CN204476654U - 一种模块化海浪发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布一种模块化海浪发电装置，属于新型发电装置技术领域。包括箱体、直接由海浪带动的机械传动系统和与机械传动系统连接的液压发电系统，还包括一控制系统，控制系统主要包括控制器及相应的传感器。本实用新型利用飞轮较大的惯性，减弱了海浪的间歇性和不平稳性，使传动轴的动力传动更加平稳；通过主程序和运行状态监测程序对整个发电装置进行反馈控制，实时的根据海浪的强度变化调节发电装置中的各部件，保证电力的稳定输出，提高了能量利用效率。本实用新型最大限度了避免腐蚀。同时，也可以有效避免油液泄漏造成的污染；采用模块化设计，既可以单独使用，也可以多个模块并行运转使用，效率高。

Description

一种模块化海浪发电装置

技术领域

本实用新型涉及新型发电装置技术领域，特别是涉及一种模块化海浪发电装置。

背景技术

目前,世界各国所用的能源几乎都是来自化石燃料,即石油、天然气和煤炭。而随着全球化石燃料的过量开采及利用，能源危机与环境污染问题日益严重。由于化石燃料不可再生，新能源的开发与利用已成为我们的当务之急。

利用海洋能量进行发电，具有能量巨大、无穷尽、环保无污染等众多优势，所以人类很早就开展了利用海洋能量发电的研究。

海浪发电的种类很多，按照其装置是否固定可以分为固定式和漂浮式两大类。就能量传递形式而言，有采用直接机械传动的，如CN1279349A、液压传动如CN201582045U、以及气动传动如CN101158330A。

公告号为CN201582045U的专利中，利用摆锤带动液压油源来完成机械能到液压能的转化。液压油源装置为液压缸及其相关配流单向阀组成。该方案未明确其防护方法，在海洋环境中使用，会造成较大的腐蚀，造成可靠性下降。如果发生液压油泄漏，还会造成环境污染。且，该方案中利用摆锤吸收海浪能量，效率较低，设计的发电装置功率偏小。公告号为CN102691612A的海浪发电集成装置，也是一种利用液压缸及其配流阀进行能量转化的发电装置。该方案对装置的一部分进行了集成和密封处理。但液压缸和部分管路仍然裸露在海洋环境中，仍然无法完全避免腐蚀和污染的风险。以上技术中都缺少反馈控制，海浪能量的利用效率低，由于海浪强度不稳定，时强时弱，其动力传动也不平稳。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种模块化海浪发电装置。

本实用新型所采用的技术方案是：一种模块化海浪发电装置，包括箱体、直接由海浪带动的机械传动系统和与机械传动系统连接的液压发电系统，还包括一控制系统，控制系统主要包括控制器；

所述液压发电系统包括油箱、由机械传动系统带动的交替运行的下降液压泵和上升液压泵；所述上升液压泵是一个控制连接于控制器的变量泵；所述下降液压泵、上升液压泵分别通过单向阀Ⅰ、单向阀Ⅱ连接至一个比例调速阀；所述比例调速阀控制连接于控制器，比例调速阀出油口连接至一个液压马达；所述液压马达控制连接于控制器，液压马达连接有发电机，所述发电机控制连接于控制器；

在所述比例调速阀进油口处还连接有充液控制阀，充液控制阀连接至一个蓄能器组，所述充液控制阀和蓄能器组控制连接于控制器；

所述控制系统还包括连接在下降液压泵和上升液压泵出油口油路上的压力传感器，放置在海浪上的用于监测海浪的强度的海浪强度传感器；所述压力传感器和海浪强度传感器控制连接于控制器。

其进一步是：所述下降液压泵出油口连接有卸荷阀Ⅰ，卸荷阀Ⅰ控制连接于控制器。

所述上升液压泵出油口连接有卸荷阀Ⅱ，卸荷阀Ⅱ控制连接于控制器。

所述比例调速阀进油口处还连接有安全阀，安全阀连接至油箱。

所述机械传动系统包括一端铰接、另一端随海浪上下摆动的浮动摆；所述浮动摆的摆杆上安装有沿摆杆滑动的滑动块；所述滑动块上连接有齿条；所述齿条连接有下降传动组件和上升传动组件；

