CN212535914U - 一种基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于海洋新能源技术领域，涉及一种基于机械‑液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，该系统包括捕能装置、机械传动装置和液压传动装置，所述机械传动装置与所述捕能装置连接，所述液压传动装置与所述机械传动装置连接；所述液压传动装置与发电系统连接。本实用新型的一种基于机械‑液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，具有的有益效果是：采用机械‑液压耦合传动方式，不仅可以适应复杂多变的海况，保证浮子可靠工作的同时最大限度地捕获波浪能，而且可以实现能量连续、稳定、可控地输出。液压传动系统通过对多组蓄能器的控制，实现多组蓄能器协同有序工作，能够提高波浪能的利用率，减少波浪能的浪费。

Description

一种基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统

技术领域

本实用新型属于海洋新能源技术领域，涉及一种海洋波浪能发电装置。

背景技术

海岛能源示范与深远海资源开发紧密结合，是我国海洋能开发技术的发展方向。近年来，我国的海洋能开发主要以发电为主，总体看来，目前我国波浪能发电装置研发类型较多。其中振荡浮子式以其结构简单、能量转化效率相对较高等优点，更适用于我国近海海况波浪周期短、能量密度相对较低的特点。振荡浮子式波浪能装置利用浮子作为波浪能的吸收载体，浮子在波浪能的作用下产生往复动作，然后通过机械传动或液压传动装置等推动发电装置发电。

现有的机械传动波浪能发电装置（CN201610262008、CN201711176186）采用链条传动的形式，在链轮输出端采用飞轮进行储能，并带动发电机进行发电，在一定程度上可以输出连续的能量，但由于无法对飞轮输出性能进行有效控制，因此发电稳定性受波况的影响较大。另外这种链传动的型式一般穿过浮子内部，因此浮子中部会留出空间，这就使得浮子捕获波浪能的能力未得到充分利用（CN201610262008）；而且浮子中间开设的方孔或其他异形孔在波浪力载荷的作用下容易形成应力集中点，从而造成浮子的损坏（CN201711176186）。

现有的液压传动波浪能发电系统多采用液压缸作为执行元件，浮子在波浪的作用下驱动液压缸排出的液压油压力较低，因此需利用增压器增压后再向液压系统提供高压油，增加了应用难度。另外，采用液压缸作为执行元件适用于波高不大的海况，若波高较高时，浮子的运动便受到液压缸长度的限制，因此无法适应深远海区域复杂多变的海况。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有的波浪能发电装置可控性差、无法适应复杂海况、波浪能利用不充分等问题，提供一种基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统。本实用新型不仅可以适应复杂多变的海况，保证浮子可靠工作的同时最大限度地捕获波浪能，而且可以实现能量连续、稳定、可控地输出。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，包括捕能装置、机械传动装置和液压传动装置，所述捕能装置用于捕获波浪能，所述机械传动装置与所述捕能装置连接，用于将波浪能转化为机械能，所述液压传动装置与所述机械传动装置连接，用于将机械能转化为液压能；所述液压传动装置与发电系统连接。

作为本实用新型的一种优选方式，所述的捕能装置包括浮子、浮子导向机构，所述的浮子导向机构包括用于固定浮子的导向套和导向柱；所述的导向柱共有三组，周向均布在所述浮子四周，所述浮子固定在所述导向套上，沿所述导向柱上下运动。

进一步优选地，所述导向柱上设有限位装置，所述限位装置用于限制浮子的运动行程。

作为本实用新型的一种优选方式，所述的机械传动装置包括导向装置及传动装置；所述导向装置与所述的支撑架连接；所述传动装置固定在所述导向装置上，在所述导向装置的导向下做机械运动。

进一步优选地，所述的导向装置包括导向架、滚轮和导轨；所述滚轮固定在所述导向架上，在导轨槽内滚动；所述的导向架通过连接块与所述支撑架连接。

进一步优选地，所述连接块上部与所述导向架固定连接，下部与所述支撑架销轴连接。

进一步优选地，所述的传动装置为链条传动、齿条传动或皮带传动装置。

作为本实用新型的一种优选方式，所述的液压传动装置包括增速器、双向液压泵、蓄能器、液压马达；所述增速器与所述机械传动装置的输出轴连接，所述双向液压泵与所述增速器连接，通过双行程做功，向所述蓄能器注油；所述蓄能器输出高压油驱动所述的液压马达。

