CN116537997A - 一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置，涉及海洋能利用技术领域。所述垂荡姿态自持式波浪能发电装置，包括基础平台；进行波浪能捕获的捕能机构；以及，将获取到的波浪能转换为电能的能量转换机构；其中，所述捕能机构包括垂荡臂和浮体；所述垂荡臂为竖向设置的平行四边形连杆机构，其一侧为竖向固定侧，另一侧为竖向活动侧；竖向固定侧固定在基础平台上，竖向活动侧可平行于竖向固定侧进行垂直方向的上下移动。本发明中，垂荡臂的设计利用平行四边形原理，使得捕获波浪能的浮体在竖直方向上具有良好的运动姿态，使浮体在垂荡运动中始终保持竖直方向，从而大大提高了浮体的运动响应以及能量捕获效率。
Description
技术领域
本发明涉及海洋能利用技术领域，具体涉及一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置。
背景技术
经济社会的快速发展导致了能源需求的激增，传统能源及其对全球环境的影响使人们开始寻求更绿色的替代能源，以促进能源转型；波浪能是海洋资源中一种丰富的可利用能源，其具有高能量密度和低环境影响的优点，已被广泛进行电能转化利用。
波浪能的资源利用主要是进行波浪能发电，波浪能发电装置可装载在不同的海上平台；波浪能发电产生的电能可以满足海上平台的自给供电，并且波浪能利用装置的消浪作用，可以根据实际工况调整波浪能利用装置参数提高平台的稳定性。
目前，波浪能发电装置种类繁多，根据获能原理可以将现有的波浪能利用装置分为振荡水柱式、越浪式和振荡浮体式等；其中振荡浮体式波浪能装置是海上应用的首选，它利用漂浮或完全淹没振荡体中的能量，具有更高的转化效率。
对于振荡浮体式波浪能装置，发明人认为还存在以下技术问题：现有的振荡浮体式波浪能装置，浮体主要通过单连杆垂荡臂与发电装置连接，单连杆垂荡臂极易受波浪影响，在复杂海况条件下的稳定性差，容易出现纵摇、横摇的运动。
单连杆垂荡臂是围绕平台上一点做圆周运动，在竖直方向上进行大角度的旋转来进行发电；复杂海况条件下，如果单连杆垂荡臂在竖向旋转过程中发生左右方向的倾斜，会影响其旋转角度的大小，从而影响波浪能转换效率，也会影响设备的连接稳定性。
因此，如何解决上述问题，是本领域的技术人员急需解决的技术问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明提供了以下技术方案：
一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置，包括：
基础平台；
进行波浪能捕获的捕能机构；以及，
将获取到的波浪能转换为电能的能量转换机构；其中，
所述捕能机构包括垂荡臂和浮体；
所述垂荡臂为竖向设置的平行四边形连杆机构，其一侧为竖向固定侧，另一侧为竖向活动侧；竖向固定侧固定在基础平台上，竖向活动侧可平行于竖向固定侧进行垂直方向的上下移动；
所述浮体固定在竖向活动侧的底端。
优选的，所述基础平台为导管架平台，其包括四根立柱，交叉连接在相邻立柱上的支撑桁架，以及固定在四根立柱顶部的平台。
优选的，所述垂荡臂包括转轴座、转轴、上连杆组件、下连杆组件、竖向活动杆和直杆；
所述转轴座固定在平台上；
所述转轴转动连接在转轴座上；
所述直杆水平固定在导管架平台上并位于转轴下方；
所述上连杆组件包括上连杆Ⅰ、上连杆Ⅱ；两个上连杆前端分别固定在转轴上，两个上连杆尾端呈相向倾斜分布；
所述下连杆组件包括下连杆Ⅰ、下连杆Ⅱ；两个下连杆前端分别铰接在直杆上；两个下连杆尾端呈相向倾斜分布；
所述竖向活动杆竖向设置，其上端与上连杆Ⅰ、上连杆Ⅱ尾端铰接，其下端与下连杆Ⅰ、下连杆Ⅱ尾端铰接；
所述浮体固定在竖向活动杆底端；
其中，转轴与直杆之间形成平行四边形连杆机构中的竖向固定侧，竖向活动杆为平行四边形连杆机构中的竖向活动侧。
优选的，所述平行四边形连杆机构中各结构的空间关系满足：
所述上连杆Ⅰ、上连杆Ⅱ和转轴所形成的平面与下连杆Ⅰ、下连杆Ⅱ和直杆所形成的平面互相平行；
所述上连杆Ⅰ、上连杆Ⅱ在转轴上的连接点与下连杆Ⅰ、下连杆Ⅱ在直杆上的连接点在同一竖直平面内；
竖向活动杆与上连杆Ⅰ、上连杆Ⅱ的铰接点，以及竖向活动杆与下连杆Ⅰ、下连杆Ⅱ的铰接点在同一竖直平面内。
