CN104405567A - 一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，包括母船以及设在母船上的水室，母船一端设有水室开口，其特征在于，水室内设有重心可调节的摆动组件，发电装置还包括减振板和发电控制组件，减振板与母船另一端连接，减振板上设有立柱，立柱底端固定在海底，发电控制组件与摆动组件连接。与现有技术相比，本发明可以漂浮在近海收集波浪能，并可在一定范围内根据波浪工况调节装置参数从而提高能量的转换效率。装置的选址限制小，机动灵活，具有良好的可调节性。

Description

一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置

技术领域

本发明涉及一种新能源技术，尤其是涉及一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置。

背景技术

世界各国都在研究能源对策和国家能源战略。据估计，海洋能源约占世界能源总量的70％以上。世界各国已将海洋列为重点争夺的资源。海洋能是一种重要的可再生能源。海洋波浪运动的能量密度非常高，在海洋中传播广泛，正因为如此，即使远离海洋数千里远的地方也能利用波浪的能量。在这漫长的行程中，波浪逐渐稳定，在合适的区域可以高效地再生海洋能源并产生电能。据计算，在每一平方公里的海面上，运动着的海浪大约蕴藏着30万千瓦的能量，如此推算，全球波浪能功率超过700亿千瓦，其中可开发利用的约为20～30亿千瓦。波浪中蕴藏的巨大能源，各国都十分重视利用这种能源作为发电的动力。早在1955年，就发明了第一台波浪力发电机，以后各国先后提出几百种不同方案的科学设想，并设计了多种波浪力发电实验装置。1964年，日本制成了世界上第一个海浪发电装置——航标灯(参见文献：訚耀保.海洋波浪能综合利用--发电原理与装置[M].上海科学技术出版社.2013年1月第1版)，开创了人类利用海浪发电的新纪元。

我国海洋能资源非常丰富，而且开发利用的前景广阔。全国大陆海岸线长达18000多公里；还有6000多个岛屿，其海岸线长约14000多公里；整个海域达490万平方公里。其地处低纬度的南海，海域达360万平方公里。我国2万余公里海岸线蕴藏着大量波浪能动力资源，据估计有1.5亿千瓦以上，相当于我国目前电力总装机容量的两倍多。可开发利用的约为3000～4000万千瓦；如把外海的波浪加在一起，将有7000万千瓦。

海洋波浪能源是新能源的重要组成部分。我国的波浪能发电虽然起步较晚，但发展很快。我国的波浪能密度不及日本和欧美国家，因此小型和微型波浪能转换装置是我国的重点研发对象。目前很多小型波浪能发电装置已经趋于商品化。其中，摆式波浪发电装置具有可靠性好、频率响应范围宽、常海况条件下转换效率高、建造成本较低等优点，有较好的发展前景。

传统的悬挂摆式波浪发电装置都建造在防波堤上。这样的设计虽然可以节约施工成本，但近岸处波浪的能量被明显削弱，并且受海岸线形状的影响波动不均匀。这直接导致了输出电力不均，后期处理复杂的情况。此外，近岸防波堤的空间有限，无形中限制了摆式波浪发电装置的规模。为了能收集更多的波浪能，渡部富治教授设想：若能把装置建于浮体上，充分利用近海的波浪资源，将会有更大的发展空间。因此渡部富治教授提出了海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置这一概念。

海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置是一种近岸波浪能转换装置与浮动母船的结合，利用特殊的浮体来代替传统的沉箱。海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置具有以下几个优势：

1、将特殊的母船与悬挂摆式波浪发电装置组合，可以减少装置选址时由于地理因素产生的制约。

2、具有可调节性，必要时可移动到相应的位置。

3、在母船上，可以安装波浪发电以外的装置。例如，可以作为海上风力发电的基体。

4、波浪发电的单价较低，适用于发展中国家。

5、此装置还可用于发电以外的目的。例如，作为浮体式防波堤。

当前我国海洋能的开发利用，仅仅处于起步阶段。例如，如何解决海岛上的能源问题，挖掘海洋和海岛的能源，充分发挥其潜力，都是至关重要的课题。利用海洋波浪能发电，既不消耗任何燃料和资源，又不产生任何污染，投资少，见效快，因此引起各国的关注，一致认为合理开发利用波浪能具有重大的实用价值。这种不占用任何土地，只要有海浪就能发电的方法，也特别适合于那些无法架设电线的沿海小岛以及航标灯，浮标等的电源使用。

