一种近远海互补式波浪能发电装置

1.本发明属于海洋波浪发电技术领域，具体涉及一种近远海互补式波浪能发电装置。


背景技术：

2.波浪能是海洋能的一种具体形态，也是海洋能中最主要的能源之一，它的开发和利用对缓解能源危机和减少环境污染是非常重要的。
3.波浪能具有储量丰富、清洁无污染的优点，是未来能源发展的趋势之一，但是目前波浪能领域存在的局限性限制了波浪能发电产业的发展，难以大规模高效俘获波浪能，且单一装置无法同时适应近远海域不同特性波浪，造成难以充分利用波浪能源的困境，不能够对波浪能进行持续性发电利用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种近远海互补式波浪能发电装置，以解决现有技术中存在的波浪能发电系统的持续稳定性差问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种近远海互补式波浪能发电装置，包括设置在近海岸的摆式波浪能发电装置，所述摆式波浪能发电装置与互补供电模块连接，且互补供电模块与远海岸的摇荡式波浪能发电装置连接，所述摆式波浪能发电装置内设置有俘能摆板，俘能摆板底端设置有自适应调节组件，且俘能摆板上传动端与机械pto模组连接，所述摇荡式波浪能发电装置内设置有俘能外壳，俘能外壳内设置有换向机构，且俘能外壳底端设置有系泊姿态调节组件。
6.优选的，所述俘能摆板上设置有主框架，主框架上下端分别设置有壳体和水泵，所述主框架上设置有储水仓，主框架内搭载有进排水系统，进排水系统与储水仓连接，且进排水系统内包括有所述水泵。
7.优选的，所述自适应调节组件包括基座平台，所述基座平台上分别设置有液压制动模块，方向调节模块和高度调节，方向调节模块和高度调节由液压制动系统控制，所述方向调节模块包括设置在所述主框架下端的中心转轴，中心转轴底端通过轴承座转动设置有转台，且中心转轴伸出端与减速电机输出轴端联接，所述高度调节模块包括设置在主框架底端的副框架，副框架底端设置有底板，所述底板边角位置均贯穿有桩腿，桩腿上部依次套设有弹簧和浮标。
8.优选的，所述机械pto模组包括设置在俘能摆板传动端的输入轴，输入轴两端通过单向离合器与联轴器连接，且两个所述单向离合器对心设置在输入轴两端安装的联轴器内，所述联轴器输入端与主发电机连接。
9.优选的，所述俘能外壳外半球形结构，所述俘能外壳内设置有隔板，隔板中部通过轴承孔过盈贯穿有竖轴，竖轴上部经连杆设置有摆锤，竖轴下部设置有齿轮组，且齿轮组输出端与副发电机输入端连接，所述齿轮组上设置有所述换向机构。
10.优选的，所述系泊姿态调节组件包括设置在俘能外壳底部的非弹性缆绳，所述非弹性缆绳上套设有外壳拉环，且非弹性缆绳底端分别设置有附属重物和重力锚，所述摆式波浪能发电装置与摇荡式波浪能发电装置之间通过海底电缆连接，所述摇荡式波浪能发电装置上设置有远海波浪监测系统，远海波浪监测系统包括设置在所述附属重物上的水下传感器模块，所述俘能外壳内设置有电能分配模块，且海底电缆上设置有通信模块。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过近岸海域的智能摆式波浪能发电装置、应用于离岸海域的摇荡式波浪能发电装置及互补供电模块三者结合的复合式发电系统，能够对同时适应近远海域不同特性波浪，充分利用波浪能源，能够对波浪能进行持续性发电。
附图说明
12.图1为本发明的整体结构示意图；
13.图2为本发明的换向机构原理示意图；
14.图3为发明的摆式波浪能发电装置与摇荡式波浪能发电装置俯视分布示意图；
15.图4为本发明的自适应调节组件结构示意图；
16.图5为本发明的机械pto模组结构示意图；
17.图6为图1的a处放大示意图。
18.图中：1、摆式波浪能发电装置；2、摇荡式波浪能发电装置；3、俘能摆板；4、俘能外壳；6、主框架；7、壳体；8、水泵；9、储水仓；10、基座平台；11、中心转轴；12、转台；13、减速电机；14、副框架；15、底板；16、桩腿；17、弹簧；18、浮标；19、输入轴；20、单向离合器；21、联轴器；22、主发电机；23、隔板；24、竖轴；25、摆锤；26、齿轮组；27、副发电机；28、非弹性缆绳；29、外壳拉环；30、附属重物；31、重力锚；32、海底电缆。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
