一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标及控制方法与流程

1.本发明涉及海洋波浪能发电技术领域，具体涉及一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标及控制方法。


背景技术：

2.海洋浮标是海上无人值守并自主进行海洋各类要素观测的站点，观测要素包括水文、气象、水质等物理、化学参数，它具有全天候稳定可靠收集海洋环境资料的能力，并且可以实时传输收集回来的各类数据。随着海洋浮标上各类观测传感器、视频监控设备、远程传输设备的不断增加，浮标的能源供给能力也要相应的不断加强。目前浮标的能源供给主要有以下几种方式。第一种采用大容量的蓄电池供电，此种方式需要定期的更换和维护蓄电池，维护成本较高；并且由于蓄电池的储能容量制约，能支撑浮标上各类用电设备的功率较低。第二种方式是采用太阳能加少量的蓄电池供电，利用太阳能来给蓄电池充电，由于太阳能发电受天气和盐雾的影响，导致供电稳定性较差，并且由于浮标可安装太阳能的面积有限，使浮标的供电功率也较小。第三种方式是通过水下电缆连接岸基电源供电，此种供电方式的浮标一般只能用于近海离岸较近的海域，并且铺设水下电缆的费用相对较高，经济性较差。海洋浮标的周围有着丰富的波浪能资源，利用波浪能给浮标供电，实现海能海用，原位供电，可以很好的解决海洋浮标的供电问题，延长海洋浮标的维护周期，从而降低成本。
3.波浪能发电技术一般可以分为振荡水柱式、点吸收式、摆式和振荡浮子式等。其主要原理是利用布放在海中的若干个浮体间(或浮体与水柱间)的相对运动来驱动各类转换系统进行发电。目前的大多数波浪能发电转换部件一般都置于浮体之间(或浮体与水柱之间)的海水或海汽中，例如振荡浮子式的主要转换部件液压缸通常都暴露于海水中或海汽中，振荡水柱式的主要转换部件空气透平和发电机暴露于海汽中，这使得主要的转换部件非常容易受到海水或海汽的腐蚀从而导致失效。因此如何发明新的转换技术，使波浪能装置的主要转换部件减少受到海水或海汽的腐蚀，延长使用寿命，是利用波浪能发电技术需要着重考虑的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足，本发明提供一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标及控制方法，其利用波浪驱动浮标运动，在浮标内部设置悬挂摆板，在波浪作用下，浮标做俯仰运动，与此同时，内置的悬挂摆板在惯性作用下，做摇摆运动，利用内部悬挂摆板和浮体间的相对运动来驱动液压能量转换系统进行发电，实现了将液压转换部件内置于浮标舱内，极大的减少了转换部件的受腐蚀程度，提高浮标的使用寿命。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标，其包括：
7.浮标标体；
8.主轴，其两端设置于所述浮标标体的标体两侧；
9.悬挂摆板，其转动连接在所述主轴上；
10.前液压缸，其缸筒端连接在所述浮标标体上，活塞连接在所述悬挂摆板一侧；
11.后液压缸，其缸筒端连接在所述浮标标体上，活塞连接在所述悬挂摆板另一侧；
12.液压能量转换系统模块，其与所述前液压缸、后液压缸液压连接，其中，通过所述悬挂摆板的摇摆运动驱动所述液压能量转换系统模块进行发电。
13.如上所述的内置悬挂摆式波浪能发电浮标，进一步地，所述浮标标体的上部设有浮标舱盖，所述浮标舱盖上方安装有灯架，所述灯架用于安装测量传感器和监控设备，且所述灯架的顶部安装有用于夜间标识和导航的航标灯。
14.如上所述的内置悬挂摆式波浪能发电浮标，进一步地，所述浮标标体的底部两侧设置有系链点，所述系链点用于连接y型链的一端，所述y型链的另一端连接有普通锚链的一端，所述普通锚链的另一端连接有重力锚块。
15.如上所述的内置悬挂摆式波浪能发电浮标，进一步地，所述浮标标体还设有前支撑横梁和后支撑梁，所述前液压缸的缸筒端连接所述前支撑横梁，所述后液压缸的缸筒端连接所述后支撑梁，