进一步优选地，所述液压油路设有单向阀，所述单向阀用于控制液压油的走向，使所述双向液压泵正、反向转动时，液压油通过不同的油路进入液压回路。

进一步优选地，所述蓄能器有两组以上，两组以上的蓄能器并联连接在液压回路中；所述蓄能器前方设有常通电磁阀，后方设有常断电磁阀；所述两组以上的蓄能器中，至少有一组蓄能器在其他蓄能器放油的同时充油。

本实用新型的一种基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，具有的有益效果是：采用机械-液压耦合传动方式，不仅可以适应复杂多变的海况，保证浮子可靠工作的同时最大限度地捕获波浪能，而且可以实现能量连续、稳定、可控地输出。液压传动系统通过对多组蓄能器的控制，实现多组蓄能器协同有序工作，能够提高波浪能的利用率，减少波浪能的浪费。

附图说明

图1为本实用新型实施例中捕能装置与机械传动装置示意图；

图2 为导向装置示意图；

图3是导向架的结构示意图；

图4是导向架的后侧视图；

图5链条链轮安装示意图；

图6液压传动装置示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

本实用新型提供的其中一个实施例是：一种基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，主要由捕能装置、机械传动装置和液压传动装置组成，波浪能被捕能装置捕获并传递给机械传动装置，机械传动装置将波浪能转化为机械能，进而将机械能传递给液压传动装置，液压传动装置将机械能转化为稳定的液压能并输出至发电装置，用于发电。

如图1所示，捕能装置包括浮子13和浮子导向机构，利用浮子的垂向振荡来捕获波浪能。为限定浮子13仅做单自由度垂荡运动，沿浮子13周向均布三个导向管9，导向柱12贯通导向管9，上端与主甲板8连接，下端与底座11相连，从而保证浮子13能够沿导向柱12做上下运动，同时消除波浪对浮子13倾覆振荡的影响，有利于波能的收集与转换。

三根导向柱12的上下部位均设置有缓冲限位装置10，可对浮子13上下运动的最大行程位置进行限位，从而保证系统安全可靠地工作。

如图1所示，机械传动装置主要由支撑架14、导向装置、链条传动装置、张紧装置等构成。链条传动装置位于浮子13的上方，避免了在浮子13上开孔导致的应力集中问题，确保浮子能够最大限度地捕获波浪能。

支撑架14的作用是将浮子13的运动传递给链条传动装置。支撑架14底部固定安装于浮子13上，主甲板8上开设有通孔，支撑架14上部由该通孔伸出，通过连接块18与导向架15相连。

如图2所示，导向架15、滚轮19和导轨5构成的导向装置，主要对支撑架14起导向的作用。导轨5安装于控制台3与主甲板8之间，导向架15两侧各安装4个滚轮19，滚轮19置于导轨5槽内，可以保证支撑架14沿着导轨5的方向上下运动。

如图3和4所示，导向架15主要由外侧滚轮安装架15-1、内侧滚轮安装架15-2、链条安装方管15-3、连接方管15-4、连接肋板15-5组成。滚轮19通过螺栓固定安装于外侧滚轮安装架15-1及内侧滚轮安装架15-2，并可沿导轨5滚动。外侧滚轮安装架15-1与内侧滚轮安装架15-2通过连接方管15-4焊接在一起。链条安装方管15-3焊接于两个内侧滚轮安装架15-2一侧，可通过螺栓与链条16固定安装。连接块18通过焊接在内侧滚轮安装架15-2上的连接肋板15-5与内侧滚轮安装架15-2连接。

理想情况下，浮子13在波浪力的作用下相对主甲板做垂直运动，但由于浮子13与导向柱之间存在安装间隙，浮子13在上下运动的同时会发生左右晃动，无疑会影响到链轮与链条的啮合。为了消除间隙对链条16的影响，在连接块18上开设水平通孔，支撑架14与连接块18采用销轴17连接，连接块18受到导向架15和导轨5的导向作用只能作相对垂直运动，因此当浮子13发生摆动倾斜时，销轴17在连接块18通孔内左右移动或前后移动，从而消除间隙对链条的影响，见图2所示。

如图1和5所示，链条传动装置包括链轮I 1、链轮II 6和链条16。链轮、链条的作用是将支撑架14的直线运动转换为旋转运动。链轮I 1通过链轮I支座2安装于控制台3，链轮II 6通过链轮II 支座7安装于主甲板8，链轮I 1与链轮II 6垂直布置，链条16在链轮I 1与链轮II 6之间形成垂直传动，可通过调整链轮I 1与链轮II 6的中心距来适应不同的海况。链条16与导向架15通过链板21连接，同时为了适应安装过程中产生的误差，在导向架15与链条16之间安装有间隔板20，用以调整安装过程中产生的间隙。链轮II 6的链轮轴23与轴承座22配合安装，轴承座22安装于链轮II支座7上。

