CN202176448U

CN202176448U - 振荡浮子式海洋波浪发电装置

Info

Publication number: CN202176448U
Application number: CN2011202002145U
Authority: CN
Inventors: 杨金明; 曾君
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2021-06-15

Abstract

本实用新型公开了一种振荡浮子式海洋波浪发电装置，包括：振荡浮体以及置于振荡浮体内部的振动机构、机械传动机构以及发电机；所述振动机构由滑块、弹簧和导杆组成，所述导杆和弹簧的上端均固定在振荡浮体上，弹簧的下端固定在滑块的上端面，滑块贯穿在导杆上并沿着导杆做往复直线运动，滑块的下端面固定着机械传动机构，该机械传动机构驱动发电机发电。本实用新型装置采取全封闭结构，并采用多重运动控制，通过滑块和弹簧的共振，实现波浪能的最佳捕获，进而提高发电效率。

Description

振荡浮子式海洋波浪发电装置

技术领域

本实用新型涉及可再生能源发电领域，具体是一种振荡浮子式海洋波浪发电装置。

背景技术

海洋总面积约占全球总面积的71％，来自太阳的热能，大部分都被海水吸收和储存，海洋是最大的太阳能收集器，海水中的海洋能蕴藏量十分巨大。海洋发电技术的开发，有利于改善我国的能源结构，对于节能减排和我国社会的可持续和谐发展意义重大。

2010年我国正式启动了全国海岛保护与开发规划编制工作。“同蓬勃发展的沿海地区整体经济水平相比，沿海岛屿的开发与建设差距很大，基本处于困难的起步阶段。针对海岛开发中的问题，国家将采取一系列措施，从政策层面、法律层面、技术层面，加快推进海岛的保护、管理、开发、建设。海岛由于受地理位置、自然环境等因素的影响，在生产和生活条件上，一般缺乏淡水，交通、通信、电力等基础设施落后。海洋能源发电技术的因地制宜的发展，有利于沿海和岛屿等特殊地理位置地区的电力供应的就地解决，也可为一些特殊的监测设备提供电力能源。

我国海洋能资源非常丰富，而且开发利用的前景广阔。全国大陆海岸线长达18000多公里；还有6000多个岛屿，其海岸线长约14000多公里；整个海域达490万平方公里。其地处低纬度的南海，海域达360万平方公里。入海的河流淡水量约为2.3万亿立方米/年。如果将我国的海洋能资源转换为有用的动力值，至少可达1.5亿千瓦，相当于我国目前电力总装机容量的两倍多。

目前的波浪发电技术关键是要提高波浪发电效率及装置的使用寿命。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种海洋波浪发电装置，本实用新型采取全封闭结构，并采用多重运动控制，通过质量可控的滑块和弹簧的共振，实现波浪能的最佳捕获，进而提高发电效率。

本实用新型目的是通过以下技术方案实现的：

一种振荡浮子式海洋波浪发电装置，该装置包括：振荡浮体以及置于振荡浮体内部的振动机构、机械传动机构以及发电机；所述振动机构由滑块、弹簧和导杆组成，所述导杆和弹簧的上端均固定在振荡浮体上，弹簧的下端固定在滑块的上端面，滑块贯穿在导杆上并沿着导杆做往复直线运动，滑块的下端面固定着机械传动机构，该机械传动机构驱动发电机发电。

所述装置还包括控制发电机输出功率和滑块质量的控制器。

所述发电机输出功率的控制是通过可控整流桥的开关通断占空比的调节来实现的，开关通断占空比是通过PWM调制方式来精确控制的；功率优化控制是通过自动搜索最佳输出电流来实现的，具体调节过程为：保持整流桥输出电压恒定，检测整流桥输出功率P和输出电流I，通过调节开关管的通断占空比，使输出电流改变为I+ΔI，这时输出功率改变为P+ΔP，比较P+ΔP＞P，如果成立则继续同方向增加输出电流，再比较，该过程循环；如果比较P+ΔP＞P不成立，则反方向改变输出电流，再进行输出功率的比较，过程循环；过程中，输出电流和输出功率由传感器检测出来后，输送到控制器，控制器进行功率比较，并改变PWM输出波形来控制整流桥的开关通断占空比，从而改变输出电流。

