CN113763799A - 一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台及方法，它包括用于对整个装置进行搭载支撑在固定平台；所述固定平台上安装有用于采集能量的振荡扑翼采集机构；所述振荡扑翼采集机构与桥式液压转换系统相连，所述桥式液压转换系统与直流电能变换与储能系统相连。此实验平台实现了在实验室模拟无水池情况下不同等级海况波浪能发电。

Description

一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台及方法

技术领域

本发明属于海洋清洁能源开发利用领域，具体涉及一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台及方法。

背景技术

一些海洋监测装备，需要长时间在海域作业，这样对供电设备的续电时间要求就较高，而一般的电池续电能力限制了续电时间，需要多次人工更换。一些海上作业装置，如电动渔船等，其电池的充电与更换会较为麻烦。海洋中的潮流能蕴含量丰富，若能对其加以开发利用，对海洋装备的能源持续补充的意义重大。传统的海上和海洋内作业的装备，都是需要一段时间后人工进行电源的补充或者更换，这样会影响到装备作业的效率和连续性。

发明内容

本发明的目的是提供一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台及方法，此实验平台实现了在实验室模拟无水池情况下不同等级海况波浪能发电。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，它包括用于对整个装置进行搭载支撑在固定平台；所述固定平台上安装有用于采集能量的振荡扑翼采集机构；所述振荡扑翼采集机构与桥式液压转换系统相连，所述桥式液压转换系统与直流电能变换与储能系统相连。

所述固定平台包括第一平台，所述第一平台的顶部一侧固定安装有弹簧固定平台，所述弹簧固定平台的顶部固定有摇臂固定平台，所述摇臂固定平台的顶部固定有缸筒固定平台，所述第一平台的侧边并位于弹簧固定平台的一侧设置有第二平台。

所述弹簧固定平台、摇臂固定平台和缸筒固定平台依次焊接固定在呈三角形固定排列的立柱上，立柱的下部固定在第一平台上，所述弹簧固定平台和立柱之间焊接有大筋板。

所述振荡扑翼采集机构包括同轴式减速电机，所述同轴式减速电机固定安装在固定平台的第一平台上，所述同轴式减速电机的输出轴安装有凸轮，所述凸轮与浮子的底端构成凸轮配合，所述浮子的顶端通过浮子连接件固定安装有摇臂，所述摇臂的另一端固定有摇臂连接件，所述摇臂连接件的另一端通过阶梯轴铰接在第一轴承座上，所述第一轴承座固定在固定平台的摇臂固定平台的外侧壁上；所述摇臂的顶部对称固定有活塞杆支撑件，所述活塞杆支撑件上通过销轴与缸筒的活塞杆末端铰接相连，所述缸筒上焊接有缸筒连接件，缸筒连接件铰接在第二轴承座上，第二轴承座固定在轴承底座上，所述轴承底座固定在固定平台的缸筒固定平台的外侧壁上。

所述凸轮有多种不同尺寸型号，通过更换不同型号凸轮，实现浮子和摇臂运动振幅的变化；所述同轴式减速电机与固定在第一平台上的变频器相连，并控制转速，实现凸轮运动周期的变化，从而改变浮子和摇臂上、下摆动周期。

所述摇臂的底端连接有弹簧，所述弹簧的另一端钩挂在固定平台的弹簧固定平台的外侧壁上；所述轴承底座和缸筒固定平台之间固定有小筋板。

所述桥式液压转换系统由液压缸、单向阀、安全阀、蓄能器、压力表、液压马达、油箱、液压管道组成；所述液压缸与单向阀通过软管连接，安全阀安装在竖直面板上，蓄能器安装在蓄能器底座上，蓄能器底座安装在竖直面板上，液压马达与直流发电机安装在直流发电机底座上，直流发电机底座放在固定平台的第二平台上；所述竖直面板竖直固定在第二平台上；桥式液压转换系统主干道上设置有安全阀、蓄能器、压力表，后面连接液压马达，液压马达出油口与油箱连接，液压马达转动带动直流发电机工作发电。