优选的，所述能量转换机构包括大齿轮、小齿轮、凸轮、柱塞缸、管路、蓄能器、阀组、液压马达和发电机；其中，
所述大齿轮固定在转轴中心位置；
所述小齿轮与大齿轮啮合传动；
所述凸轮与小齿轮同轴固定；
所述柱塞缸位于凸轮上方，其柱塞杆低接在凸轮上；
所述蓄能器、阀组、液压马达和发电机均设置在平台上并通过管路依次连接；
所述蓄能器通过管路与柱塞缸的内腔连接。
优选的，所述平台上靠近大齿轮位置固定有两个对称设置的基座，两个基座上连接有齿轮轴，所述小齿轮、凸轮间隔固定在齿轮轴上。
优选的，所述平台上设有横跨两个基座的梯形架，所述柱塞缸竖向固定在梯形架上。
优选的，所述柱塞缸的柱塞杆底部设有滚轮，所述滚轮低接在凸轮上。
优选的，所述浮体为锥形浮体。
本发明实施例提供的一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置，具有以下有益效果：
1.垂荡臂的设计利用平行四边形原理，使得捕获波浪能的浮体在竖直方向上具有良好的运动姿态，使浮体在垂荡运动中始终保持竖直方向，从而大大提高了浮体的运动响应以及能量捕获效率；
2.垂荡臂的平行四边形连杆机构中，上连杆组件、下连杆组件均采用双连杆设计，两个双连杆分别在两个水平面内成三角形稳定结构，大大提高了垂荡臂的结构稳定性，使其具有强大的抗剪切和抗扭转的稳定性能；同时，也可减小垂荡臂的长度，增加能量捕获过程中的旋转角度，可以增大浮体的运动响应；
3.垂荡臂与浮体焊接固定，摒弃了波浪对浮体纵摇横摇的影响，使浮体即使脱离海面也不会发生左右晃动或摇摆，大大降低了波浪对波浪能发电装置的损害，从而也可以有效降低波浪能对导管架平台的水平作用荷载；
4.采用星齿轮增速结构，捕能机构提供的动力输入星齿轮增速结构后，将高扭矩低转速的动力转化为低扭矩高转速的作用力，达到增速效果；基于星齿轮增速结构实现增速放大，以大大提高发电量、发电的稳定性和持续性；
5.通过交替凸轮加柱塞式液压缸的巧妙设计，实现换向的作用，可以使柱塞缸在行程上做单向运动，此外相比传统活塞式液压缸，也可以大大缩短活塞杆的行程；
6.使用蓄能器的能量转换存储，大大提高了波浪能的利用效率以及发电的稳定性；再者，波浪能能量转换装置采用带有柱塞缸的液压储能系统，可以降低瞬时高强度的波浪能对装置系统的损坏，基于蓄能器的液压储能系统可以实现对瞬时高强度或长时低强度的波浪能很好的开发利用，其主要性能参数还可以根据建设场地的波浪能特征进行优化设计；
7.捕能机构、能量转换机构中所有的结构部件位于海面之上，有利于波浪能发电系统的安装、拆卸、长期运行及维护。
附图说明
图1为本发明角度一的结构示意图；
图2为本发明角度二的结构示意图；
图3为本发明中部分结构角度一的结构示意图；
图4为本发明中部分结构角度二的结构示意图；
图5为本发明图1中A的局部放大图；
图6为本发明图3中B的局部放大图；
图7为本发明图4中C的局部放大图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，参阅图1-图2；
针对上述背景技术提到的问题，本发明实施例提供了一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置，以解决上述技术问题，其技术方案如下：
一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置，包括：
基础平台；
进行波浪能捕获的捕能机构200；以及，
将获取到的波浪能转换为电能的能量转换机构300；其中，
所述捕能机构200包括垂荡臂和浮体210；
所述垂荡臂为竖向设置的平行四边形连杆机构，其一侧为竖向固定侧，另一侧为竖向活动侧；竖向固定侧固定在基础平台上，竖向活动侧可平行于竖向固定侧进行垂直方向的上下移动；
所述浮体210固定在竖向活动侧的底端。
本实施例中，垂荡臂的设计利用了平行四边形原理，其设计构思如下：
1.平行四边形是一组对边平行且相等的四边形结构；
2.将一侧边设计为竖向固定，平行四边形上各连接点均设计为可自由活动，则与竖向固定侧边平行的另一侧边为竖向活动侧，竖向活动侧无论如何上下移动，其移动方向均会与竖向固定侧平行，即始终保持竖直方向；
