CN117145685A - 一种用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，属于海洋发电设备技术领域。该转换装置包括风机立柱、振荡体、动力输出机构和电磁调谐阻尼机构。风机立柱上设置有上支撑梁和下支撑梁，振荡体呈环状且具有环形内腔，振荡体可活动地套设于风机立柱上且下端面与下支撑梁活动连接。动力输出机构包括驱动缸和传动杆，驱动缸设置于上支撑梁上，传动杆的一端与振荡体连接，传动杆的另一端与驱动缸传动连接。电磁调谐阻尼机构设置于环形内腔中，包括第一弹簧、小车、第一永磁体和第一电能收集装置。采用该转换装置和浮式风机平台，能够在保证减振性能的同时，对阻尼原件减振过程中耗散的能量进行补偿回收，提高对波浪能的转换利用效率。

Description

一种用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置
技术领域
本发明涉及海洋发电设备技术领域，特别涉及一种用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置。
背景技术
近年来随着人类用电需求的大幅提升，并且煤炭、石油、天然气等能源对于人类存在负面影响，开发新能源成为人们抵御环境污染的重要途经。海上具有丰富的发电资源，可以通过水力、风力、潮汐能等方式发电。海上风浪联合利用系统（STC）是在2012年提出的新能源发电概念，该系统很好结合了海洋中丰富的风能、波浪能资源，该系统结合了浮式海上风力发电机和波浪能转换装置，以达到增加整体电能产量，共享安装运维力量、降低运维成本等优势。
在相关技术中，波浪能转换器的发电原理是通过在波浪荷载中振动并利用波浪的动能将其转换为机械能，然后再将机械能转化为电能或其他形式的能量输出。在风浪混合利用系统中，由于波浪能转换器在海浪荷载作用下剧烈振荡势必会导致浮式风机的振动幅值加大，从而使风机平台结构疲劳。为了避免上述问题，通常采用在波浪能转换器和风机平台之间设置阻尼原件进行缓冲。
相关技术中的风浪混合利用系统通过设置阻尼原件虽然能够在一定程度上减缓波浪能转换器的振动从而增加风浪联合利用系统的稳定性，但研究表明，当波浪能转换器与波浪共振时，其发电功率显著增大，对于振动的减缓势必会导致波浪能转换器较多的发电功率损失。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，能够在保证减振性能的同时，对阻尼原件减振过程中耗散的能量进行补偿回收，提高对波浪能的转换利用效率。技术方案如下：
本发明实施例提供了一种用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，该用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置包括：风机立柱、振荡体、动力输出机构和电磁调谐阻尼机构，
所述风机立柱的侧壁上沿长度方向上设置有上支撑梁和下支撑梁，所述振荡体呈环状且具有环形内腔，所述振荡体可活动地同轴套设于所述风机立柱上且位于所述上支撑梁和所述下支撑梁之间，所述振荡体的下端面与所述下支撑梁活动连接；
所述动力输出机构包括驱动缸和传动杆，所述驱动缸设置于所述上支撑梁上，所述传动杆的一端与所述振荡体的上端面连接，所述传动杆的另一端与所述驱动缸内的活塞同轴连接；
所述电磁调谐阻尼机构设置于所述环形内腔中，包括第一弹簧、小车、第一永磁体和第一电能收集装置，所述第一电能收集装置上设置有第一磁感线圈，所述第一磁感线圈和所述第一弹簧同轴布置且沿所述振荡体的径向分别设置于环形内腔的内外侧壁上，所述小车沿所述振荡体的径向布置，所述小车的一端与所述第一弹簧连接，所述第一永磁体设置于所述小车的另一端且穿设于所述第一磁感线圈内部。
可选地，所述环形内腔中设置有多组所述电磁调谐阻尼机构，多组所述电磁调谐阻尼机构沿所述振荡体的周向等角度间隔布置。
可选地，所述第一电能收集装置包括依次串联的电容、电阻和电感，所述电容和所述电感分别与所述第一磁感线圈的两端连接。
可选地，所述环形内腔的底壁上设置有与所述小车相匹配的限位滑槽，所述限位滑槽沿所述振荡体的径向布置，所述小车设置于对应的所述限位滑槽中。
可选地，所述驱动缸底部设置有导向筒，所述导向筒内设置有齿轮滑轨，所述传动杆可滑动地设置于所述导向筒中，所述传动杆上设置有导向齿轮，所述导向齿轮与所述齿轮滑轨啮合。
