一种智能迎浪式聚波多浮子发电装置

摘要

本发明公开了一种智能迎浪式聚波多浮子发电装置，包括支撑框架、波浪能收集组件、多浮子液压储能系统、发电系统、波浪方向浮标、液压转向装置，所述支撑框架安设在支柱上，所述液压转向装置用于控制支柱的转动角度，所述波浪能收集组件包括多组并列布置的浮子，在各个浮子的至少一端安设有上下滑移机构与支撑框架相配设，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，在支撑框架上对应每组浮子设有聚波箱体。本发明结构简单、整体化程度高、拆装灵活、控制简易、可随平均浪向实现智能转向，波浪能吸收率高、发电效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能迎浪式聚波多浮子发电装置。

背景技术

波浪能作为一种清洁无污染的可再生能源，利用波浪能发电是解决我国能源短缺问题的 有效措施之一，世界上各个国家十分重视研究开发海洋波浪能发电装置。基于振荡浮子的点 吸收式波浪能装换装置是捕获波浪能的主要方式之一。目前国内各大高校、科研院所以及国 外相关公司已成功开发单点吸收式波浪能发电装置。由于单点吸收式波浪能转化装置只能利 用一个振荡浮子来收集波浪能，受到单个振荡浮子体积、重量等因素的影响，同一套系统的 发电功率受到限制，导致波浪能利用成本较高，已越来越不能满足大规模收集波浪能发电的 要求。

近一阶段，各国相关研究机构对多点吸收式波浪能装换装置的研究越来越多。多点吸收 式波浪能装换装置，即利用多个相对较小的振荡浮子组成阵列式，在海面上形成波浪能发电 场，同时收集多处的波浪能并转换为电能输出。这种类型装置优势在于，可减小单个振荡浮 子的体积和重量，便于浮子的制造和运输；可同时利用多个振荡浮子收集波浪能，大规模发 电，在一定程度上提高波能吸收效率，从而增加发电量；波浪能收集也更为连续、均匀。

目前，已经研究出的多点吸收式波浪能装换装置仍然存在许多不足之处，相比单浮子发 电装置存在因波浪入射方向易受季节更替而发生变化导致浮子间对波能吸收互相产生影响， 从而降低单个浮子波能吸收效率；波浪能量密度低，没有从根本上解决单个浮子波能吸收效 率低问题。

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结构简单、波浪 能吸收率高、发电效率高的智能迎浪式聚波多浮子发电装置。

本发明所采用的技术方案为：一种智能迎浪式聚波多浮子发电装置，其特征在于：包括 支撑框架、波浪能收集组件、多浮子液压储能系统、发电系统、波浪方向浮标、液压转向装 置，所述支撑框架安设在支柱上，所述液压转向装置用于控制支柱的转动角度，在支撑框架 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组并列布置的浮子，每组浮子由 多个浮子并列构成，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框架相配设，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，在支撑框架上对应每组浮子的两侧对称设有聚波板，所述聚波板的两端均向外弯 折，每两个对向设置的聚波板构成一聚波箱体。

按上述技术方案，所述液压转向装置包括控制单元、转向电动机、油箱、单向变量泵、 转向液压马达、倾角计、波浪方向浮标，所述波浪方向浮标的输出端和倾角计的输出端均与 控制单元相连，控制器的控制端与转向电动机相连，所述转向电动机的输出轴与单向变量泵 的输入轴相连，所述单向变量泵的进油口与油箱相连通，出油口与转向液压马的进油口相 连，所述转向液压马的输出轴通过传动机构与支柱下端设置的转盘相连。

按上述技术方案，通过波浪方向浮标监测波浪方向角度，倾角计用于检测聚波箱体的转 向角度，所述液压转向装置调节聚波箱体的中心线与波浪的入射线的夹角在0—22.5°范围 内。

按上述技术方案，所述聚波板包括前开口段、平行中段、后开口段，所述平行中段的两 端分别同和合页与前开口段和后开口段相连。

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、储能液 压马达，所述液压储能装置包括第一加速齿轮箱、双向变量柱塞泵、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变量柱塞泵相连，双向 变量柱塞泵的两个油口分别与集成油箱的出油口相连，双向变量柱塞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 流阀控制电路控制。

