CN210118224U - 一种二自由度波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型设计了一种二自由度波浪能发电装置，该发电装置包括波浪俘获装置和系泊发电平台，波浪俘获装置包括浮子、第一传动轴和第二传动轴，第一传动轴的一端与浮子连接，第一传动轴的另一端与第二传动轴的一端铰接，浮子的上部设有开放式矩形槽，矩形槽内部贯穿一根横梁，用于连接第一传动轴，系泊发电平台在与浮子竖直对齐处设置一高台，高台中部开口，供第二传动轴向上延伸。本实用新型二自由度波浪能发电装置优化了波浪能发电浮子的发电效率，提升发电稳定性。
Description
技术领域
本实用新型属于漂浮式发电装置技术领域，尤其涉及一种二自由度波浪能发电装置。
背景技术
飞速发展的经济对传统化石燃料的需求量越来越大，造成了这些非可再生资源的日趋衰竭之势，也激发了资源大国与资源贫国之间的矛盾。因此，大力发展新型可再生能源成了全球共识，世界各国都将大量人力财力投入到清洁能源的开发之中，新能源的研究与利用已经到了刻不容缓的地步。新能源一般是指在新技术的基础上加以开发的可再生能源，包括太阳能、风能、生物质能、潮汐能、波浪能、地热能等其他可再生能源。太阳能和风能的利用已经发展了几十年，初步形成了一定的行业规模，从一定程度上分担了传统化石燃料的压力。波浪能是海洋中所蕴藏的一种能量巨大的能源形式，它是指海洋表面波浪所具有的的动能与势能之和，据悉，全球海洋波浪能的实际可开发量达到20亿KW，倘若这一巨大的能源库被人们加以妥善利用，那么将会大大缓解当下的能源危机和温室效应，为全人类的可持续发展事业添砖加瓦。目前波浪能的应用主要用于发电，为边远国防设施和海岛居民提供清洁能源。除此之外，波浪能还可投入到抽水、供热、海水淡化等应用中去。
波浪能发电分为三级，分别是俘能、转化、发电，现阶段第三级发电效率通常可以达到90％左右，第二级转化效率根据结构类型的不同而不同，其中液压机械转化可以达到70％左右，而第一级波浪俘获效率通常只有20％-30％，所以提升效率的关键在于如何在第一级最大效率的俘获波浪能，将其转化为可驱动电机的机械能或者液压能。传统的波浪俘获装置有：(1)振荡浮子式，振荡浮子式通常由缆绳连接海底系泊在水面上，浮子在波浪的驱动下上下垂荡运动，驱动水下装置发电，由海底电缆传输到附近电网。振荡浮子式波浪能俘获装置的优点在于可以适应小规模海况并进行量产形成水上发电阵列，但这种单点式振荡浮子的波浪俘获效率并不是很高，一方面，它只吸收了波浪上下运动垂荡运动的能量，另一方面，需要通过系泊系统来固定装置，这本身就是一种对抗波浪能的形式，故而造成了一定程度上的能量损失。(2)点头鸭式，点头鸭式波浪能俘获装置是一个头轻底重的椭圆形漂浮机构，头部上翘使得迎波面面积大，背波面面积小，这样装置便可在波浪作用下绕重心做小幅度回转运动，类似鸭体点头而得名。这种点头鸭式波浪俘获装置的效率是所有装置中最高的一种，但内部构造过于精密，受到过大的海水冲击容易损坏。(3)近岸振荡水柱式，在岸边建立聚波空气室，不断涌来的波浪驱动气室中的空气从空气透平排出或吸入，驱动空气透平旋转发电，该装置的优点是不直接接触海水，不易受到腐蚀，但发电效率不高，且往往适用于大规模高密度风浪地区使用。
海上浮子在风浪的作用下存在六个自由度的不规则运动：横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡，传统的振荡浮子式波浪能俘获装置只利用了波浪上下垂荡运动这一个自由度的能量，实际上，波浪能在来波方向上的横摇运动所具有的的能量同样不可忽视，下图为一球状浮子在波浪下各自由度运动情况的仿真数据，可以得出浮子在来波方向的横摇运动位移可以达到Z轴垂荡运动的15％-20％左右，如若对这一自由度上的能量加以俘获利用，将会提升波浪能发电效率约15％左右。
