CN114060206B - 液压式多自由度波浪能发电装置 - Google Patents

液压式多自由度波浪能发电装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种液压式多自由度波浪能发电装置，属于能源利用设备领域，解决了现有技术中多自由度捕能装置结构复杂、捕能效率低的问题。本申请的技术方案中，通过振荡浮子、连接于振荡浮子与立柱滑动结构之间的钢性杆、转轴结构，将振荡浮子在波浪运动作用下的不规则运动，转变成液压缸和活塞杆之间的相对往复位移，然后驱动液压缸工作，将不稳定的波浪能转换为稳定的液压能，再经发电系统输送后驱动发电机发电，最终将液压能转换成电能。并且本申请的结构简单，三个捕能组既独立又通过振荡浮子运动相互联系，从而高效地捕获波浪能，提高了能量利用率。

Description

液压式多自由度波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及一种液压式多自由度波浪能发电装置，属于能源利用设备领域。
背景技术
传统化石能源的开采使用，带来了能源短缺、全球气候变暖等一系列问题，因此可再生能源的发展利用尤为关键。海洋能是指依附在海水中的可再生能源，海洋能够通过各种物理过程接受、储存和散发能量。在海洋能利用研究中，波浪能因具有能源储量大、能流密度大、易获取、环境影响小等优势，成为海洋能研究与开发的焦点。
根据能量转换系统的不同可以将波浪能装置分为气动式、水力透平式、机械式和液压式等。其中带有蓄能环节的液压系统可以很好地缓冲由于波浪的特性带来的冲击，使最终的能量输出平稳。因此液压式的能量转换系统成为当前波浪能装置能量转换方式的主流选择。另外根据波浪能利用装置的运动形式可将其分为单自由度式和多自由度式。而多自由度振荡体式波浪能利用装置因其波浪能吸收效率高，成为波浪能领域的重点研究对象。由于对单一自由度上浮子的运动状态进行捕捉已经较为困难，进行多个自由度上浮子的运动状态和能量捕获难度更大，所以现有的多自由度振荡体式波浪能利用装置，其结构均较为复杂。
发明内容
针对现有技术中多自由度捕能装置结构复杂、捕能效率低的问题，本发明提供一种液压式多自由度波浪能发电装置，结构较为简单，通过振荡浮子的多自由度运动全面吸收波浪的能量，使整体波浪能利用装置具有较高的获能效率。
本发明采取的技术方案是，一种液压式多自由度波浪能发电装置，包括振荡浮子和装置基础，振荡浮子由波浪驱动并与装置基础产生相对位移，振荡浮子与装置基础之间设置有捕能系统，捕能系统捕捉振荡浮子与装置基础的相对位移产生的动能并转化为电能；所述捕能系统包括若干组捕能组，捕能组呈环形围绕振荡浮子设置并设置于装置基础上；所述捕能组包括换能机构、驱动杆件、推动块，驱动杆件的一端与振荡浮子铰接，驱动杆件的另一端与推动块铰接；振荡浮子与装置基础产生相对位移后，振荡浮子通过驱动杆件驱动推动块移动，推动块与换能机构的动能输入端连接；驱动杆件包括两根平行间隔设置的钢性杆；所述换能机构包括立柱，立柱的一端固定设置于装置基础上，立柱的另一端固定设置有液压缸，液压缸的活塞杆端部与推动块固定连接，液压缸连接有发电组件；所述钢性杆的一端与振荡浮子铰接，钢性杆的另一端与推动块铰接；所述推动块沿立柱的长度延伸方向滑动；所述振荡浮子与装置基础的距离小于推动块与装置基础的距离。
优化的，上述液压式多自由度波浪能发电装置，振荡浮子的侧部设置有若干连接块，连接块呈环形间隔设置；连接块的两侧分别设置有一个转轴一，转轴一的一端与连接块转动连接，转轴一的另一端固定连接有转轴端块；转轴端块连接有转轴二，驱动杆件的端部通过转轴二与转轴端块转动连接，转轴一的轴线方向与转轴二的轴线方向垂直设置。
优化的，上述液压式多自由度波浪能发电装置，推动块包括滑块、固定转轴座和转轴三，固定转轴座固定设置于滑块上，转轴三与固定转轴座转动连接；所述转轴三的端部设置有端部连接块；所述钢性杆的端部与端部连接块通过转轴四转动连接；所述转轴三的轴线方向与转轴四的轴线方向垂直设置。