所述下降传动组件包括传动轴Ⅰ，传动轴Ⅰ上固定有飞轮Ⅰ，传动轴Ⅰ一端连接下降液压泵，传动轴Ⅰ另一端通过棘爪Ⅰ和复位弹簧Ⅰ连接有齿轮Ⅰ；所述齿轮Ⅰ与齿条啮合；保证浮动摆下降时，齿轮Ⅰ能带动传动轴Ⅰ转动；

所述上升传动组件包括传动轴Ⅱ，传动轴Ⅱ上固定有飞轮Ⅱ，传动轴Ⅱ一端连接上升液压泵，传动轴Ⅱ另一端通过棘爪Ⅱ和复位弹簧Ⅱ连接有齿轮Ⅱ；所述齿轮Ⅱ与齿条啮合；保证浮动摆上升时，齿轮Ⅱ能带动传动轴Ⅱ转动。

上述的模块化海浪发电装置的运行控制方法包括主程序，其有如下步骤，

1.通过人工进行确认开始，控制系统采集状态信息；

2.判断是否符合发电要求；若无海浪或处于检修状态而不符合发电要求，则程序运行停止，并代码显示；

3.若判断符合发电要求；控制器输出信号，调整各个电磁阀、液压泵等的工作状态；包括卸荷阀Ⅰ、卸荷阀Ⅱ得电关闭，维持充液控制阀打开，比例调速阀关闭；

4.控制器持续监测蓄能器组内的压力和储存的油液，并判断是否发电的基本要求；若不符合发电的基本要求，代码显示；

5.若蓄能器组内的压力和储存的油液符合发电的基本要求；控制器打开比例调速阀，调整液压马达的排量，调整发电装置的运行状态；

6.系统进入运行状态监测程序；

7.系统停止。

其进一步是：所述运行状态监测程序包括以下步骤，

1.采集系统状态信息，判断发电机是否正常工作；

2.若发电机未正常工作，关闭比例调速阀，进行检修；若发电机正常工作，进入下一步；

3.判断系统是否需要检修；若需要检修，则比例调速阀，进行检修；若不需要检修，进入下一步

4.检测海浪能量变化；若海浪能量变大，增大上升液压泵排量；若海浪能量基本不变，维持上升液压泵排量；若海浪能量变小，减小上升液压泵排量；

5.检测发电需求变化情况；若发电需求变大，增大液压马达排量；若发电需求基本不变，维持液压马达排量；若发电需求变小，减小液压马达排量。

进入检修步骤时，判断蓄能器组是否充满能量，可以通过在蓄能器组内置压力传感器检测其气体压力，即可得知充液情况，因为充液越多，蓄能器的气囊被压缩的更小，气囊内的气体压力越高；若否，充液控制阀失电导通，卸荷阀Ⅱ得电截止；若是，关闭充液控制阀，打开卸荷阀Ⅱ，并返回主程序开始。

本实用新型优点在于：

1.    通过合理设置棘轮装置，使得齿条上下两个方向的运动都可以用来驱动液压泵工作。当海浪起时，推动浮动摆进而驱动液压泵产生高压油液进行发电；当海浪回落时，浮动摆在重力作用下，同样驱动液压泵产生高压油液进行发电。利用飞轮较大的惯性，减弱了海浪的间歇性和不平稳性，使传动轴的动力传动更加平稳。保证电力的稳定输出，提高了能量利用效率；

2.    通过主程序和运行状态监测程序对整个发电装置进行反馈控制，实时的根据海浪的强度变化调节发电装置中的各部件，保证电力的稳定输出，提高了能量利用效率；

3.    密封效果好，尽可能避免腐蚀和油液泄漏造成的污染。本实用新型中除了浮动摆、滑动块和齿条的一部分裸露在外，其余零部件均密封于箱体之内。这样，最大限度了避免腐蚀。同时，也可以有效避免油液泄漏造成的污染。

