一种摇摆式波能转换结构和带有漂浮阻尼板的阵列底铰摇摆式波能转换装置

技术领域

本发明涉及利用海洋能发电技术，尤其涉及一种摇摆式波能转换结构和带有漂浮阻尼板的阵列底铰摇摆式波能转换装置。

背景技术

作为人类生存和发展的重要物质基础，化石能源支撑了人类近两百年的基本生存需要和社会发展需求，然而，因为人类对化石能源的过度开采和使用，再加上其本身具有的不可再生性，导致化石能源逐渐走向枯竭。

除此之外，化石能源的燃烧带来了巨大的污染问题，二氧化硫和烟尘的排放，是近几年酸雨加剧和雾霾现象频繁的罪魁祸首，因此开发并利用各种新型可再生清洁能源成为当前世界上亟待解决的课题之一。

海洋覆盖了地球79％的表面，其中包含着的巨大的海洋能是大自然赐予人类的一笔巨大的能源财富，海洋的能量以潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流等形式存在，极具开发潜力。人类对波浪能的开发利用始于十八世纪末，而上个世纪七十年代开始世界石油危机爆发后，得到了欧洲北海沿岸一些国家的重视。经过四十多年的努力，现在已经形成了一部分可投入实际应用的波浪能发电装置。

我国沿海区域的海洋中所具有的波浪能资源分布范围广，并且其能量密度相对于其他地区较低。在海洋波浪能资源开发的地区范围内，近岸海域的海洋环境相对远海温和，同时近海岸波浪能量受海底摩擦损失有限，波浪能级较沿岸海域丰富。而且，在近海域，波浪能发电装置容易投放及维护，波浪能资源易于开发。参考《黑龙江省青年科学基金2016-报告正文-20161011》早期的波浪能发电装置多为岸基固定式结构，即需要把波浪能装置放置于海岸周围建造的固定水工基础或者其他建筑物上。随着技术的提高，波浪能发电装置又出现离岸座海底式装置以及漂浮式装置两种形式。离岸座底式装置与岸基固定装置的结构及工作原理大致相同，而漂浮式装置则不需要安装在固定的建筑物上，其大致思路是将波能发电装置安装在一个漂浮于水面上的载体或者平台上，如波浪能发电船；或者直接将波浪能发电装置设计成漂浮式的结构，例如英国Pelamis公司的“海蛇”漂浮式波浪能发电装置，其主体是由若干个圆柱型的浮筒组成的，浮筒之间通过铰接连接在一起，在波浪的作用力下，浮筒产生相对运动，进而驱动安装在铰接点的液压装置捕获波浪能。

固定式波浪能发电装置中，不管安装在岸基上还是离岸的，都需要建造相应的水工基础或者建筑物，成本高、建造困难，降低了波浪能发电装置的经济性。此外，固定式结构的缓冲能力较差，抗风浪冲击性能弱，降低了发电装置本身的可靠性和稳定性，增加了维护成本， 使得波浪能发电实施困难，可推广性降低。

基于上述原因，现在国内外对波浪能装置的研究重点都已逐渐转移到漂浮式结构上来。但大部分漂浮式装置仅由单个浮子和波浪能捕获立柱组成，仅能获取单向海浪的能量，发电效率低，且稳定性较差。我国近海由于受地形影响，波浪破碎显著，单向获能装置难以实现对波浪能的充分利用。

发明内容

本发明的目的是为了结合我国近海岸波浪条件的具体情况，而提供一种能对多个方向波浪能实现有效利用且具有高稳定性的摇摆式波能转换结构和带有漂浮阻尼板的阵列底铰摇摆式波能转换装置，适用于深水作业环境矩阵式波浪能发电装置。

