮体的轴线重合，导管的一端与采能部件固接或铰接。
所述的水轮机为双向脉冲式水轮机。
所述的转换机构包括液压缸，液压缸的缸体和液压缸的液压杆的其中之一同轴固定连接到采能部件的浮体底面中心，另一设有下铰支座，通过下铰支座和放大机构连接。
具体地，可以是液压缸的缸体连接到浮体底面中心，液压缸的液压杆设有下铰支座；也可以是液压缸的液压杆连接到浮体底面中心，液压缸的缸体设有下铰支座。液压缸的轴线与浮体的轴线重合，液压缸的一端与采能部件固接或铰接。
包括多个放大机构，多个放大机构沿周向间隔布置在采能部件和转换机构的周围。
所述的放大机构包括拉杆、至少一根连杆臂和至少一块阻尼板，拉杆上端和浮体底面的上铰支座铰接，拉杆下端和连杆臂的中部铰接，连杆臂的一端和转换机构外侧壁的下铰支座铰接，连杆臂的另一端和阻尼板铰接或者固接。
所述的放大机构包括多根连杆臂和多块阻尼板，若干连杆臂相互平行布置，连杆臂相互之间通过连杆连接，拉杆下端连接到其中一根连杆臂的中部即可，连杆臂和阻尼板数量相同对应，每根连杆臂均连接一块阻尼板。
进一步优选地，相邻平行的两根连杆臂之间通过多根连杆连接，使得连杆两端分别连接相互平行的两根连杆臂。
更进一步地，连杆和连杆臂之间铰接。
所述的拉杆和连杆臂之间的铰接处在连杆臂上的位置不固定，使得拉杆和连杆臂之间的铰接为可沿连杆臂滑动的铰接。
所述的采能部件还包括滑动轴承，滑动轴承固定连接在导管内，滑动轴承连接在导管和导向柱，以实现导管和导向柱之间更好地相对轴向移动。述的滑动轴承可以是铜质也可以是聚四氟乙烯等塑料材质。
具体实施中，所述的阻尼板尽量水平布置。
所述的转换机构在海水中为中性浮力机构。
所述的采能部件或转换机构内布放变速箱、马达或发电机。即采能部件，转换机构，这两者选其一布放变速箱、马达或发电机。
所述的阻尼板的密度近乎水的密度，使其能够悬浮在水中最好。
本发明中的采能部件中的浮体受到波浪载荷时，浮体通过放大机构中的拉杆将波浪载荷作用到连杆臂上，从而推动连杆臂另一端的转换机构相对于采能部件作轴向相对运动。同时放大机构中的阻尼板相对于采能部件和转换机构上下浮动运动，进而带动采能部件和转换机构之间轴向相对运动。本发明装置可采集低能流密度海域的微幅波能量，在放大机构的作用下，将采能部件的小位移垂荡运动，转为转换机构的较大位移运动，从而增大微幅波作用下的能量采集效率。
由此，本发明能够依靠微弱的波浪能实现了有效的发电。
本发明所述的低能流密度通常是指某一海域波浪能的平均功率密度低于10kW/m，我国大部分近岸海域处在低能流密度的范围中，且波浪能资源在沿海附近分布不均匀。
二、一种用于低能流密度的波浪能发电装置的放大机构：
所述的放大机构包括拉杆、至少一根连杆臂和至少一块阻尼板，拉杆下端和连杆臂的中部铰接，连杆臂的另一端和阻尼板铰接或者固接。
所述的拉杆上端和波浪能发电装置的采能部件的浮体底面的上铰支座铰接。
所述的连杆臂的一端和波浪能发电装置的转换机构外侧壁的下铰支座铰接，
所述的放大机构包括多根连杆臂和多块阻尼板，若干连杆臂相互平行布置，连杆臂相互之间通过连杆连接，拉杆下端连接到其中一根连杆臂的中部即可，连杆臂和阻尼板数量相同对应，每根连杆臂均连接一块阻尼板。
相邻平行的两根连杆臂之间通过多根连杆连接，使得连杆两端分别连接相互平行的两根连杆臂。
所述的连杆和连杆臂之间铰接。
所述的拉杆和连杆臂之间的铰接处在连杆臂上的位置不固定，使得拉杆和连杆臂之间的铰接为可沿连杆臂滑动的铰接。
所述的连杆臂两端中未连接阻尼板的一端连接到波浪能发电装置。
本发明的有益效果是：
(1)装置可对低能流密度下的波浪能进行有效利用，并解决现有波浪能发电装置不太适应低能流密度海域的问题；
(2)装置中的放大机构基于杠杆原理可有效提高微幅波下装置的波浪能转换效率，整个装置结构简单、成本低廉、易于建造。
(3)本装置可为长期工作于海上的水文气象观测、水质生态调查、卫星遥感验证以及水面通信中继等领域的水面无人航行器，提供原位产能供能的有效解决方案。