4.    本实用新型为模块化设计，既可以单独使用，也可以多个模块并行运转使用，效率高。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是主程序的流程框图；

图3是运行状态监测程序的流程框图；

图1中：1、浮动摆；2、滑动块；3、齿条；4、下降传动组件；41、齿轮Ⅰ；42、棘爪Ⅰ；43、复位弹簧Ⅰ；44、传动轴Ⅰ；45、飞轮Ⅰ；5、下降液压泵；6、单向阀Ⅰ；16、单向阀Ⅱ；7、卸荷阀Ⅰ；17、卸荷阀Ⅱ；8、充液控制阀；9、上升传动组件；91、齿轮Ⅱ；92、棘爪Ⅱ；93、复位弹簧Ⅱ；94、传动轴Ⅱ；95、飞轮Ⅱ；10、比例调速阀；11、安全阀；12、液压马达；13、发电机；14、控制器；15、上升液压泵；18、油箱；19、蓄能器组；20、海浪强度传感器；21、压力传感器；22、箱体。

具体实施方式

以下是本实用新型的一个具体实施例，现结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种模块化海浪发电装置，它主要包括直接由海浪带动的机械传动系统、与机械传动系统连接的液压发电系统、控制液压发电系统的控制系统。

控制系统与液压发电系统紧密连接，其主要用于对整个发电装置进行反馈控制，实时检测与调节；控制系统主要包括控制器14，连接在下降液压泵5和上升液压泵15出油口油路上的压力传感器21，放置在海浪上的用于监测海浪的强度的海浪强度传感器20；压力传感器21和海浪强度传感器20都控制连接于控制器14。

液压发电系统包括油箱18、由机械传动系统带动的交替运行的下降液压泵5和上升液压泵15；上升液压泵15是一个控制连接于控制器14的变量泵；下降液压泵5、上升液压泵15分别通过单向阀Ⅰ6、单向阀Ⅱ16连接至一个比例调速阀10；比例调速阀10控制连接于控制器14，比例调速阀10出油口连接至一个液压马达12；液压马达12控制连接于控制器14，液压马达12连接有发电机13，所述发电机13控制连接于控制器14；在比例调速阀10进油口处还连接有充液控制阀8，充液控制阀8连接至一个蓄能器组19，充液控制阀8和蓄能器组19控制连接于控制器14；下降液压泵5出油口连接有卸荷阀Ⅰ7，卸荷阀Ⅰ7控制连接于控制器14。上升液压泵15出油口连接有卸荷阀Ⅱ17，卸荷阀Ⅱ17控制连接于控制器14。比例调速阀10进油口处还连接有安全阀11，安全阀11连接至油箱18。

机械传动系统包括一端铰接、另一端随海浪上下摆动的浮动摆1，浮动摆1的作用是，向上运动时，依靠海浪的推动，吸收海浪的动能；海浪回落时，依靠自身重量自动回落；浮动摆1的摆杆上安装有沿摆杆滑动的滑动块2，滑动块2可以在一定范围内沿着浮动摆1的摆杆运动；滑动块2上有铰点与齿条3相连接，从而使浮动摆1的摆动转成齿条3的上下运动；齿条3连接有下降传动组件4和上升传动组件9，齿条3上部的齿形与下降传动组件4、上升传动组件9的齿轮啮合，共同完成齿条3上下运动到旋转运动的转变。

