CN114087113B - 一种全周向高效绕轴式波浪能发电装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全周向高效绕轴式波浪能发电装置及其工作方法，属于波浪能发电装置技术领域。装置包括漂浮平台、浮子、液压油缸、发电装置和蓄电池，其中，漂浮平台周向环绕活动设置有浮子，浮子连接有液压油缸一端，液压油缸另一端铰接于漂浮平台外侧，漂浮平台内设置有发电装置和蓄电池，液压油缸连接有发电装置，发电装置连接有蓄电池。本发明采用模块化、集成化、分布式布局的设计方案，有效地降低制造、维修及发电成本，同时采用多浮子配合多液压缸动作，提高单一浮子发电效率。

Description

一种全周向高效绕轴式波浪能发电装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种全周向高效绕轴式波浪能发电装置及其工作方法，属于波浪能发电装置技术领域。
背景技术
在地球上，海洋蕴藏着巨大的能源，海洋占地球表面积的70％，开发和利用海洋资源对于人类解决能源问题具有重大意义。海洋可以为整个人类社会提供足够多且清洁的能源，所以，开发和利用海洋的能源，提高海洋能源捕获效率，成为各国海工装备科技工作者的目标。
近年来，世界许多国家都在积极开展波浪能发电技术的研究和探索，前后出现了各种类型的波浪能发电装置，但普遍存在发电功率小、发电不稳定、转换效率不高、制造和运维成本高等问题。波浪能发电装置的发电能力主要取决于能量捕获功率和能量转换效率，较低的能量捕获功率和能量转换效率严重限制了波浪能发电的商业化、规模化应用。所以研发更高效的波浪能发电装置一直是当前国际上波浪能发电领域需要解决的主要问题。
单浮子的波浪能发电装置效率低，采用多浮子全周向的捕能方式可以有效的提高波浪能发电装置的捕能效率。
同时借鉴对比于光学领域对波的干涉研究，将海浪的水波类比于光波，进而采取通过干涉表面波以达到聚集效果的手段，就可以通过增大海浪振幅的效果来提升波浪能发电装置的捕能效率。为此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种全周向高效绕轴式波浪能发电装置，采用模块化、集成化、分布式布局的设计方案，有效地降低制造、维修及发电成本，同时采用多浮子配合多液压缸动作，提高单一浮子发电效率。
本发明还提供上述全周向高效绕轴式波浪能发电装置的工作方法。
本发明的技术方案如下：
一种全周向高效绕轴式波浪能发电装置，包括漂浮平台、浮子、液压油缸、发电装置和蓄电池，其中，漂浮平台周向环绕活动设置有浮子，浮子连接有液压油缸一端，液压油缸另一端铰接于漂浮平台外侧，漂浮平台内设置有发电装置和蓄电池，液压油缸连接有发电装置，发电装置连接有蓄电池。
优选的，浮子两侧通过活动轴活动设置于漂浮平台外侧，浮子随海浪的起伏，做绕活动轴的旋转摆动，浮子的运动带动液压油缸进行往复运动，将波浪能转化为液压能。
优选的，浮子上表面为平滑弧面，浮子下侧设置有圆弧槽，浮子由外向内逐渐增厚，有利于提高绕轴式浮子在波浪上升期的能量捕获效率。
优选的，浮子所受的波浪激振力和浮子所受阻尼力计算过程如下，浮子可以看作为阻尼-震荡系统,浮子运动方程为：
Figure BDA0003369992720000021
Fs＝k1*z (2)
Fc＝c1*z (3)
M＝(mt+mw) (4)
上式中，z是指浮子的位移，
Figure BDA0003369992720000022
是浮子位移的二阶微分，k1是静水回复力等效的刚度，Fw是浮子所受的波浪激振力，c1是水的阻力，Fc为浮子所受阻尼力，Fs为静水回复力，mt为浮体的实际质量,mw为浮体的当量质量(浮子振荡运动激荡出的水的质量)；
Figure BDA0003369992720000023
式(5)中，
Figure BDA0003369992720000024
是浮子位移的一阶微分，P为浮子捕获功率，浮子捕获功率越大，波浪能发电装置的捕获能量越大，获取浮子最大捕获功率下液压油缸加在浮子上的力Fpto，然后将Fpto值代入式(1)(2)(3)(4)，求得浮子所受的波浪激振力和浮子所受阻尼力，以此设计浮子，保证浮子捕获效率。