优化的，上述液压式多自由度波浪能发电装置，换能机构包括两根立柱，两根立柱平行间隔设置；所述两根立柱的顶端固定连接有支撑平板，液压缸固定设置于支撑平板上，液压缸的活塞杆的伸缩方向与立柱的长度延伸方向平行设置；所述推动块设置于立柱上并与两根立柱滑动连接。
优化的，上述液压式多自由度波浪能发电装置，发电组件包括高压油管、低压油管、电磁球阀、蓄能器、油箱、液压马达和发电机；液压缸的缸体内部与高压油管、低压油管连通；所述蓄能器的进油口与高压油管相连接，蓄能器的出油口通过管路与电磁球阀的进油口相连接；电磁球阀的出油口通过管路与液压马达的进油口连接，液压马达的出油口通过管路与油箱的一侧连接，油箱另一侧与低压油管相连接；液压马达的动力输出端与发电机的动力输入端连接。
优化的，上述液压式多自由度波浪能发电装置，捕能系统包括三组捕能组，三组捕能组呈品字形围绕振荡浮子设置；所述三组捕能组的发电组件独立发电。
优化的，上述液压式多自由度波浪能发电装置，装置基础为海底海床或者漂浮平台；所述立柱固定于海底海床时，立柱的下端通过桩基埋设于海底海床中；所述立柱固定于漂浮平台时，立柱的下端焊接固定于漂浮平台上且漂浮平台通过系泊结构固定于海底。
本申请的有益效果在于：
本申请的技术方案中，利用液压型的捕能系统进行发电，相较于其他类型的捕能系统，其具有较好的可靠性和稳定性，获能效率高等优点。捕能组采用机械传动和液压传动配合的形式，具有可靠性高、稳定性强等优点，使用液压驱动发电，保证了捕获能量的高效转化与利用，提高了获能效率。
本申请的技术方案中，将振荡浮子设置于装置的底部，能量转换用的液压换能装置位于装置顶部，此结构特点降低了发电装置对水位的要求，从而使得本申请的发电装置可以布置于水位较低的浅滩中，适用范围更加广泛。
本申请的技术方案中，共使用三组捕能组，不同方向及不同大小的波浪力会带动不同的捕能组工作而发电，三组捕能组既独立又相互连接，可充分高效地利用海洋中波浪能量，发电效率高，发展前景优越。
附图说明
图1为本申请的结构示意图；
图2为本申请的滑块的连接结构示意图；
图3为本申请中发电系统的结构示意图；
图4为本申请中振荡浮子的连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。
实施例1
此实施例为一种液压式多自由度波浪能发电装置，包括振荡浮子10和装置基础102，振荡浮子10由波浪驱动并与装置基础102产生相对位移，振荡浮子10与装置基础102之间设置有捕能系统；捕能系统由三组相同的捕能组组成；三组捕能组围绕振荡浮子10设置，捕能组捕捉振荡浮子10与装置基础102的相对位移产生的动能并转化为电能。装置基础102为漂浮平台，立柱100的下端焊接固定于漂浮平台上且漂浮平台通过系泊结构固定于海底。
捕能组包括换能机构、驱动杆件、推动块，驱动杆件的一端与振荡浮子10铰接，驱动杆件的另一端与推动块铰接；振荡浮子10与装置基础102产生相对位移后，振荡浮子10通过驱动杆件驱动推动块移动，推动块与换能机构的动能输入端连接。
驱动杆件包括两根平行间隔设置的钢性杆205；所述换能机构包括立柱100，立柱100的一端固定设置于装置基础102上，立柱100的另一端固定设置有液压缸302，液压缸302的活塞杆301端部与推动块固定连接，液压缸302连接有发电组件；所述钢性杆205的一端与振荡浮子10铰接，钢性杆205的另一端与推动块铰接；所述推动块沿立柱100的长度延伸方向滑动；所述振荡浮子10与装置基础102的距离小于推动块与装置基础102的距离。
振荡浮子10的侧部设置有若干连接块401，连接块401呈环形间隔设置；连接块401的两侧分别设置有一个转轴一402，转轴一402的一端与连接块401转动连接，转轴一402的另一端固定连接有转轴端块403；转轴端块403连接有转轴二404，驱动杆件的端部通过转轴二404与转轴端块403转动连接，转轴一402的轴线方向与转轴二404的轴线方向垂直设置。