下降传动组件4包括传动轴Ⅰ44，传动轴Ⅰ44上固定有飞轮Ⅰ45，传动轴Ⅰ44一端连接下降液压泵5，传动轴Ⅰ44另一端通过棘爪Ⅰ42和复位弹簧Ⅰ43连接有齿轮Ⅰ41；齿轮Ⅰ41与齿条3啮合；保证浮动摆1下降时，齿轮Ⅰ41能带动传动轴Ⅰ44转动；上升传动组件9包括传动轴Ⅱ94，传动轴Ⅱ94上固定有飞轮Ⅱ95，传动轴Ⅱ94一端连接上升液压泵15，传动轴Ⅱ94另一端通过棘爪Ⅱ92和复位弹簧Ⅱ93连接有齿轮Ⅱ91；齿轮Ⅱ91与齿条3啮合；保证浮动摆1上升时，齿轮Ⅱ91能带动传动轴Ⅱ94转动。此两组件的作用是当齿条3向下运动时只驱动下降液压泵5旋转，当齿条3向上运动时，只驱动上升液压泵15旋转；复位弹簧可以保证棘爪有效复位。飞轮有较大的惯性，可以吸收能量，减弱海浪的不平稳性，使传动轴的动力传动更加平稳。

本实用新型中除了浮动摆1、滑动块2和齿条3的一部分裸露在外，其余零部件均密封于箱体22之内。这样，最大限度了避免腐蚀。同时，也可以有效避免油液泄漏造成的污染。

下降液压泵5的轴与传动轴Ⅰ44相连接，将机械能转化为液压能。因浮动摆1的重力基本不变，故可以使用定量泵。

单向阀Ⅰ6和单向阀Ⅱ16的作用是使液压泵排出的液压油进入液压系统，同时防止液压油倒流使液压泵反向旋转。

卸荷阀Ⅰ7和卸荷阀Ⅱ17的作用分别是，在必要的情况下使下降液压泵5和上升液压泵15卸荷。例如，检修时不需要液压能，可以实现对相应的液压泵卸荷。

充液控制阀8用于控制蓄能器组19是否与液压系统连通。充液控制阀8的电磁铁不得电时，蓄能器组19与液压系统连通。此时，如果液压系统的压力高于蓄能器组的预充压力，则有液压油进入蓄能器组；如果液压系统的压力低于蓄能器组的预充压力，则有液压油流出进入到液压系统中。

比例调速阀10可以根据输入电信号对通过阀的流量进行比例调节。

安全阀11可以将液压系统的压力限定在安全范围内。

液压马达12将液压能转变成机械能输出。

发电装置13可以将液压马达输出的机械能变成电能并输出。

控制器14采集各个传感器的信号，根据程序为整个发电装置提供控制信号。

上升液压泵15的轴与传动轴Ⅱ94相连接，将机械能转化为液压能。上升液压泵15选择变量泵，以便根据海浪强度进行调节。

油箱18为液压系统储存液压油。

蓄能器组19可以储存大量的高压油液，平衡海浪的能量不平稳性。海浪能量较大时，储存油液；海浪能量较小时，释放油液，保证系统平稳运行。

海浪强度传感器20用于监测海浪的强度大小，并将其转化成电信号送给控制器14。

压力传感器21用于监测液压系统的工作压力，并将其转化成电信号送给控制器14。

箱体22为整个发电装置提供安装的基础，同时对其进行密封，避免腐蚀。且，箱体上设置有必要的安装孔道等附属装置。

如图2所示，主程序的流程框图，程序通过人工进行确认开始。系统首先采集状态信息，然后判断是否符合发电要求。如不符合，如无海浪或处于检修状态等情况，则停止程序运行，并代码显示。若符合基本要求，则通过控制器输出信号，调整各个电磁阀、液压泵等的工作状态。包括卸荷阀得电关闭，维持充液控制阀打开，比例调速阀关闭等。

控制器持续监测蓄能器组19内的压力和储存的油液，并判断是否发电的基本要求。如不符合要求，代码显示。当符合基本要求时，控制器打开比例调速阀10，并调整液压马达12的排量，调整发电装置13的运行状态，进行发电。整个系统进入正常运行状态。