可选地，所述用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置还包括电磁调谐质量阻尼器，所述电磁调谐质量阻尼器包括下筒体、第二永磁体、第二磁感线圈和第二电能收集装置，所述下筒体设置于所述下支撑梁上且与所述风机立柱平行，所述第二磁感线圈设置于所述下筒体中且与所述第二电能收集装置连接，所述第二永磁体的一端与所述振荡体的下端面连接，所述第二永磁体的另一端可滑动地设置于所述下筒体中且穿设于所述第二磁感线圈内部。
可选地，所述下筒体的底部以及所述第二永磁体与所述下筒体的顶部之间均设置有弹性限位件。
可选地，所述用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置还包括第二弹簧，所述振荡体的下端面与所述下支撑梁通过所述第二弹簧连接。
可选地，所述风机立柱上设置有多组一一对应的所述上支撑梁和所述下支撑梁，多组所述上支撑梁和所述下支撑梁等角度间隔布置。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
采用本发明实施例所提供的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其能够通过设置于振荡体的环形内腔中的电磁调谐阻尼机构减少整个波浪能装置以及所集成的浮式风机平台在水平方向上的横向、纵向振动进行减缓，同时结合动力输出机构实现对水平方向和竖直方向上对波浪能进行电能转化和回收，相比设置传统阻尼原件的减振形式，其在保证减振性能的同时，对阻尼原件减振过程中耗散的能量进行补偿回收，提高对波浪能的转换利用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种浮式风机平台的立体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的振荡体的内部结构示意图；
图4是本发明实施例提供的动力输出机构的结构爆炸图；
图5是本发明实施例提供的振荡体的俯视结构示意图；
图6是本发明实施例提供的电磁调谐阻尼机构的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的电磁调谐质量阻尼器的结构爆炸图；
图8是本发明实施例提供的电磁调谐质量阻尼器的结构剖视图。
图中：
1-风机立柱；2-振荡体；2a-环形内腔；3-动力输出机构；4-电磁调谐阻尼机构；5-电磁调谐质量阻尼器；6-第二弹簧；7-风机；11-上支撑梁；12-下支撑梁；21-限位滑槽；31-驱动缸；32-传动杆；41-第一弹簧；42-小车；43-第一永磁体；44-第一电能收集装置；45-第一磁感线圈；51-下筒体；52-第二永磁体；53-第二磁感线圈；54-第二电能收集装置；55-弹性限位件；311-导向筒；321-导向齿轮；441-电容；442-电阻；443-电感； 551-缓冲弹簧；552-弹簧限位部件；3111-齿轮滑轨。
具体实施方式
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式作进一步地详细描述。
在相关技术中，波浪能转换器的发电原理是通过在波浪荷载中振动并利用波浪的动能将其转换为机械能，然后再将机械能转化为电能或其他形式的能量输出。在风浪混合利用系统中，由于波浪能转换器在海浪荷载作用下剧烈振荡势必会导致浮式风机的振动幅值加大，从而使风机平台结构疲劳。为了避免上述问题，通常采用在波浪能转换器和风机平台之间设置阻尼原件进行缓冲。
相关技术中的风浪混合利用系统通过设置阻尼原件虽然能够在一定程度上减缓波浪能转换器的振动从而增加风浪联合利用系统的稳定性，但研究表明，当波浪能转换器与波浪共振时，其发电功率显著增大，对于振动的减缓势必会导致波浪能转换器较多的发电功率损失。
图1是本发明实施例提供的一种浮式风机平台的立体结构示意图。图2是本发明实施例提供的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置的结构示意图。图3是本发明实施例提供的振荡体的内部结构示意图。图4是本发明实施例提供的动力输出机构的结构爆炸图。图5是本发明实施例提供的振荡体的俯视结构示意图。图6是本发明实施例提供的电磁调谐阻尼机构的结构示意图。图7是本发明实施例提供的电磁调谐质量阻尼器的结构爆炸图。图8是本发明实施例提供的电磁调谐质量阻尼器的结构剖视图。如图1至图8所示，通过实践，本发明实施例提供了一种风机立柱1、振荡体2、动力输出机构3和电磁调谐阻尼机构4。