本发明的目的是这样实现的：一种摇摆式波能转换结构，包括中空的导轨、安装在导轨上的环形浮子、设置在导轨上端的盖板、安装在环形浮子上端的倒U型连接杆、与倒U型连接杆上端固连的齿条、安装在盖板上的发电机、安装发电机轴上的齿轮，所述发电机有两个且对称设置在齿条的两侧，两个齿轮同时与齿条啮合，齿条的下端部伸入至导轨中，所述齿条上设置有滑槽，盖板上设置有与滑槽上下端面配合的止位装置。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述导轨外表面的中间位置与液压缸的活塞杆铰接，液压缸的缸套与支座铰接。

2.所述环形浮子是由上端的中空的圆柱体和下端的中空的倒圆锥体组成，所述导轨上还设置有限制浮子行程的上限位器和下限位器。

3.一种带有漂浮阻尼板的阵列底铰摇摆式波能转换装置，包括阻尼板、一个权利要求1所述的摇摆式波能转换结构、八个权利要求3所述的摇摆式波能转换结构、通过系泊线依次设置在阻尼板下端的重力锚和定位锚，八个权利要求3所述的摇摆式波能转换结构的导轨分别通过铰接座安装在阻尼板上且八个摇摆式波能转换结构按圆周阵列布置且其对应的支座也分别安装在阻尼板上，权利要求1所述的摇摆式波能转换结构的导轨固定安装在阻尼板上且位于圆周阵列的中心位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将多个摇摆式波能转换装置以阵列结构铰接于漂浮阻尼板上，可以把多个方向的波浪势能通过波浪能捕获立柱上的液压装置同时转化成电能。阵列式结构能提高装置的频率响应范围，使浮子受到波浪作用后的升降运动更加明显，提高发电效率。本发明可以解决目前漂浮式波浪能发电装置的获能方向单一、波能利用率低且稳定性差的缺点。

本发明利用圆周性阵列的波浪能捕获立柱，能够将多个方向的波浪带有的动能借助摇摆式结构的设计以及液压装置转换成电能；利用波浪能捕获立柱的阵列结构，立柱之间相互作 用产生共振效应，进一步提高了波浪能的转换效率；漂浮阻尼板的设计改变了传统波浪能发电装置的固定式结构，使得浮子在随波浪运动时，能够产生与立柱更大的相对位移，获取更多的能量，具有转换效率较高、更加稳定可靠等优点，从而更加有利于振荡浮子式波浪发电装置的利用及推广；本发明可以有效的解决目前波浪能发电装置吸收及俘获效率低、波浪响应速度慢、波浪能发电装置俘获结构巨大等问题。

附图说明

图1是本发明的立体图；

图2是本发明的摇摆式波能转换结构的示意图；

图3是齿轮、齿条和发电机及其输出装置的连接示意图；

图4是工作海面与装置位置示意图(A指工作海面)；

图5是本发明的液压缸的液压系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图5，本发明包括锚泊装置、漂浮装置、液压装置、浮体装置和发电装置，所述漂浮装置主体为漂浮阻尼板4，其下端呈圆台型，阻尼板4上端为一圆形平台，平台上按照圆形阵列分布安装有16个铰接座5和7，便于连接浮体装置以及液压装置，所述阻水板以最快的速度恢复到原来位置，使得主浮体内的波浪幅值复位，进而出现下一高峰，再次进行波浪能俘获及聚集。

所述漂浮装置下端设有锚泊装置，所述锚泊装置中包括定位锚1、重力锚3和系泊线2。所述系泊线2一端连接阻尼板4的下端，另一端连接重力锚3，重力锚3的下部通过系泊线2连接定位锚1。整个波浪能转换装置漂浮在海中，其漂浮高度和位置取决于锚泊装置的位置，而所述重力锚能够增加整个装置的重量，提高稳定性，所述定位锚与重力锚相连，增加了装置定位的可控性和精确度。

所述漂浮装置上安装有浮体装置，所述浮体装置包括9套波浪能捕获立柱6(也即是摇摆式波能转换结构)，其中8套按圆周阵列铰接在漂浮阻尼板上，剩余1套固定在圆形阵列中心，能够使浮子周围流体发生有效的共振，从而提高波浪俘获效率，更加高效的聚集能量。

