CN103133232B - 带铰接斜滑杆振荡浮子波浪能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带铰接斜滑杆振荡浮子波浪能装置，包括有水下附体，浮子,能量转换系统，滑杆；滑杆上端外设龙门架，龙门架内连接有拉杆，拉杆伸入滑杆内与液压缸的有杆端连接，液压缸的无杆端安装在滑杆内液压缸中心线垂直的平台上，液压缸中心线与滑杆的中心线重合；所述浮子通过拉杆与液压缸连接，滑杆通过线性轴承穿过浮子的中轴线，浮子可在滑杆上自由无阻力的滑动；滑杆顶端设有用于封闭滑杆内腔的封闭块，封闭块上朝向浮子的一面上分别设有限位块和防撞块，滑杆的下端面安装在万向铰上，所述万向铰安装于水下附体上，液压缸的液压管沿滑杆内壁，穿过万向铰连接到所述能量转换系统内，能量转换系统连接有电缆，电缆从水下附体上直接落到海底通向岸上。

Description

带铰接斜滑杆振荡浮子波浪能装置

技术领域

本发明涉及到漂浮式波浪能发电装置，尤其是一种带铰接斜滑杆振荡浮子波浪能装置。

背景技术

振荡浮子类波浪能装置通常由相对运动的浮体、锚链、液压或发电装置组成，利用浮子在波浪中的升沉运动吸收波浪能，其特点是采用共振聚波提高转换效率，在共振工况下装置有较高的一级转换效率。目前存在的浮子类装置有如下不容忽视的缺点：浮子对波浪适应性差；结构易损坏；电缆缠绕及破损；锚泊复杂，锚链受力大；维护与维修困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的技术问题，提供一种新型漂浮式波浪能发电装置。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：带铰接斜滑杆振荡浮子波浪能装置，包括有水下附体，浮子,浮子形状可以有多钟选择，球形、纺锤体形或其他形状，均为只有浮力的吸波体，水下附体的平台上设有能量转换系统，浮子的中轴线上安装有线性轴承，还包括内设液压缸的滑杆，滑杆为表面光滑，摩擦力小的硬质空心杆件，滑杆内部结构经过特殊设计，杆内空间分为多个相互独立密封的腔体，每个腔体均安装有充排气管，与水下附体的充排气管一同沿杆内壁布置，通过控制滑杆内各腔体的进排气量可调节滑杆重心与浮心的位置，使滑杆与水平线成小于90度的角，静水浮态下通常该角设置为45度，在波浪作用下，该滑杆自动调节角度，与波浪运动匹配；滑杆上端外设龙门架，龙门架内连接有拉杆，拉杆伸入滑杆内与液压缸的有杆端连接，液压缸的无杆端安装在滑杆内液压缸中心线垂直的平台上，液压缸中心线与滑杆的中心线重合，保证同轴度；所述浮子通过拉杆与液压缸连接，滑杆通过线性轴承穿过浮子的中轴线，浮子可在滑杆上自由无阻力的滑动；滑杆顶端设有用于封闭滑杆内腔的封闭块，其表面布置充排气管控制阀，封闭块上朝向浮子的一面上分别设有限位块和防撞块，限位块与防撞块防止在大波高时浮子运动幅度过大超过液压缸的行程范围，滑杆的下端面安装在万向铰上，所述万向铰安装于水下附体上，滑杆以万向铰旋转中心为支点可在水下附体上空180度半球内自由旋转，适应不同方向来波；液压缸的液压管沿滑杆内壁，穿过万向铰连接到所述能量转换系统内，能量转换系统连接有电缆，电缆从水下附体上直接落到海底通向岸上；液压缸可采用多级液压缸以使整行程满足浮子最大运动行程的需求，水下附体安装有进排气管，侧面安装有进排水管，通过进气排水增加浮力，排气进水减小浮力，实现浮态的调整，运输时浮力最大，工作时浮力最小具有固定沉块的功能，维护及回收时逐渐增加浮力，浮起整个装置。