20.请参阅图1-6，一种近远海互补式波浪能发电装置，包括设置在近海岸的摆式波浪能发电装置1，所述摆式波浪能发电装置1与互补供电模块连接，且互补供电模块与远海岸的摇荡式波浪能发电装置2连接，所述摆式波浪能发电装置1内设置有俘能摆板3，俘能摆板3底端设置有自适应调节组件；
21.所述俘能摆板3上螺接有主框架6，主框架6上下端分别螺接有壳体7和水泵8，所述主框架6上螺接有储水仓9，主框架6内搭载有进排水系统，进排水系统与储水仓9连接，且进排水系统内包括有所述水泵8。
22.进排水系统由水泵8、储水仓9、控制电路、水位计组成，当智能摆式波浪能发电装置接受到远海模块检测的浪况信息时，向控制单元发出信号，控制单元根据信号来控制水泵8的工作向储水仓9内进水或者排水，当水位计检测到信号达到预设水位时，信号反馈至控制单元，控制单元关闭水泵8。
23.水泵8由电动机带动运转，电动机正反转和停转可等效于水泵8的进排水和停止，正反转启动/停止、加速、减速和换向按键模拟控制总成给定的指令，控制电机的工作状态。
24.且俘能摆板3上传动端与机械pto模组连接，所述摇荡式波浪能发电装置2内设置有俘能外壳4，俘能外壳4内设置有换向机构，且俘能外壳4底端设置有系泊姿态调节组件。
25.所述自适应调节组件包括基座平台10，所述基座平台10上分别设置有液压制动模块，方向调节模块和高度调节，方向调节模块和高度调节由液压制动系统控制，所述方向调节模块包括设置在所述主框架6下端的中心转轴11，中心转轴11底端通过轴承座转动螺接有转台12，且中心转轴11伸出端与减速电机13输出轴端联接，所述高度调节模块包括设置在主框架6底端的副框架14，副框架14底端螺接有底板15，所述底板15边角位置均贯穿有桩腿16，桩腿16上部依次套设有弹簧17和浮标18。
26.液压制动模块主要由液压油缸，液压泵、常闭电磁阀、液压管路、制动轮缸和制动夹组成,在液压泵和电磁阀的控制下实现制动轮缸的长期制动和短暂松开，保证装置可以保持长时间的位置稳定同时也可以随时松开制动调整装置位置。
27.其工作原理是在装置未制动前，打开常闭电磁阀，然后打开液压泵，此时液压泵产生的液压力使制动轮缸推动制动夹实现制动，此时关闭电磁阀将液压力保持在液压管路中实现长期的制动状态，当需要调整位置松开制动时，只需要打开常闭电磁阀即可。
28.方向调节模块主要由带减速器的减速电机13、中心转轴11、轴承座和转台12组成，在近海范围内，方向调节的次数相对较少，并且精度要求较高，在减速电机13的控制下调节转台12的方向从而调节俘能摆板3的方向，使得俘能摆板3的工作面时刻处于迎浪方向，从而保持最佳的能量俘获效率，高度调节模块主要由副框架14、底板15、桩腿16、弹簧17和浮标18组成，如图4所示，该模块在浮标18的控制下控制平台副框架14的高度，同时副框架14和底板15以及桩腿16起到了传递力和力矩的作用，在运输及安装时，还能够保证装置结构的稳定性。
29.所述机械pto模组包括设置在俘能摆板3传动端的输入轴19，输入轴19两端通过单向离合器20与联轴器21连接，且两个所述单向离合器20对心设置在输入轴19两端安装的联轴器21内，所述联轴器21输入端与主发电机22连接。
30.当俘能摆板3带动输入轴19向某一个方向转动时，其中一侧单向离合器20锁止，将输入轴19的力传递到与其连接的输出轴上，这根输出轴将带同侧的主发电机22做功，而另一侧单向离合器20处于自由转动状态，不传递功。
31.当俘能摆板3向另一个方向转动时，上述第一个单向离合器20将处于自由转动状态，不传递功，其侧的主发电机22做功将在飞轮的惯性作用下继续发电；而第二个单向离合器20此时锁止，其侧的输入轴19带动输出轴做功；因此两根输出轴的转动方向相反。
32.通过上述装置，可以使俘能摆板3两侧的主发电机22各自单方向旋转，飞轮使主发电机22转速保持在一定范围内，使得主发电机22输出电压变化较为平缓，实现初级稳压。
33.俘能摆板3的运动方程可以表示为：
[0034][0035]
式中：i是摆板转动惯量；
[0036]