按上述技术方案，所述储能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，所述倾角计为九轴陀螺仪或十轴陀螺仪。

本发明所取得的有益效果为：

1、本发明结构简单、整体化程度高、拆装灵活、控制简易、可随平均浪向实现智能转 向，波浪能吸收率高、发电效率高；

2、在波浪能收集结构中，利用导向杆使得浮子运动形式固定，只收集可利用的的波浪 能，也能避免恶劣海况对浮子带来的破坏，使本装置具有较好的稳定性：

3、所述多浮子液压储能系统采用双向变量柱塞泵，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、本发明的聚波箱体能增加波能密度，提高浮子的波能吸收效率，进而提高浮子发电 效率，解决了多浮子发电装置发电效率低的问题；

4、所述液压转向装置可极大的减小因季节变化而引起的多浮子之间的干扰，使波浪入 射线与聚波箱体中心线之间的夹角在0—22.5°范围内，使波浪流近似垂直进入所述聚波箱 体，更加有效的提高了波浪能的收集密度，进一步提高本发明的发电效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中单个浮子及上下滑移机构的结构示意图。

图3是本发明中多浮子的发电原理示意图。

图4是本发明中电磁节流阀控制电路。

图5是液压转向系统的结构示意图。

图6是液压转向控制单元的电路图。

图7是聚波板的结构示意图。

图8是聚波箱体的中心线与波浪的入射线的夹角的示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例提供了一种智能迎浪式聚波多浮子发电装置，包括波浪方向浮标 11、支撑框架、波浪能收集组件、多浮子液压储能系统、发电系统、液压转向系统。

所述支撑框架7整体安设在一个支柱6上，支柱6的下端通过法兰3连接有回转支撑 2，在回转支撑与支柱6的结合处设置有动密封圈5，回转支撑2的固定端与底座1通过螺 栓固定连接，底座1浇筑在海底平台上。

所述波浪能收集组件包括多组并列布置的浮子，每组浮子由多个浮子9构成，在支撑框 架7上对应每组浮子的两侧对称设有聚波板8，所述聚波板8的两端均向外弯折，每两个聚 波板8构成聚波箱体，用来提高波浪能的收集密度。所述浮子设置在浮子连接框架41上， 在浮子连接框架41上设有多个并列布置的导向杆36，每个浮子9对应穿装在2根导向杆 上，浮子9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(如图2所 示)，所述上下滑移机构包括固定在浮子上的滑轨39，所述滑轨39竖向布设，并穿过浮子 连接框架41上的导向孔，滑轨39的下端通过螺栓与支撑板架40连接固定，支撑板40架焊 接固定在浮子上，在支撑框架7上对应滑轨设置有滑块38，所述滑块38通过滑块支撑机构 37固设在浮子连接框架41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21、齿轮，齿条21固定设置在滑轨39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。

如图3所示，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30、第一单向 阀组26、第二单向阀组27，储能液压马达29、溢流阀31，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22、双向变量柱塞泵23、梭阀 24、电磁节流阀25，集成油箱30的出油口分别与第一单向阀组26和第二单向阀组27的进 油口相连，第一加速齿轮箱22输出轴通过联轴器与双向变量柱塞泵23轴相连，双向变量柱 塞泵23的两个油口分别与第一单向阀组26和第二单向阀组27的出油口相连，双向变量柱 塞泵23的两个油口分别与梭阀24的两个进油口相连，所述梭阀24的出油口通过电磁节流 阀24与储能液压马达29的进油口相连通，第三单向阀组28设置在储能液压马达29的进油 管路上。

所述发电系统包括第二加速齿轮箱32、交流发电机33、整流器34、储能装置35，第二 加速齿轮箱32与储能液压马达29通过联轴器相连。

当浮子在波浪力的作用下向上运动，第一加速齿轮相22的轴在齿条21的带动下旋转， 从而带动双向变量柱塞泵23旋转，使液压油从集成油箱30，通过油管，经过第一单向阀组 26进入双向变量柱塞泵23的进油口a，经过双向变量柱塞泵23的加压，形成高压油，从双 向变量柱塞泵的出油口b送出，然后从梭阀进油口d进入梭阀24，经过梭阀出油口e进入 油管，经过第三单向阀组28进入储能液压马达29中，带动储能液压马达29旋转，从而通 过第二加速齿轮箱32带动交流发电机33发电，发出的电经过整流器34的作用进入储能装 置或并网35中。