张紧装置4的作用是保证链条的有效啮合。张紧装置4安装于导轨横梁上，通过重力张紧的型式，在一侧悬挂重物将另一侧的张紧轮压在链条16上实现张紧。

需要说明的是，本实施例中的链条传动装置也可以替换为齿条传动或皮带传动装置，其功能和实现的效果与本实施例中的链条传动装置相同。

工作时，浮子13在波浪力的作用下带动支撑架14上下运动，支撑架14通过连接块18作用于导向架15上，并带动滚轮19沿着导轨5滚动，使得支撑架14带动链条16沿导轨方向做直线运动，链条16通过啮合作用带动链轮I 1 、链轮II 6转动，这样便实现了波浪能到机械能的转换。

由于机械传动装置输出的机械能受波浪的影响其连续性及稳定性较差，因此，本实施例采用液压系统将机械传动装置输出的机械能转化为液压能以实现连续稳定的发电。

如图6所示，液压传动装置主要包括增速器、双向液压泵24、蓄能器27、液压马达32。增速器与机械传动装置的链轮I 1输出轴连接，链轮I 1输出轴输出的转速经增速器增速后带动双向液压泵24工作，双向液压泵24可以正反转，从而实现浮子上下运动过程中的双行程做功。液压泵24从油箱35吸油并将油液泵入蓄能器27，由蓄能器27输出高压油。通过设定控制策略控制蓄能器27完成充放油动作，进而驱动液压马达32带动发电机33完成电能输出。

在液压油路上设有5个单向阀，用于实现液压油路的单向性。当双向液压泵24逆时针旋转时，油箱35内的液压油经第四单向阀25-4被吸入液压泵，油液排出双向液压泵24经第一单向阀25-1进入液压回路；反之，当双向液压泵24顺时针旋转时，油箱35内的液压油经第三单向阀25-3吸入液压泵，油液排出双向液压泵24经第二单向阀25-2进入液压回路，流经蓄能器27、液压马达32及第五单向阀25-5最终流回油箱35。

液压蓄能可以实现浮子在不同波况下均可以输出稳定的液压能，本实施例中，利用电磁阀和压力继电器能够对液压系统进行有效控制。

液压回路中，蓄能器27前方为二位二通常通电磁阀（以下简称常通阀）26，进油侧与双向液压泵24连接，出油侧常通端与蓄能器27相连。蓄能器27后方电磁阀为二位二通常断电磁阀（以下简称常断阀）28，出油侧与液压马达32相连，即常断阀28得电后蓄能器27与液压马达32之间形成通路。第一压力继电器30-1、第二压力继电器30-2分别用于设定蓄能器27的初始压力和释放压力，并对电磁阀的工作状态进行控制，通过压力计29可以实时监测系统压力情况。

单组蓄能器在工作时仅能实现充油或放油一个动作，而不能两者同时进行。实际上当蓄能器放油时，浮子并未停止振荡，这时液压泵排出的液压油因无法充入蓄能器而流回油箱，这就造成了波浪能的浪费。因此，为确保蓄能器释放液压油驱动发电机工作时，前端吸收的波浪能仍得到充分利用，本实施例采用了多组蓄能器，并通过一定的控制策略来控制蓄能器的工作模式，使其协同工作，确保一部分蓄能器放油的同时，另一部分蓄能器在充油。

本实施例以3组蓄能器为例，具体控制方式如下：

第1/3工作周期：压力计29的压力小于第一压力继电器30-1设定值时，第一常通阀26-1、第二常通阀26-2和常断阀（28-1、28-2、28-3）断电，第三常通阀26-3得电，此时第一蓄能器27-1和第二27-2蓄能器处于充油状态，第三蓄能器27-3不工作。当压力计29的压力第一次达到第二压力继电器30-2设定值时，第一26-1、第二常通阀26-2和第一常断阀28-1、第二常断阀28-2得电，第三常通阀26-3、第三常断阀28-3断电。此时第一蓄能器27-1和第二蓄能器27-2处于放油状态，第三蓄能器27-3处于充油状态。第一蓄能器27-1和第二蓄能器27-2释放的液压油经过调速阀31调速后流入液压马达32，液压马达32旋转带动发电机33工作，从而实现电能的输出。