16.如上所述的内置悬挂摆式波浪能发电浮标，进一步地，所述前液压缸布置在所述浮标标体的船头方向，所述后液压缸布置在所述浮标标体的船尾方向。
17.如上所述的内置悬挂摆式波浪能发电浮标，进一步地，所述前液压缸的有杆腔通过液压软管连接到所述液压能量转换系统，所述后液压缸的有杆腔通过液压软管连接到所述液压能量转换系统。
18.如上所述的内置悬挂摆式波浪能发电浮标，进一步地，所述液压能量转换系统包括：油箱、蓄能器组、液压马达和发电机，其中，
19.所述前液压缸的有杆腔通过带有第一单向阀的管道连通所述油箱的的吸油口a；
20.所述前液压缸的有杆腔通过带有第二单向阀的管道连通所述蓄能器组；
21.所述后液压缸的有杆腔通过带有第三单向阀的管道连通所述油箱的吸油口a；
22.所述后液压缸的有杆腔通过带有第四单向阀的管道连通所述蓄能器组；
23.所述蓄能器组与所述液压马达的进油口连通，所述液压马达的出油口与所述油箱的回油口b连通；
24.所述液压马达与所述发电机同轴连接。
25.如上所述的内置悬挂摆式波浪能发电浮标，进一步地，还包括与发电机用电缆连接的蓄电池组。
26.一种波浪能发电控制方法，其利用如上所述的内置悬挂摆式波浪能发电浮标，包括：
27.在波浪作用下，浮标标体的船头处于向上运动时，悬挂摆板在惯性的作用下向后旋转，处于船尾方向的后液压缸在悬挂摆板的驱动下，活塞逐渐向后液压缸无杆腔方向运动，后液压缸有杆腔通过第三单向阀从油箱吸油。此时，处于船头方向的前液压缸在悬挂摆板的拉动下，活塞逐渐向前液压缸有杆腔方向运动，压缩前液压缸有杆腔内的液压油通过第二单向阀进入蓄能器组，进行蓄能稳压过程；
28.在波浪作用下，浮标标体的船头处于向下运动时，悬挂摆板在惯性的作用下向前旋转，处于船头方向的前液压缸在悬挂摆板的驱动下，活塞逐渐向前液压缸无杆腔方向运
动，前液压缸有杆腔通过第一单向阀从油箱吸油。此时，处于船尾方向的后液压缸在悬挂摆板的拉动下，活塞逐渐向后液压缸有杆腔方向运动，压缩后液压缸有杆腔内的液压油通过第四单向阀进入蓄能器组，进行蓄能稳压过程。
29.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
30.1、目前，大多数浮标采用太阳能供电，只有少量的波浪能供电浮标试用，但由于能量转换系统置于海水或海汽中，容易腐蚀，导致寿命较短。本发明将液压能量转换系统内置于密封的舱内，使关键液压转换部件免收腐蚀，提高液压能量转换系统使用寿命。
31.2、液压缸沿浮标标体的中心对称布置，使浮标在周期性波浪驱动下可以双向做功，也即是浮标标体在进行俯仰运动时，标体船头向上时可以做功，标体船头向下时同样可以做功。
32.3、由于船型浮标，体型较为修长，在大浪作用下，横摇运动容易导致侧翻。本发明采用y型锚链连接在浮标底部中间位置的两边，作为锚泊系统的过渡链，连接单点系泊系统，抑制了浮标的横摇运动，降低了浮标在大浪情况下倾覆的概率。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是本发明一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标外形组成三维图；
35.图2是本发明一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标标体内部三维结构组成图；
36.图3是本发明一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标液压能量转换系统组成图；
37.图4是本发明一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标锚泊系统组成主视图；
38.图5是本发明一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标锚泊系统组成左视图；