进一步优选的，液压油缸的选取计算方式如下：
Figure BDA0003369992720000025
Figure BDA0003369992720000026
上式中，Ah为液压油缸活塞杆有效面积，Ppto是指液压油缸的工作压力，D为液压油缸内径，d为活塞杆直径，由式(6)(7)确定液压油缸尺寸D、d，以此选取液压油缸型号。
优选的，浮子内部均设置有纳米发泡塑料。纳米发泡塑料密度小，浮力大，受温度影响小，对于波浪起伏的随动反应灵敏度高，有利于提高波浪能采集效率。
优选的，发电装置包括液压马达和发电机，液压马达外接有液压油缸，液压马达输出端通过联轴器连接有发电机，发电机连接有蓄电池。发电机所产生的电能可以存储于蓄电池中，也可以直接给负载供电。
进一步优选的，液压油缸与液压马达之间设置有蓄能器，液压油缸发出的液压油经过蓄能器进行压力稳定。
优选的，发电机与蓄电池之间设置有电处理装置，电处理装置包括波浪能发电控制器和鞋盒器，波浪能发电控制器连接有卸荷器，蓄电池连接有正玄波逆变器。发电机发出的不稳定的三相交流电将进入波浪能发电控制器进行处理，波浪能发电控制器优先为蓄电池供电，若检测到蓄电池电量充满则将多余的电通过卸荷器进行卸荷处理，若海浪波动大导致发电机发出的三相交流电波动较大，波浪能发电控制器也会对这部分电进行卸荷处理以免危害电路设备。正玄波逆变器可将蓄电池的直流电，转化为交流电供需要交流电的负载使用。
优选的，漂浮平台外侧设置有升降导轨，升降导轨连接有升降式波浪增强装置，升降式波浪增强装置包括捕能基座和表面波导流片，捕能基座的360°圆周方向均匀分布设置有表面波导流片，相邻表面波导流片间组成可供波浪进入的径向缝。
上述全周向高效绕轴式波浪能发电装置的工作方法，操作步骤如下：
(1)浮子随海浪的起伏，做绕固定轴的旋转摆动，浮子的运动带动液压油缸的活塞杆进行往复运动；
(2)液压油缸活塞杆的往复运动带动液压油循环，液压油缸发出的液压油经过蓄能器进行压力稳定，然后通往液压马达；
(3)液压油驱动液压马达转动，液压马达旋转，带动发电机运动，发电机将机械能转化为电能；
(4)发电机发出的不稳定的三相交流电进入波浪能发电控制器进行处理，存储于蓄电池中；
(5)正玄波逆变器将蓄电池的直流电转化为稳定的交流电供负载使用。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用模块化、集成化、分布式布局的设计方案，有效地降低制造、维修及发电成本，同时采用多浮子配合多液压缸动作，提高单一浮子发电效率。
2、本发明的浮子根据受力分析计算得出最优结果进行设计，具有超高的波浪能转换效率，发电效率高，可以为海上养殖、海上观测浮标、海上孤岛等提供可持续的清洁能源。
3、本发明采用周向设计，可以高效率的捕获各个方向的海浪。
4、本发明具有成熟的电处理装置，可以将波浪能发电装置发出的不稳定的电源转化为供负载使用的稳定的交流电源，还可实现海上组网发电功能，实际使用前景巨大。
附图说明
图1为本发明的结构结构图；
图2为本发明的结构主视图；
图3为本发明的结构俯视图；
图4为本发明的发电装置结构示意图
图5为本发明的电处理装置示意图；
图6为浮子的受力分析图；
图7为浮子捕获功率随Fpto的变化曲线图；
其中：1、漂浮平台；2、升降式波浪增强装置；3、浮子；4、液压油缸；5、升降导轨；6、捕能基座；7、表面波导流片；8、液压马达；9、扭矩仪；10、联轴器；11、发电机底座；12、减震螺丝；13、发电机；14、波浪能发电控制器；15、卸荷器；16、蓄电池；17、正玄波逆变器；18、负载。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-5所示，本实施例提供一种全周向高效绕轴式波浪能发电装置，包括漂浮平台1、浮子3、液压油缸4、发电装置和蓄电池，其中，漂浮平台1周向环绕活动设置有浮子3，浮子3连接有液压油缸4一端，液压油缸4另一端铰接于漂浮平台1外侧，漂浮平台1内设置有发电装置和蓄电池，液压油缸连接有发电装置，发电装置连接有蓄电池。
