CN105804924A - 一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,包括支撑机构、波浪能收集组件、多浮子液压储能系统、发电系统,在支撑机构上设有多个并列布置的导向杆,所述波浪能收集组件包括多个并列布置的浮子,所述浮子穿装在导向杆上,在各个浮子的至少一端安设有上下滑移机构,所述上下滑移机构通过齿轮齿条传动机构与液压储能系统的输入端,所述液压储能系统的输出端与发电系统的发电机相连。本装置能同时收集浮子上升、下降运动行程中的能量,通过液压储能系统实现多浮子能量的叠加输出,提高发电机的效率,且可根据不同海域和不同季节的海况,调整整个装置的高度,使浮子的运动行程达到最佳状态,适应性强、稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及海洋波浪能发电装置,具体来说是涉及一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置。
背景技术
化石能源日渐枯竭和化石能源利用产生的环境问题日益凸显,开发和利用新的绿色能源成为世界各国关注的焦点。风力发电、太阳能发电、潮汐能发电等各种技术快速发展,风力发电对风的依赖程度大,整体占地面积大,还影响鸟类生存,影响生态环境;太阳能发电受光电转换装置限制,光电转换装置的主要材料硅生产严重污染环境,且成本高;潮汐能发电也日趋成熟,但发电成本高,对地理海域依赖性大,难推广。海洋中蕴藏巨大能量的波浪能源具有储量巨大、清洁并可再生的特点,波浪能的开发利用从上世界七十年代后得到欧洲沿海国家的重视,经过多年的研究和开发,已获得长足发展,但是国内在该领域仍处于试验阶段。
我们海岸线长达一万八千多公里,据估计波浪能理论储量为7000万千瓦左右,有广阔的开发利用前景。目前常见的波浪能发电装置有一下几种类型:一种是单浮子振荡水柱式发电装置,但其发电效率低,发电成本高,难以推广应用;一种是漂浮式发电装置,但其俘获结构体积巨大,装置吃水面积较大,受风浪作用明显,自身稳定性差,波浪能吸收和利用效率低;一种是收缩流道将波浪引入高位水库,利用水位差驱动水轮机发电机组发电,其发电量大,但对地形要求严格,成本巨大,不易推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种发电效率高、稳定性好、适应性强的单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置。
本发明所采用的技术方案为:一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:包括支撑机构、波浪能收集组件、多浮子液压储能系统、发电系统,在支撑机构上设有多个并列布置的导向杆,所述波浪能收集组件包括多个并列布置的浮子,所述浮子穿装在导向杆上,所述浮子可以沿导向杆上下滑移,在各个浮子的至少一端安设有上下滑移机构与支撑机构相配设,所述上下滑移机构通过齿轮齿条传动机构与多浮子液压储能系统的输入端,所述多浮子液压储能系统的输出端与发电系统的发电机相连。
按上述技术方案,还包括液压顶升装置,所述液压顶升装置用于控制支撑机构的升降。
按上述技术方案,所述多浮子液压储能系统包括多个液压储能装置、集成油箱、液压马达,所述液压储能装置包括第一加速齿轮箱、双向齿轮泵、梭阀,第一加速齿轮箱的输入轴与齿轮齿条机构的齿轮相连,第一加速齿轮箱输出轴与双向齿轮泵相连,双向齿轮泵的进油口与集成油箱的出油口相连,双向齿轮泵的两个油口分别与梭阀的两个进油口相连,所述梭阀的出油口与液压马达的进油口相连通,所述液压马达的输出轴与发电机输入轴相连。
按上述技术方案,在梭阀的出油口出还设置有电磁节流阀,所述电磁节流阀通过电磁节流阀控制电路。
按上述技术方案,所述液压马达的输出轴还通过第二加速齿轮箱与发电机输入轴相连。按上述技术方案,所述液压马达还通过溢流阀与集成油箱相连。
按上述技术方案,所述发电系统包括发电机、整流器、储能装置。
按上述技术方案,所述液压顶升装置包括控制单元、电动机、双向泵、油箱、液压油缸,所述液压油缸的一端与支撑机构相连。