推动块包括滑块200、固定转轴座201和转轴三203，固定转轴座201固定设置于滑块200上，转轴三203与固定转轴座201转动连接；所述转轴三203的端部设置有端部连接块202；所述钢性杆205的端部与端部连接块202通过转轴四204转动连接；所述转轴三203的轴线方向与转轴四204的轴线方向垂直设置。
换能机构包括两根立柱100，两根立柱100平行间隔设置；所述两根立柱100的顶端固定连接有支撑平板101，液压缸302固定设置于支撑平板101上，液压缸302的活塞杆301的伸缩方向与立柱100的长度延伸方向平行设置；所述推动块设置于立柱100上并与两根立柱100滑动连接。
振荡浮子10自身在波浪的作用下做升沉运动时，通过连接块401、连接块401上的转轴一402、转轴一402端部的转轴端块403、转轴端块403连接的转轴二404，带动钢性杆205的下端运动，钢性杆205的下端通过转轴二404嵌于转轴端块403中。
通过固定于滑块200上的固定转轴座201、设置于固定转轴座201上的转轴三203、端部连接块202中的转轴四204，将钢性杆205的运动传递至滑块200，促使立柱100上的滑块200沿立柱100方向产生相位移，使固定在滑块200上的活塞杆301与液压缸302产生相对位移，挤压液压缸302中液压油，将波浪能转换成液压能。
发电组件包括高压油管303、低压油管309、电磁球阀305、蓄能器304、油箱308、液压马达306和发电机307；液压缸302的缸体内部与高压油管303、低压油管309连通；所述蓄能器304的进油口与高压油管303相连接，蓄能器304的出油口通过管路与电磁球阀305的进油口相连接；电磁球阀305的出油口通过管路与液压马达306的进油口连接，液压马达306的出油口通过管路与油箱308的一侧连接，油箱308另一侧与低压油管309相连接；液压马达306的动力输出端与发电机307的动力输入端连接。
在挤压液压缸302中液压油，将波浪能转换成液压能后，由高压油管303、蓄能器304、电磁球阀305、液压马达306、发电机307、油箱308和低压油管309组成的发电组件完成能量转换，即由液压能最终转换成电能，完成发电目的。
不同方向和不同大小的波浪会使振荡浮子10在不同方向产生不同程度的位移，从而带动三对不同的钢性杆205进行不同方向和不同程度的运动，即三个滑块200相对于所处的立柱100会产生不同的位移，那么就会导致三个液压缸302、发电组件进行不同程度的工作。
振荡浮子10在垂直方向运动的举例说明：
只考虑振荡浮子10自身在波浪的作用下做垂直方向的平移，即振荡浮子10所具有的垂荡自由度。当振荡浮子10垂直向上运动时，通过连接块401、转轴一402和转轴二404施加给钢性杆205下端垂直向上的力，使得钢性杆205随连接块401即随振荡浮子1垂直向上做平移运动，但钢性杆205上端受到转轴三203上的端部连接块202中的转轴四204的约束，而转轴三203固定于固定转轴座201上，固定转轴座201又固定在滑块200上，所以上述由振荡浮子10施加给钢性杆205的力传递给滑块200，从而对滑块200施加沿立柱100长度延伸方向向上的推力，即使滑块200沿立柱100向上运动，进而使活塞杆301向液压缸302内运动并挤压液压缸302中的液压油，液压油驱动发电系统进行液压发电过程。
同理，当振荡浮子10垂直向下运动时，通过连接块401、转轴一402和转轴二404施加给钢性杆205下端垂直向下的力，由于钢性杆205下端受到转轴一402和转轴二404的约束，进而受到连接块401的约束后随连接块401运动，即钢性杆205随振荡浮子10垂直向下做平移运动，进而通过钢性杆205上端及滑块200上的固定转轴座201、转轴三203、转轴四204带动滑块200沿立柱100向下运动，活塞杆301伸出液压缸302，设备整体回到静止休息位置。