四个所述单向阀与液压管路组成桥式液压回路实现液压转换；液压缸由活塞杆和缸筒构成。

所述直流电能变换与储能系统由直流发电机、滤波电容、限流电阻、稳压管、发光二极管、充电控制器和蓄电池组成；所述直流发电机发出的电经过滤波电容、限流电阻、稳压管发出所需稳定的电压与电流；其中限流电阻采用滑动变阻器，调节其阻值适用不同大小凸轮及其转速发出的电；直流电能变换储能系统中还设计有发光二极管，还有充电控制器，充电控制器后连接蓄电池。

采用所述振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台进行发电实验的方法，包括以下步骤：

步骤一：根据实验设定，选用合适尺寸的凸轮实现摇臂浮子运动振幅的变化；并通过调节同轴式减速电机的转速可实现凸轮运动周期的变化；

步骤二：启动同轴式减速电机，通过变频器控制同轴式减速电机的转速，同轴式减速电机转动带动凸轮旋转，凸轮旋转带动摇臂和浮子上下摆动；当凸轮从最低点运动到最高点时，摇臂和浮子向上摆动，且当浮子与凸轮的接触点为凸轮的最高点时，摇臂和浮子的摆动角最大，此时，摇臂和浮子到达最高点，弹簧处于拉伸状态；当凸轮继续旋转，弹簧会将摇臂和浮子向下拉，使摇臂和浮子始终与凸轮相接触，实现摇臂和浮子向下摆动；

步骤三：通过摇臂和浮子的上下摆动，使液压缸中活塞杆实现拉伸和压缩运动，当摇臂和浮子向下运动时，活塞杆向下拉伸，液压缸的上腔室会通过油箱实现吸油过程，下腔室出油，液压油经过液压系统的传递实现液压马达的旋转运动，当摇臂和浮子向上运动时，活塞杆向上压缩，此时下腔室会通过油箱实现吸油过程，上腔室出油，液压油经过液压系统的传递实现液压马达旋转运动；

步骤四：通过液压马达的旋转运动，带动直流发电机工作；直流发电机发出的电依次经过滤波电容，限流电阻，稳压管作用后发出所需稳定的电压与电流；其中限流电阻采用滑动变阻器，调节其阻值适用不同大小凸轮及其转速发出的电；发光二极管是否亮可以看出是否有电，然后经过充电控制器给蓄电池更加稳定的充电，其中充电控制器主要保护蓄电池、防止过充电。

本发明有如下有益效果：

1、本发明中所涉及的一种振荡扑翼波浪能发电装置实验平台，可以通过变频器控制同轴式减速电机来改变凸轮转速，实现凸轮运动周期的变化，更换凸轮的大小，可实现摇臂浮子运动振幅的变化，以至于模拟不同等级波浪运动。

2、本发明在实验室模拟无水池波浪能发电通过设置弹簧既能实现摇臂浮子向下运动，又能较大的减小摇臂浮子的重量。

3、本发明中通过摇臂浮子上下摆动带动活塞杆上下移动挤压液压油，液压油经过桥式液压转换系统使液压马达转动。

4、液压马达带动直流发电机工作，直流发电机发出的电经过直流电能变换与储能系统转变为所需的电给蓄电池充电。

5、该装置实现了在实验室模拟无水池情况下不同等级海况波浪能发电。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为一种振荡扑翼波浪能发电装置实验平台三维图。

