一种基于漂浮平台的翘尾式波浪能采集装置的制作方法

本发明涉及一种波浪能发电领域的能量采集装置，特别是涉及一种基于漂浮平台的以新型翘尾式吸波浮体为主体的波浪能采集装置。

背景技术

波浪能是海洋能中蕴含最丰富的一种清洁能源，波浪能量表现出来的具体形式就是巨大的向前的推力和向上的浮力。随着人类对清洁能源的渴望和探索，对波浪能利用技术的研究也取得了很大的进展，获得了大量的研究成果，这些成果主要应用于发电领域。目前，已经建成或公开的波浪能采集装置主要分为岸基式和漂浮式两种类型。岸基式波浪能采集装置因受沿岸地形和海洋潮汐的影响较大，建造和维护成本较高，不适合大范围推广。漂浮式波浪能采集装置因为不受沿岸地形的影响，而且可以在陆地上制造完成后直接投放到目标海域，工作环境适应性强，建造和维护成本较低，成为目前主要的研究与发展方向。发展比较成熟的漂浮式波浪能采集装置的种类主要有空气透平式、随波筏式、波浪摆式、震荡浮子式、点头鸭式等，因点头鸭式具有同时吸收波浪的水平推力和向上浮力的特点，能量采集效率较高，而其它种类装置的波浪能采集方式主要是对波浪能的单向力进行吸收，采集效率较低。点头鸭式的缺点在于，它的机械结构大部分设在吸波体内且处于水平面以下，对吸波体结构的强度和密闭性的设计要求非常严格，很难适应大浪的冲击，容易形成海水渗漏，造成损坏。还因点头鸭式的结构特点，它对波浪的初期能量采集效率很高，但随着波浪的前进至最终被截止，鸭体迎波面与水平面之间的夹角逐渐加大，吸收波浪向上浮力的作用面逐渐减小，使装置的采集效率逐渐降低，从而使点头鸭式采集装置具有了对低能波的采集效率高，而对高能波的采集效率反而降低的缺点。目前，新出现一种具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，中国发明专利：cn102661231a，此发明公开了一种具有半潜船特征的新型漂浮鹰式波浪能发电装置，其包括鹰头型吸波浮体、船型水下附体和门型支撑臂，鹰头型吸波浮体与门型支撑臂的上端固定连接，门型支撑臂的下端与第一铰链连接，第一铰链通过底座与船型水下附体固定连接，门型支撑臂连同鹰头型吸波浮体可绕第一铰链旋转运动，船型水下附体的两端安装有l型水下附体，l型水下附体通过第二铰链与船型水下附体连接，l型水下附体可绕第二铰链旋转，船型水下附体的正上方和鹰头型吸波浮体的下方安装有主浮体，船型水下附体设有浮力舱和设备舱，船型水下附体甲板上端两侧中间部位设有浮力调节舱。此发明的吸波浮体由点头鸭式装置发展而来，对吸波浮体的迎波面有所改进，但为了增加对高能波的采集效率，吸波浮体下部增加了门型支撑臂，从而增大了吸波浮体的浮动旋转半径，为了使整套装置在工作中保持稳定，相应的提高了其水下附体的体积，使整体装置造价较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种结构简单、稳固、容易制造，且投放和维护方便的波浪能采集装置。此装置的设计要求做到：一、整套装置以漂浮式为基础。二、装置的能量转换及传递部分与海水脱离，避免大浪对装置产生破坏，避免海水渗漏对内部装置产生腐蚀，增强装置的抵抗风浪的能力。三、装置的吸波浮体要满足能够充份吸收波浪能量的条件，提高装置对波浪能的吸收效率。四、要减少装置的附体及辅助设施在整体装置中所占的比例，即用少的附体来支持多的吸波浮体来工作，降低造价。以上几个问题的统一解决，将使此装置更适于应用，易于推广。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种基于漂浮平台的翘尾式波浪能采集装置，其特征在于，所述装置包括翘尾式吸波浮体，所述翘尾式吸波浮体位于一对船型侧附体之间，所述翘尾式吸波浮体的上端与传动轴连接，下部向后半浮于水中，所述传动轴的两端分别通过轴承、轴承支座与一对船型侧附体的上端连接，在所述翘尾式吸波浮体的下面设有升浪板，升浪板的两侧分别与所述一对船型侧附体连接，在所述一对船型侧附体之间分别连接有前支撑框架和后支撑框架，所述翘尾式吸波浮体处于所述前支撑框架和后支撑框架之间；在所述翘尾式吸波浮体的上方横向布置有门形支架，门形支架立柱的底部分别固定连接在所述一对船型侧附体顶部，所述翘尾式吸波浮体为空心壳体结构，在所述翘尾式吸波浮体前侧设弧面形的迎波面。