本发明提供了另一种带铰接斜滑杆振荡浮子波浪能装置，包括有水下附体,浮子，水下附体的平台上设有能量转换系统，浮子的中轴线上安装有线性轴承，还包括滑杆，滑杆与水平线成小于九十度角，滑杆通过线性轴承穿过浮子的中轴线；滑杆顶端设有用于封闭滑杆内腔的封闭块，封闭块上朝向浮子的一面上分别设有限位块和防撞块；滑杆的下端面安装在万向铰上，所述万向铰安装于水下附体上；所述平台设置于滑杆的下端，在平台上、滑杆的旁侧安装有多级液压缸，液压缸的底端通过铰接点与平台连接，多级液压缸的顶端与浮子一面连接，所述液压缸与滑杆处于平行位置，液压缸通过液压管与能量转换系统连接；能量转换系统连接有电缆，电缆从水下附体上直接落到海底通向岸上。

本发明属于一种新型漂浮式波浪能发电装置。该装置采用特殊设计的浮子，浮子由柔性材料与刚性材料制成，通过控制开关阀调节浮子的浮力。浮子中间有滑杆穿过；下端驱动能量转换装置，将波浪能转换成电能。滑杆下部有万向铰，通过采用万向铰与水下附体连接。水下附体沉于海底，四周用锚与锚链，与地面锚固。

其基本工作原理为：在波浪作用下，浮子在滑杆的约束下，沿滑杆运动，在俘获波浪能的同时，驱动滑杆向波浪下游倾斜，实现了装置的自动对浪能功能，无论波浪来自任何方向，都可以以最佳姿态迎波，避免了电缆因波浪能装置运动造成的缠绕、磨损问题。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（一）提高波浪能俘获效率

波浪能装置转换效率是衡量该装置性能的标准，决定了发电成本。具有的滑杆底部其优点在于：

1、通过抑制浮子垂直滑杆的运动，增大浮子沿滑杆运动，提高波浪能俘获效率：

从研究表明，在深水波作用下，滑杆限制下的浮子最佳运动角度接近60°；而在有限水深的波作用下，浮子的最佳运动角度变小，一般在45°左右。现有的波浪能装置动力浮子（Power Buoy）波浪能装置靠与水下附体焊接在一起的滑杆限制浮子，其滑杆角度往往比最佳角度偏大，达到80°左右。而本发明的装置的滑杆通过万向节与水下附体连接，比动力浮子的滑杆倾斜角度更大，可以达到最佳倾角。

另外，本发明的水下附体坐落在海底，浮子运动时水下附体几乎不运动，浮子对能量转换系统做功更为有效；而目前所有的漂浮式波浪能装置如动力浮子等，均因漂浮在水中，在浮子运动时，水下附体也存在一定量的、与浮子同步的运动，浮子对能量转换系统做功因此而打折扣。

2、自动对浪

波浪由风生成，受地形影响，会发生折射、绕射而改变方向。由于我国海域处于季风区，风随季节变化明显。在秋、冬、春三季，主要风向有东南、东、东北、北等向；夏季主要风向有西南、南、东南等向。不同风向造成的波浪也有不同浪向。因此，波浪能装置需要适合任何浪向，否则，将降低装置俘获波浪能的能力，甚至导致装置被波浪破坏。

本发明装置采用万向铰对浪，可适应不同浪向。与海蛇（Pelamis）、鸭式（Duck）、波龙（Wave Dragon）和动力浮子（Power Buoy）等波浪能装置比，具有结构简单、可靠、易于安装投放等优点。

（二）可靠性

1、防止电缆断裂

漂浮式波浪能装置产生的电力，通过海底电缆，输送上岸。当装置在波浪中的垂荡及水平运动时，往往拖拽电缆，易造成电缆在海底磨损甚至拉断；另外，装置在波浪方向变化时转变方向，还有可能导致电缆被锚链缠绕而断裂。电缆损坏的风险程度取决于装置漂移的距离，改变的角度以及锚链的分布。