图2为一种振荡扑翼波浪能发电装置实验平台桥式液压转换系统原理图。

图3为一种振荡扑翼波浪能发电装置实验平台直流电能变换与储能系统原理图。

图中：1-第一平台，2-变频器，3-同轴式减速电机，4-凸轮，5-浮子，6-浮子连接件，7-摇臂，8-弹簧，9-活塞杆支撑件，10-销轴，11-活塞杆，12-缸筒，13-缸筒连接件，14-第二轴承座，15-轴承底座，16-小筋板，17-缸筒固定平台，18-立柱，19-摇臂固定平台，20-摇臂连接件，21-阶梯轴，22-第一轴承座，23-大筋板，24-弹簧固定平台，25-单向阀，26-油箱，27-安全阀，28-蓄能器底座，29-蓄能器，30-液压马达，31-直流发电机，32-直流发电机底座，33-第二平台，34-压力表，35-滤波电容，36-限流电阻，37-稳压管，38-发光二极管，39-充电控制器，40-蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1，一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，它包括用于对整个装置进行搭载支撑在固定平台；所述固定平台上安装有用于采集能量的振荡扑翼采集机构；所述振荡扑翼采集机构与桥式液压转换系统相连，所述桥式液压转换系统与直流电能变换与储能系统相连。通过采用上述的实验平台，能够实现实验室模拟无水池情况下不同等级海况波浪能发电。具体实验过程中，通过振荡扑翼采集机构用于模拟波浪能的采集过程，通过桥式液压转换系统将采集到的波浪能转化为电能，通过直流电能变换与储能系统用于对转换之后的电能进行储存并使用。

进一步的，所述固定平台包括第一平台1，所述第一平台1的顶部一侧固定安装有弹簧固定平台24，所述弹簧固定平台24的顶部固定有摇臂固定平台19，所述摇臂固定平台19的顶部固定有缸筒固定平台17，所述第一平台1的侧边并位于弹簧固定平台24的一侧设置有第二平台33。通过采用上述的固定平台用于对整个实验装置的不同构件进行支撑和固定，进而保证后续实验的正常进行。

进一步的，所述弹簧固定平台24、摇臂固定平台19和缸筒固定平台17依次焊接固定在呈三角形固定排列的立柱18上，立柱18的下部固定在第一平台1上，所述弹簧固定平台24和立柱18之间焊接有大筋板23。通过上述的三角形排列的立柱18保证了结构稳定性，而且保证了整个固定平台的结构强度。通过大筋板23增强了弹簧固定平台24的连接强度。

进一步的，所述振荡扑翼采集机构包括同轴式减速电机3，所述同轴式减速电机3固定安装在固定平台的第一平台1上，所述同轴式减速电机3的输出轴安装有凸轮4，所述凸轮4与浮子5的底端构成凸轮配合，所述浮子5的顶端通过浮子连接件6固定安装有摇臂7，所述摇臂7的另一端固定有摇臂连接件20，所述摇臂连接件20的另一端通过阶梯轴21铰接在第一轴承座22上，所述第一轴承座22固定在固定平台的摇臂固定平台19的外侧壁上；所述摇臂7的顶部对称固定有活塞杆支撑件9，所述活塞杆支撑件9上通过销轴10与缸筒12的活塞杆11末端铰接相连，所述缸筒12上焊接有缸筒连接件13，缸筒连接件13铰接在第二轴承座14上，第二轴承座14固定在轴承底座15上，所述轴承底座15固定在固定平台的缸筒固定平台17的外侧壁上。通过上述的振荡扑翼采集机构主要用于模拟波浪能的采集过程。工作过程中，通过启动同轴式减速电机3，通过变频器2控制同轴式减速电机3的转速，同轴式减速电机3转动带动凸轮4旋转，凸轮4旋转带动摇臂7和浮子5上下摆动。当凸轮4从最低点运动到最高点时，摇臂7和浮子5向上摆动，且当浮子5与凸轮4的接触点为凸轮4的最高点时，摇臂7和浮子5的摆动角最大，此时，摇臂7和浮子5到达最高点，弹簧8处于拉伸状态；当凸轮4继续旋转，弹簧8会将摇臂7和浮子5向下拉，使摇臂7和浮子5始终与凸轮4相接触，实现摇臂7和浮子5向下摆动。

进一步的，所述凸轮4有多种不同尺寸型号，通过更换不同型号凸轮4，实现浮子5和摇臂7运动振幅的变化；所述同轴式减速电机3与固定在第一平台1上的变频器2相连，并控制转速，实现凸轮4运动周期的变化，从而改变浮子5和摇臂7上、下摆动周期。