考虑到中国是位于太平洋西岸的国家，波浪密度相对较小，因此更要充分开发近海岸的波浪资源。海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置在地理位置上的限制更小，因此具有很大的发展空间。

然而现有的波力发电装置又普遍具有一些缺陷，例如公开号为JP4448972的日本专利公开了一种浮体型波力发电装置，该装置原理为：波浪与水室相互作用产生驻波，驻波作用于摆板，摆板受到一个呈周期性变化的转矩，并在转矩的作用下左右摆动，将波浪能转换为机械能。摆板与摆轴相连，带动摆轴转动，摆轴与油泵轴相连，将机械能转换为液压能。液压泵为液压回路供油，使得液压回路驱动发电机发电，将液压能转换为电能。然后该装置具有以下缺陷：第一，该装置的摆板中心为固定值，这对于波浪波长随季节变化比较大的亚热带季风气候海域，并不能很好地利用波浪的波力能；第二，该发电装置中的垂直板与摆轴之间的距离不可调节，不能很好地对发电装置的结构起到保护作用；第三，该发电装置通过加长垂直板与母船之间的距离，进而增大底座，降低重心的方式来使装置稳定漂浮在海面上，但对于变化无常的亚热带季风气候海域，不通过固定，仅采用浮力的方式往往固定还不够牢固。

此外，公开号为CN103403343A的中国专利公开而一种挂摆式波浪发电装置所配套的液压回路，但是该回路配套两个液压马达，系统稳定性不足。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，包括母船以及设在母船上的水室，所述母船一端设有水室开口，其特征在于，所述水室内设有重心可调节的摆动组件，所述发电装置还包括减振板和发电控制组件，所述减振板与母船另一端连接，所述减振板上设有立柱，所述立柱底端固定在海底，所述发电控制组件与摆动组件连接。

所述母船后部设置与减振板相配合的T型槽，所述减振板前部开设与母船相配合的T型槽，所述母船与减振板通过T型槽连接。

所述母船上设有固定臂，所述固定臂上设有多个调节孔，减振板上设有连接板，所述连接板上设有多个调节孔，所述固定臂与连接板之间通过调节孔和连接件连接。

所述摆动组件包括摆动轴、摆臂和重心可调节的摆板，所述摆板通过摆臂与摆动轴固定连接，所述摆动轴与母船连接，所述摆臂上设有连接件，所述摆板上设有多个依次纵向排列的用于固定连接件的重心调节孔；

改变连接件所连接的调节孔次序，实现摆板重心与摆动轴连接，进而实现摆板重心高度的调节。

所述减振板与摆动轴平行，间距为波浪波长的一半。

所述母船上设有用于调节母船吃水深度的压舱口，所述母船外表面设有用于标识母船吃水深度的刻度线，所述母船上设有用于防止摆动组件摆角过大的安全挡块。

所述水室开口为用于集聚波浪的楔形口。

所述发电控制组件包括摆动叶片泵以及依次连接的油箱、整流回路、液压马达、发电机，所述摆动叶片泵与整流回路连接。

所述整流回路由两个并联的单向阀单元组成，所述单向阀单元包括两个串联的单向阀，所述单向阀单元的输入端与油箱连接，输出端与液压马达连接，所述摆动叶片泵两端分别与两个单向阀单元的中点连接，所述摆动叶片泵还与摆动组件连接。

所述油箱与整流回路之间设有液压油过滤器。

所述整流回路的输出端还设有蓄能器和溢流阀。

所述溢流阀的输出端和液压马达与油箱连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)摆动组件的重心可以调节，因而可以提高能量转换效率，同时由于立柱直接深入海底，可以较漂浮的方式具有更佳的固定效果。

2)摆动轴及摆动轴上连接件和调节孔的设计巧妙地实现了摆动组件重心的调节，结构简单，便于维护。

3)减振板与摆动轴中心的距离为波浪波长的一半可以保护发电装置的结构，不受波浪影响而收到损坏，经久耐用，同时采用母船与减振板分离设计，使母船可以随波浪上下起伏，减小了减振板所受的波浪力，并使制造及安装过程更加便捷。