t
ext
是波浪激励力矩；
[0037]
t
rad
是波浪辐射力矩；
[0038]
tb是恢复力矩；
[0039]
tm是由于系泊而产生的扭矩；
[0040]cv
是粘性阻尼；
[0041]
单向离合器20啮合时的运动方程可表示为：
[0042][0043]
对于脱离阶段，这个系统的运动方程变成两个解耦的方程：
[0044][0045][0046]
由以上分析可见,单向离合器20对于俘获单方向运动的效率较高。
[0047]
所述俘能外壳4外半圆球形结构，所述俘能外壳4内设置有隔板23，隔板23中部通过轴承孔过盈贯穿有竖轴24，竖轴24上部经连杆设置有摆锤25，竖轴24下部设置有齿轮组26，且齿轮组26输出端与副发电机27输入端连接，所述齿轮组26上设置有所述换向机构，为了保证外壳具有最大限度的倾覆角，本装置主要考虑外壳的横摇与纵摇运动，确保充分利用波浪能，保证波浪能与机械能之间转化的效率，本装置采用了半圆球外壳；
[0048]
换向机构采用手表自动上链装置，核心部分为两个换向爪和换向片，无论摆锤25带动锤轮顺逆时针转动，最终都会转化为换向齿轴单方向的转动，进而带动副发电机27运转，换向爪分上下换向爪，上下各两个总共4个，传动片为带两个通孔的圆形金属片，用于隔开上下换向爪并完成传动，其上的通孔与下片换向爪上的凸起完成配合，使其可以进行传动，随着装置的摇荡，摆锤25会在重力矩和惯性力矩的作用下带动中心轴顺逆时针转动，进而带动部件上的齿轮一同顺逆时针转动，请参阅图2。
[0049]
当摆锤25顺时针转动时，自动二轮部件逆时针转动，自动二齿轴带动换向轮上片顺时针转动，换向轮上片凸台顶住上片换向爪顺时针方向旋转，在换向爪的带动下，传动片顺时针方向旋转，由于传动片与换向轮轴压合在一起，所以换向齿轴顺时针转动,在整个工作过程中，自动三轮部件顺时针转动。带动换向轮下片逆时针转动，下片换向爪在其中打滑，不会带动传动片工作。
[0050]
当摆锤25逆时针转动时，自动二轮部件顺时针转动，自动三轮部件逆时针转动，带动换向轮下片顺时针转动，换向轮下片凸台顶住下片换向爪顺时针方向旋转，在换向爪的带动下传动片顺时针方向旋转，换向轮轴顺时针转动，在此工作过程中，换向轮上片在自动二轮部件的带动下逆时针旋转，上片换向爪在其中打滑，不会带动传动片工作。
[0051]
摇荡式波浪能发电装置2的尺寸与应用海域有关，海域波浪周期随着时间和空间的变化存在一定的差异，不同的波浪波长周期影响装置在波浪中摇荡运动的运动响应效果，因此，需要针对实际应用海域的波浪特性，设计相适应的装置尺寸。
[0052]
在已知情况下，选取南海北部海域作为发电装置的目标应用海域，据资料统计，该海域年大部分海区平均波高为1.5m左右，平均波浪周期为5.5～7.0s，平均波长为39～47m，
根据循环水槽实验模型比例放大确定发电装置出实际尺寸，其中：式中：
[0053]
k为实验装置与实际尺寸缩尺比；
[0054]
tr为应用海域波浪平均周期；
[0055]
te为实验波浪平均周期；
[0056]
通过计算与实验测得直径为0.5m的模型在周期2.1s时摇荡效率最高，通过模型与实际尺寸的放大关系，当取南海远海海域平均周期6.1s时,实际半球形壳体设计直径为4.2m。
[0057]
所述系泊姿态调节组件包括设置在俘能外壳4底部的非弹性缆绳28，所述非弹性缆绳28上套设有外壳拉环29，且非弹性缆绳28底端分别设置有附属重物30和重力锚31，所述摆式波浪能发电装置1与摇荡式波浪能发电装置2之间通过海底电缆32连接，所述摇荡式波浪能发电装置2上设置有远海波浪监测系统，远海波浪监测系统包括设置在所述附属重物30上的水下传感器模块，所述俘能外壳4内设置有电能分配模块，且海底电缆32上设置有通信模块。
[0058]
当摇荡式波浪能发电装置2布放海域潮位变化不大时，可采用固定长度的弹性缆绳进行系泊，将其固定在海底的桩或锚上，也可将系泊绳系在结构物水下部分的梁上，使摇荡式波浪能发电装置2在固定区域内发电,当布放区域潮位变化较大时，可采用摇荡式波浪能发电装置2的自适应系泊方式，其主要包括重力锚31，非弹性缆绳28和附属重物30部分组成，非弹性缆绳28的一端与沉在水底的重力锚31相连，另一端与可活动的附属重物30相连,若水深发生变化，摇荡式波浪能发电装置2则会自动调节位置以适应水位，提高俘能外壳4吸收波浪能量效率。