进一步的，所述摇臂7的底端连接有弹簧8，所述弹簧8的另一端钩挂在固定平台的弹簧固定平台24的外侧壁上；所述轴承底座15和缸筒固定平台17之间固定有小筋板16。

之所以采用上述的弹簧8是因为，实际波浪能发电装置中为了实现浮子5向下运动，因此摇臂7浮子5重量比较大，在实验室模拟无水池波浪能发电通过设置弹簧8既能实现摇臂7浮子5向下运动，又能较大的减小摇臂7浮子5的重量。

进一步的，所述振荡扑翼采集机构中凸轮用小凸轮时，当摇臂浮子处于摆动最低点时，此时弹簧处于原长状态；凸轮用大凸轮时，当摇臂浮子处于摆动最高点时，此时弹簧拉伸最长。设置弹簧8是解决凸轮顶动浮子达到最高点时，浮子重力小于液压缸液压油压力，依靠浮子自重，摇臂浮子与凸轮会分离，凸轮空转。设置弹簧拉动浮子与凸轮一直接触，使浮子产生规则的正弦运动。更换不同大小凸轮以及改变其转速可模拟不同等级波浪运动。

实施例2

参见图2，所述桥式液压转换系统由液压缸、单向阀25、安全阀27、蓄能器29、压力表34、液压马达30、油箱26、液压管道组成；所述液压缸与单向阀25通过软管连接，安全阀27安装在竖直面板上，蓄能器29安装在蓄能器底座28上，蓄能器底座28安装在竖直面板上，液压马达30与直流发电机31安装在直流发电机底座32上，直流发电机底座32放在固定平台的第二平台33上；所述竖直面板竖直固定在第二平台33上；桥式液压转换系统主干道上设置有安全阀27、蓄能器29、压力表34，后面连接液压马达30，液压马达30出油口与油箱26连接，液压马达30转动带动直流发电机31工作发电。通过上述的桥式液压转换系统主要是为了将波浪能转化为电能。具体工作过程中，通过摇臂7浮子5的上下摆动，使液压缸中活塞杆11实现拉伸和压缩运动，当摇臂7浮子5向下运动时，活塞杆11向下拉伸，液压缸的上腔室会通过油箱26实现吸油过程，下腔室出油，液压油经过液压系统的传递实现液压马达30的旋转运动。当摇臂7浮子5向上运动时，活塞杆11向上压缩，此时下腔室会通过油箱26实现吸油过程，上腔室出油，液压油经过液压系统的传递实现液压马达30旋转运动。

进一步的，四个所述单向阀25与液压管路组成桥式液压回路实现液压转换；液压缸由活塞杆11和缸筒12构成。

实施例3：

参见图3，所述直流电能变换与储能系统由直流发电机31、滤波电容35、限流电阻36、稳压管37、发光二极管38、充电控制器39和蓄电池40组成；所述直流发电机31发出的电经过滤波电容35、限流电阻36、稳压管37发出所需稳定的电压与电流；其中限流电阻36采用滑动变阻器，调节其阻值适用不同大小凸轮4及其转速发出的电；直流电能变换储能系统中还设计有发光二极管38，还有充电控制器39，充电控制器39后连接蓄电池40。通过上述的直流电能变换与储能系统主要是为了将转化之后的电能进行储存。

实施例4：

采用所述振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台进行发电实验的方法，包括以下步骤：

步骤一：根据实验设定，选用合适尺寸的凸轮4实现摇臂7浮子5运动振幅的变化；并通过调节同轴式减速电机3的转速可实现凸轮4运动周期的变化；

步骤二：启动同轴式减速电机3，通过变频器2控制同轴式减速电机3的转速，同轴式减速电机3转动带动凸轮4旋转，凸轮4旋转带动摇臂7和浮子5上下摆动；当凸轮4从最低点运动到最高点时，摇臂7和浮子5向上摆动，且当浮子5与凸轮4的接触点为凸轮4的最高点时，摇臂7和浮子5的摆动角最大，此时，摇臂7和浮子5到达最高点，弹簧8处于拉伸状态；当凸轮4继续旋转，弹簧8会将摇臂7和浮子5向下拉，使摇臂7和浮子5始终与凸轮4相接触，实现摇臂7和浮子5向下摆动；