为了便于翘尾式吸波浮体吸收波浪能，优选的技术方案是，所述翘尾式吸波浮体包括弧面形的前迎波面、平面形背面、弧面形底面、扇形的两侧面和弧面形上端面。所述弧面形底面与弧面形上端面均是以传动轴的中心线为圆心的圆弧面。所述弧面形的前迎波面为向所述翘尾式吸波浮体内侧凹进的圆弧面。在海水处于静态的条件下，弧面形的前迎波面的1/3～1/2上部设置在水面以上。优选的，在海水处于静态的条件下，所述平面形的背面最下端与所述弧面形底面最上端的交接线与水平面齐平。优选的，所述弧面形的前迎波面为自上而下的弯曲半径渐变的弧面，在海水处于静态的条件下，此弧面在与水平面交点处的切面，与水平面形成45°夹角，且在所述弧面形的前迎波面在向后上方逐渐升起的过程中，形成的与水平面各交点处的切面全部与水平面形成45°夹角，一直到所述弧面形的前迎波面的最下端。

为了便于翘尾式吸波浮体吸收波浪能，进一步优选的技术方案是，在所述升浪板上设有升浪板迎波面的上段和升浪板迎波面的下段，升浪板迎波面的上段是以轴的中心线为圆心的圆弧面，其圆弧面半径大于弧面形底面的圆弧面半径，升浪板迎波面的下段为升浪板迎波面的上段底部的切面，且升浪板迎波面下段的前端低于升浪板迎波面上段的下端，升浪板迎波面的上段上端的高度低于翘尾式吸波浮体的迎波面下端向后浮起的极限工作高度。

为了避免翘尾式吸波浮体过渡摆动，进一步优选的技术方案还有，所述升浪板迎波面的上端与翘尾式吸波浮体的迎波面下端向后浮起的极限工作高度之间留有间隙，此间隙为波浪溢流口。

为了使得波浪透过翘尾式吸波浮体下部及两侧的间隙而造成的能量损失达到最小，进一步优选的技术方案还有，所述翘尾式吸波浮体的弧面形底面与下附板迎波面的上段的圆弧面之间的间隙为

1mm～5mm，所述翘尾式吸波浮体的扇形的两侧面与所述一对船型侧附体之间的间隙为1mm～5mm。

为了进一步提高波浪能利用率，进一步优选的技术方案还有，在所述门型支架的上横梁与翘尾式吸波浮体的平面形背面之间设有液压缸以及与液压缸配合的活塞杆，液压缸的上端与所述门型支架的上横梁铰接，液压缸活塞杆的下端与所述翘尾式吸波浮体的平面形背面铰接。

为了进一步提高波浪能利用率，进一步优选的技术方案还有，所述翘尾式吸波浮体弧面形的前迎波面下部与所述升浪板下段之间设有液压缸以及与液压缸配合的活塞杆，液压缸下端与升浪板迎波面下段的前端铰接，液压缸活塞杆的上端与所述翘尾式吸波浮体弧面形的前迎波面下部铰接。