程序进入运行状态监测程序，如图3所示。

程序对系统各个子系统进行监测，对运行状态进行调整或停止。

如监测到发电装置13运行不正常，可以关闭比例调速阀10。

在液压马达12或发电装置13因检修等原因需要停止时，也可以关闭比例调速阀10。

在比例调速阀10关闭的情况下，只要卸荷阀Ⅰ7和卸荷阀Ⅱ17没有打开，海浪仍然驱动液压泵排出高压油液并储存在蓄能器组19中，以备下次使用。

当蓄能器组19中高压油液储存到一定的量时，可以关闭充液控制阀8。这样，这些高压油液仍可以下次使用。

当海浪的强度变大时，控制器可以增大上升液压泵的排量，直至其最大排量为止。上升液压泵排出更多的高压油液，可以增大发电能力。反之，当海浪强度变弱时，可以减小上升液压泵的排量，这时产生的高压油液较少，但仍可以吸收海浪的能量。

如果外负载对发电要求增加，可以调整比例调速阀10使其开口增大，增加系统的发电功率。

如果外负载对发电要求降低，可以调整比例调速阀10使其开口减小，减少系统的发电功率。

同时，调整液压马达12的控制电信号，可以调整其排量，进而调整马达的输出转速，使之符合发电要求。

如有紧急情况或人工命令停止，程序停止执行，回到初始状态，等待一下运行开始。

本实用新型的具体工作工程如下：

1、              正常发电时：浮动摆1在海浪起伏时做上下摆动，卸荷阀Ⅰ、Ⅱ7、17的电磁铁得电处于关闭状态，充液控制阀8的电磁铁不得电处于打开状态。当海浪起时，推动浮动摆向上摆动。浮动摆1通过滑块2的作用，使齿条3向上运动，如图1中的实心箭头所示。齿条3带动与之啮合的上升传动组件9中的齿轮Ⅱ91做顺时针旋转。通过齿轮Ⅱ91内部的棘轮机构作用，带动传动轴Ⅱ94进而驱动上升液压泵15旋转，产生高压油液。传动轴Ⅱ94同时驱动飞轮Ⅱ95。飞轮具有较大的惯性，可以改善因海浪的间歇性引起的传动不平稳性。由于下降传动组件4内的棘轮的结构不同，此时齿条3虽然带动齿轮Ⅰ41旋转，但并不驱动传动轴Ⅰ44旋转。高压油液经过单向阀Ⅱ16后，如果蓄能器组19的预充压力低于液压油的压力，部分液压油进入蓄能器组，部分液压油经过比例调速阀10进入液压马达12。液压马达12旋转驱动发电装置13进行发电。上升液压泵15为变量泵，可以根据给定的电信号进行排量调节。当海浪强度传感器20监测到海浪强度变强时，控制器可以接受到此变化。经过控制器14程序计算，调整上升液压泵15的控制电流，适当增大其排量。如此，上升液压泵15可以排出更多的油液给液压系统，也就增大了发电的能力。多余的高压油液可以储存在蓄能器组19中。反之，当海浪强度减弱时，控制器可以调整上升液压泵减小排量，避免出现负载过大，海浪无法驱动浮动摆运动。此时，蓄能器组19可以释放部分油液，与液压泵排出的油液共同供给液压马达进行工作。

当海浪回落时，浮动摆自身有较大的重力。在重力作用下，带动齿条3向下运动，如图1中的空心箭头所示。齿条3带动与之啮合的下降传动组件4中的齿轮Ⅰ41做顺时针旋转。通过齿轮Ⅰ41内部的棘轮机构作用，带动传动轴Ⅰ44进而驱动下降液压泵5旋转，产生高压油液。传动轴Ⅰ44同时驱动飞轮Ⅰ45。飞轮具有较大的惯性，可以改善因海浪的间歇性引起的传动不平稳性。由于下降传动组件9内的棘轮的结构不同，此时齿条3虽然带动齿轮Ⅱ91旋转，但并不驱动传动轴Ⅱ94旋转。高压油液经过单向阀Ⅰ6后，如果蓄能器组19的预充压力低于液压油的压力，部分液压油进入蓄能器组，部分液压油经过比例调速阀10进入液压马达12。液压马达12旋转驱动发电装置13进行发电。