只考虑振荡浮子10自身在波浪的作用下做水平方向上的平移，包括振荡浮子10的横荡和纵荡两个自由度。在这里，将图1中左侧的捕能组定义为捕能组一，将图1中中间的捕能组定义为捕能组二，将图1中右侧的捕能组定义为捕能组三。
振荡浮子10在水平方向运动的举例说明：
在这里以振荡浮子10在水平方向上主要朝向捕能组二的立柱100做往复运动为例，当振荡浮子10沿上述方向靠近捕能组二的立柱100时，振荡浮子10上与捕能组二连接的转轴一402转动，并且捕能组二的固定转轴座201上的转轴三203同时转动，并牵动捕能组二的钢性杆205两端同幅度沿转轴一402和转轴三203转动，但受到捕能组二的连接块401和固定转轴座201的约束，使得捕能组二的钢性杆205在转动一定幅度后和连接块401一起随振荡浮子10运动，捕能组二的钢性杆205与捕能组二的立柱100在垂直方向上的夹角减小。即此时捕能组二的钢性杆205通过转轴三203和捕能组二的固定转轴座201推动捕能组二的滑块200沿立柱100向上运动，进而使固定在捕能组二的滑块200上的捕能组二的活塞杆301向上挤压液压缸302，进而通过捕能组二发电组件进行发电过程。
在此过程中，由于振荡浮子10同时连接捕能组一的钢性杆205和捕能组三的钢性杆205，而捕能组一的转轴一402、转轴二404以及捕能组三的转轴一402、转轴二404会随振荡浮子10的运动产生不同幅度的转动，从而带动捕能组一的钢性杆205和捕能组三的钢性杆205进行不同幅度运动，进一步联动捕能组一的转轴三203、捕能组一的转轴四204、捕能组三的转轴三203、捕能组三的转轴四204进行不同幅度转动，当各个转轴转动到一定程度而受到捕能组二的固定转轴座201、捕能组三的固定转轴座201的约束后，就会使捕能组一的滑块200、捕能组三的滑块200分别沿捕能组一的立柱100、捕能组三的立柱100进行不同程度的向上运动，以此促使捕能组一的活塞杆301、捕能组三的活塞杆301进行不同程度的位移运动。
另外，在此运动情况下捕能组一的钢性杆205、捕能组三的钢性杆205的运动幅度必小于捕能组二的钢性杆205的运动幅度，即三个捕能组的滑块200中，捕能组一的滑块200和捕能组三的滑块200的位移必定小于捕能组二的滑块200的位移。这是因为此过程中，振荡浮子10在水平方向运动而产生的位移主要是相对于捕能组二的立柱100的位移，总之三个捕能组中，振荡浮子10相对于哪个捕能组产生的位移最大，该捕能组就会捕获最多的能量，发电效率最高。
同理可得，当振荡浮子10沿所述方向远离捕能组二的立柱100时，与捕能组二连接的转轴一402、捕能组二的固定转轴座201上的转轴三203同时转动，牵动捕能组二的钢性杆205的两端分别沿捕能组二连接的转轴一402、捕能组二的转轴三203转动，受到捕能组二连接的连接块401、捕能组二的固定转轴座201约束，使得捕能组二的钢性杆205在转动一定幅度后，与捕能组二连接的连接块401一起随振荡浮子运动。此时，捕能组二的钢性杆205与立柱100之间的夹角增大，即此时捕能组二的钢性杆205带动捕能组二的滑块200沿捕能组二的立柱100向下运动，进而使固定在捕能组二的滑块200上的活塞杆301向下运动并突出于捕能组二的液压缸302，捕能组整体回到静息位置。
此过程中，捕能组一的转轴一402、转轴二404以及捕能组三的转轴一402、转轴二404会随振荡浮子10的运动产生不同幅度的转动，从而带动捕能组一的钢性杆205、捕能组三的钢性杆205进行不同幅度运动，进一步由捕能组一的钢性杆205、捕能组三的钢性杆205分别联动捕能组一的转轴三203、转轴四204以及捕能组三的转轴三203、转轴四204进行不同幅度转动，当上述各个转轴转动到一定程度而受到捕能组二的固定转轴座201、捕能组三的固定转轴座201的约束后，就会使捕能组一的滑块200、捕能组三的滑块200分别沿捕能组一的立柱100、捕能组三的立柱100不同程度的向下运动。以此促使捕能组一的活塞杆301、捕能组三的活塞杆301不同程度的位移运动，捕能组二的活塞杆301回到静息位置，并且系统整体回到静息位置。