39.图6是本发明一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标船头向上运动时液压能量转换系统运行原理图；
40.图7是本发明一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标船头向下运动时液压能量转换系统运行原理图。
41.附图标记说明：1、浮标标体；2、浮标舱盖；3、灯架；4、航标灯；5、前液压缸；6、后液压缸；7、悬挂摆板；8、主轴；9、液压能量转换系统模块；10、液压软管；11、前支撑横梁；12、后支撑横梁；13、蓄电池组；14、y型链；15、普通锚链；16、重力锚块；17、油箱；18、第一单向阀；19、第二单向阀；20、第三单向阀；21、第四单向阀；22、前液压缸有杆腔；23、后液压缸有杆腔；24、蓄能器组；25、液压马达；26、发电机；27、前液压缸无杆腔；28、后液压缸无杆腔。
具体实施方式
42.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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.实施例：
44.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
45.需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
46.在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
48.参见图1至图5，一种内置悬挂摆式波浪能发电浮标，其利用波浪驱动浮标运动，在浮标内部设置悬挂摆板，在波浪作用下，浮标做俯仰运动，与此同时，内置的悬挂摆板在惯性作用下，做摇摆运动，利用内部悬挂摆板和浮体间的相对运动来驱动液压能量转换系统进行发电，实现了将液压转换部件内置于浮标舱内，极大的减少了转换部件的受腐蚀程度，提高浮标的使用寿命。
49.参见图1，图1展示了本发明实施例的内置悬挂摆式波浪能发电浮标外形组成三维图，所述浮标标体1外形犹如船型，浮标标体1上部设有浮标舱盖2，将波浪能转换设备密封在标体1舱内。浮标舱盖2上方中部安装有灯架3，灯架3可以安装各类测量传感器和监控设备，灯架3顶部安装有航标灯4，用于夜间标识和导航。
50.参见图2，图2展示了本发明实施例的内置悬挂摆式波浪能发电浮标标体内部三维结构组成图。浮标标体1内部中间两侧固定一主轴8，主轴8与已内置的悬挂摆板7铰接，悬挂摆板7可以绕主轴8旋转运动。摆板8上部的支撑框架分别连接前液压缸5的液压杆和后液压缸6的液压杆，前液压缸5和后液压缸6以主轴8为中心线对称布置，前液压缸5布置在船头方向，后液压缸6布置在船尾方向。前液压缸5的缸筒端连接前支撑横梁11，后液压缸6的缸筒端连接后支撑横梁12。前液压缸5的有杆腔通过液压软管10连接到液压能量转换系统模块9，后液压缸6的有杆腔通过液压软管10连接到液压能量转换系统模块9。
51.参见图3，图3展示了内置悬挂摆板式波浪能发电浮标液压能量转换系统组成图。所述液压能量转换系统模块9主要包括油箱17，第一单向阀18，第二单向阀19，第三单向阀20，第四单向阀21，前液压缸有杆腔22，后液压缸有杆腔23，蓄能器组24，液压马达25，发电机26，前液压缸无杆腔27，后液压缸无杆腔28。前液压缸5的有杆腔通22过第一单向阀18连通油箱17的吸油口a，通过第二单向阀19连通蓄能器组24。后液压缸6的有杆腔23通过第三单向阀20连通油箱17的吸油口a，通过第四单向阀21连通蓄能器组24。蓄能器组24与液压马达25的进油口连通，液压马达25的出油口连通油箱17的回油口b。液压马达25与发电机26同轴连接，同步旋转。发电机26发出的电充进蓄电池组13。
