一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统及其海况自适应发电方法

摘要

本发明涉及一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统及其海况自适应发电方法，属于波浪能发电领域，包括全封闭偏心摆式波浪能发电装置、连接器、锚链和锚，发电装置通过连接器与锚链铰连接，锚链与锚固定连接；发电装置包括固定连接的下壳体和上壳体，下壳体和上壳体将海水隔离形成封闭的内部空间，内部空间下壳体上安装有支架和能量转换模块，能量转换模块包括中心轴、液压缸和摆锤，中心轴与支架旋转连接，液压缸通过旋转配油器与中心轴连接，摆锤固定于液压缸的活塞杆上，摆锤和液压缸相对于中心轴均为偏心安装。本发明能够根据海况特点自主调节偏心转子的偏心距，适应不同的波况条件，提高能量捕获效率，并能够平稳、高效的输出电能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统及其海况自适应发电方法，属于波浪能发电技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展，对能源的需求日益增加，而世界上的传统化石能源日益减少，能源危机逐渐凸显。化石能源的燃烧也释放了大量有害物质，导致全球变暖，引发了一系列的环境问题。为有效解决日益严重的能源和环境问题，开发并利用可再生能源已成为人类可持续发展的共识。

占地球表面约71％的海洋蕴藏着储量巨大的可再生能源，其理论值可达2.1×106TW·h，主要以海洋风能、波浪能、潮汐能等形式存在。波浪能是所有可再生能源中能量密度最大的一类能源，其能量分布集中、理论能量俘获效率高、有效产能时间长，是各国可再生能源利用的研究热点。

波浪能利用技术经过几十年的快速发展，已经出现了振荡浮子式、振荡水柱式、筏式、鸭式、越浪式、摆式等多种波浪发电装置，但提高可靠性和提高发电效率仍是波浪能发电装置的研究难点。中国专利文献CN 102269102 A公开了一种封闭式单向旋转波浪能发电装置，采用全封闭设计方式解决了传统波浪能发电装置开放式结构所引起的腐蚀、生物附着等难题。但该发明在管道内部填充水银以捕获波浪能，存在安全隐患。中国专利文献CN105626365 A公开了一种全封闭式波浪能发电装置，也采用了封闭箱体，使运动部件不与海水接触，可靠性高。中国专利文献CN 108825426 A公开了一种多自由度偏心摆式波浪能发电装置及发电方法，采用齿轮换向，将摆臂的双向运动转换为发电机的单向运动，能够使所输出的电能更加平稳。

虽然采用封闭式结构能够有效提高波浪能发电装置的可靠性，但封闭式结构也限制了能量捕获机构的运动空间，影响了能量捕获功率，降低了发电效率。特别是在海况多变的海域内，封闭式波浪能发电装置能够适应的波况范围小，很难稳定、高效的发出电能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统及其海况自适应发电方法，能够根据海况特点自主调节偏心转子的偏心距，适应不同的波况条件，提高能量捕获效率，并能够平稳、高效的输出电能。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统，包括全封闭偏心摆式波浪能发电装置、连接器、锚链和锚，全封闭偏心摆式波浪能发电装置通过连接器与锚链铰连接，全封闭偏心摆式波浪能发电装置通过连接器绕锚链转动，锚链与锚固定连接，工作时，全封闭偏心摆式波浪能发电装置漂浮在海面上，锚链和锚将全封闭偏心摆式波浪能发电装置锚定在海床上；

所述全封闭偏心摆式波浪能发电装置包括固定连接的下壳体和上壳体，下壳体和上壳体将海水隔离形成封闭的内部空间，内部空间下壳体上安装有支架和能量转换模块，支架架设在下壳体上，所述能量转换模块包括中心轴、液压缸和摆锤，所述中心轴与支架旋转连接，所述液压缸通过旋转配油器与中心轴连接，旋转配油器为成熟产品，其作用为：在为液压缸供油的基础上可以使液压缸相对于中心轴转动，在中心轴、液压缸、摆锤转动过程中，旋转配油器能够正常向液压缸输送液压油，所述摆锤固定于液压缸的活塞杆上，摆锤和液压缸相对于中心轴均为偏心安装。