3.这种垂荡臂的设计，使得捕获波浪能的浮体在竖直方向上具有良好的运动姿态，浮体在垂荡运动中始终保持竖直方向，不会发生浮体姿态的倾斜，从而大大提高了浮体的运动响应以及能量捕获效率。
本实施例中，所述浮体210为锥形浮体；锥形浮体比诸如圆柱等其他形状的浮体获能更大，而在锥形浮体中，其在垂荡形式下的运动响应最大，获能最大。
实施例二，参阅图1-图2；
本实施例中，所述基础平台为导管架平台，其包括四根立柱100，交叉连接在相邻立柱100上的支撑桁架120，以及固定在四根立柱100顶部的平台110。
需要说明的是，导管架平台上各结构的规格尺寸设计，可根据实际海况条件具体优化物理参数；顶部平台110的尺寸设计要充分实现空间的最大化利用，支撑桁架120可根据实际应力计算选择优化尺寸。
本实施例中，导管架平台中立柱100底部可设计为可伸缩式钢管桩，可实现平台高度的自由升降，为波浪能发电装置的模块化安装、拆卸和维护提供有利条件；可伸缩式钢管桩的结构设计选择常规伸缩式钢管桩即可。
实施例三，参阅图1、图2和图5；
所述垂荡臂包括转轴座290、转轴280、上连杆组件、下连杆组件、竖向活动杆250和直杆240；
所述转轴座290通过螺栓固定或是直接焊接在平台110上；
所述转轴280转动连接在转轴座290上；
所述直杆240水平焊接在导管架平台的支撑桁架120上，直杆240固定位置位于转轴280下方；
所述上连杆组件包括上连杆Ⅰ260、上连杆Ⅱ270；两个上连杆前端分别焊接固定在转轴280上，两个上连杆尾端呈相向倾斜分布；上连杆Ⅰ260、上连杆Ⅱ270、转轴280可同步转动；
所述下连杆组件包括下连杆Ⅰ220、下连杆Ⅱ230；两个下连杆前端分别铰接在直杆240上；两个下连杆尾端呈相向倾斜分布；
所述竖向活动杆250竖向设置，其上端与上连杆Ⅰ260、上连杆Ⅱ270尾端通过销轴铰接，其下端与下连杆Ⅰ220、下连杆Ⅱ230尾端通过销轴铰接；
所述浮体210焊接在竖向活动杆250底端；浮体210直接焊接在竖向活动杆250底端，在复杂多变的海况下能保持与竖向活动杆250同步进行竖直方向上的上下振荡运动，而不产生如纵摇、横摇或艏摇的倾斜运动；
其中，转轴280与直杆240之间形成平行四边形连杆机构中的竖向固定侧，竖向活动杆250为平行四边形连杆机构中的竖向活动侧。
需要说明的是，依据平行四边形的结构特性，竖向活动杆250长度与上连杆组件、下连杆组件的四个连接点所构成的左边竖直平面的长度严格相等。
本实施例中，在垂荡臂的平行四边形连杆机构中，上连杆组件、下连杆组件均采用双连杆设计，分别在两个水平面内成三角形稳定结构，大大提高了垂荡臂的结构稳定性，使其具有强大的抗剪切和抗扭转的稳定性能；同时，也可减小垂荡臂的长度，增加能量捕获过程中的旋转角度，可以增大浮体的运动响应。
本实施例中，所述平行四边形连杆机构中各结构的空间关系满足：
所述上连杆Ⅰ260、上连杆Ⅱ270和转轴280所形成的平面与下连杆Ⅰ220、下连杆Ⅱ230和直杆240所形成的平面互相平行；
所述上连杆Ⅰ260、上连杆Ⅱ270在转轴280上的连接点与下连杆Ⅰ220、下连杆Ⅱ230在直杆240上的连接点在同一竖直平面内；
竖向活动杆250与上连杆Ⅰ260、上连杆Ⅱ270的铰接点，以及竖向活动杆250与下连杆Ⅰ220、下连杆Ⅱ230的铰接点在同一竖直平面内。
需要说明的是，平行四边形连杆机构中各结构的空间关系只有同时满足上述三个条件，才能使得转轴座290、转轴280、上连杆组件、下连杆组件、竖向活动杆250和直杆240在空间平面内形成严格的平行四边形；
如此才能使得垂荡姿态自持式波浪能捕能装置发挥它的作用，使得浮体210在波浪的作用下垂荡姿态自持式，在运行过程中保持竖向姿态不变，以达到预期的效果。
实施例四，参阅图1-图7；
本实施例中，所述能量转换机构300包括大齿轮340、小齿轮350、凸轮370、柱塞缸360、管路380、蓄能器390、阀组331、液压马达330和发电机320；其中，
所述大齿轮340固定在转轴280中心位置；
所述小齿轮350与大齿轮340啮合传动；
所述凸轮370与小齿轮350同轴固定；凸轮370与小齿轮350可同步运转；