所述滑块内部开有空腔，该空腔与水泵相连，该水泵与控制器和单向阀相连。

所述滑块质量调节是通过水泵和单向阀的控制来实现的，滑块开有空腔，用来储存海水，从而改变滑块质量。具体调节过程为：检测波浪振幅和频率，将检测结果输入到控制器，计算出振动机构的工作状态所对应的滑块质量，由控制器调节滑块质量，当要求滑块质量增大时，由控制器打开单向阀，通过水管并依靠海水重力将海水注入滑块的空腔内；而当要求减少滑块质量时，由控制器控制水泵将海水抽出滑块空腔。

所述机械传动机构由齿条、第一棘爪棘轮、第二棘爪棘轮、第一驱动齿轮、第二驱动齿轮、第一传动轴和第二传动轴组成，所述齿条的上端固定在上述滑块的下端面，该齿条同时驱动互相啮合的第一驱动齿轮和第二驱动齿轮，第一驱动齿轮再通过第一传动轴驱动第一棘爪棘轮，第二驱动齿轮再通过第二传动轴驱动第二棘爪棘轮，所述第一棘爪棘轮与第二棘爪棘轮同向安装，且与其外圈齿轮相啮合，第二棘爪棘轮再驱动发电机加速旋转齿轮，并通过传动轴驱动发电机发电。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型采用振荡浮体的全封闭式结构，避免发电机与机械传动机构直接与海水接触，提高装置的使用寿命，在极端气象条件下，通过改变滑块的质量和发电机输出功率来降低滑块的振动幅度，以保护装置。

(2)本实用新型通过调节滑块的质量和发电机输出功率，使振动机构中的振动偏离与海浪的共振状态，以提高波浪发电装置在极端恶劣气候条件下的安全性，通过提高滑块的振动幅度或速度，从而提高波浪能吸收效率，也利于提高发电机的效率。

(3)本实用新型发电机输出功率的调节通过PWM控制器控制的可控整流的方式实现，以快速调节振动机构的阻尼，从而快速实现滑块和弹簧的共振运行，且电力电子技术的实现直接、简单。

附图说明

图1为本实用新型装置工作原理流程图；

图2为本实用新型装置中振荡浮体内部结构示意图；

图3为本实用新型装置中振动机构结构示意图；

图4为本实用新型装置中振动机构滑块质量调节原理图；

图5为本实用新型装置中机械传动机构结构示意图；

图6为本实用新型装置中棘爪棘轮的结构示意图；

图7为本实用新型装置中两个驱动齿轮与齿条间的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述，但本实用新型的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

本实用新型装置工作原理流程图，如图1所示，作用在振荡浮体上的波浪动能，能通过振动机构，将该动能转换为振动机构中滑块的往复直线运动机械能，通过连接在滑块下端面的齿条，将该往复直线运动机械能传递到机械传动机构，机械传动机构中的驱动齿轮和棘爪棘轮系统将该直线运动机械能转换为单一方向的旋转机械能，并提升旋转速度，从而驱动低速永磁同步发电机发电，该发电机发出的交流电能经连接电缆输送到PWM控制器，经由该PWM控制器控制的整流桥进行整流和电压控制后，对用电设备实现供电，还可以对蓄电池进行充电，该PWM控制器还能根据浮体受波浪的影响、振动机构吸收波浪能、发电机输出功率以及整流桥输出功率等情况，通过PWM方式调节整流桥开关管，实现发电机输出功率的调节，进而调节振动机构的阻尼，实现振动机构的共振运行，另一个调节措施是改变滑块的质量，滑块内部开有空腔，通过注入或抽出海水的办法可以实现滑块质量的改变，其中海水注入滑块内部是依靠海水的重力注入并由单向阀控制注入量，而海水的抽出由该控制器控制的水泵来实现，单向阀和水泵均由控制器所控制。

本实用新型装置振荡浮体内部结构示意图，如图2所示，振荡浮体1为全封闭式结构，其外形为两个对接的圆柱体，振动机构中2、机械传动机构3和发电机4均安装在振荡浮体1的振动舱8内，蓄电池5、控制器6以及用电设备9均安装在振荡浮体1的设备舱7内。

本实用新型装置振动机构结构示意图，如图3所示，振动机构2均安装在振荡浮体1的振动舱8内，导杆24和弹簧21的上端均固定在振荡浮体1上，弹簧21的下端固定在滑块22的上端面，滑块22贯穿在导杆上并沿着导杆做往复直线运动，滑块22的下端面固定着齿条23。

如图4，控制器6通过水泵14和单向阀13调节滑块空腔12中的蓄水质量，从而调节滑块22质量，其中单向阀通过软管11与水泵相连。当向空腔12中注水时，控制器6打开单向阀13，依靠海水重力自动注入海水；从空腔12内向外排出海水时，由控制器6控制水泵14从空腔12内向外抽水。