当浮子9在波浪力的作用下向下运动，此时双向变量柱塞泵23的出油口b变成进油口， 进油口a变成出油口，双向变量柱塞泵23的轴在齿条21的带动下旋转，液压油从集成油箱 30，通过油管，经过第二单向阀组27进入双向变量柱塞泵23的进油口b，经过双向变量柱 塞泵23的加压，形成高压油，从双向变量柱塞泵23的出油口a送出，然后从梭阀进油口c 进入梭阀24，经过梭阀出油口e进入油管，经过第三单向阀组28进入储能液压马达29 中，带动储能液压马达29旋转，进而带动交流发电机33发电。

所述多浮子液压储能系统、发电系统实现了浮子9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33中，并且浮子9之间能量收集传输不会相互干 扰。

其中，所述第一单向阀组26由多个单向阀及一个总单向阀集成，第二单向阀组27由 多个单向阀及一个总单向阀集成，第三单向阀组28由多个单向阀及一个总单向阀集成。

所述电磁节流阀28安装在梭阀24和第三单向阀组28之间的油管上，溢油阀31安装在 储能液压马达29和集成油箱30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，其电流图 如图4所示，用来电磁节流阀28的电流大小，控制阀门开启的程度，从而保护恶劣海况下 的发电系统。

所述液压转向装置用来调节所述聚波箱体的中心线42与波浪的入射线43的夹角，可极 大的减小因季节变化而引起的多浮子之间的干扰，使波浪能的利用率最大化。如图5所示， 所述液压转向装置包括液压转向控制单元、转向电动机13、油箱10、单向变量泵12、转向 液压马达4、单向阀，所述波浪方向浮标的信号输出端与液压转向控制单元相连，液压转向 控制单元的控制端与转向电动机13相连，所述转向电动机13的输出轴与单向变量泵12的 输入轴相连，所述单向变量泵12的进油口与油箱10相连通，出油口与转向液压马达4的进 油口相连，所述转向液压马达4的输出轴通过传动机构与支柱6上的转盘相连。

图6为本发明中的液压转向控制单元的控制电路图，其包括MCU控制器17、电力驱动 器14、第一继电器RL1和第二继电器RL2。其中，MCU控制器17采用型号为AT89C51的单 片机IC1。电力驱动器14输出电能至电动机13，电动机13带动单向变量泵12工作，将油 从油箱10中向转向液压马达4中输送；回转支撑2与支柱6通过螺栓固定连接，液压马达 a4带动回转支撑2工作，进而带动支柱6转动。

如图7所示，所述聚波板8包括前开口段19、平行中段18和后开口段20，前开口段 19和后开口段20与平行中段18之间的夹角可预先通过合页15调节到最优角。

其中，波浪方向浮标11通过无线传输与单片机IC1的信号输入端相连，其设置在聚波 板8与水面接触处上，用于测量出波浪方向角度。倾角计44设置在支柱6上端的中心处， 用于检测转向装置转动的角度。波浪方向浮标11与倾角计的零度朝向设定一致，将波浪方 向角度与倾角计检测角度相减，便可以判断聚波箱体的中心线与波浪入射方向夹角是否在设 定值内，如在设定值范围内，无需驱动所述转盘2进行转向。如不在设定值范围内，需要驱 动所述转盘2进行转向，直至聚波板8的中心线42与波浪的入射线43的夹角在设定值范围 内。其中，设定值范围优选0—22.5°即所述聚波箱体8的中心线42与波浪的入射线43的 夹角在0—22.5°范围内，单个浮子的平均振幅最大。

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，从而带动双向变量柱塞泵工作，液压油通过双向变量柱塞泵、 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，带动储能液压马达旋转，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。

当波浪方向浮标11与倾角计44检测的角度相减，得到波浪的入射方向与聚波板8之间 的夹角在0—22.5°的范围时，无需驱动所述转盘2进行转向；如果不在该角度范围内时， 需要驱动回转支撑2进行转向，使波浪流的入射线43与所述聚波箱体8中心线42的夹角在 0—22.5°范围内，以实现浮子更高效率的收集波浪能。