52.参见图4、图5，图4展示了内置悬挂摆板式波浪能发电浮标锚泊系统组成主视图，图5展示了内置悬挂摆板式波浪能发电浮标锚泊系统组成左视图。浮标标体1底部中间位置的两侧设置有系链点，用于连接y型链14，y型链14底部连接普通锚链15，普通锚链15的另一端连接重力锚块16。
53.参见图6、图7，图6展示了内置悬挂摆板式波浪能发电浮标船头向上运动时液压能量转换系统运行原理图，图7展示了内置悬挂摆板式波浪能发电浮标船头向下运动时液压能量转换系统运行原理图。
54.在海洋中的无约束的结构物在波浪作用下，一般有6个自由度的运动，分别是3个平移自由度纵荡，横荡，垂荡；以及3个旋转自由度，分别是横摇，纵摇，艏摇。本发明波浪能发电浮标标体1，总体呈船型，长宽比较大，在波浪的作用下，纵摇运动的幅度较大，导致整个浮标产生的俯仰力矩较大，也即是浮标绕主轴8的运动角度相对较大。在主轴8上铰接一个长方体的悬挂摆板7，在惯性的作用下，悬挂摆板7也会绕主轴进行旋转运动，合理设置悬挂摆板的质量，使悬挂摆板的固有周期远离浮标标体的固有纵摇运动周期。因此在波浪驱动下，浮标标体1和内置悬挂摆板7同时绕主轴8旋转，由于二者之间的旋转周期不同，在同时做旋转运动时会产生相位差，也即是二者之间在波浪驱动下产生相对运动，而波浪能装置发电原理通常利用即是不同物体之间的相对运动来进行做功，本发明即是利用浮标标体和内置悬挂摆板的相对运动进行做功发电。
55.为了将上述浮标标体和内置悬挂摆板的相对运动做功转换成电能，本发明设置了对称布置的两个液压缸来作为动力转换部件，分别是前液压缸5和后液压缸6。前液压缸5设置在船头方向，缸筒端与前支撑横梁11铰接，杆端与主轴8的框架结构相连。后液压缸6设置在船尾方向，缸筒端与后支撑横梁12铰接，杆端同样与主轴8的另一侧框架结构相连。
56.在浮标标体在波浪作用下，船头处于向上运动时，内置悬挂摆板7在惯性的作用下向后旋转，如图6所示，处于船尾方向的后液压缸6在悬挂摆板7的驱动下，活塞逐渐向后液压缸无杆腔28方向运动，后液压缸有杆腔23，通过第三单向阀20，从油箱17吸油。与此同时，处于船头方向的前液压缸5在悬挂摆板7的拉动下，活塞逐渐向前液压缸有杆腔22方向运动，压缩前液压缸有杆腔22内的液压油通过第二单向阀19进入的高压的蓄能器组24，进行蓄能稳压过程。
57.当浮标标体在波浪作用下，船头处于向下运动时，内置悬挂摆板7在惯性的作用下向前旋转，如图6所示，处于船头方向的前液压缸5在悬挂摆板7的驱动下，活塞逐渐向前液压缸无杆腔27方向运动，前液压缸有杆腔22，通过第一单向阀18，从油箱17吸油。与此同时，处于船尾方向的后液压缸6在悬挂摆板7的拉动下，活塞逐渐向后液压缸有杆腔23方向运
动，压缩后液压缸有杆腔23内的液压油通过第四单向阀21进入的高压的蓄能器组24，进行蓄能稳压过程。
58.浮标标体1在波浪驱动下，不断的进行着俯仰运动，内置的悬挂摆板7也实时进行着绕主轴8旋转运动，因此不断的进行着前液压缸有杆腔22从油箱17吸油、后液压缸有杆腔23泵油进入蓄能器组24和后液压缸有杆腔23从油箱17吸油、前液压缸有杆腔22泵油进入蓄能器组24的往复循环，随着泵入到蓄能器组24的油压逐渐升高，当达到设定压力时，驱动液压马达25和发电机26旋转发电，并通过输电线充进蓄电池组13。浮标标体1上部设置了灯架3和航标灯4，灯架3上可以安装各类测量传感器和监控设备，灯架3顶部安装有航标灯4，用于夜间标识和导航用，波浪能发出的电给这些仪器设备供电。
59.本发明的船型波浪浮标，体型较为修长，在波浪作用下，浮标的横摇运动模态也较大，特别是波浪正对船舷方向，容易导致侧翻。本发明采用y型链14连接在浮标底部中间位置的两边，作为锚泊系统的过渡链，连接单点系泊系统，抑制了浮标的横摇运动，降低了船型浮标在大浪情况下倾覆的概率。
60.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
61.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。