其中，风机立柱1的侧壁上沿长度方向上设置有上支撑梁11和下支撑梁12，振荡体2呈环状且具有环形内腔2a。振荡体2可活动地同轴套设于风机立柱1上且位于上支撑梁11和下支撑梁12之间，振荡体2的下端面与下支撑梁12活动连接。动力输出机构3包括驱动缸31和传动杆32，驱动缸31设置于上支撑梁11上，传动杆32的一端与振荡体2的上端面连接，传动杆32的另一端与驱动缸31内的活塞同轴连接。
电磁调谐阻尼机构4设置于环形内腔2a中，包括第一弹簧41、小车42、第一永磁体43和第一电能收集装置44。第一电能收集装置44上设置有第一磁感线圈45，第一磁感线圈45和第一弹簧41同轴布置且沿振荡体2的径向分别设置于环形内腔2a的内外侧壁上。小车42沿振荡体2的径向布置，小车42的一端与第一弹簧41连接，第一永磁体43设置于小车42的另一端且穿设于第一磁感线圈45内部。
在本发明实施例中，整个波浪能转换装置与浮式风机集成设置，其中风机立柱1用于对风机7进行支撑设置，内部集成有电磁调谐阻尼结构4的振荡体2套设于风机立柱1的中段，用于与带有浮筒等浮体的风机平台相连接，以保证整个转换装置与风机7能够悬浮于水平面上进行工作。其中浮于水上的振荡体2在波浪的纵向力作用下会产生上下往复运动，位于振荡体2顶部的传动杆32会推动驱动缸31内的活塞同步进行运动，实现将波浪能转化为机械能，利用机械能驱使驱动缸31做功转换为电能，从而达到发电效果。同时，浮于水上的振荡体2同时还会跟随整个浮式风机平台一起在波浪的作用下产生一定的水平晃动。这部分水平方向的波浪激励会使位于振荡体2内部的小车42在惯性作用下带动第一永磁体43沿振荡体2的径向相对于第一磁感线圈45发生移动。同时，小车42的移动会带动第一弹簧41伸缩，进而利用第一弹簧41的弹力带动小车42沿振荡体2的径向来回滑动，使第一永磁体43在第一磁感线圈45内往复运动，从而产生感应电流并被第一电能收集装置44收集。在实现电能收集的同时，由于电磁效应产生的磁场力与整个波浪能转换装置的水平运动方向相反，电磁调谐阻尼机构4也能起到对振荡体2整体振动幅度减少的作用，降低整个浮式风机平台的机械疲劳。并且，在电磁调谐阻尼机构4中，第一磁感线圈45与第一永磁体43之间为非接触结构，其利用磁场力进行反向减振缓冲，相比单一的机械式阻尼器能够减少能量的耗散，可以更加充分的实现电能转化。
采用本发明实施例所提供的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其能够通过设置于振荡体2的环形内腔2a中的电磁调谐阻尼机构4减少整个波浪能装置以及所集成的浮式风机平台在水平方向上的横向、纵向振动进行减缓，同时结合动力输出机构3实现对水平方向和竖直方向上对波浪能进行电能转化和回收，相比设置传统阻尼原件的减振形式，其在保证减振性能的同时，对阻尼原件减振过程中耗散的能量进行补偿回收，提高对波浪能的转换利用效率。
示例性地，在本发明实施例中，动力输出机构3中的驱动缸31根据具体需求和环境可以采用液压缸或者气缸，只要能实现将波浪能以较高的能量转化效率转化为电能即可，本发明实施例对其具体类型不做限定。
可选地，环形内腔2a中设置有多组电磁调谐阻尼机构4，多组电磁调谐阻尼机构4沿振荡体2的周向等角度间隔布置。示例性地，在本发明实施例中，通过在环形内腔2a中等角度设置多组电磁调谐阻尼机构4，可以同时接收多个方向的水平波浪能，并进行对应的减振缓冲和电能转化。能够更加充分的对不同方向的波浪能进行应对，适应错综复杂实时变换的海上环境，进一步提高对波浪能的转换利用效率。
示例性地，本发明实施例中，环形内腔2a中等角度设置有四组电磁调谐阻尼机构4。四组电磁调谐阻尼机构4等角度间隔布置，对称设置于风机立柱1两侧的两组电磁调谐阻尼机构4同向布置，与另外两组电磁调谐阻尼机构4形成在水平方向上相互垂直的构造，可以分别对应振荡体2的横荡和纵荡方向，也即是在水平方向上相互垂直的两个方向上，实现对对应方向上的波浪能吸收和减振缓冲。而在横荡、纵荡方向之间存在波浪能作用于振荡体2上时，则可以同时通过该方向两侧的电磁调谐阻尼机构4进行波浪能吸收转化和减振缓冲。