海蛇（Pelamis）、鸭式（Duck）、波龙（Wave Dragon）等波浪能装置采用了单点系泊的方案适应不同浪向，使波浪能装置沿以锚为中心，以锚链在水平面上的投影长度为半径的圆周运动。该类装置在风向变化时位置移动距离达到数百米，转向角度可以是360°。为了避免出现过大的移动距离和转角，波龙装置采用了尾锚，但这样一来，又限制了自动对浪能力。

动力浮子（Power Buoy）波浪能装置采用3个锚、3条链系泊，较好地约束波浪能装置的水平运动且转向很小，较好的解决了电缆被锚链缠绕问题；其浮子设计成圆形，以适应所有方向的波浪。尽管如此，在风浪下，波浪能装置仍然有数十米的移动距离。

本发明主要不同在于，波浪能装置的能量转换装置安装在水下附体上，而水下附体直接坐落在海底，并由锚拉紧，避免水平运动。波浪能装置的电缆可以沿水下附体边缘，无运动的落入海底，避免电缆磨损。该结构还完全避免了电缆缠绕，有效地降低了电缆断裂的风险，优于目前所有漂浮式波浪能装置。

2、减小锚链拉力

波浪能装置的系泊力主要来源于波浪的二阶力。由于频率接近，装置在二阶差频波浪力作用下，出现较大幅度的运动，容易导致松弛的锚链被突然拉紧，导致很大的锚链力，容易拉断锚链，或导致走锚。

本发明的波浪能装置因底部坐落于海底，四周又用锚链与海底锚固，有效地约束了装置对二阶波浪力的响应，减小了装置运动导致的锚链拉力，在锚链力方面远小于现有的漂浮式波浪能装置。

3、减小结构受力

本发明的滑杆铰接于水下附体上，而不是焊接于水下附体上，滑杆以及水下附体上所受的弯曲应力很小，有效地降低了结构尺寸。

（三）投放回收与维护简单可行

漂浮式波浪能装置投放成本巨大，一旦投放，就不可能轻易改变装置状态及投放地点。装置长期在恶劣的海洋环境下工作，难免要进行维护，小修或可在实海况条件下进行，大修则需回收后在工厂或港口进行。投放、回收的实现是设计波浪能装置必须考虑的问题，否则将加大施工和维修成本。

牡蛎（oyster）波浪能装置为下端铰接的浮力摆，装置的铰链及其支撑结构必须固定于10-15米水深的海床上，做功的摆板结构只有小部分露出海面，这种固定方式给装置投放与回收带来了极大的施工难度，由于大部分机构都在海面以下，维护工作也很难展开。

动力浮子波浪能装置在其水下附体上用3条锚链拉住，回收时，上浮、解开锚链难度较大。

本发明装置的水下附体浮力可调节，在运输途中，水下附体、柱状滑杆和浮子皆有自浮能力，装置浮于水面，便于拖拽运输；投放时，将水下附体内的气放掉，使其失去浮力，下沉至海底；水下附体底部的锚状结构将产生抓力，限制其水平运动；水下附体重力使之难以在浮子作用时向上运动，锚链和锚进一步增强其稳定性；在回收时，通过向水下附体充气，排尽其内部的水，增大其浮力，使装置下端上浮，即可开展海上检查机简易维修；解开锚链，可将装置拖回厂或港口，开展较大量的检查和维修。

（四）结构和系泊系统更加廉价

本发明采用管状的滑杆、内含钢结构的柔性浮子、具有浮力舱的水下附体、简单的锚和锚链，在保障波浪能的高效俘获和可靠性的基础上，还具有易于建造、投放和维修等优点，造价和维护低廉，具有较强的市场竞争力。

本发明装置与上述波浪能装置比较，装置结构简单，仅采用普通的柔性橡胶（浮子）与钢材（水下附体、滑杆），价格低，耐用，可长期在海洋环境中生存。浮子与液压转换系统直接连接，能量传递过程简单，可靠性高、能量损耗低。装置仅浮子漂浮在海面上，尺寸小，环境影响小。装置锚泊系统由锚与锚链组成，只需将水下附体系泊于海底的即可，系泊点之间无特殊要求，整个系泊系统环节简洁、制作方便快捷、价格低廉。