附图说明
图1是本发明提出的一种低能流密度下的波浪能发电装置总体示意图；
图2是图1中的采能部件示意图；
图3是图1中的转换机构示意图；
图4是放大机构原理示意图；
图5是图4的一种变形示意图(也是图1中的转换机构示意图)；
图6是图4的另一种变形示意图；
图7是图4中的转换机构变形示意图。
图中，1采能部件、2转换机构、3放大机构、101浮体、102导管、103滑动轴承和104铰支座、201导向柱、202铰支座、203水轮机、301拉杆、302连杆臂、303阻尼板、801液压杆、802液压缸。
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。
实施例1
如图1所示，本实施例的波浪能发电装置包括采能部件1、转换机构2和放大机构3。转换机构2布设在采能部件1的正下方，即转换机构2的轴线与采能部件1的轴线重合；放大机构3的一端与采能部件1的下部铰接，其另一端与转换机构2的外部铰接；
以采能部件1和转换机构2的轴线等角均布若干个放大机构3，本实施例中等角均布了6个放大机构。当采能部件1在波浪的作用下发生垂荡时，采能部件1将通过放大机构3提升或下放转换机构2，并且使采能部件1发生小位移垂荡时，也能通过放大机构3使转换机构2发生较大位移的上下运动。
如图2所示，采能部件1包括浮体101、导管102、滑动轴承103和上铰支座104组成，浮体101浮于水面上，主要用来吸收波浪的能量，其材质可以是木制、钢结构或玻璃钢材质等；导管102与浮体101连接在一起，可以是固接或铰接，本实施例是固定连接，可以是焊接也可以是螺纹连接还可以与浮体101一体成型；导管102的轴线与浮体101的轴线重合，导管102用于转换机构2上下运动时的导向作用；为了使得转换机构2在导管102内上下运动更加自如，将滑动轴承103固定连接到导管102内，该滑动轴承103可以是铜质也可以是聚四氟乙烯等塑料材质；上铰支座104用于放大机构3的一端铰接，其数量和位置根据放大机构3等角均布的数量一一对应；本实施例中采能部件1的下部等角均布有6个上铰支座104。
如图3所示，转换机构2包括导向柱201、下铰支座202和水轮机203，导向柱201的轴线与水轮机203的轴线重合，导向柱201固定或铰接在水轮机203上部的正中心位置，本实施例采用固定连接，可以是焊接也可以是螺纹连接还可以与水轮机203一体成型；下铰支座202固定连接在水轮机203的外部，其数量和位置根据放大机构3等角均布的数量一一对应，本实施例中水轮机203的外部等角均布有上、下两组下铰支座202，每一组有6个下铰支座202，且上下两组下铰支座202一一对应；此处的水轮机203可以是单向运动用于发电的水轮机，也可以是双向运动均可发电的水轮机，本实施例为双向脉冲式水轮机；转换机构2设置为中性浮力，转换机构2的内部嵌入安装有变速箱和发电机。
如图4所示装置的结构简图，放大机构3包括拉杆301、连杆臂302和阻尼板303构成，拉杆301的一端与采能部件1中的上铰支座104铰接在一起，可以是球铰接、销轴连接或者铆接等；拉杆301的另一端与连杆臂302的中间某部位铰接，此处的铰接部位为图示中间位置靠左侧，即使得提拉转换机构2的力臂大于提拉阻尼板303的力臂，这样布置的目的即利用杠杆原理，使采能部件1上下运动较小位置时，也能使转换机构2运动达到较大位移；连杆臂302的一端与阻尼板303铰接在一起，另一端与转换机构2铰接在一起；阻尼板303为水平布置的板，其位于水下静水层，没有波浪的波动作用，因此这里的阻尼板303无论采能部件1上或下运动，阻尼板303都将提供阻止采能部件1发生运动的阻尼力，从而为拉杆301通过连杆臂302提升或下放转换机构2成为可能。为了提升装置运动过程中的稳定性，在转换机构2的外部等角均布6套放大机构3。该机构的自由度数以图示的1套为例，当采能部件1向上运动时，阻尼板303受到静水层向下的阻尼力，假设采能部件1固定，其为机架，阻尼板303为主动件，具有向下的驱动力，根据机构的自由度计算公式：