4)本发明采用母船吃水深度可调设计，使母船可以适应多种海况要求，并降低了海上浮体型悬挂摆式波浪能发电装置的安装难度。

5)楔形口可以更好地集聚波浪，提高能量的转换效率。

6)安全挡块可以防止极端天气下摆动组件摆动角度过大，进而保护组件不受损坏。

7)整流回路的设计可以在单个变量液压马达的情况下，便可以上线对摆动组件的一个摆动周期内两个摆动方向的机械能的利用，不仅减少了液压马达个数，降低成本，更使变量液压马达输出更平稳。

8)溢流阀可以在发电控制组件工作压力过大时为系统卸荷，起到保护发电控制组件的作用，蓄能器可以使发电机工作平稳。

9)溢流阀的输出端和液压马达与油箱连接可以回收液压油节约资源。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一的减振板安装位置示意图；

图3为本发明实施例一水室尺寸示意图；

图4为本发明实施例一中在不同波长下摆板重心位置与一级能量转换效率的关系；

图5为发电控制组件的结构示意图；

图6为本发明实施例一中摆动叶片泵的输入转速；

图7为本发明实施例一中变量液压马达输出转速曲线；

图8为本发明实施例一中发电机作用于变量液压马达的反转矩；

图9为本发明实施例二的结构示意图；

其中：1、母船，2、减振板，3、摆动叶片泵，4、摆动轴，5、摆臂，6、摆板，7、连接件，8、楔形口，9、刻度线，10、安全挡块，11、压舱口，12、T型槽，13、T型槽，14、T型槽，15、油箱，16、液压油过滤器，17、单向阀，18、溢流阀，19、蓄能器，20、液压马达，21、发电机，22、固定臂，23、连接件，24、连接板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一：

一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，如图1所示，包括母船1，母船1为空心钢结构，母船1上设有与海域连通的方形水室，方形水室开口位于母船1前端，水室内设有重心可调节的摆动组件，发电装置还包括减振板2和发电控制组件，减振板2与母船1后端连接，减振板2上设有立柱14，立柱14底端固定在海底，发电控制组件与摆动组件连接。

其中，母船1后部设置与减振板2相配合的T型槽12，减振板2前部开设与母船1相配合的T型槽13，母船1与减振板2通过T型槽12、13连接。

本实施例中较优的工作状态下，如图3所示，摆板6竖直放置时，距水室后墙距离为5m，水深4m，水室宽度5m，摆板6总重5878Kg。本实施例中目标海域波长为25m，周期4s，波高1m。

摆动组件包括摆动轴4、摆臂5和重心可调节的摆板6，摆板6通过摆臂5与摆动轴4固定连接，摆臂5与摆轴4采用键连接，摆动轴4与母船1连接，摆臂5上设有连接件7，摆板6上设有多个依次纵向排列的用于固定连接件7的重心调节孔。

改变连接件7所连接的调节孔次序，实现摆板6重心与摆动轴4连接，进而实现摆板6重心高度的调节。

波浪对摆板6的作用力会通过摆动轴4传递到母船1。如图2所示，减振板2与摆动轴4中心的距离为波浪波长的一半，可有效产生反射波削弱母船所受到的波浪力。

母船1上设有用于调节母船1吃水深度的压舱口11，母船1外表面设有用于标识母船1吃水深度的刻度线9。

母船1前端设有用于集聚波浪的楔形口8。

母船1上设有用于防止摆动组件摆角过大的安全挡块10。

如图5所示，发电控制组件包括摆动叶片泵3以及依次连接的油箱15、整流回路、液压马达20、发电机21，整流回路由两个并联的单向阀单元组成，单向阀单元包括两个串联的单向阀17，单向阀单元的输入端与油箱15连接，输出端与液压马达20连接，摆动叶片泵3两端分别与两个单向阀单元的中点连接，摆动叶片泵3还与摆动组件中摆动轴4连接，摆动轴4与摆动叶片泵3的轴采用一体化设计，因此摆轴4带动摆动叶片泵3为配套液压回路供油。

油箱15与整流回路之间设有液压油过滤器16。

整流回路的输出端还设有蓄能器19和溢流阀18。

溢流阀18的输出端和液压马达20与油箱15连接。

工作过程中，波浪进入母船1内部的水室形成驻波，推动摆板6摆动，摆板6通过摆动轴4带动摆动叶片泵3转动，摆动叶片泵3为发电控制组件中整流回路提供动力源，驱动液压油流动，液压油通过液压马达20带动发电机转动，从而实现将波浪能转换成电能。

如图4所示，当目标海域波长每增加2m，发电装置的一级能量转换效率将降低4％以上。当波长增大的情况下，通过增大摆板6重心与摆动轴4的距离，可提高发电装置的一级能量转换效率。