按上述技术方案,所述支撑机构包括浮子支撑框架、整体支架、平台板、支柱、底座,浮子支撑框架通过螺栓与整体支架连接,平台板焊接安装在整体支架的上端,支柱为4个,所述支柱的上端与液压顶升装置的液压油缸相连,液压油缸的另一端与整体支架相连,支柱的下端通过法兰与底座连接固定,底座浇筑在海底平台上。
按上述技术方案,所述上下滑移机构包括固定在浮子上的滑轨,所述滑轨竖向布设,并穿过支撑机构上的导向孔,在支撑机构上对应滑轨设置有滑块,所述滑块固设在支撑机构上,所述齿轮齿条传动机构包括齿条、齿轮,齿条固定设置在滑轨上,所述齿轮安设多浮子液压储能系统的第一加速齿轮箱的输入轴上,齿条与齿轮相啮合。
本发明所取得的有益效果为:
1、本发电装置具有较好的稳定性:在波浪能收集结构中,利用导向杆使得浮子运动形式固定,只收集可利用的浮动上升、下降所产生的波浪能,也能避免恶劣海况对浮子带来的破坏;
2、本发电装置发电效率较高:所述多浮子液压储能系统采用双向齿轮泵,能同时收集浮子上升、下降运动行程中的能量,通过多浮子液压储能系统实现多浮子能量的叠加输出,提高发电机的效率,并且浮子的运动状态不同不会影响能量输入到多浮子液压储能系统中,稳定性能好;
3、本发电装置具有较好的适应性,液压顶升装置可根据不同海域和不同季节的海况、海平面高度,调整整个支撑机构的高度,使浮子的运动行程达到最佳状态,同时也能减少极其恶劣海况下海浪对浮子、支撑机构带来破坏;
4、本发电装置可靠性较高:多浮子能量最终输入到同一台发电机中,减少了发电机的数量,同时若有个别浮子损坏,不会影响其他浮子能量的输出,发电装置仍能工作,降低了维护成本;在多浮子液压储能系统中加入电磁节流阀控制模块,控制液压系统流量甚至可以锁死,避免极恶劣海况下浮子运动行程过大造成装置的破坏;
5、本发电装置通过多浮子液压储能系统的闭式循环将海浪能转换为电能,损耗较小,实用性强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明中上下滑移机构的结构示意图;
图3为本发明中多浮子液压储能系统、发电系统的原理图;
图4为本发明中第一、二、三单向阀组结构示意图;
图5为本发明中液压顶升装置的原理图;
图6为本发明中支撑机构的结构示意图;
图7为本发明中的电磁节流阀控制电路图;
图8为本发明中的液压顶升装置控制器的控制电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图所示,本实施例提供了一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,包括支撑机构、波浪能收集组件、多浮子液压储能系统、发电系统3。
所述支撑机构包括浮子支撑框架1-1、整体支架1-2、平台板1-3、支柱1-4、底座1-5、法兰1-6,浮子支撑框架1-1通过螺栓与整体支架1-2连接,平台板1-3焊接安装在整体支架1-2上端,支柱1-4为4个,安设在整体支架1-2的四个角上,支柱1-4的下端通过法兰1-6与底座1-5连接固定,底座1-5浇筑在海底平台上。
在浮子支撑框架1-1上设有多个并列布置的导向杆2-6,所述波浪能收集组件包括多个并列布置的浮子2-1,每个浮子3对应穿装在2根导向杆上,浮子2-1可以沿导向杆2-6上下滑移,在各个浮子的至少一端安设有上下滑移机构,所述上下滑移机构包括固定在浮子2-1上的滑轨2-3,所述滑轨2-3竖向布设,并穿过浮子支撑框架1-1上的导向孔,滑轨2-3的下端通过螺栓与支撑板架2-7连接固定,支撑板架2-7焊接固定在浮子2-1上,在浮子支撑框架1-1上对应滑轨设置有滑块2-4,所述滑块2-4通过滑块支撑机构2-5固设在浮子支撑框架1-1上。所述上下滑移机构通过齿轮齿条传动机构与多浮子液压储能系统的输入端,所述多浮子液压储能系统的输出端与发电系统的发电机相连。所述齿轮齿条传动机构包括齿条2-2、齿轮,齿条2-2固定设置在滑轨2-3上,所述齿轮安设多浮子液压储能系统的第一加速齿轮箱3-1的输入轴上,齿条与齿轮相啮合。