优选的，连接器包括转轴和转环，转环与转轴旋转连接，转环相对于转轴可转动，转轴与全封闭偏心摆式波浪能发电装置固定连接，转环与锚链固定连接，从而使全封闭偏心摆式波浪能发电装置可以绕锚链转动。

优选的，上下壳体之间螺栓连接，其间隙采用密封圈密封，本发明的全封闭偏心摆式波浪能发电系统产生电能后，可通过水密接插件将电能引出，水密接插件为现有的成熟产品，防水效果好。

优选的，所述能量转换模块还包括蓄能器、增速箱、液压油管、过滤器、液压泵、发电机、液压马达和阀组，所述增速箱与中心轴旋转连接，增速箱与液压泵固定连接，液压马达与发电机固定连接，蓄能器、过滤器、液压泵、液压马达、阀组、液压缸、旋转配油器之间通过液压油管相互连接。

优选的，全封闭偏心摆式波浪能发电装置的液压系统包括所述阀组、油箱、过滤器、一号压力表、流量计、二号压力表、液压马达和蓄能器，所述阀组包括一号单向阀、二号单向阀、三号单向阀、四号单向阀、溢流阀和可变节流阀；

所述油箱经过滤器依次连接四号单向阀、液压泵、一号单向阀、可变节流阀、流量计和液压马达，液压泵连接增速箱，液压马达连接发电机，所述过滤器和一号单向阀之间连接有三号单向阀，一号单向阀和可变节流阀之间连接有二号压力表，四号单向阀和二号压力表之间连接有二号单向阀，所述二号压力表和可变节流阀之间通过蓄能器依次连接溢流阀和液压缸，液压缸与摆锤连接，液压缸为单作用液压缸，所述流量计与液压马达之间连接一号压力表，一号压力表能够监测进入液压马达的液压油的压力，二号压力表能够监测蓄能器油口处的压力，流量计能够监测进入液压马达的液压油流量；

本发明中，通过改变可变节流阀的节流面积，能够改变全封闭偏心摆式波浪能发电系统适应海况的范围；

溢流阀起安全保护作用，防止液压油压力过大损坏液压元件；

当液压系统中液压油的压力突然升高时，蓄能器能够储存一部分液压油；当液压系统中液压油的压力突然降低时，蓄能器能够释放一部分液压油，因而蓄能器能够消除液压系统中的液压油压力冲击，使发出的电能较为平稳。

优选的，所述可变节流阀连接有控制器，能够实时调节可变节流阀的流通面积。当需要提高发电量时，会给控制器提示信号，控制器接收信号后向可变节流阀发送调节信号，增大可变节流阀的流通面积，在可变节流阀处的压力损失减小，可变节流阀入口处的压力减小，并使得摆锤的偏心距增大，能够提高中心轴的转速，进而增大液压泵输出液压油的流量，从而提高发电量；当需要减小发电量时，控制器接收信号后向可变节流阀发送调节信号，减小可变节流阀的流通面积，在可变节流阀处的压力损失增大，可变节流阀入口处的压力增大，并使得摆锤的偏心距减小，能够降低中心轴的转速，进而降低液压泵输出液压油的流量，从而减小发电量。

进一步优选的，全封闭偏心摆式波浪能发电装置的液压系统不使用可变节流阀，增加三位四通电磁阀，具体包括所述阀组、油箱、过滤器、一号压力表、流量计、二号压力表、液压马达和蓄能器，所述阀组包括一号单向阀、二号单向阀、三号单向阀、四号单向阀、溢流阀和三位四通电磁阀；

所述油箱经过滤器依次连接四号单向阀、液压泵、一号单向阀、二号压力表、流量计和液压马达，液压泵连接增速箱，液压马达连接发电机，所述过滤器和一号单向阀之间连接有三号单向阀，四号单向阀和二号压力表之间连接有二号单向阀，所述二号压力表和流量计之间通过蓄能器依次连接溢流阀、三位四通电磁阀和液压缸，液压缸与摆锤连接，所述流量计与液压马达之间连接一号压力表；