F＝3×n-(2×PL+PH-p)-P1
其中n为构件数，PL为低幅数，PH为高副数，P为虚约束，P1为局部自由度。
则图4所示机构中阻尼板303右侧与连杆臂302的铰接为局部自由度，无虚约束，无高副，该机构的自由度数为：
F＝3×4-(2×5+0-0)-1＝1
则转换机构2可以在竖直方向上运动。
由局部自由度的概念可知，此处阻尼板303右侧与连杆臂302的铰接也可以是固定连接，即采用焊接或螺纹连接等形式，固接后的自由度数仍为1:
F＝3×3-(2×4+0-0)-0＝1
实施例2
如图5所示为图1装置的结构简图，为了进一步增加装置的稳定性，将图4中的放大机构3进行平行四边机构的拓展，即为本实施例图1的机构简图。此处的放大机构3除了包括拉杆301、连杆臂302和阻尼板303外，还包括连杆304；连杆臂302的数量为2根，呈上下平行布置，连杆304的两端分别连接这2根连杆臂302，阻尼板303的数量为2块，分别铰接与所述的两根平行的连杆臂302的一端，2块阻尼板303固定连接在一起。
则图5所示机构中，2个连杆臂302两头的铰接构成了平行四边形机构，阻尼板303右侧与连杆臂302的铰接不再是局部自由度，连杆304两头的铰接均为虚约束，无高副，则该机构的自由度数为：
F＝3×6-(2×9+0-1)-0＝1
由此，转换机构2可以在竖直方向上运动。
实施例3
如图6所示，此机构为图4机构的进一步变形，即采用更多的连杆臂302进行平行布置，并在平行布置的连杆臂302之间设置若干个连杆304，根据平行四边形机构的特点，所有连杆304和超过2的那些连杆臂302均为虚约束，计算自由度时可以省去，也就是说装置在设计时连杆304也可以不设置，当连杆304设置时，若干阻尼板可以不连接成一体，当连杆304不设置时，若干阻尼板需要连接成一体。
微幅波作用于采能部件1之后会引起采能部件1的小位移运动，但在放大机构3的作用下可以将转换机构2的直线运动位移放大，本实施例中的转换机构2的主要转换型式是采用水轮机部件进行转换，其主要是通过放大垂向的直线运动实现能量的转换，由此，本实施例的替代方案还可以是其他通过直线运动将波浪能转换为电能的机构，比如液压缸的转换形式、直线发电机的转换形式、直线运动的活塞压缩空气透平等。具体以液压缸为另一实施例说明如下：
实施例4
如图7所示，将图5中的转换机构2换成液压杆801，连杆臂302与液压杆的外侧面铰接，采能部件1中的导管102换成液压缸802，液压缸802的一端与采能部件1连接，此时可以将PTO系统设置在采能部件1中的浮体101内。
本发明的具体实施过程为：
(1)在微幅波作用之下，当采能部件1中的浮体101受到向上的波浪载荷时，浮体101通过上铰支座104提拉放大机构3中的拉杆301，此时阻尼板303受到静水层海水向下的阻力，阻止拉杆301向上提拉，但因为连杆臂302与阻尼板303和拉杆301铰接，连杆臂302从而被拉杆301拉起，从而提拉起连杆臂302另一端的转换机构2，转换机构2中的导向柱201并在采能部件1中的导管102中运动，转换机构2向上运动的过程中，转换机构2中的水轮机203并在静水层中运动，静止的海水作用在水轮机203上阻止其向上运动，阻力从而推动水轮机203中的转轮旋转，从而驱动变速箱和发电机发电。
(2)在微幅波作用之下，当采能部件1中的浮体101受到向下的波浪载荷时，浮体101通过上铰支座104下放放大机构3中的拉杆301，此时阻尼板303受到静水层海水向上的阻力，阻止拉杆301向下下落，但因为连杆臂302与阻尼板303和拉杆301的铰接存在，连杆臂302从而被拉杆301下放，从而向下推动连杆臂302另一端的转换机构2，转换机构2中的导向柱201并在采能部件1中的导管102中运动，转换机构2向下运动的过程中，转换机构2中的双向水轮机203在静水层中运动，静止的海水作用在双向水轮机203上阻止其向下运动，阻力从而推动水轮机203中的转轮旋转，从而驱动变速箱和发电机发电。