为了提高波浪能的利用效率，进一步优选的技术方案还有，所述翘尾式吸波浮体设有多块，横向布置在所述一对船型侧附体之间，在相邻的翘尾式吸波浮体之间设有隔板，隔板的下端与升浪板连接，隔板的前端、后端分别与前支撑框架和后支撑框架连接，隔板的上端设置在水面以上。

为了便于调节船型侧附体浮在水面部分的高度，进一步优选的技术方案还有，在所述船型侧附体的下部设有浮力舱，浮力舱前后方向分布多个气室，气室的上部安装进气管、排气管，气室的下部安装进水管、排水管。进一步优选的技术方案还有，在升浪板的下部设有浮力舱，浮力舱左右横向布置且半潜于水中，浮力仓内横向分布多个气室，气室的上部安装进气管、排气管，气室的下部安装进水管、排水管。

为了便于通过不同构造的传动机构将波浪能转化为电能或压力能等能量，进一步优选的技术方案还有，所述传动轴通过传动齿轮与能量转换装置连接，所述能量转换装置设置在船型侧附体的水面以上的上部。

本发明的工作原理主要是，在由一对船型侧附体及之间的前、后支撑框架及升浪板组成的漂浮平台上，通过波浪对翘尾式吸波浮体下部的推动，将波浪能转化为机械能，并通过翘尾式吸波浮体对液压缸的作用将机械能转化为液压能，从而加以利用。优点和有益效果在于：

1、该套装置的设计以漂浮式为基础，使整套装置可以在陆地上进行制造，制造完成后投放到目标海域直接进入工作状态，不会受到潮汐及沿岸地形的影响，相比岸基式节省成本、易于推广。

2、该套装置吸波浮体的设计采用“翘尾式”，即吸波体的后下部绕前上部的传动轴做上下摆动，传动轴及轴承支座都在水平面以上，避免了传动机械直接受到海水的腐蚀。因吸波浮体的下部为向后半浮于水中，当波浪能量超过装置的最大额定值时，吸波浮体向后上方浮起，波浪通过波浪溢流口向后涌出，避免了大浪的冲击对装置产生破坏。翘尾式吸波浮体采用密闭中空仓体，避免了“点头鸭”式因海水渗漏对内部装置造成损坏的风险。

3、该装置采用“翘尾式”吸波浮体的设计，此设计的迎波面与“点头鸭”式吸波浮体迎波面在吸收波浪能的过程中运动状态相反，“点头鸭”式吸波浮体的迎波面在波浪的推动下是趋于直立的，接受波浪向上浮力的面积逐渐减小。“翘尾式”的迎波面在波浪的推动下是趋于水平的，接受波浪向上浮力的面积逐渐增大。“翘尾式”吸波浮体的运动状态更适合吸收波浪在将推力向浮力转化的过程中所产生的能量，所以“翘尾式”吸波浮体的能量吸收效率要高于“点头鸭”式吸波浮体。

4、在相同面积迎波面的情况下，“翘尾式”吸波浮体的工作旋转半径要小于与“点头鸭”式运动状态相近似的“鹰式”吸波浮体，即“翘尾式”吸波浮体不需要采用“鹰式”吸波浮体所采用的门形支架来增加对高能波的吸收效率。为保持整体装置在运行中的稳定状态，在相同波况下，“翘尾式”吸波浮体所需要的附体体积要小于“鹰式”吸波浮体所需要的附体体积。

5、该装置的设计方案中，在吸波浮体下部设计了升浪板，使吸波浮体前迎波面与两侧侧附体(或隔板)及升浪板迎波面之间，在波浪涌动的方向上形成了一个接近于密闭的空间，使装置达到很高的波浪能采集效率。

6、该套装置中提供主要浮力的侧附体分布在吸波体两侧，中间可以设计多个吸波浮体同时进行波浪能采集，只需在装置上增加相应的支撑框架及浮力舱即可提供足够的浮力来支持更多的吸波体进行工作。此套装置的设计具有较高的性价比，有利于产业化。