在必要的情况下，可以使卸荷阀Ⅰ、Ⅱ7、17的电磁铁得电，下降液压泵5和上升液压泵15卸荷。这样，对用的齿条3在向下或向上运动时，液压系统没有油液输出，也就不吸收浮动摆的重力势能或海浪的能量。

Claims (5)

1.一种模块化海浪发电装置，包括箱体（22）、直接由海浪带动的机械传动系统和与机械传动系统连接的液压发电系统，其特征在于：还包括一控制系统，控制系统主要包括控制器（14）；

所述液压发电系统包括油箱（18）、由机械传动系统带动的交替运行的下降液压泵（5）和上升液压泵（15）；所述上升液压泵（15）是一个控制连接于控制器（14）的变量泵；所述下降液压泵（5）、上升液压泵（15）分别通过单向阀Ⅰ（6）、单向阀Ⅱ（16）连接至一个比例调速阀（10）；所述比例调速阀（10）控制连接于控制器（14），比例调速阀（10）出油口连接至一个液压马达（12）；所述液压马达（12）控制连接于控制器（14），液压马达（12）连接有发电机（13），所述发电机（13）控制连接于控制器（14）；

在所述比例调速阀（10）进油口处还连接有充液控制阀（8），充液控制阀（8）连接至一个蓄能器组（19），所述充液控制阀（8）和蓄能器组（19）控制连接于控制器（14）；

所述控制系统还包括连接在下降液压泵（5）和上升液压泵（15）出油口油路上的压力传感器（21），放置在海浪上的用于监测海浪的强度的海浪强度传感器（20）；所述压力传感器（21）和海浪强度传感器（20）控制连接于控制器（14）。

2.根据权利要求1所述的一种模块化海浪发电装置，其特征在于：所述下降液压泵（5）出油口连接有卸荷阀Ⅰ（7），卸荷阀Ⅰ（7）控制连接于控制器（14）。

3.根据权利要求1所述的一种模块化海浪发电装置，其特征在于：所述上升液压泵（15）出油口连接有卸荷阀Ⅱ（17），卸荷阀Ⅱ（17）控制连接于控制器（14）。

4.根据权利要求1所述的一种模块化海浪发电装置，其特征在于：所述比例调速阀（10）进油口处还连接有安全阀（11），安全阀（11）连接至油箱（18）。

5.根据权利要求1所述的一种模块化海浪发电装置，其特征在于：所述机械传动系统包括一端铰接、另一端随海浪上下摆动的浮动摆（1）；所述浮动摆（1）的摆杆上安装有沿摆杆滑动的滑动块（2）；所述滑动块（2）上连接有齿条（3）；所述齿条（3）连接有下降传动组件（4）和上升传动组件（9）；

所述下降传动组件（4）包括传动轴Ⅰ（44），传动轴Ⅰ（44）上固定有飞轮Ⅰ（45），传动轴Ⅰ（44）一端连接下降液压泵（5），传动轴Ⅰ（44）另一端通过棘爪Ⅰ（42）和复位弹簧Ⅰ（43）连接有齿轮Ⅰ（41）；所述齿轮Ⅰ（41）与齿条（3）啮合；保证浮动摆（1）下降时，齿轮Ⅰ（41）能带动传动轴Ⅰ（44）转动；

所述上升传动组件（9）包括传动轴Ⅱ（94），传动轴Ⅱ（94）上固定有飞轮Ⅱ（95），传动轴Ⅱ（94）一端连接上升液压泵（15），传动轴Ⅱ（94）另一端通过棘爪Ⅱ（92）和复位弹簧Ⅱ（93）连接有齿轮Ⅱ（91）；所述齿轮Ⅱ（91）与齿条（3）啮合；保证浮动摆（1）上升时，齿轮Ⅱ（91）能带动传动轴Ⅱ（94）转动。