所述多浮子液压储能系统包括多个液压储能装置、集成油箱3-9、第一单向阀组3-5、第二单向阀组3-6,液压马达、溢流阀3-10,所述液压储能装置的数量与浮子的数量一一对应,所述液压储能装置包括第一加速齿轮箱3-1、双向齿轮泵3-2、梭阀3-3、电磁节流阀3-4,集成油箱3-9的出油口与第一单向阀组3-5和第三单向阀组3-7的进油口相连,第一加速齿轮箱3-1输出轴通过联轴器与双向齿轮泵3-2轴相连,双向齿轮泵3-2的进油口与第一单向阀组3-5的出油口相连,双向齿轮泵3-2的两个油口分别与梭阀3-3的两个进油口相连,所述梭阀3-3的出油口通过电磁节流阀3-4与液压马达3-8的进油口相连通,第二单向阀组3-6设置在液压马达3-8的进油管路上。
所述发电系统包括第二加速齿轮箱3-11、交流发电机3-12、整流器3-13、储能装置3-14,液压马达3-8的输出轴通过第二加速齿轮箱3-11与交流发电机3-12的输入轴相连。
当浮子2-1在波浪力的作用下向上运动,第一加速齿轮相3-1的轴在齿条2-2的带动下旋转,从而带动双向齿轮泵3-2旋转,使液压油从集成油箱3-9,通过油管,经过第一单向阀组3-5进入双向齿轮泵3-2的进油口,经过双向齿轮泵3-2的加压,形成高压油,从双向齿轮泵3-2的出油口b送出,然后从梭阀3-3进油口d进入梭阀3-3,经过梭阀3-3出油口e进入油管,经过第二单向阀组3-6进入液压马达3-8中,带动液压马达3-8旋转,第二加速齿轮箱3-11与液压马达3-8通过联轴器相连,第二加速齿轮箱3-11输出轴与交流发电机3-12相连,从而带动交流发电机3-12发电,发出的电经过整流器3-13的作用进入储能装置3-14中。
当浮子2-1在波浪力的作用下向下运动,双向齿轮泵3-2的轴在齿条2-2的带动下旋转,液压油从集成油箱3-9,通过油管,经过第一单向阀组3-7进入双向齿轮泵3-2的进油口,经过双向齿轮泵3-2的加压,形成高压油,从双向齿轮泵3-2的出油口a送出,然后从梭阀3-3进油口c进入梭阀3-3,经过梭阀3-3出油口e进入油管,经过第二单向阀组3-6进入液压马达3-8中,带动液压马达3-8旋转,进而带动交流发电机3-12发电。
所述多浮子液压储能系统、发电系统3实现了浮子2-1双向运动发电,也将多浮子的能量进行了叠加,汇总输出到同一台交流发电机3-12中,并且浮子2-1之间能量收集传输不会相互干扰。
其中,所述第一单向阀组3-5由多个单向阀3-5-1及一个总单向阀3-5-2集成,第二单向阀组3-6由多个单向阀3-6-1及一个总单向阀3-6-2集成,第三单向阀组3-7由多个单向阀3-7-1及一个总单向阀3-7-2集成,结构如图4所示。
所述电磁节流阀3-4安装在梭阀3-3和第二单向阀组3-6之间的油管上,溢油阀3-10安装在液压马达3-8和集成油箱3-9之间的油管上,用于调节管路内的油液压力恒定。
当遇到较恶劣的海况时,为了保护发电系统,还安设有电磁节流阀控制电路,其电路图如图7所示,通过电磁节流阀控制电路调节通过电磁节流阀3-4的电流大小,控制阀门开启的程度,从而保护恶劣海况下的发电装置。
由于不同海域和不同季节的海况,海平面高度的高度不同,本发明还设置有液压顶升装置,通过液压顶升装置用于调整平台的高度,使浮子的运动行程达到最佳状态,同时也能减少极其恶劣海况下海浪对浮子、平台带来破坏。所述液压顶升装置包括悬线测波仪、控制单元、电动机4-3、双向泵4-5、油箱4-4、4液压油缸4-6,所述液压油缸安设在支柱1-4上。电动机4-3通过联轴器与双向泵4-5相连,电动机4-3旋转,带动双向泵4-5旋转,双向泵4-5从液压油箱4-4里泵油进入液压油缸4-6,再回流到液压油箱4-4中。
图8为本发明中的液压顶升装置控制单元的电路图,如图所示,其包括控制器4-1、电机驱动器4-2、多个继电器。其中,控制器采用型号为AT89C51的单片机IC1,悬线测波仪的信号输出端与单片机的信号输入端相连。