漂浮平台为具有海面漂浮支撑作用的水上作业平台，采用抗腐蚀涂装，防止腐蚀与微生物附着。漂浮平台外部用于安装与固定绕轴式波浪能转换装置，同时为升降式波浪增强装置提供升降导轨。
浮子3两侧通过活动轴活动设置于漂浮平台1外侧，浮子随海浪的起伏，做绕活动轴的旋转摆动，浮子的运动带动液压油缸进行往复运动，将波浪能转化为液压能。
浮子3上表面为平滑弧面，浮子下侧设置有圆弧槽，浮子由外向内逐渐增厚，有利于提高绕轴式浮子在波浪上升期的能量捕获效率。
浮子3质量和所受阻力计算过程如下，浮子可以看作为阻尼-震荡系统,浮子运动方程为，浮子受力分析如图6所示：
Figure BDA0003369992720000051
Fs＝k1*z (2)
Fc＝c1*z (3)
M＝(mt+mw) (4)
上式中，z是指浮子的位移，
Figure BDA0003369992720000052
是浮子位移的二阶微分，k1是静水回复力等效的刚度，Fw是浮子所受的波浪激振力，c1是水的阻力，Fc为浮子所受阻尼力，Fs为静水回复力，mt为浮体的实际质量,mw为浮体的当量质量(浮子振荡运动激荡出的水的质量)；
Figure BDA0003369992720000053
式(5)中，
Figure BDA0003369992720000054
是浮子位移的一阶微分，P为浮子捕获功率，浮子捕获功率越大，波浪能发电装置的捕获能量越大，通过仿真计算获取浮子最大捕获功率下液压油缸加在浮子上的力Fpto，如在计算软件中设定波高1m,周期5s，得到浮子捕获功率随Fpto的变化曲线，如图7所示，Fpto＝20000时，捕获功率达到最大值P＝4.56kW；
然后将Fpto值代入式(1)(2)(3)(4)，求得浮子所受的波浪激振力和浮子所受阻尼力，以此设计浮子，保证浮子捕获效率。
液压油缸的选取计算方式如下：
Figure BDA0003369992720000055
Figure BDA0003369992720000056
上式中，Ah为液压油缸活塞杆有效面积，Ppto是指液压油缸的工作压力，D为液压油缸内径，d为活塞杆直径，由式(6)(7)确定液压油缸尺寸D、d，以此选取液压油缸型号。
浮子3内部均设置有纳米发泡塑料。纳米发泡塑料密度小，浮力大，受温度影响小，对于波浪起伏的随动反应灵敏度高，有利于提高波浪能采集效率。
发电装置包括液压马达8和发电机13，液压马达8外接有液压油缸4，液压马达8输出端通过联轴器10连接有发电机13，发电机13连接有蓄电池，发电机底座11通过减震螺丝12连接于漂浮平台1内部。发电机所产生的电能可以存储于蓄电池中，也可以直接给负载供电。
液压油缸4与液压马达8之间设置有蓄能器，液压油缸4发出的液压油经过蓄能器进行压力稳定。
发电机13与蓄电池16之间设置有电处理装置，电处理装置包括波浪能发电控制器14和卸荷器15，波浪能发电控制器14连接有卸荷器15，蓄电池16连接有正玄波逆变器17。正玄波逆变器型号为NB50248。发电机发出的不稳定的三相交流电将进入波浪能发电控制器进行处理，波浪能发电控制器优先为蓄电池供电，若检测到蓄电池电量充满则将多余的电通过卸荷器进行卸荷处理，若海浪波动大导致发电机发出的三相交流电波动较大，波浪能发电控制器也会对这部分电进行卸荷处理以免危害电路设备。正玄波逆变器可将蓄电池的直流电，转化为交流电供需要交流电的负载18使用。
波浪能发电控制器是一种可以将交流电转直流电的装置，将发电机发出的交流电转化成直流电存储于蓄电池中，若蓄电池电压达到额定电压的125％则判定蓄电池充满电，此时就会开始三相卸荷，卸荷就是将发电机发出的多余的电通过卸荷箱消耗掉，以避免蓄电池过充，通过卸荷器把多余的电卸载掉，没有卸荷器的话为了不过冲蓄电池只能停机波浪能发电设备，而配套卸荷器，则可以让波浪能发电装置继续工作。波浪能发电控制器选用应用于风力发电中的离网风光互补控制器，型号为YGDLQ-5型离网风光互补控制器。
上述全周向高效绕轴式波浪能发电装置的工作方法，操作步骤如下：
(1)浮子随海浪的起伏，做绕固定轴的旋转摆动，浮子的运动带动液压油缸的活塞杆进行往复运动；
(2)液压油缸活塞杆的往复运动带动液压油循环，液压油缸发出的液压油经过蓄能器进行压力稳定，然后通往液压马达；