附图说明

图1是本发明基于漂浮平台的翘尾式波浪能采集装置的前视结构示意图；

图2是本发明基于漂浮平台的翘尾式波浪能采集装置的侧视结构示意图；

图3是本发明基于漂浮平台的翘尾式波浪能采集装置中液压缸的第二种布置方法布置图及波浪溢流口的结构示意图；

图4是本发明基于漂浮平台的翘尾式波浪能采集装置中利用齿轮与翘尾式吸波浮体相配合进行能量输出的结构示意图；

图5是本发明基于漂浮平台的翘尾式波浪能采集装置中升浪板及隔板的结构示意图；

图6是本发明基于漂浮平台的翘尾式波浪能采集装置中翘尾式吸波浮体侧视图。

图中：1、翘尾式吸波浮体；1.1、弧面形的迎波面；1.2、平面形背面；1.3、弧面形底面；1.4、扇形的两侧面；1.5、弧面形上端面；2、传动轴；3、船型侧附体；3.1、船型侧附体设备舱；3.2、船型侧附体浮力舱；4、轴承支座；5、升浪板；5.1、升浪板迎波面的上段；5.2、升浪板迎波面的下段；6、前支撑框架；7、后支撑框架；8、门形支架；9、波浪溢流口；10、液压缸；11、活塞杆；12、隔板；13、浮力舱；14、传动齿轮；15、锚固系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1～5所示，本发明是一种基于漂浮平台的翘尾式波浪能采集装置，该装置的迎波面为前侧。所述装置包括翘尾式吸波浮体1，所述翘尾式吸波浮体1位于一对船型侧附体3之间，传动轴2水平横向穿过翘尾式吸波浮体1的上部并与翘尾式吸波浮体1通过平键或花键固定连接为一个整体，且位于水面以上，所述传动轴2的两端分别通过轴承、轴承支座4与两侧船型侧附体3上端的前部连接，翘尾式吸波浮体1的后下部可以以传动轴2的中心线为圆心做弧形摆动。在所述翘尾式吸波浮体1的下面设有升浪板5，且升浪板5的两侧分别与船型侧附体3连接，在所述一对船型侧附体3之间的前部与后部分别固定连接有前支撑框架6和后支撑框架7，在所述一对船型侧附体3的上方之间还连接有门型支架8，门形支架8立柱的下端分别固定连接在一对船型侧附体3的顶部。在所述门型支架8的上横梁与翘尾式吸波浮体1的平面形背面之间设有液压缸10以及与液压缸10配合的活塞杆11。液压缸10上端铰接在门形支架8的横梁上，活塞杆11的下端与翘尾式吸波浮体1的平面形背面1.2铰接，所述翘尾式吸波浮体1为空心壳体结构。

为了便于翘尾式吸波浮体吸收波浪能，本发明优选的实施方案是，所述翘尾式吸波浮体包括弧面形的前迎波面1.1、平面形背面1.2、弧面形底面1.3、扇形的两侧面1.4和弧面形上端面1.5，其中弧面形的前迎波面1.1的1/3～1/2上部设置在水面以上其弯曲半径大于水面以下的弯曲半径，所述弧面形底面1.3与弧面形上端1.5均是以传动轴2的中心线为圆心的圆弧面，所述平面形的背面1.2位于水面以上。

优选的，所述弧面形的前迎波面1.1为自上而下的、中部向翘尾式吸波浮体1内侧凹进的且弯曲半径渐变的弧面，在海水处于静态的条件下，此弧面在与水平面交点处的切面，与水平面形成45°夹角，且在所述弧面形的前迎波面在向后上方逐渐升起的过程中，形成的与水平面各交点处的切面全部与水平面形成45°夹角，一直到所述弧面形的前迎波面的最下端。