步骤三：通过摇臂7和浮子5的上下摆动，使液压缸中活塞杆11实现拉伸和压缩运动，当摇臂7和浮子5向下运动时，活塞杆11向下拉伸，液压缸的上腔室会通过油箱26实现吸油过程，下腔室出油，液压油经过液压系统的传递实现液压马达30的旋转运动，当摇臂7和浮子5向上运动时，活塞杆11向上压缩，此时下腔室会通过油箱26实现吸油过程，上腔室出油，液压油经过液压系统的传递实现液压马达30旋转运动；

步骤四：通过液压马达30的旋转运动，带动直流发电机31工作；直流发电机31发出的电依次经过滤波电容35，限流电阻36，稳压管37作用后发出所需稳定的电压与电流；其中限流电阻36采用滑动变阻器，调节其阻值适用不同大小凸轮4及其转速发出的电；发光二极管38是否亮可以看出是否有电，然后经过充电控制器39给蓄电池40更加稳定的充电，其中充电控制器39主要保护蓄电池40、防止过充电。

Claims (10)

1.一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，其特征在于：它包括用于对整个装置进行搭载支撑在固定平台；所述固定平台上安装有用于采集能量的振荡扑翼采集机构；所述振荡扑翼采集机构与桥式液压转换系统相连，所述桥式液压转换系统与直流电能变换与储能系统相连。

2.根据权利要求1所述一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，其特征在于：所述固定平台包括第一平台（1），所述第一平台（1）的顶部一侧固定安装有弹簧固定平台（24），所述弹簧固定平台（24）的顶部固定有摇臂固定平台（19），所述摇臂固定平台（19）的顶部固定有缸筒固定平台（17），所述第一平台（1）的侧边并位于弹簧固定平台（24）的一侧设置有第二平台（33）。

3.根据权利要求1所述一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，其特征在于：所述弹簧固定平台（24）、摇臂固定平台（19）和缸筒固定平台（17）依次焊接固定在呈三角形固定排列的立柱（18）上，立柱（18）的下部固定在第一平台（1）上，所述弹簧固定平台（24）和立柱（18）之间焊接有大筋板（23）。

4.根据权利要求1所述一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，其特征在于：所述振荡扑翼采集机构包括同轴式减速电机（3），所述同轴式减速电机（3）固定安装在固定平台的第一平台（1）上，所述同轴式减速电机（3）的输出轴安装有凸轮（4），所述凸轮（4）与浮子（5）的底端构成凸轮配合，所述浮子（5）的顶端通过浮子连接件（6）固定安装有摇臂（7），所述摇臂（7）的另一端固定有摇臂连接件（20），所述摇臂连接件（20）的另一端通过阶梯轴（21）铰接在第一轴承座（22）上，所述第一轴承座（22）固定在固定平台的摇臂固定平台（19）的外侧壁上；所述摇臂（7）的顶部对称固定有活塞杆支撑件（9），所述活塞杆支撑件（9）上通过销轴（10）与缸筒（12）的活塞杆（11）末端铰接相连，所述缸筒（12）上焊接有缸筒连接件（13），缸筒连接件（13）铰接在第二轴承座（14）上，第二轴承座（14）固定在轴承底座（15）上，所述轴承底座（15）固定在固定平台的缸筒固定平台（17）的外侧壁上。

5.根据权利要求4所述一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，其特征在于：所述凸轮（4）有多种不同尺寸型号，通过更换不同型号凸轮（4），实现浮子（5）和摇臂（7）运动振幅的变化；所述同轴式减速电机（3）与固定在第一平台（1）上的变频器（2）相连，并控制转速，实现凸轮（4）运动周期的变化，从而改变浮子（5）和摇臂（7）上、下摆动周期。

6.根据权利要求4所述一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，其特征在于：所述摇臂（7）的底端连接有弹簧（8），所述弹簧（8）的另一端钩挂在固定平台的弹簧固定平台（24）的外侧壁上；所述轴承底座（15）和缸筒固定平台（17）之间固定有小筋板（16）。