第2/3工作周期：当压力计29的压力降至第一压力继电器30-1设定值时，第一常通阀26-1和第一常断阀28-1、第二常断阀28-2切换为断电，第二常通阀26-2保持得电，第三常通阀26-3、第三常断阀28-3保持断电，此时，第一蓄能器27-1和第三蓄能器27-3处于充油状态，第二蓄能器27-2不工作。当压力计29的压力再次升至第二压力继电器30-2的设定值时，第一常通阀26-1、第三常通阀26-3和第一常断阀28-1和第三常断阀28-3得电，第二常通阀26-2、第二常断阀28-2断电，此时第一蓄能器27-1、第三蓄能器27-3处于放油状态，第二蓄能器27-2处于充油状态。

第3/3工作周期：当压力再次降至第一压力继电器30-1设定值时，第三常通阀26-3和第一常断阀28-1、第三常断阀28-3切换为断电，第一常通阀26-1保持得电，第二常通阀26-2、第二常断阀28-2保持断电，此时，第二蓄能器27-2和第三蓄能器27-3处于充油状态，第一蓄能器27-1不工作。当压力计29的压力第三次达到第一压力继电器第30-1的设定值时，第二常通阀26-2、第三常通阀26-3和第二常断阀28-2和第三常断阀28-3得电，第一常通阀26-1、第一常断阀28-1断电，此时第二蓄能器27-2、第三蓄能器27-3处于放油状态，第一蓄能器27-1处于充油状态。当压力再次降至第一压力继电器30-1设定值时，系统重新进入1/3工作周期，并开始下一个蓄能、发电周期循环。

表1 对应一个周期内处于不同阶段的阀门及蓄能器的工作状态

注，О：代表电磁阀得电；×：代表电磁阀断电；-：代表蓄能器不工作。

采用上述控制方式，可以使得其中两组蓄能器在放油期间，仍有一组蓄能器可以处于充油状态，同时应合理计算蓄能器的容量，确保当两组蓄能器放油结束时，另一组蓄能器还未充满。这样可以保证系统中始终至少有一组蓄能器在充油，从而实现波浪能的充分利用。

另一方面电磁阀和压力继电器对液压系统的控制，使得发电机的发电过程仅与蓄能器设定的初始值和释放值有关，而不会受到波况的影响，因此可以实现不同波况下发电系统均能够稳定发电的目的。

Claims (10)

1.一种基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，其特征在于：包括捕能装置、机械传动装置和液压传动装置，所述机械传动装置与所述捕能装置连接，所述液压传动装置与所述机械传动装置连接；所述液压传动装置与发电系统连接。

2.根据权利要求1所述的基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，其特征在于：所述的捕能装置包括浮子、支撑架、浮子导向机构，所述支撑架固定在所述浮子上，随浮子上下运动；所述的浮子导向机构包括用于固定浮子的导向套和导向柱；所述的导向柱共有三组，周向均布在所述浮子四周，所述浮子固定在所述导向套上，沿所述导向柱上下运动。

3.根据权利要求2所述的基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，其特征在于：所述导向柱上设有限位装置，所述限位装置用于限制浮子的运动行程。

4.根据权利要求3所述的基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，其特征在于：所述的机械传动装置包括导向装置及传动装置；所述导向装置与所述的支撑架连接；所述传动装置固定在所述导向装置上，在所述导向装置的导向下做机械运动。

5.根据权利要求4所述的基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，其特征在于：所述的导向装置包括导向架、滚轮和导轨；所述滚轮固定在所述导向架上，在导轨槽内滚动；所述的导向架通过连接块与所述支撑架连接。

6.根据权利要求5所述的基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，其特征在于：所述连接块上部与所述导向架固定连接，下部与所述支撑架销轴连接。

7.根据权利要求4、5或6所述的基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，其特征在于：所述的传动装置为链条传动、齿条传动或皮带传动装置。

8.根据权利要求1所述的基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，其特征在于：所述的液压传动系统包括增速器、双向液压泵、蓄能器、液压马达；所述增速器与所述机械传动装置连接，所述双向液压泵与所述增速器连接，通过双行程做功，向所述蓄能器注油；所述蓄能器输出高压油驱动所述的液压马达。

9.根据权利要求8所述的基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，其特征在于：液压油路设有单向阀，所述单向阀用于控制液压油的走向，使所述双向液压泵正、反向转动时，液压油通过不同的油路进入液压回路。

10.根据权利要求8或9所述的基于机械-液压耦合传动的波浪蓄能发电系统，其特征在于：所述蓄能器有两组以上，两组以上的蓄能器并联连接在液压回路中；所述蓄能器前方设有常通电磁阀，后方设有常断电磁阀；所述两组以上的蓄能器中，至少有一组蓄能器在其他蓄能器放油的同时充油。

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