为了便于翘尾式吸波浮体吸收波浪能，本发明进一步优选的实施方案是，所述升浪板5按迎波面侧视图的线形不同分为升浪板迎波面的上段5.1和升浪板迎波面的下段5.2两部分，升浪板迎波面的上段5.1是以传动轴2的中心线为圆心的圆弧面，此圆弧面由翘尾式吸波体1下方向后上方以圆弧状升起，其圆弧面半径大于弧面形底面1.3的圆弧面半径，升浪板迎波面的下段5.2为升浪板迎波面的上段5.1底部的切面，此切面为由船型侧附体内侧的前下方向后上方逐渐升起至翘尾式吸波浮体1下部的倾斜平面，圆弧面5.1与迎波面的下段5.2在翘尾式吸波浮体1下侧相切并相连为一个整体。

为了避免翘尾式吸波浮体1过渡摆动，本发明进一步优选的实施方案还有，升浪板迎波面的上段5.1上端的高度低于翘尾式吸波浮体的迎波面1.1下端向后浮起的极限工作高度，所述下附板迎波面的上段5.1上端与翘尾式吸波浮体的迎波面1.1下端向后浮起的极限工作高度之间的间隙为波浪溢流口9。

为了使得波浪通过升浪板5与翘尾式吸波浮体1之间的间隙造成的能量损失达到最小，本发明进一步优选的实施方案还有，所述翘尾式吸波浮体1的弧面形底面1.3与升浪板迎波面的上段5.1的圆弧面之间的间隙为1mm～5mm，所述翘尾式吸波浮体的扇形的两侧面与所述一对船型侧附体之间的间隙为1mm～5mm。

为了便于调节整体装置浮在水面部分的高度，保持稳定性，本发明进一步优选的实施方案还有，所述一对船型侧附体3的浮体，分别按前后方向顺向布置，并排分布在翘尾式吸波浮体1的两侧。一对船型侧附体3分别分为上、下两部分，上部为船型侧附体设备舱3.1，下部为船型侧附体浮力舱3.2。浮力舱3.2半潜于海水中，前后两端分别凸出于设备舱3.1下侧的前后两端，浮力舱3.2内前后方向分布多个气室，气室上部安装进气管、排气管，下部安装进水管、排水管。

为了便于通过不同构造的传动机构将波浪能转化为电能或压力能等能量，本发明进一步优选的技术方案还有，所述传动轴2通过传动齿轮14与能量转换装置连接，所述能量转换装置设置在船型侧附体3的水面以上的上部。

翘尾式吸波浮体1的前视图为方形，侧视图为前上部小、后下部大，类似于鹰头的形状，整体结构为中空密闭式舱体。翘尾式吸波浮体1后下部半浮于水中，并在波浪的推动下以传动轴2的中心线为中心做弧线形摆动，主要作用为吸收波浪涌动产生的机械能。

一对船型侧附体3的浮体，设备舱3.1除提供部分浮力以外，主要为装置的能量转换系统、控制系统及其它辅助设备提供布置空间，设备舱的上半部浮在水平面之上。浮力舱3.2主要作用是为整体装置提供浮力并能进行调节。浮力舱3.2前后凸出部分的长度要满足使整体装置在波浪的涌动下保持稳定的条件，避免装置整体发生纵向摇动。

翘尾式吸波浮体1的迎波面1.1顶端浮出水面的高度不低于装置最大额定工作状态下波浪的高度。

主体前支撑框架6和主体后支撑框架7由多组支架组成，主要作用是连接一对船型侧附体3，使整体装置形成牢固的稳定结构，为辅助装置提供支撑点。主体前支撑框架6和主体后支撑框架7的布置不得影响翘尾式吸波浮体1的正常工作。

门形支架8的主要作用是为液压缸10提供上部支点，液压缸10的作用是通过翘尾式吸波体1后下部的上下摆动，将波浪涌动的机械能转化为液压能。因翘尾式吸波浮体1的后下部为半浮于水面上，自身具有一定的质量，所以采用双向液压缸效率会更高。

翘尾式吸波浮体1前侧迎波面1.1的弧面形设计，为自上而下的，且中部向翘尾式吸波浮体1内部凹进的弧形曲面。此曲面使波浪在额定工作状态下对翘尾式吸波浮体1进行推动时，波浪对翘尾式吸波浮体1作用力的角度在翘尾式吸波浮体1向后上方摆动的过程中保持在最优状态。