总而言之，与以往其它波浪能装置相比，本发明具有以下优点：1.滑杆约束浮子的运动轨迹，提高了装置的俘获效率；2.装置具有自动对浪性，自动调节浮态的特点，适应不同大小及方向的波浪，适合在不同水深的海域工作，全年工作周期长；3.海底电缆从万向铰对称线中引出，避免了电缆的缠绕问题，保证了电力传输的安全；4.装置液压缸直接与浮子连接，减少能量中间传递过程，提高了结构可靠性；5.系泊系统安全简洁，成本低廉；6.自带可调节浮力的水下附体，投放回收便利，维护操作简单，费用低廉。

附图说明

图1为本发明实施例一结构示意图；

图2为本发明实施例二结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例一：

请参阅图1所示，带铰接斜滑杆振荡浮子波浪能装置，包括有水下附体12,浮子1，水下附体12的平台上设有能量转换系统9，浮子1的中轴线上安装有线性轴承2，还包括内设液压缸8的滑杆4，滑杆4与水平线成小于九十度角，滑杆4上端外设龙门架3，龙门架3内连接有拉杆41，拉杆41伸入滑杆4内与液压缸8的有杆端连接，液压缸8的无杆端通过铰接点15安装在滑杆4内液压缸8中心线垂直的平台上，液压缸8中心线与滑杆4的中心线重合；浮子1通过拉杆41与液压缸8连接，滑杆4通过线性轴承2穿过浮子1的中轴线；滑杆4顶端设有用于封闭滑杆4内腔的封闭块6，封闭块6上朝向浮子1的一面上分别设有限位块5和防撞块7，滑杆4的下端面安装在万向铰11上，万向铰11安装于水下附体12上；液压缸8的液压管沿滑杆4内壁，穿过万向铰11连接到所述能量转换系统9内，能量转换系统9连接有电缆10，电缆10从水下附体12上直接落到海底通向岸上。

请参阅图1所示，本实施例的装置详细的工作原理如下：在波浪的作用下，浮子1以万向铰11为支点调整浮态，以滑杆4为运动轨道，沿左下-右上方向做周期性的直线往复运动。浮子1在波峰时向上运动，驱动液压缸8的活塞杆向外运动，液压缸8有杆腔内的液压油被挤压向外进入蓄能器，进入能量转换系统9中，用以发电或做其他形式的功；浮子1在波谷时无波浪力的作用，受重力驱使向下运动，带动液压缸8的活塞杆复位，并为有杆腔补充油液，为浮子1下次做功做好准备。如装置所投放的海域，海况比较复杂，液压缸8可采用多级液压缸。如果需要装置往复双向做功，可改变液压缸8的液压回路的连接方式实现双向做功，即浮子1上下运动都做功。当来波方向发生改变时，浮子1在波浪力的作用下，带动滑杆4以万向铰11为旋转中心，逐渐转向最佳俘获波浪的位置并保持在此位置直到来波方向再次改变。当来波周期或波高变化时，通过控制滑杆4内独立腔体的浮力与重力，改变滑杆4与水平线的角度，使浮子1的浮态最适应当前的波况。滑杆4为表面光滑，摩擦力小的硬质空心杆件，滑杆4内部结构经过特殊设计，杆内空间分为多个相互独立密封的腔体43，每个腔体均安装有充排气管42，与水下附体的充排气管一同沿杆内壁布置，通过控制滑杆内各腔体43的进排气量可调节滑杆4重心与浮心的位置，使滑杆4与水平线成小于90度的角，静水浮态下通常该角设置为45度，在波浪作用下，该滑杆4自动调节角度，与波浪运动匹配。

本发明装置投放时，打开水下附体12的排气阀与进水阀，排尽水下附体12内的空气，将其沉入指定海域的海床上，并用沉块锚系。回收时，打开水下附体12的排水阀与进气阀，向水下附体12腔内打气，装置将整个浮出水面。