(3)液压油驱动液压马达转动，液压马达旋转，带动发电机运动，发电机将机械能转化为电能；
(4)发电机发出的不稳定的三相交流电进入波浪能发电控制器进行处理，存储于蓄电池中；
(5)正玄波逆变器将蓄电池的直流电转化为稳定的交流电供负载使用。
实施例2：
一种全周向高效绕轴式波浪能发电装置，结构如实施例1所述，不同之处在于，漂浮平台外侧设置有升降导轨5，升降导轨5连接有升降式波浪增强装置2，升降式波浪增强装置2包括捕能基座6和表面波导流片7，捕能基座6的360°圆周方向均匀分布设置有表面波导流片7，相邻表面波导流片间组成可供波浪进入的径向缝。

Claims (5)

1.一种全周向高效绕轴式波浪能发电装置，其特征在于，包括漂浮平台、浮子、液压油缸、发电装置和蓄电池，其中，漂浮平台周向环绕活动设置有浮子，浮子连接有液压油缸一端，液压油缸另一端铰接于漂浮平台外侧，漂浮平台内设置有发电装置和蓄电池，液压油缸连接有发电装置，发电装置连接有蓄电池；
浮子上表面为平滑弧面，浮子下侧设置有圆弧槽，浮子由外向内逐渐增厚；
浮子所受的波浪激振力和浮子所受阻尼力计算过程如下，浮子运动方程为：
Figure FDA0003996776000000011
Fs＝k1*z (2)
Fc＝c1*z (3)
M＝(mt-mw) (4)
上式中，z是指浮子的位移，
Figure FDA0003996776000000012
是浮子位移的二阶微分，k1是静水回复力等效的刚度，Fw是浮子所受的波浪激振力，c1是水的阻力，Fc为浮子所受阻尼力，Fs为静水回复力，mt为浮体的实际质量,mw为浮体的当量质量，M为浮体的等效质量；
Figure FDA0003996776000000013
式(5)中，
Figure FDA0003996776000000014
是浮子位移的一阶微分，P为浮子捕获功率，浮子捕获功率越大，波浪能发电装置的捕获能量越大，获取浮子最大捕获功率下液压油缸加在浮子上的力Fpto，然后将Fpto值代入式(1)(2)(3)(4)，求得浮子所受的波浪激振力和浮子所受阻尼力；
液压油缸的选取计算方式如下：
Figure FDA0003996776000000015
Figure FDA0003996776000000016
上式中，Ah为液压油缸活塞杆有效面积，Ppto是指液压油缸的工作压力，D为液压油缸内径，d为活塞杆直径，由式(6)(7)确定液压油缸尺寸D、d；
浮子内部均设置有纳米发泡塑料；
发电装置包括液压马达和发电机，液压马达外接有液压油缸，液压马达输出端通过联轴器连接有发电机，发电机连接有蓄电池；
发电机与蓄电池之间设置有电处理装置，电处理装置包括波浪能发电控制器和卸荷器，波浪能发电控制器连接有卸荷器，蓄电池连接有正弦波逆变器。
2.如权利要求1所述的全周向高效绕轴式波浪能发电装置，其特征在于，浮子两侧通过活动轴活动设置于漂浮平台外侧。
3.如权利要求1所述的全周向高效绕轴式波浪能发电装置，其特征在于，液压油缸与液压马达之间设置有蓄能器，液压油缸发出的液压油经过蓄能器进行压力稳定。
4.如权利要求3所述的全周向高效绕轴式波浪能发电装置，其特征在于，漂浮平台外侧设置有升降导轨，升降导轨连接有升降式波浪增强装置，升降式波浪增强装置包括捕能基座和表面波导流片，捕能基座的360°圆周方向均匀分布设置有表面波导流片，相邻表面波导流片间组成可供波浪进入的径向缝。
5.一种如权利要求4所述的全周向高效绕轴式波浪能发电装置的工作方法，其特征在于，操作步骤如下：
(1)浮子随海浪的起伏，做绕固定轴的旋转摆动，浮子的运动带动液压油缸的活塞杆进行往复运动；
(2)液压油缸活塞杆的往复运动带动液压油循环，液压油缸发出的液压油经过蓄能器进行压力稳定，然后通往液压马达；
(3)液压油驱动液压马达转动，液压马达旋转，带动发电机运动，发电机将机械能转化为电能；
(4)发电机发出的不稳定的三相交流电进入波浪能发电控制器进行处理，存储于蓄电池中；
(5)正弦波逆变器将蓄电池的直流电转化为稳定的交流电供负载使用。
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