所述柱塞缸360位于凸轮370上方，其柱塞杆低接在凸轮370上；凸轮370转动，可推动低接在其凸轮面上的柱塞杆在行程上做单向运动，从而推动液压油做功；
所述蓄能器390、阀组331、液压马达330和发电机320均设置在平台110上并通过管路380依次连接；蓄能器390能将能量储存起来，能量达到一定量时经过阀组331传递给液压马达330；
所述蓄能器390通过管路380与柱塞缸360的内腔连接。
本实施例中，小齿轮350与大齿轮340组成行星齿轮增速结构，小齿轮350与大齿轮340可进行同步转动一定的角度，由于大小齿轮的旋转半径的倍数关系，可以实现小齿轮350转速的显著提高。
本实施例中，凸轮370与柱塞缸360低接的巧妙设计，可实现增速换向的作用，使柱塞缸在行程上做单向运动，相比传统活塞式液压缸，也可以大大缩短活塞杆的行程。
本实施例中，所述平台110上靠近大齿轮340位置固定有两个对称设置的基座371，两个基座371上连接有齿轮轴，所述小齿轮350、凸轮370间隔固定在齿轮轴上。
本实施例中，所述平台110上设有横跨两个基座371的梯形架361上，所述柱塞缸360竖向固定在梯形架361；梯形架361为柱塞缸360的支撑固定结构。
本实施例中，所述柱塞缸360的柱塞杆底部设有滚轮362，所述滚轮362低接在凸轮370上；在柱塞杆底部设置滚轮362，柱塞杆与凸轮370低接运动过程中，将滑动摩擦替换为滚动摩擦，降低了摩擦消耗，提高了波能利用率。
本实施例中，凸轮370设置两个，两个凸轮370对称设置在小齿轮350两侧；相对应的，柱塞缸360也设置两个；
柱塞结构采用双柱塞缸双行程做功的方式，两个柱塞缸的柱塞杆分布在不同凸轮机构的对称位置；垂荡臂在一个运动周期中，对每个柱塞缸施加半个周期的作用力，当一个柱塞缸在前半个周期内输出油液完毕，垂荡臂转换方向继续动作，进入后半个周期，另一个柱塞缸接续前一个柱塞缸输出油液，使得油液可连续不间断输出。
本实施例中，能量转换机构工作方法如下：
1.行星增速齿轮结构中的大齿轮340固定在转轴280上，可以随着转轴280的转动同步转动一定的角度；行星增速齿轮结构中的小齿轮350与大齿轮340啮合转动，可以随着大齿轮340的转动同步转动一定的角度；
2.小齿轮350与凸轮370同轴固定，凸轮370与小齿轮350可同步运转；
3.凸轮370与柱塞缸360的柱塞杆低接，凸轮370转动，可推动低接在其凸轮面上的柱塞杆在行程上做单向运动，从而将行星增速齿轮结构中小齿轮350、大齿轮340转化的高转速的力矩输入给柱塞缸360；
4.柱塞缸360在行程上做单向运动，从而推动液压油做功，通过管路380传递给蓄能器390将能量储存起来，能量达到一定量时经过阀组331传递给液压马达330，液压马达330带动发电机320发电。
本发明实施例提供的垂荡姿态自持式波浪能发电装置工作原理及流程如下：锥形浮体利用捕能机构的上下振动捕获波浪能，转换为大齿轮的大转矩低转速的转动力矩形式的能量，而后通过行星齿轮增速系统中的小齿轮转化为高转速小转矩的能量，然后通过交替凸轮机构转递给柱塞缸，之后利用蓄能器将能量作为压能存储，最后通过液压马达将液压能转换为机械能供给发电机转化为电能。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置，其特征在于，包括：
基础平台；
进行波浪能捕获的捕能机构；以及，
将获取到的波浪能转换为电能的能量转换机构；其中，
所述捕能机构包括垂荡臂和浮体；
所述垂荡臂为竖向设置的平行四边形连杆机构，其一侧为竖向固定侧，另一侧为竖向活动侧；竖向固定侧固定在基础平台上，竖向活动侧可平行于竖向固定侧进行垂直方向的上下移动；
所述浮体固定在竖向活动侧的底端。
2.根据权利要求1所述的垂荡姿态自持式波浪能发电装置，其特征在于，所述基础平台为导管架平台，其包括四根立柱，交叉连接在相邻立柱上的支撑桁架，以及固定在四根立柱顶部的平台。
3.根据权利要求2所述的垂荡姿态自持式波浪能发电装置，其特征在于，所述垂荡臂包括转轴座、转轴、上连杆组件、下连杆组件、竖向活动杆和直杆；
所述转轴座固定在平台上；
所述转轴转动连接在转轴座上；
所述直杆水平固定在导管架平台上并位于转轴下方；