由此，本发明装置可采集低能流密度海域的微幅波能量，在放大机构3的作用下，将采能部件1的小位移垂荡运动，转为转换机构2的较大位移运动，从而增大微幅波作用下的能量采集效率，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，如改变本实施例中浮体的外形为双体船型、锥形体等形状；或者改变放大机构的数量、改变放大机构中连杆臂的数量、连杆数量或阻尼板的数量等；该装置中的转换机构不限于上文提到的水轮机、液压缸或直线发电机，还可以是其他直线运动驱动机构发电的转换形式。

Claims (7)

1.一种低能流密度下的波浪能发电装置，其特征在于：
包括采能部件（1）、转换机构（2）和放大机构（3），采能部件（1）浮于液面，转换机构（2）同轴布设连接在采能部件（1）正下方，转换机构（2）位于液面下，放大机构（3）的一端与采能部件（1）的下部可活动地连接，另一端与转换机构（2）外部可活动地连接；包括多个放大机构（3），多个放大机构（3）沿周向间隔布置在采能部件（1）和转换机构（2）的周围；所述的放大机构（3）包括拉杆（301）、至少一根连杆臂（302）和至少一块阻尼板（303），拉杆（301）上端和浮体（101）底面铰接，拉杆（301）下端和连杆臂（302）的中部铰接，连杆臂（302）的一端和转换机构（2）外侧壁铰接，连杆臂（302）的另一端和阻尼板（303）铰接或者固接；
所述的采能部件（1）包括浮体（101）、上铰支座（104），上铰支座（104）固定连接在浮体（101）底面，用于连接放大机构（3）。
2.根据权利要求1所述的一种低能流密度下的波浪能发电装置，其特征在于：所述的转换机构（2）包括导向柱（201）、下铰支座（202）和水轮机（203），导管（102）上端同轴连接到采能部件（1）底面中心，导向柱（201）上端可轴向移动地套装在导管（102）中，导向柱（201）下端连接到水轮机（203）的中心轴，导向柱（201）的轴线与水轮机（203）中心轴的轴线重合，导向柱（201）固定在水轮机（203）上端；水轮机（203）外周侧壁设有下铰支座（202），下铰支座（202）用于连接放大机构（3）。
3.根据权利要求1所述的一种低能流密度下的波浪能发电装置，其特征在于：所述的转换机构（2）包括液压缸（802），液压缸（802）的缸体和液压缸（802）的液压杆（801）的其中之一同轴连接到采能部件（1）底面中心，另一设有下铰支座，通过下铰支座和放大机构（3）连接。
4.根据权利要求1所述的一种低能流密度下的波浪能发电装置，其特征在于：所述的放大机构（3）包括多根连杆臂（302）和多块阻尼板（303），若干连杆臂（302）相互平行布置，连杆臂（302）相互之间通过连杆（304）连接，每根连杆臂（302）均连接一块阻尼板（303）。
5.根据权利要求4所述的一种低能流密度下的波浪能发电装置，其特征在于：相邻平行的两根连杆臂（302）之间通过连杆（304）连接。
6.根据权利要求1所述的一种低能流密度下的波浪能发电装置，其特征在于：所述的拉杆（301）和连杆臂（302）之间的铰接处在连杆臂（302）上的位置不固定，使得拉杆（301）和连杆臂（302）之间的铰接为可沿连杆臂（302）滑动的铰接。
7.根据权利要求2所述的一种低能流密度下的波浪能发电装置，其特征在于：所述的采能部件（1）还包括滑动轴承（103），滑动轴承（103）固定连接在导管（102）内，滑动轴承（103）连接在导管（102）和导向柱（201）之间。
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