本实施例中，摆动叶片泵3的额定转矩为2.7×105Nm，排量为40L，额定工作压力为25MPa。如图6所示，通过对发电装置在本实施例中的响应分析可以得到摆动叶片泵的摆动频率为0.25Hz，峰值转速为1.05r/min。

本实施例中液压马达20采用变量轴向柱塞马达，蓄能器19的初始压力为15Mpa，体积为5L，调定溢流阀18压力为25Mpa。如图7所示，液压马达20的峰值转速约为1600r/min，出现在第一个波峰。在300s后输出转速趋于稳定，最终转速约为950r/min。为了与发电机21输入特性匹配，可以适当调节液压马达20的斜盘倾角。

如图8所示，从仿真得出的是负载对液压马达20的反作用转矩，其大小与液压马达20的输出转矩相等，方向相反。通过反作用转矩亦可观察液压马达20输出转矩的特性。曲线的变化趋势与液压马达20的输入压力随时间的变化相似。输出转矩的峰值约为110Nm，出现在第一个波峰。在200s后输出转矩趋于稳定，最终转矩在75Nm附近波动。

实施例二：

本实施例中与实施例一中的相同之处不再叙述，仅叙述不同之处。

本实施例与实施例一的显著不同在于母船1与减振板2的连接方式不同，本实施例中，母船1与减振板2不通过T型槽连接，而是通过可改变母船1与减振板2之间距离的连接方式。

如图9所示，母船1上设有固定臂22，固定臂22上设有多个调节孔，减振板2上设有连接板24，连接板24上设有多个调节孔，固定臂与连接板之间通过调节孔和连接件23连接，调节孔的数目大于固定臂22上的连接件的数目，这样，在波浪波长因季节改变时可以通过更改固定臂22上调节孔与连接板24上调节孔的连接对应关系，调节母船1与减振板2的距离，从而当波浪波长随季节变化时，可以调节减振板2与摆动轴4中心的距离始终为波浪波长的一半。考虑到本发明的工况，连接件23易发生锈蚀，因此将连接件23作为一个独立的零件进行加工，方便后续的维修和更换。

Claims (10)

1.一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，包括母船以及设在母船上的水室，所述母船一端设有水室开口，其特征在于，所述水室内设有重心可调节的摆动组件，所述发电装置还包括减振板和发电控制组件，所述减振板与母船另一端连接，所述减振板上设有立柱，所述立柱底端固定在海底，所述发电控制组件与摆动组件连接。

2.根据权利要求1所述的一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，其特征在于，所述摆动组件包括摆动轴、摆臂和重心可调节的摆板，所述摆板通过摆臂与摆动轴固定连接，所述摆动轴与母船连接，所述摆臂上设有连接件，所述摆板上设有多个依次纵向排列的用于固定连接件的重心调节孔；

改变连接件所连接的调节孔次序，实现摆板重心与摆动轴连接，进而实现摆板重心高度的调节。

3.根据权利要求2所述的一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，其特征在于，所述减振板与摆动轴平行，间距为波浪波长的一半。

4.根据权利要求1所述的一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，其特征在于，所述母船上设有用于调节母船吃水深度的压舱口，所述母船外表面设有用于标识母船吃水深度的刻度线，所述母船上设有用于防止摆动组件摆角过大的安全挡块。

5.根据权利要求1所述的一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，其特征在于，所述水室开口为用于集聚波浪的楔形口。

6.根据权利要求1所述的一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，其特征在于，所述发电控制组件包括摆动叶片泵以及依次连接的油箱、整流回路、液压马达、发电机，所述摆动叶片泵与整流回路连接。

7.根据权利要求6所述的一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，其特征在于，所述整流回路由两个并联的单向阀单元组成，所述单向阀单元包括两个串联的单向阀，所述单向阀单元的输入端与油箱连接，输出端与液压马达连接，所述摆动叶片泵两端分别与两个单向阀单元的中点连接，所述摆动叶片泵还与摆动组件连接。

8.根据权利要求6所述的一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，其特征在于，所述油箱与整流回路之间设有液压油过滤器。

9.根据权利要求6所述的一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，其特征在于，所述整流回路的输出端还设有蓄能器和溢流阀。

10.根据权利要求9所述的一种海上浮体型悬挂摆式波浪发电装置，其特征在于，所述溢流阀的输出端和液压马达与油箱连接。