所述波浪能捕获立柱(也即是摇摆式波能转换结构)包括导轨6-1、连接杆6-5、浮子6-2以及盖板6-4。所述导轨6-1为中空的长套筒，浮子6-2沿着导轨6-1上下滑动，导轨6-1底端设有铰接孔或固定孔，铰接孔用于铰接在漂浮阻尼板上以便整个立柱能够随波浪摆动，从而获取波浪的动能，固定孔用于将立柱固定在漂浮阻尼板上，也即处于中心位置的立柱，防止其与其余呈圆周阵列的8套波能捕获立柱6发生干涉和碰撞。

所述连接杆6-5呈开口向下的倒“U”形，其两端与浮子6-2相连。所述浮子6-2为圆环形，上部为中空的圆柱体，而下部为中空的倒圆锥体，这样可增大浮子与水的接触面积，提高排水量，增加浮力。浮子的内环侧壁与导轨6-1建立滑动连接。所述盖板6-4固定在导轨上端，用于安装发电装置。

所述发电装置包括齿条6-3、齿轮15、传动轴、电机支座13和发电机12，发电机12固定在波浪能捕获立柱的盖板上，齿条6-3的上端安装在连接杆6-5的U形封闭端，齿条6-3的下端穿入波浪能捕获立柱导轨6-1内，齿条6-3与齿轮15啮合，所述齿轮15通过传动轴安装在波浪能捕获立柱的盖板6-4上，齿轮15通过传动轴与发电机12建立传动连接，具体的说是传动轴通过轴承和支架16和17安装在盖板上。

所述带有漂浮阻尼板的阵列底铰摇摆式波能转换装置，其特征在于：所述导轨6-1上设有上、下限位器，上限位器与下限位器限制了浮子6-2做周期振动的行程范围，防止装置脱开或撞坏浮子及其他部件。

所述齿条6-3的两个相对侧面上设有沿齿条长度方向延伸的齿条凹槽，齿条凹槽沿齿条长度方向的两侧侧壁上设有滑槽，滑槽内设有滚轮，所述波浪能捕获立柱盖板上设有止位装置14，止位装置14通过滚轮与齿条6-3建立滑动连接。

所述的液压装置包括液压缸8、阀件19、20、25和26、蓄能器组21和24、连接油管18和27、输油管22和23等部件，液压缸8包括活塞杆8-1和缸筒8-2，且缸筒通过转轴10和螺母与对应的支座7铰接，活塞杆通过铰座9与导轨连接，液压缸8通过连接油管和单向阀分别与蓄能器组相连。蓄能器组通过输油管和发电系统相连。连接有关包括活塞前侧油管18和活塞后侧油管27。输油管包括进油管23和出油管22。单向阀包括进油单向阀A20、进油单向阀B26、出油单向阀A19和出油单向阀B25。蓄能器组包括高压蓄能器21和低压蓄能器24，分别通过自带压力控制阀与外部油管连接。

所述液压装置中液压缸活塞前侧油管18通过出油单向阀A和进油单向阀A分别与高压蓄能器21、低压蓄能器24连接；液压缸活塞后侧油管27通过出油单向阀B、进油单向阀B分别与高压蓄能器21、低压蓄能器24连接。高压蓄能器21通过压力控制阀与出油管22连接；低压蓄能器24通过压力控制阀与进油管23连接。

液压缸出油油压不足时，液压油进入高压蓄能器中蓄能；油压增大到一定程度，高压蓄能器的压力控制阀打开，液压油从高压蓄能器中输出，进入发电系统。

当进油管中液压油压力不足时，液压油进入低压蓄能器中蓄能；油压增大到一定程度，低压蓄能器的压力控制阀打开，液压油从低压蓄能器中输出，进入液压缸。