三位四通电磁阀处于中位时，摆锤的偏心距为固定值，当需要增大摆锤的偏心距时，三位四通电磁阀处于右位，高压液压油从无杆腔进入液压缸，推动活塞杆伸出；当需要减小摆锤的偏心距时，三位四通电磁阀处于左位，高压液压油从有杆腔进入液压缸，推动活塞杆缩回。

另一方面，本发明还提供一种上述全封闭偏心摆式波浪能发电系统的海况自适应发电方法，包括：

工作时，全封闭偏心摆式波浪能发电装置漂浮在海面上，锚链和锚将全封闭偏心摆式波浪能发电装置锚定；

受波浪的激励，全封闭偏心摆式波浪能发电装置发生晃动，使得摆锤和液压缸的重心位置偏离重力势能最低点，在重力的作用下，摆锤和液压缸向重力势能最低点位置运动，从而带动中心轴转动，增速箱提升中心轴的转动速度，并驱动液压泵转动；

中心轴既可以沿顺时针旋转，也可以沿逆时针旋转，因此，液压泵既可以正向旋转，也可以反向旋转；

液压泵正向旋转时，液压油从油箱经过过滤器、四号单向阀、液压泵、一号单向阀、可变节流阀、流量计进入液压马达，液压马达驱动发电机发电；

液压泵反向旋转时，液压油从油箱经过过滤器、三号单向阀、液压泵、二号单向阀、可变节流阀、流量计进入液压马达，液压马达驱动发电机发电；

当波浪较大时，中心轴的旋转速度较快，使得液压泵的旋转速度也较快，液压泵输出的液压油流量较大，在不改变可变节流阀的节流面积的条件下，可变节流阀入口处的压力较大，从而使进入液压缸有杆腔的液压油压力增大，高压液压油压缩弹簧，使液压缸的活塞杆回缩，从而减小了摆锤的偏心距，进而能够降低中心轴受波浪激励后的旋转速度；

当波浪较小时，中心轴的旋转速度较慢，使得液压泵的旋转速度也较慢，液压泵输出的液压油流量较小，在不改变可变节流阀的节流面积的条件下，可变节流阀入口处的压力较小，从而使进入液压缸有杆腔的液压油压力减小，在弹簧力的作用下，使液压缸的活塞杆伸出，从而增大了摆锤的偏心距，进而能够提高中心轴受波浪激励后的旋转速度。

本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

本发明的有益效果为：

1)本发明采用全封闭式结构，将能量转换模块与海水完全隔离，降低了能量转换模块失效的风险；

2)能够根据波浪状况自动调节摆锤的偏心距，适应不同的波况条件，提高能量捕获效率，能够调节发电能力，可以有效提高发电效率和发电稳定性，并能够适应复杂多变的海洋环境。

3)全封闭偏心摆式波浪能发电装置与锚链之间为铰连接，装置可以绕锚链转动，且整个发电装置的上下壳体为半圆球形，在波浪传播方向发生变化时，能够自动调整迎浪方向，使装置的发电能力不受波浪传播方向变化的影响。

附图说明

图1为本发明的全封闭偏心摆式波浪能发电系统的整体结构示意图；

图2为本发明的全封闭偏心摆式波浪能发电装置结构示意图；

图3为本发明的连接器的结构示意图；

图4为本发明的能量转换模块结构示意图；

图5为本发明的全封闭偏心摆式波浪能发电装置的液压系统连接关系示意图一；

图6为本发明的全封闭偏心摆式波浪能发电装置的液压系统连接关系示意图二；

图7为本发明的全封闭偏心摆式波浪能发电装置的液压系统连接关系示意图三；

图中，1-全封闭偏心摆式波浪能发电装置，2-连接器，3-锚链，4-锚，5-下壳体，6-上壳体，7-支架，8-能量转换模块，9-蓄能器，10-增速箱，11-液压油管，12-过滤器，13-液压泵，14-发电机，15-液压马达，16-阀组，17-摆锤，18-液压缸，19-中心轴，20-旋转配油器，21-一号单向阀，22-二号单向阀，23-三号单向阀，24-四号单向阀，25-油箱，26-一号压力表，27-流量计，28-溢流阀，29-可变节流阀，30-二号压力表，31-控制器，32-三位四通电磁阀，33-转轴，34-转环。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统，如图1～7所示，包括全封闭偏心摆式波浪能发电装置1、连接器2、锚链3和锚4，全封闭偏心摆式波浪能发电装置1通过连接器2与锚链3铰连接，全封闭偏心摆式波浪能发电装置1通过连接器2绕锚链3转动，锚链3与锚4固定连接，工作时，全封闭偏心摆式波浪能发电装置1漂浮在海面上，锚链3和锚4将全封闭偏心摆式波浪能发电装置1锚定在海床上；