可选地，第一电能收集装置44包括依次串联的电容441、电阻442和电感443，电容441和电感443分别与第一磁感线圈45的两端连接。示例性地，在本发明实施例中， 第一电能收集装置44由电阻—电感—电容电路（RLC）构成，其电感443可以根据实时的振动效应进行动态调节，在回收电能的同时，产生不同的电磁力达到最佳振动控制效果。能适当减小波浪能对于转换装置的横荡、纵荡作用，具有较高的灵活性，属于半主动控制。它相比于被动控制具有更高的可调性，更好的实时性能和能量利用效率。
可选地，环形内腔2a的底壁上设置有与小车42相匹配的限位滑槽21，限位滑槽21沿振荡体2的径向布置，小车42设置于对应的限位滑槽21中。示例性地，在本发明实施例中，通过在环形内腔2a的底壁上设置限位滑槽21对小车42的往复滑动路径进行限位导向，避免发生侧向晃动，保证第一永磁体43与第一磁感线圈45进行稳定的配合工作产生感应电流，进一步提高了对波浪能的转换利用效率。
可选地，驱动缸31底部设置有导向筒311，导向筒311内设置有齿轮滑轨3111，传动杆32可滑动地设置于导向筒311中，传动杆32上设置有导向齿轮321，导向齿轮321与齿轮滑轨3111啮合。示例性地，在本发明实施例中，通过设置导向筒311与传动杆32进行配合，可以对传动杆32在竖直方向上移动路径进行限位导向，避免发生侧向晃动，保证动力输出机构3的稳定做功以对纵向波浪能进行充分转化，进一步提高了对波浪能的转换利用效率。
可选地，用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置还包括电磁调谐质量阻尼器5，电磁调谐质量阻尼器5包括下筒体51、第二永磁体52、第二磁感线圈53和第二电能收集装置54，下筒体51设置于下支撑梁12上且与风机立柱1平行，第二磁感线圈53设置于下筒体51中且与第二电能收集装置54连接，第二永磁体52的一端与振荡体2的下端面连接，第二永磁体52的另一端可滑动地设置于下筒体51中且穿设于第二磁感线圈53内部。示例性地，在本发明实施例中，通过在振荡体2的底部与下支撑梁12之间设置电磁调谐质量阻尼器5，其振荡体2在纵向波浪能的推动下进行晃动时，会带动伸入下筒体51中的第二永磁体52在第二磁感线圈53内上下往复运动，从而产生感应电流并被第二电能收集装置54所收集，在实现电能收集的同时，由于电磁效应产生的磁场力与整个波浪能转换装置的水平运动方向相反，电磁调谐质量阻尼器5也能起到对振荡体2整体在垂荡方向，也即是竖直方向上的振动幅度减少的作用，进一步降低整个浮式风机平台的机械疲劳。
可选地，下筒体51的底部以及第二永磁体52与下筒体51的顶部之间均设置有弹性限位件55。示例性地，在本发明实施例中，下筒体51的内腔底部，以及永磁体52与下筒体51的顶部之间的连接结构处均设置有缓冲弹簧551或者弹簧限位部件552，可以对第二永磁体52在下筒体51内的上下往复运动形成进行限位和缓冲作用，避免风浪较大或者长时间工作后，第二永磁体52与下筒体51之间发生磕碰，提高整体使用寿命。
可选地，用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置还包括第二弹簧6，振荡体2的下端面与下支撑梁12通过第二弹簧6连接。示例性地，在本发明实施例中，通过在振荡体2的下端面与下支撑梁12之间设置第二弹簧6，可以在位于水下产生相对纵向振动较大的振荡体2与下支撑梁12之间起到缓冲支撑的作用，减小整体纵向振动幅度，进一步降低整个浮式风机平台的机械疲劳。
可选地，风机立柱1上设置有多组一一对应的上支撑梁11和下支撑梁12，多组上支撑梁11和下支撑梁12等角度间隔布置。示例性地，在本发明实施例中，风机立柱1上对称设置有两组上支撑梁11和下支撑梁12，实现对振荡体2的两点平均支撑连接，有效降低整个浮式风机平台的机械疲劳。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以和权利要求书中使用的“第一”、“第二”以和类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件极其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其特征在于，包括：风机立柱（1）、振荡体（2）、动力输出机构（3）和电磁调谐阻尼机构（4），
所述风机立柱（1）的侧壁上沿长度方向上设置有上支撑梁（11）和下支撑梁（12），所述振荡体（2）呈环状且具有环形内腔（2a），所述振荡体（2）可活动地同轴套设于所述风机立柱（1）上且位于所述上支撑梁（11）和所述下支撑梁（12）之间，所述振荡体（2）的下端面与所述下支撑梁（12）活动连接；