本实用新型装置机械传动机构结构示意图，如图5所示，机械传动机构3由齿条23、第一棘爪棘轮33、第二棘爪棘轮36、第一驱动齿轮31、第二驱动齿轮34、第一传动轴32和第二传动轴35组成，所述齿条23的上端固定在滑块22的下端面上，该齿条23驱动第一驱动齿轮31，再通过第一传动轴32驱动第一棘爪棘轮33，上述齿条23同时驱动第二驱动齿轮34，再通过第二传动轴35驱动第二棘爪棘轮36，第二棘爪棘轮36同时驱动发电机加速旋转齿轮37，通过加速旋转传动轴38驱动发电机39发电，其中齿条23与第一驱动齿轮31和第二驱动齿轮34同时啮合，如图7所示，第一棘爪棘轮33与第二棘爪棘轮36同向安装，且其外圈齿轮相啮合，第二棘爪棘轮36与发电机加速旋转齿轮的外圈齿轮相啮合，每套齿轮-棘爪棘轮-齿轮机构只传递一个方向的运动，这时另一套打滑空转，采用两套齿轮-棘爪棘轮-齿轮机构，使齿条的往复直线运动转换为单一方向的旋转运行，以提高机械能传递和转换效率。

第一棘爪棘轮33和第二棘爪棘轮36的结构示意图，如图6所示，空心套筒331的外圈为齿轮结构，棘轮332与传动轴333通过键、槽配合而同步旋转，棘爪334安装在空心套筒331上，只传动一个方向的运动(顺时针)，而另一个方向运行(逆时针)时打滑空转。

以下对发电机功率控制机理进行说明：

从浮子弹簧阻尼系统的动力微分运动机理分析，波浪驱动浮子做近似简谐运动，浮子又通过弹簧柔性驱动滑块，由牛顿第二运动定律，滑块垂直运动微分方程为：

m (\overset{\cdot \cdot}{x} - \overset{\cdot \cdot}{y}) = - k (x - y) - c (\overset{\cdot}{x} - \overset{\cdot}{y}) - T_{m} - - - (1)

式中：m为滑块质量

x为滑块绝对位移

y为浮子绝对位移

k为弹簧弹性系数

c为由发电机电磁阻力矩换算到滑块的阻尼系数，为滑块移动速度的非线性函数。

T_m为发电机电磁转矩，T_m远大于机械阻尼力

采取适当的控制策略使

其中k_m为调节参数常数。

设波浪在某时刻的运行规律为：y＝A sin ωt

考虑到我国沿海常遇的波周期基本在1.4s～4s，假设浮子所受浮力足够大，浮子也按波浪运行规律运动，即：y＝A sin ωt

则滑块运动方程为：

m \overset{\cdot \cdot}{x} + k_{m} \overset{\cdot}{x} + kx = (k - m ω^{2}) A \sin ωt + cω A \cos ωt - - - (2)

上述运动方程为随波浪周期和幅值变化驱动的受迫运动，调节k_m就可调节滑块-弹簧振动机构的振荡阻尼，使其进入共振状态。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种振荡浮子式海洋波浪发电装置，其特征在于，该装置包括：振荡浮体以及置于振荡浮体内部的振动机构、机械传动机构以及发电机；所述振动机构由滑块、弹簧和导杆组成，所述导杆和弹簧的上端均固定在振荡浮体上，弹簧的下端固定在滑块的上端面，滑块贯穿在导杆上并沿着导杆做往复直线运动，滑块的下端面固定着机械传动机构，该机械传动机构驱动发电机发电。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括控制发电机输出功率和滑块质量的控制器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述滑块内部开有空腔，该空腔与水泵相连，该水泵与控制器和单向阀相连。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述机械传动机构由齿条、第一棘爪棘轮、第二棘爪棘轮、第一驱动齿轮、第二驱动齿轮、第一传动轴和第二传动轴组成，所述齿条的上端固定在上述滑块的下端面，该齿条同时驱动互相啮合的第一驱动齿轮和第二驱动齿轮，第一驱动齿轮再通过第一传动轴驱动第一棘爪棘轮，第二驱动齿轮再通过第二传动轴驱动第二棘爪棘轮，所述第一棘爪棘轮与第二棘爪棘轮同向安装，且与其外圈齿轮相啮合，第二棘爪棘轮再驱动发电机加速旋转齿轮，并通过传动轴驱动发电机发电。