全封闭偏心摆式波浪能发电装置1包括固定连接的下壳体5和上壳体6，下壳体5和上壳体6将海水隔离形成封闭的内部空间，内部空间下壳体5上安装有支架7和能量转换模块8，支架7架设在下壳体上，如图4所示，能量转换模块8包括中心轴19、液压缸18和摆锤17，中心轴19与支架7旋转连接，液压缸18通过旋转配油器与20中心轴19连接，旋转配油器20为成熟产品，其作用为：在为液压缸供油的基础上可以使液压缸18相对于中心轴19转动，在中心轴19、液压缸18、摆锤17转动过程中，旋转配油器20能够正常向液压缸18输送液压油，摆锤17固定于液压缸18的活塞杆上，摆锤17和液压缸18相对于中心轴均为偏心安装。

实施例2：

一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统，结构如实施例1所示，所不同的是，如图3所示，连接器2包括转轴33和转环34，转环34与转轴33旋转连接，转环34相对于转轴33可转动，转轴33与全封闭偏心摆式波浪能发电装置1固定连接，转环34与锚链3固定连接，从而使全封闭偏心摆式波浪能发电装置1可以绕锚链3转动。

实施例3：

一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统，结构如实施例1所示，所不同的是，能量转换模块8还包括蓄能器9、增速箱10、液压油管11、过滤器12、液压泵13、发电机14、液压马达15和阀组16，增速箱10与中心轴19旋转连接，增速箱10与液压泵13固定连接，液压马达15与发电机14固定连接，蓄能器9、过滤器12、液压泵13、液压马达15、阀组16、液压缸18、旋转配油器20之间通过液压油管11相互连接。

实施例4：

一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统，结构如实施例3所示，所不同的是，如图5所示，全封闭偏心摆式波浪能发电装置1的液压系统包括阀组16、油箱25、过滤器12、一号压力表26、流量计27、二号压力表30、液压马达15和蓄能器9，阀组16包括一号单向阀21、二号单向阀22、三号单向阀23、四号单向阀24、溢流阀28和可变节流阀29；

油箱25经过滤器12依次连接四号单向阀24、液压泵13、一号单向阀21、可变节流阀29、流量计27和液压马达15，液压泵13连接增速箱10，液压马达15连接发电机14，过滤器12和一号单向阀21之间连接有三号单向阀23，一号单向阀21和可变节流阀29之间连接有二号压力表30，四号单向阀24和二号压力表30之间连接有二号单向阀22，二号压力表30和可变节流阀29之间通过蓄能器9依次连接溢流阀28和液压缸18，液压缸18与摆锤17连接，液压缸18为单作用液压缸，流量计27与液压马达15之间连接一号压力表26，一号压力表26能够监测进入液压马达15的液压油的压力，二号压力表30能够监测蓄能器9油口处的压力，流量计27能够监测进入液压马达15的液压油流量；

本发明中，通过改变可变节流阀29的节流面积，能够改变全封闭偏心摆式波浪能发电系统适应海况的范围；

溢流阀28起安全保护作用，防止液压油压力过大损坏液压元件；

当液压系统中液压油的压力突然升高时，蓄能器9能够储存一部分液压油；当液压系统中液压油的压力突然降低时，蓄能器9能够释放一部分液压油，因而蓄能器9能够消除液压系统中的液压油压力冲击，使发出的电能较为平稳。