申请人本发明装置进行了试验，效果良好。该发明装置具有结构简单、低成本、自动对浪性、稳定发电、维护便利、投放和回收工程简单的特点，本发明装置有望成为一种适应多种海域、波浪能场化的漂浮式波浪能装置

本发明的成功应用与推广，将产生巨大的经济效益和社会效益，其提供的清洁无污染能源将为人类的可持续发展提供强劲的动力。

本发明装置具有简单、合理的结构，造价低廉、易于投放和维护，效率和可靠性较高等优点，适合应用于水深在10米到30米、任何地质条件的海域，适用于我国大部分海域。

实施例二：

如图2所示，本实施例与实施例一不同在于，浮子1与液压缸8之间采用另外一种链接方式，工作原理与实施例一相同。图2中，在平台13上、滑杆4的旁侧安装液压缸8（可为多级液压缸），液压缸8的底端通过铰接点15与平台13连接，液压缸8的顶端与浮子1连接，液压缸8与滑杆4处于平行位置，液压缸8通过液压管与能量转换系统9连接；能量转换系统9连接有电缆10，电缆10从水下附体12上直接落到海底通向岸上。以滑杆4轴线为中心，可对称安装多个液压缸8，实现能量的分级控制，提高波浪能转换效率。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (2)

1.带铰接斜滑杆振荡浮子波浪能装置，包括水下附体(12),浮子(1)，水下附体(12)的平台上设有能量转换系统(9)，浮子(1)的中轴线上安装有线性轴承(2)，其特征在于：还包括内设液压缸(8)的滑杆(4)，滑杆(4)与水平线之间的夹角小于九十度，滑杆(4)上端外设龙门架(3)，龙门架(3)内连接有拉杆(41)，拉杆(41)伸入滑杆(4)内与液压缸(8)的有杆端连接，液压缸(8)的无杆端安装在与液压缸(8)中心线垂直的滑 杆(4)内的平台上，液压缸(8)中心线与滑杆(4)的中心线重合；所述浮子(1)通过拉杆(41)与液压缸(8)连接，滑杆(4)通过线性轴承(2)穿过浮子(1)的中轴线；滑杆(4)顶端设有用于封闭滑杆(4)内腔的封闭块(6)，封闭块(6)上朝向浮子(1)的一面上分别设有限位块(5)和防撞块(7)，滑杆(4)的下端面安装在万向铰(11)上，所述万向铰(11)安装于水下附体(12)上；所述液压缸(8)的液压管沿滑杆(4)内壁，穿过万向铰(11)连接到所述能量转换系统(9)内，能量转换系统(9)连接有电缆(10)，电缆(10)从水下附体(12)上直接落到海底通向岸上。

2.带铰接斜滑杆振荡浮子波浪能装置，包括水下附体(12),浮子(1)，水下附体(12)的平台(13)上设有能量转换系统(9)，浮子(1)的中轴线上安装有线性轴承(2)，其特征在于：还包括滑杆(4)，滑杆(4)与水平线之间的夹角小于九十度，滑杆(4)通过线性轴承(2)穿过浮子(1)的中轴线；滑杆(4)顶端设有用于封闭滑杆(4)内腔的封闭块(6)，封闭块(6)上朝向浮子(1)的一面上分别设有限位块(5)和防撞块(7)；滑杆(4)的下端面安装在万向铰(11)上，所述万向铰(11)安装于水下附体(12)上；

所述平台(13)设置于滑杆(4)的下端，在平台(13)上、滑杆(4)的旁侧安装有多级液压缸(8)，液压缸(8)的底端通过铰接点(15)与平台(13)连接，多级液压缸(8)的顶端与浮子(1)一面连接，所述液压缸(8)与滑杆(4)处于平行位置，液压缸(8)通过液压管与能量转换系统(9)连接；能量转换系统(9)连接有电缆(10)，电缆(10)从水下附体(12)上直接落到海底通向岸上。