[0059]
当水深增加，外壳排水体积增大，摇荡式波浪能发电装置2在浮力以及重力的作用下向上抬升，由于外壳上升带动附属重物30上升，附属重物30向下拉非弹性缆绳28从而给外壳提供系泊的拉力,水位变化过高，附属重物30将大幅上升触碰到外壳拉环29，可避免非弹性缆绳28与俘能外壳4脱落,当水深减少时，俘能外壳4排水体积减小，其所受浮力小于附属重物30提供的向下的拉力，摇荡式波浪能发电装置2会自动下沉到平衡位置,俘能外壳4始终受附属重物30向下的拉力，会减少俘能外壳4对波浪冲击的影响，提供受冲击下的缓冲过程。
[0060]
摇荡式波浪能发电装置2在布放前会考虑不同海域的水深差异和潮位变化情况，从而调整系泊绳长，或将系泊绳拴在海洋平台水下结构上，且摇荡式波浪能发电装置2不用专门搭建海洋平台，对地形要求不高，故本装置姿态自适应能力强，可布放范围广,后期团队将继续改进自适应系泊方式，提高装置对不同海域、不同工况及不同要求的自适应能力，显著提高其可布放范围。
[0061]
由于摇荡式波浪能发电装置2应用于远海作业环境，其与智能摆式波浪能发电装置1之间的数据传输与通信，即成为复合式波浪能发电系统中极为重要的一环,针对复合式波浪能发电系统的应用工况，设置了远海波浪监测系统，主要分为水下传感器模块、电能分配模块、通信模块，其浮动结构为传感器提供载体的同时能够为传感及通信提供必要的电能。
[0062]
扣在系泊上的水下传感器不仅能够解决长时间供电问题，同时还能够保证稳定可
靠地通信，本装置采用导线直连，将摇荡式波浪能发电装置2发出的部分电能用于水下传感检测及通信，可较好地解决监测所需供电问题。
[0063]
如图1所示，以摇荡式发电装置2为依托，使用高强度抗拉线缆作为浮标的系泊线缆，水上通过电能分配模块，定时的将部分功率通过线缆传递到水下电路，为传感器提供电能，数据通信使用与电能传输相似的回路完成，只需将水下模块扣接到系泊线缆的不同位置上即可感知不同位置的水文状况，在水下模块搭载各种传感器即可进行各项数据的测量，通信模块中，以摇荡式波浪能发电装置内部的采集器为中转站，水下各个传感器模块之间没有通信，所有控制信息都是由水上系统发起，水下系统应答。
[0064]
远海摇荡式波浪能发电装置2与近海智能摆式波浪能发电装置1需要进行通信互联，依托于远海摇荡式波浪能发电装置2的监测系统包含不同类型的传感器，能够实现对水文、气象等方面信息的观测和收集，采取合适的通信方式将监测数据传递至近海智能摆式波浪能发电装置的数据接收端，经过装置中的微处理器进行处理分析，对近海智能摆式波浪能发电装置进行决策，达到智能调节、俘能效率最大化的目的。
[0065]
光纤传输的是光信号，采用数字编码方式传输，保密安全性高，对电磁干扰有很强的抵御能力、损耗低、保真度高，工作性能可靠，现阶段海洋监测所使用的光纤专线有sdh和ddn两种，在进行观测数据的传递时，包含有数据转换以及传递过程，采集器中的信息资料通过串口传递至交换机，经过交换机转换后，通过sdh专线传递至接收机。
[0066]
本实施例的工作原理如下：近岸区域水深较浅，波浪方向相对固定，以布置新型智能机械pto摆式波浪能发电装置1为主，在俘能摆板3模块增加频率自调节功能，使得装置维持一个较高的发电效率；在传动模块，通过机械pto模块设计将波浪往复不规则的摆动转化稳定的电能输出，大大提高了近海波浪能的俘获能力；另外装置部分添加了自适应调节设计模块，通过摆板高度和方向调节，保证了装置高效的发电状态；
[0067]
在远岸区域，主要布置摇荡式波浪能发电装置2，该装置针对远海波浪方向复杂多变的特点，设计出能够俘获各种方向波浪能的全新发电模块，装置主要根据远海波浪特性设计俘能外壳体4，使装置保持一个最佳运动效应，通过自动上链装置构成的换向机构的传动设计，使得装置能将各方向的波浪能转化为发电机单方向的转动，大大提高了能量俘获效率，通过系泊姿态调节设计，装置会自动调节位置以适应水位，提高外壳吸收波浪能量效率。
[0068]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。