本发明的工作过程为:波浪上下起伏运动,带动浮子和齿条上下运动,通过加速齿轮箱将直线运动转换为旋转运动,从而带动双向齿轮泵工作,液压油通过双向齿轮泵、阀组、液压管路进入到液压马达中,实现多浮子能量叠加输出,带动液压马达旋转,通过加速齿轮箱提高转速后与交流发电机相连,带动交流发电机发电,发出的电经过整流器输出到平台自身的储能装置中和并入电网,至此完成发电过程。当遭遇到恶劣海况时,监测仪器检测到海况信号输入到电磁节流阀控制模块控制电路中,通过控制器处理,输出电流信号控制阀门的开启程度,以保护发电装置。当不同季节和海域的海况、海平面高度不同时,悬线测波仪收集到的信号输入到液压顶升装置控制单元中,通过控制器的处理,输出电动机的控制信号,进而控制液压油缸,调整整个浮子支撑架到合适位置,使浮子的运动行程达到最佳状态。若遭遇恶劣海况,也能通过此控制器升高整个浮子支撑架,避免海浪对浮子和平台造成冲击破坏。
Claims (10)
1.一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:包括支撑机构、波浪能收集组件、多浮子液压储能系统、发电系统,在支撑机构上设有多个并列布置的导向杆,所述波浪能收集组件包括多个并列布置的浮子,所述浮子穿装在导向杆上,所述浮子可以沿导向杆上下滑移,在各个浮子的至少一端安设有上下滑移机构与支撑机构相配设,所述上下滑移机构通过齿轮齿条传动机构与多浮子液压储能系统的输入端,所述多浮子液压储能系统的输出端与发电系统的发电机相连。
2.根据权利要求1所述的一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:还包括液压顶升装置,所述液压顶升装置用于控制支撑机构的升降。
3.根据权利要求1或2所述的一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:所述多浮子液压储能系统包括多个液压储能装置、集成油箱、液压马达,所述液压储能装置包括第一加速齿轮箱、双向齿轮泵、梭阀,第一加速齿轮箱的输入轴与齿轮齿条机构的齿轮相连,第一加速齿轮箱输出轴与双向齿轮泵相连,双向齿轮泵的两个油口分别与集成油箱的出油口相连,双向齿轮泵的两个油口分别与梭阀的两个进油口相连,所述梭阀的出油口与液压马达的进油口相连通,所述液压马达的输出轴与发电机输入轴相连。
4.根据权利要求3所述的一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:在梭阀的出油口出还设置有电磁节流阀,所述电磁节流阀通过电磁节流阀控制电路控制。
5.根据权利要求3所述的一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:所述液压马达的输出轴还通过第二加速齿轮箱与发电机输入轴相连。
6.根据权利要求3所述的一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:所述液压马达还通过溢流阀与集成油箱相连。
7.根据权利要求1或2所述的一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:所述发电系统包括发电机、整流器、储能装置。
8.根据权利要求2所述的一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:所述液压顶升装置包括悬线测波仪、控制单元、电动机、双向泵、油箱、液压油缸,所述液压油缸的一端与支撑机构相连。
9.根据权利要求2所述的一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:所述支撑机构包括浮子支撑框架、整体支架、平台板、支柱、底座,浮子支撑框架通过螺栓与整体支架连接,平台板焊接安装在整体支架的上端,支柱为4个,所述支柱的上端与液压顶升装置的液压油缸相连,液压油缸的另一端与整体支架相连,支柱的下端通过法兰与底座连接固定,底座浇筑在海底平台上。
10.根据权利要求1或2所述的一种单自由度多浮子组合式能量叠加波浪能发电装置,其特征在于:所述上下滑移机构包括固定在浮子上的滑轨,所述滑轨竖向布设,并穿过支撑机构上的导向孔,在支撑机构上对应滑轨设置有滑块,所述滑块固设在支撑机构上,所述齿轮齿条传动机构包括齿条、齿轮,齿条固定设置在滑轨上,所述齿轮安设多浮子液压储能系统的第一加速齿轮箱的输入轴上,齿条与齿轮相啮合。
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