所述动力输出机构（3）包括驱动缸（31）和传动杆（32），所述驱动缸（31）设置于所述上支撑梁（11）上，所述传动杆（32）的一端与所述振荡体（2）的上端面连接，所述传动杆（32）的另一端与所述驱动缸（31）内的活塞同轴连接；
所述电磁调谐阻尼机构（4）设置于所述环形内腔（2a）中，包括第一弹簧（41）、小车（42）、第一永磁体（43）和第一电能收集装置（44），所述第一电能收集装置（44）上设置有第一磁感线圈（45），所述第一磁感线圈（45）和所述第一弹簧（41）同轴布置且沿所述振荡体（2）的径向分别设置于环形内腔（2a）的内外侧壁上，所述小车（42）沿所述振荡体（2）的径向布置，所述小车（42）的一端与所述第一弹簧（41）连接，所述第一永磁体（43）设置于所述小车（42）的另一端且穿设于所述第一磁感线圈（45）内部。
2.根据权利要求1所述的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其特征在于，所述环形内腔（2a）中设置有多组所述电磁调谐阻尼机构（4），多组所述电磁调谐阻尼机构（4）沿所述振荡体（2）的周向等角度间隔布置。
3.根据权利要求2所述的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其特征在于，所述第一电能收集装置（44）包括依次串联的电容（441）、电阻（442）和电感（443），所述电容（441）和所述电感（443）分别与所述第一磁感线圈（45）的两端连接。
4.根据权利要求2所述的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其特征在于，所述环形内腔（2a）的底壁上设置有与所述小车（42）相匹配的限位滑槽（21），所述限位滑槽（21）沿所述振荡体（2）的径向布置，所述小车（42）设置于对应的所述限位滑槽（21）中。
5.根据权利要求1所述的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其特征在于，所述驱动缸（31）底部设置有导向筒（311），所述导向筒（311）内设置有齿轮滑轨（3111），所述传动杆（32）可滑动地设置于所述导向筒（311）中，所述传动杆（32）上设置有导向齿轮（321），所述导向齿轮（321）与所述齿轮滑轨（3111）啮合。
6.根据权利要求1所述的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其特征在于，所述用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置还包括电磁调谐质量阻尼器（5），所述电磁调谐质量阻尼器（5）包括下筒体（51）、第二永磁体（52）、第二磁感线圈（53）和第二电能收集装置（54），所述下筒体（51）设置于所述下支撑梁（12）上且与所述风机立柱（1）平行，所述第二磁感线圈（53）设置于所述下筒体（51）中且与所述第二电能收集装置（54）连接，所述第二永磁体（52）的一端与所述振荡体（2）的下端面连接，所述第二永磁体（52）的另一端可滑动地设置于所述下筒体（51）中且穿设于所述第二磁感线圈（53）内部。
7.根据权利要求6所述的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其特征在于，所述下筒体（51）的底部以及所述第二永磁体（52）与所述下筒体（51）的顶部之间均设置有弹性限位件（55）。
8.根据权利要求1至7任一项所述的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其特征在于，所述用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置还包括第二弹簧（6），所述振荡体（2）的下端面与所述下支撑梁（12）通过所述第二弹簧（6）连接。
9.根据权利要求1至7任一项所述的用于浮式风机平台的电磁调谐波浪能转换装置，其特征在于，所述风机立柱（1）上设置有多组一一对应的所述上支撑梁（11）和所述下支撑梁（12），多组所述上支撑梁（11）和所述下支撑梁（12）等角度间隔布置。
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