翘尾式吸波体1下部的弧面形底面1.3为与传动轴2同心的圆弧面。弧面形底面1.3最上端的最优高度为在静态下与水面齐平。该曲面使翘尾式吸波体1在做绕传动轴2摆动时，不会使后部的海水对翘尾式吸波体1的摆动产生兴波阻力，可提高装置对波浪能的吸收效率。

升浪板5的设计要达到足够的强度，使之能够承受波浪的冲击的。升浪板5前下方与相邻的主体前支撑框架6连接牢固，后下方通过连杆与主体后支撑框架7连接牢固。翘尾式吸波浮体1的两侧与船型侧附体3内侧的间隙及翘尾式吸波浮体1后下部与主体下附板5的间隙，要在保证相互不发生摩擦的情况下做到最小，即1mm～5mm，用来减少波浪通过间隙造成的能量损失。

为了提高整体装置的性能价格比，本实施方案还在一对船型侧附体3之间设计安装多个翘尾式吸波浮体1，翘尾式吸波浮体1之间由隔板12相间隔。隔板12为直立的板状结构，前后顺向布置，隔板12前端与后端分别固定连接在主体前支撑框架6和主体后支撑框架7上，隔板12左右两侧垂直于升浪板5，且底部与升浪板5固定连接。隔板12上部在水面以上，上平面平行于水面，上平面的左右宽度需满足安装轴承支座4及门形支架8的需要。门形支架8立柱底部安装在隔板12顶部并形成稳定结构，翘尾式吸波体1前上部通过传动轴2及两侧的轴承和轴承支座4安装在隔板12顶部。隔板12的作用是为各翘尾式吸波体1及相关部件提供支点，且把各翘尾式吸波体1间隔开，使波浪能不会向两侧扩散，避免相互产生干扰波。隔板12设计为中空密闭式舱体，可为整体装置提供部分浮力。

升浪板5的下部可以增加浮力舱13。浮力舱13左右横向布置，为中空密闭舱体，两侧分别与一对船型侧附体3相连接。浮力仓13下部与后部与主体前支撑框架6和主体后支撑框架7通过连接杆连接并固定。浮力仓13内可分为多个气室，气室上部安装进气管、排气管，下部安装进水管、排水管，用以调节浮力的大小。浮力仓13可以与升浪板5相连并设计为一个整体。作用：为整套装置提供部分浮力。

锚固系统15，将一对船型侧附体3与海底相连，将整套装置按前侧朝向波浪涌向迎波面的方向固定的海平面上。锚固系统可采用现有技术，此处不在进行说明。

液压能量储存、转换及控制系统布置在一对船型侧附体3内，通过液压管道与液压缸10相联，将液压缸10采集到的液压能进行利用。液压能量储存、转换及控制系统及液压能相关的各种利用方式，本专业技术人员采用现有技术即可实施，此处不在进行说明。

本套装置中液压缸10的布置方式不是唯一的方式，如：可以把液压缸布置在翘尾式吸波体1的前侧，液压缸10一端与主体前支撑框架6或升浪板迎波面下段5.2的前端铰接，另一端的活塞杆11顶端与翘尾式吸波体1迎波面1.1前下侧铰接，这样也可以使液压缸10吸收翘尾式吸波浮体1摆动产生的机械能并进行输出利用。用液压缸10作为吸波浮体吸收波浪能后进行能量传输的方法也不是唯一的方法，如：可采用传动齿轮14传输的方法，将以传动轴2圆心为圆心的大齿轮固定安装在传动轴2上，并通过变速齿轮将吸波体摆动产生的机械能输出并进行利用。因本计设方案中以翘尾式吸波体1为主体，凡是以翘尾式吸波体为波浪能采集主体的任何能量传输方式，都应在本发明的保护范围之内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，主要结构所采用材料优选钢材，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。