为解决上述问题，实现波浪能发电装置的高效性、安全性和简易性，本发明专利提供了一种新型二自由度振荡浮子式波浪能发电装置，其特点一在于将波浪能Z轴方向的垂荡运动和X轴方向的横摇运动一起俘获并转化为传动机构的上下运动，上下运动的传动机构连接液压发电机组的活塞，驱动液压发电装置蓄能发电；特点二在于其主要发电装置全都安装在一个水上平台，从波浪浮子俘获的能量通过传动机构传递到水上发电系统，避免了发电装置直接与海水接触，方便装置的维修和检测。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种二自由度波浪能发电装置，优化了波浪能发电浮子的发电效率，提升发电稳定性。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种二自由度波浪能发电装置，该发电装置包括波浪俘获装置和系泊发电平台，波浪俘获装置包括浮子、第一传动轴和第二传动轴，第一传动轴的一端与浮子连接，第一传动轴的另一端与第二传动轴的一端铰接，浮子的上部设有开放式矩形槽，矩形槽内部贯穿一根横梁，用以连接第一传动轴，系泊发电平台在与浮子竖直对齐处设置一高台，高台中部开口，供第二传动轴向上延伸。第二传动轴上端作为动力源与发电机连接。如若采用液压发电机那么它就是液压活塞杆，如若采用直驱发电那么它即可作为动子。以液压发电机为例，上下往复运动的第二传动轴不断上压液压活塞，再由平台上的液压泵驱动电机进行发电。
按上述技术方案，第一传动轴与浮子之间的倾角为45°～90°，第一传动轴的另一侧通过连杆连接一个附加质量球。
按上述技术方案，浮子为圆柱形。圆柱形浮子的稳定性优于锥形浮子，俘能效率高于球状浮子，因此选用圆柱形俘能浮子。
按上述技术方案，第一传动轴和第二传动轴通过铰接环套连接。
按上述技术方案，俘能浮子自由漂浮在水面，系泊发电平台由立柱固定在海底，系泊发电平台上设置发电机。
按上述技术方案，第二传动轴末端所连接的发电机，是适用直线往复运动的发电机。
本实用新型产生的有益效果是：本实用新型装置利用被忽视掉的波浪横摇这一自由度上的运动，通过机械转换使两个自由度上的能量都转化为一个自由度的运动，即把浮子Z轴方向上的垂荡运动和X轴方向上的横摇运动都转换成了传动轴的上下往复运动，增大了液压活塞的运动里程和幅值，达到了提升发电效率的效果；同时，将传动振荡浮子式的俘能机构和发电机构拆解为两个部分：水上浮子和固定水上平台，两者互不干涉，避免了发电装置在水下长期受到波浪冲击而产生的破坏，方便检查与维修，也达到了增强装置使用寿命的效果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
图1是本实用新型实施例二自由度波浪能发电装置的结构示意图；
图2是本实用新型实施例二自由度波浪能发电装置的俯视图；
1—浮子；2—第一传动轴；3—铰接环套；4—附加质量球；5—第二传动轴；6；液压活塞；7—液压泵；8—液压油管；9—液压发电机；10—太阳能电板；11—水上平台；12—立柱；13—浮子的矩形槽；14—圆形横梁。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型实施例中，提供一种二自由度波浪能发电装置，如图1、图2所示，波浪捕获浮子是一个直径为2m、高度为1m的圆柱形浮子1，浮子上半部内槽深度为0.5m、长宽分别为0.8m和0.6m，矩形槽13内部贯穿一直径为0.2m的圆形横梁14，用以连接第一传动轴2，第一传动轴与浮子保持最小可以达到45°、最大90°的倾角，浮子在前后运动时会由贯穿在槽内的横梁推动第一传动轴的倾角向90°变化，第二传动轴总是保持垂直方向，从而达到驱动第二传动轴向上运动的目的；同时，由于浮子与第一传动轴的最小夹角为45°，故浮子上下运动的时候第一传动轴固定不动，浮子的上下运动会直接传递到第二传动轴5，第二传动轴始终保持上下运动的状态，当浮子到达最高点时，由于波浪恢复力和附加质量球4的作用下坠，带动第二传动轴向下运动，如此往复。连杆固定在第一传动轴上并与第一传动轴保持一定的夹角，这样在最高点第一传动轴与浮子张角处于最大值时，受附加质量球的回复力矩驱动，浮子会重新回到原有位置并与第一传动轴恢复到最小的夹角，从而往复循环。第一传动轴和第二传动轴通过铰接环套3连接。