7.根据权利要求1所述一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，其特征在于：所述桥式液压转换系统由液压缸、单向阀（25）、安全阀（27）、蓄能器（29）、压力表（34）、液压马达（30）、油箱（26）、液压管道组成；所述液压缸与单向阀（25）通过软管连接，安全阀（27）安装在竖直面板上，蓄能器（29）安装在蓄能器底座（28）上，蓄能器底座（28）安装在竖直面板上，液压马达（30）与直流发电机（31）安装在直流发电机底座（32）上，直流发电机底座（32）放在固定平台的第二平台（33）上；所述竖直面板竖直固定在第二平台（33）上；桥式液压转换系统主干道上设置有安全阀（27）、蓄能器（29）、压力表（34），后面连接液压马达（30），液压马达（30）出油口与油箱（26）连接，液压马达（30）转动带动直流发电机（31）工作发电。

8.根据权利要求7所述一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，其特征在于：四个所述单向阀（25）与液压管路组成桥式液压回路实现液压转换；液压缸由活塞杆（11）和缸筒（12）构成。

9.根据权利要求1所述一种振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台，其特征在于：所述直流电能变换与储能系统由直流发电机（31）、滤波电容（35）、限流电阻（36）、稳压管（37）、发光二极管（38）、充电控制器（39）和蓄电池（40）组成；所述直流发电机（31）发出的电经过滤波电容（35）、限流电阻（36）、稳压管（37）发出所需稳定的电压与电流；其中限流电阻（36）采用滑动变阻器，调节其阻值适用不同大小凸轮（4）及其转速发出的电；直流电能变换储能系统中还设计有发光二极管（38），还有充电控制器（39），充电控制器（39）后连接蓄电池（40）。

10.采用权利要求1-9任意一项所述振荡扑翼波浪能发电装置的实验平台进行发电实验的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据实验设定，选用合适尺寸的凸轮（4）实现摇臂（7）浮子（5）运动振幅的变化；并通过调节同轴式减速电机（3）的转速可实现凸轮（4）运动周期的变化；

步骤二：启动同轴式减速电机（3），通过变频器（2）控制同轴式减速电机（3）的转速，同轴式减速电机（3）转动带动凸轮（4）旋转，凸轮（4）旋转带动摇臂（7）和浮子（5）上下摆动；当凸轮（4）从最低点运动到最高点时，摇臂（7）和浮子（5）向上摆动，且当浮子（5）与凸轮（4）的接触点为凸轮（4）的最高点时，摇臂（7）和浮子（5）的摆动角最大，此时，摇臂（7）和浮子（5）到达最高点，弹簧（8）处于拉伸状态；当凸轮（4）继续旋转，弹簧（8）会将摇臂（7）和浮子（5）向下拉，使摇臂（7）和浮子（5）始终与凸轮（4）相接触，实现摇臂（7）和浮子（5）向下摆动；

步骤三：通过摇臂（7）和浮子（5）的上下摆动，使液压缸中活塞杆（11）实现拉伸和压缩运动，当摇臂（7）和浮子（5）向下运动时，活塞杆（11）向下拉伸，液压缸的上腔室会通过油箱（26）实现吸油过程，下腔室出油，液压油经过液压系统的传递实现液压马达（30）的旋转运动，当摇臂（7）和浮子（5）向上运动时，活塞杆（11）向上压缩，此时下腔室会通过油箱（26）实现吸油过程，上腔室出油，液压油经过液压系统的传递实现液压马达（30）旋转运动；

步骤四：通过液压马达（30）的旋转运动，带动直流发电机（31）工作；直流发电机（31）发出的电依次经过滤波电容（35），限流电阻（36），稳压管（37）作用后发出所需稳定的电压与电流；其中限流电阻（36）采用滑动变阻器，调节其阻值适用不同大小凸轮（4）及其转速发出的电；发光二极管（38）是否亮可以看出是否有电，然后经过充电控制器（39）给蓄电池（40）更加稳定的充电，其中充电控制器（39）主要保护蓄电池（40）、防止过充电。

Images