相似地，振荡浮子10在沿其他水平方向运动时，各构件之间的相互运动与上述运动过程相同，即捕获波浪能进行发电的过程相同。
值得说明的是，为了清晰地展现振荡浮子10运动过程中所述装置的各个构件间的相互运动情况，上述振荡浮子10运动过程只单独考虑水平方向上的运动或单独考虑垂直方向上的运动时构件之间有规律的相互运动，即只考虑横荡和纵荡两个自由度的运动，或只考虑振荡浮子10的垂荡自由度。
也可以说上述只说明了振荡浮子10理论上受单方向波浪力下的各构件之间的相互运动情况。但是在实际情况下，浮子可同时受多方向且大小不同的波浪力，因此实际海况下振荡浮子10的运动是多方向的，并不只是单方向的进行垂直运动或水平运动。换句话说，振荡浮子10可在不同海况下同时实现垂直方向上的运动和水平方向上的运动。那么，本申请中各构件之间的相互运动情况就会相应地呈现出不同程度的叠加，即各构件可在实际海况下呈现不规律运动，其具体运动情况因海况不同而发生改变。
本申请的液压式多自由度波浪能发电装置的发电过程如下：
装置整体安装就位后，根据具体海况，调整振荡浮子10的配重，进而调节振荡浮子10的运动幅度，达到最佳捕能工作状态。在海面波浪的作用下，海浪拍打振荡浮子10从而使其发生多自由度运动并伴有上下随波起伏运动，由以上所述可知，振荡浮子10不同方向、不同程度的运动通过一系列机械机构传动后，使得滑块200相对于立柱100做往复运动，从而带动活塞杆301相对于液压缸302做往复伸缩运动。
当活塞杆301向液压缸302外运动时，低压油从低压油管309被吸入液压缸302的下端，高压油从液压缸302上端的高压油管303挤入蓄能器304内。
当活塞杆301缩回液压缸302时，低压油从低压油管309被吸入液压缸302的上端，高压油从液压缸302下端的高压油管303挤入蓄能器304内。
当蓄能器304内高压油升至一定压力值时，开启电磁球阀305，高压油进入液压马达306中并驱动液压马达306转动从而带动发电机307发电，做功后进来的高压油转变为低压油，而后从液压马达306的出油口流出至油箱308。当蓄能器304内高压油降至一定压力值时关闭电磁球阀305。
根据本申请所公开的液压式多自由度波浪能发电装置及其发电方法，通过振荡浮子10、连接于振荡浮子10与立柱100滑动结构之间的钢性杆205、转轴结构，将振荡浮子10在波浪运动作用下不规则运动转变成液压缸302和活塞杆301之间的相对往复位移，后驱动液压缸302工作，将不稳定的波浪能转换为稳定的液压能，再经发电系统输送后驱动发电机307发电，最终将液压能转换成电能。此外，三个捕能组即独立又通过振荡浮子10运动相互联系，从而高效地捕获波浪能，提高了能量利用率。
总之，本发明既采用了机械式传动机构成本低、维护简单的优点，又利用了液压传动机构可靠性高、便于储能的优点，创造性地将两种传动机构组合，使得本申请的应用范围更广。同时，可实现振荡浮子10的多自由度运动，保证了捕获能量高效转化与利用，提高了捕能效率。
实施例2
此实施例与实施例1的区别在于：装置基础102为海底海床，立柱100的下端通过桩基埋设于海底海床中。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种液压式多自由度波浪能发电装置，包括振荡浮子(10)和装置基础(102)，振荡浮子(10)由波浪驱动并与装置基础(102)产生相对位移，振荡浮子(10)与装置基础(102)之间设置有捕能系统，捕能系统捕捉振荡浮子(10)与装置基础(102)的相对位移产生的动能并转化为电能；其特征在于：所述捕能系统包括若干组捕能组，捕能组呈环形围绕振荡浮子(10)设置并设置于装置基础(102)上；所述捕能组包括换能机构、驱动杆件、推动块；所述驱动杆件的一端与振荡浮子(10)铰接，驱动杆件的另一端与推动块铰接；振荡浮子(10)与装置基础(102)产生相对位移后，振荡浮子(10)通过驱动杆件驱动推动块移动，推动块与换能机构的动能输入端连接；所述驱动杆件包括两根平行间隔设置的钢性杆(205)；所述换能机构包括立柱(100)，立柱(100)的一端固定设置于装置基础(102)上，立柱(100)的另一端固定设置有液压缸(302)，液压缸(302)的活塞杆(301)端部与推动块固定连接，液压缸(302)连接有发电组件；所述钢性杆(205)的一端与振荡浮子(10)铰接，钢性杆(205)的另一端与推动块铰接；所述推动块沿立柱(100)的长度延伸方向滑动；所述振荡浮子(10)与装置基础(102)的距离小于推动块与装置基础(102)的距离。