所述上连杆组件包括上连杆Ⅰ、上连杆Ⅱ；两个上连杆前端分别固定在转轴上，两个上连杆尾端呈相向倾斜分布；
所述下连杆组件包括下连杆Ⅰ、下连杆Ⅱ；两个下连杆前端分别铰接在直杆上；两个下连杆尾端呈相向倾斜分布；
所述竖向活动杆竖向设置，其上端与上连杆Ⅰ、上连杆Ⅱ尾端铰接，其下端与下连杆Ⅰ、下连杆Ⅱ尾端铰接；
所述浮体固定在竖向活动杆底端；
其中，转轴与直杆之间形成平行四边形连杆机构中的竖向固定侧，竖向活动杆为平行四边形连杆机构中的竖向活动侧。
4.根据权利要求3所述的垂荡姿态自持式波浪能发电装置，其特征在于，所述平行四边形连杆机构中各结构的空间关系满足：
所述上连杆Ⅰ、上连杆Ⅱ和转轴所形成的平面与下连杆Ⅰ、下连杆Ⅱ和直杆所形成的平面互相平行；
所述上连杆Ⅰ、上连杆Ⅱ在转轴上的连接点与下连杆Ⅰ、下连杆Ⅱ在直杆上的连接点在同一竖直平面内；
竖向活动杆与上连杆Ⅰ、上连杆Ⅱ的铰接点，以及竖向活动杆与下连杆Ⅰ、下连杆Ⅱ的铰接点在同一竖直平面内。
5.根据权利要求2所述的垂荡姿态自持式波浪能发电装置，其特征在于，所述能量转换机构包括大齿轮、小齿轮、凸轮、柱塞缸、管路、蓄能器、阀组、液压马达和发电机；其中，
所述大齿轮固定在转轴中心位置；
所述小齿轮与大齿轮啮合传动；
所述凸轮与小齿轮同轴固定；
所述柱塞缸位于凸轮上方，其柱塞杆低接在凸轮上；
所述蓄能器、阀组、液压马达和发电机均设置在平台上并通过管路依次连接；
所述蓄能器通过管路与柱塞缸的内腔连接。
6.根据权利要求5所述的垂荡姿态自持式波浪能发电装置，其特征在于，所述平台上靠近大齿轮位置固定有两个对称设置的基座，两个基座上连接有齿轮轴，所述小齿轮、凸轮间隔固定在齿轮轴上。
7.根据权利要求6所述的垂荡姿态自持式波浪能发电装置，其特征在于，所述平台上设有横跨两个基座的梯形架，所述柱塞缸竖向固定在梯形架上。
8.根据权利要求5所述的垂荡姿态自持式波浪能发电装置，其特征在于，所述柱塞缸的柱塞杆底部设有滚轮，所述滚轮低接在凸轮上。
9.根据权利要求1所述的垂荡姿态自持式波浪能发电装置，其特征在于，所述浮体为锥形浮体。
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|---|---|---|---|
| CN202310741170.4A CN116537997A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置 |
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| CN202310741170.4A CN116537997A (zh) | 2023-06-21 | 2023-06-21 | 一种垂荡姿态自持式波浪能发电装置 |
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| CN116537997A true CN116537997A (zh) | 2023-08-04 |
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN116537997A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117108433A (zh) * | 2023-10-19 | 2023-11-24 | 上海勘测设计研究院有限公司 | 一种海上风电导管架基础的波浪能捕获及储能系统 |
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2023
- 2023-06-21 CN CN202310741170.4A patent/CN116537997A/zh active Pending
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| CN117108433B (zh) * | 2023-10-19 | 2024-01-30 | 上海勘测设计研究院有限公司 | 一种海上风电导管架基础的波浪能捕获及储能系统 |
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