系泊发电平台由由4根直径为1m的立柱12固定在海底，水上平台11尺寸长宽为8m，厚度0.5m，平台在于浮子水平对齐的地方有一高度为0.5m的高台，高台中部开口，供传动轴2向上延伸，液压发电机9动力端置于高台处，通过活塞连杆与第二传动轴连接，上下往复运动的传动轴2不断下压液压活塞6，完成波浪能的俘获和转化。还包括液压泵7和液压油管8。水上平台上还设置太阳能电板10用于太阳能发电。
利用ansys-AQWA来仿真对比上述尺寸的传统振荡浮子和二自由度浮子，分别对相同浮子尺寸的传统振荡浮子和本装置进行建模，计算两者在规则波浪的作用下浮子的运动状态，分析对比两者在的幅值响应算子RAOS。得出结论，在波高为1m的海况下，仿真结果显示本二自由度波浪浮子的第二传动轴的上下运动要比传统单自由度振荡浮子的上下运动多20％左右，可以将传统振荡浮子发电装置的发电效率在原有基础上提高20％左右。
对于X轴方向上的横摇运动，浮子在波浪推进力的作用下会在行波方向产生位移，驱动环套在浮子内槽的第一传动轴张角变大，与浮子夹角逐渐由45°向90°变化，由于第二传动轴在水平方向上是固定不动的，这样第一传动轴的顶端与第二传动轴连接处的铰接环套3张角便会增大，逐渐增大直至接近180°，而第二传动轴可以在竖直方向上上下移动，这样第一传动轴顶端便会对第二传动轴产生一个向上的推力驱动第二传动轴向上运动，第二传动轴进而驱动液压发电机发电。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种二自由度波浪能发电装置，其特征在于，该发电装置包括波浪俘获装置和系泊发电平台，波浪俘获装置包括浮子、第一传动轴和第二传动轴，第一传动轴的一端与浮子连接，第一传动轴的另一端与第二传动轴的一端铰接，浮子的上部设有开放式矩形槽，矩形槽内部贯穿一根横梁，用于连接第一传动轴，系泊发电平台在与浮子竖直对齐处设置一高台，高台中部开口，供第二传动轴向上延伸，第一传动轴与浮子之间的倾角为45°～90°，第一传动轴的另一侧通过连杆连接一个附加质量球。
2.根据权利要求1所述的二自由度波浪能发电装置，其特征在于，浮子为圆柱形。
3.根据权利要求1或2所述的二自由度波浪能发电装置，其特征在于，第一传动轴和第二传动轴通过铰接环套连接。
4.根据权利要求1或2所述的二自由度波浪能发电装置，其特征在于，系泊发电平台由立柱固定在海底，系泊发电平台上设置发电机。
5.根据权利要求1或2所述的二自由度波浪能发电装置，其特征在于，第二传动轴末端所连接的发电机，是适用直线往复运动的发电机。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114294148A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-08 | 中国港湾工程有限责任公司 | 一种设置于堤坝处的波浪能发电装置 |
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2018
- 2018-12-24 CN CN201822173493.5U patent/CN210118224U/zh not_active Expired - Fee Related
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