实施例5：

一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统，结构如实施例4所示，所不同的是，如图6所示，可变节流阀29连接有控制器31，能够实时调节可变节流阀29的流通面积。当需要提高发电量时，会给控制器31提示信号，控制器31接收信号后向可变节流阀29发送调节信号，增大可变节流阀29的流通面积，在可变节流阀处的压力损失减小，可变节流阀29入口处的压力减小，并使得摆锤17的偏心距增大，能够提高中心轴19的转速，进而增大液压泵13输出液压油的流量，从而提高发电量；当需要减小发电量时，控制器31接收信号后向可变节流阀29发送调节信号，减小可变节流阀29的流通面积，在可变节流阀处的压力损失增大，可变节流阀29入口处的压力增大，并使得摆锤17的偏心距减小，能够降低中心轴19的转速，进而降低液压泵13输出液压油的流量，从而减小发电量。

实施例6：

一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统，结构如实施例3所示，所不同的是，全封闭偏心摆式波浪能发电装置的液压系统不使用可变节流阀，增加三位四通电磁阀32，如图7所示，具体包括阀组16、油箱25、过滤器12、一号压力表26、流量计27、二号压力表30、液压马达15和蓄能器9，阀组16包括一号单向阀21、二号单向阀22、三号单向阀23、四号单向阀24、溢流阀28和三位四通电磁阀32；

油箱25经过滤器12依次连接四号单向阀24、液压泵13、一号单向阀21、二号压力表30、流量计27和液压马达15，液压泵13连接增速箱10，液压马达15连接发电机14，过滤器12和一号单向阀21之间连接有三号单向阀23，四号单向阀24和二号压力表30之间连接有二号单向阀22，二号压力表30和流量计27之间通过蓄能器9依次连接溢流阀28、三位四通电磁阀32和液压缸18，液压缸18与摆锤17连接，流量计27与液压马达15之间连接一号压力表26；

三位四通电磁阀32处于中位时，摆锤17的偏心距为固定值，当需要增大摆锤17的偏心距时，三位四通电磁阀32处于右位，高压液压油从无杆腔进入液压缸，推动活塞杆伸出；当需要减小摆锤17的偏心距时，三位四通电磁阀32处于左位，高压液压油从有杆腔进入液压缸，推动活塞杆缩回。

实施例7：

一种全封闭偏心摆式波浪能发电系统的海况自适应发电方法，包括：

工作时，全封闭偏心摆式波浪能发电装置1漂浮在海面上，锚链3和锚4将全封闭偏心摆式波浪能发电装置1锚定；

受波浪的激励，全封闭偏心摆式波浪能发电装置1发生晃动，使得摆锤17和液压缸18的重心位置偏离重力势能最低点，在重力的作用下，摆锤17和液压缸18向重力势能最低点位置运动，从而带动中心轴19转动，增速箱10提升中心轴19的转动速度，并驱动液压泵13转动；

中心轴19既可以沿顺时针旋转，也可以沿逆时针旋转，因此，液压泵13既可以正向旋转，也可以反向旋转；

液压泵13正向旋转时，液压油从油箱25经过过滤器12、四号单向阀24、液压泵13、一号单向阀21、可变节流阀29、流量计27进入液压马达15，液压马达15驱动发电机14发电；

液压泵13反向旋转时，液压油从油箱25经过过滤器12、三号单向阀23、液压泵13、二号单向阀22、可变节流阀29、流量计27进入液压马达15，液压马达15驱动发电机14发电；

当波浪较大时，中心轴19的旋转速度较快，使得液压泵13的旋转速度也较快，液压泵13输出的液压油流量较大，在不改变可变节流阀29的节流面积的条件下，可变节流阀29入口处的压力较大，从而使进入液压缸18有杆腔的液压油压力增大，高压液压油压缩弹簧，使液压缸18的活塞杆回缩，从而减小了摆锤17的偏心距，进而能够降低中心轴19受波浪激励后的旋转速度；

当波浪较小时，中心轴19的旋转速度较慢，使得液压泵13的旋转速度也较慢，液压泵13输出的液压油流量较小，在不改变可变节流阀29的节流面积的条件下，可变节流阀29入口处的压力较小，从而使进入液压缸18有杆腔的液压油压力减小，在弹簧力的作用下，使液压缸18的活塞杆伸出，从而增大了摆锤17的偏心距，进而能够提高中心轴受波浪激励后的旋转速度。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。