2.根据权利要求1所述的液压式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述振荡浮子(10)的侧部设置有若干连接块(401)，连接块(401)呈环形间隔设置；连接块(401)的两侧分别设置有一个转轴一(402)，转轴一(402)的一端与连接块(401)转动连接，转轴一(402)的另一端固定连接有转轴端块(403)；转轴端块(403)连接有转轴二(404)，驱动杆件的端部通过转轴二(404)与转轴端块(403)转动连接，转轴一(402)的轴线方向与转轴二(404)的轴线方向垂直设置。
3.根据权利要求1所述的液压式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述推动块包括滑块(200)、固定转轴座(201)和转轴三(203)，固定转轴座(201)固定设置于滑块(200)上，转轴三(203)与固定转轴座(201)转动连接；所述转轴三(203)的端部设置有端部连接块(202)；所述钢性杆(205)的端部与端部连接块(202)通过转轴四(204)转动连接；所述转轴三(203)的轴线方向与转轴四(204)的轴线方向垂直设置。
4.根据权利要求1所述的液压式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述换能机构包括两根立柱(100)，两根立柱(100)平行间隔设置；所述两根立柱(100)的顶端固定连接有支撑平板(101)，液压缸(302)固定设置于支撑平板(101)上，液压缸(302)的活塞杆(301)的伸缩方向与立柱(100)的长度延伸方向平行设置；所述推动块设置于立柱(100)上并与两根立柱(100)滑动连接。
5.根据权利要求1所述的液压式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述发电组件包括高压油管(303)、低压油管(309)、电磁球阀(305)、蓄能器(304)、油箱(308)、液压马达(306)和发电机(307)；
液压缸(302)的缸体内部与高压油管(303)、低压油管(309)连通；所述蓄能器(304)的进油口与高压油管(303)相连接，蓄能器(304)的出油口通过管路与电磁球阀(305)的进油口相连接；电磁球阀(305)的出油口通过管路与液压马达(306)的进油口连接，液压马达(306)的出油口通过管路与油箱(308)的一侧连接，油箱(308)另一侧与低压油管(309)相连接；液压马达(306)的动力输出端与发电机(307)的动力输入端连接。
6.根据权利要求1所述的液压式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述捕能系统包括三组捕能组，三组捕能组呈品字形围绕振荡浮子(10)设置；所述三组捕能组的发电组件独立发电。
7.根据权利要求1所述的液压式多自由度波浪能发电装置，其特征在于：所述装置基础(102)为海底海床或者漂浮平台；所述立柱(100)固定于海底海床时，立柱(100)的下端通过桩基埋设于海底海床中；所述立柱(100)固定于漂浮平台时，立柱(100)的下端焊接固定于漂浮平台上且漂浮平台通过系泊结构固定于海底。
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