一种二维度波浪能发电装置的制作方法

本发明涉及一种二维度波浪能发电装置，属于液力机械领域。更具体地，本发明专利涉及的是一种适用于高等学校船舶与海洋工程专业、流体力学专业及海洋能开发利用领域实验教学和研究的波浪能发电的装置。除此之外，该装置在加装系泊系统之后，同样可以应用于波浪能丰富的海域，为沿海及岛屿居民提供生产和生活用电。

背景技术：

海洋能具有无污染，储存量大，分布广，可预测性强，可再生等诸多优点，开发利用海洋能成为缓解能源紧张、降低环境污染的有效途径。我国岛屿众多，海岸线漫长，海域辽阔，波浪能资源丰富，开发利用波浪能对于缓解能源危机，改善能源结构，降低环境污染具有重大战略意义。近年来，为了加强各类海洋资源的开发，越来越多的高校开设了船舶与海洋工程、流体力学等专业，不断加大海洋能利用的教学和研究力度，特别是波浪能利用方面，这对各高校相关专业的教学和研究工作提出了挑战。

目前，船舶与海洋工程、流体力学等专业针对于海洋能利用、特别是波浪能开发利用的教学主要以理论研究及cfd数值模拟为主，实验探究为辅，缺乏关于波浪能利用的实验教学和实验研究的通用装置和平台，不利于学生对波浪能利用原理和技术的掌握，也缺乏对理论研究及cfd数值模拟的指导和验证，急需一套波浪能利用的实验教学和研究的装置平台，用来加强学生对专业知识的理解和掌握，开发学生的动手能力和创新能力。另外，现有波浪能发电装置，有的为主要利用波浪垂荡方向是能的震荡浮子式结构，有的为主要利用波浪能纵摇的摆式结构，现有装置的获能效率还有待于进一步提升。为了开发高效实用的波能转化装置，本专利发明一种二维度波浪能发电装置，该装置不仅适用于高等学校波浪能利用实验教学和研究，在加设系泊系统之后，还可以投放于波浪能丰富的海域，向沿海及岛屿居民提供生产和生活用电。

经检索发现，专利申请号为201510156094.6，授权公告号：cn104747361b的发明专利“一种可调的摆式波浪能发电装置”。一种可调的摆式波浪能发电装置，其属于海洋工程发电装置领域。该装置的升降机构采用升降电机经升降齿轮驱动套装在连接轴上的升降齿条套筒，旋转机构采用旋转电机连接与旋转大齿轮相啮合的旋转小齿轮，升降齿条套筒的上端面与旋转大齿轮的下端面为滑动配合。升降电机采用电缆经压力逻辑控制模块与压力传感器电连接，旋转电机采用电缆经速度逻辑控制模块与速度传感器电连接。该装置解决了传统的摆式波浪能发电装置中出现的不能调节高度，不能调节迎浪方向，维护困难等问题，改善了普通摆式波浪能发电装置，使得摆板高度可以随水位高度调节，摆板方向可以随波浪方向调节，增大了波浪能吸收率，同时又能防止恶劣海况条件下装置被毁坏。文章“浮力摆式波浪能装置水动力性能的试验研究”，涉及一种浮力摆式波浪能发电装置，采用磁粉制动器模拟pto阻尼研制了浮力摆式波浪能装置的物理模型，并采用有机玻璃制作摆板，采用高速ccd摄像机追踪浮力摆运动过程。通过水槽试验分析了浮力摆的固有周期、波能功率的非线性影响、pto阻尼特性，并研究了浮力摆摆幅、转换功率和转换效率随波况、激磁电流的变化情况。

本发明专利与申请号为201510156094.6，授权公告号为cn104747361b的发明专利“一种可调的摆式波浪能发电装置”以及论文“浮力摆式波浪能装置水动力性能的试验研究”中涉及一种波浪能发电装置，在具体用途、工作原理、结构组成和形式上均存在不同。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种能量转化效率高，结构简单，易于加工制造，成本低，安装、使用方便，可小型化的二维度波浪能发电装置，本发明既适用于高等学校波浪能利用的实验教学和研究工作，也可加装系泊系统，投放于波浪能丰富的海域，利用波浪能发电，开展商业应用，向沿海及岛屿居民提供生产和生活用电。

本发明的目的是这样实现的：包括浮子、设置在浮子内的波浪能发电模块、通过数据线与波浪能发电模块连接的数据采集与分析处理部分，所述浮子是u型结构，浮子内设置有一号挡板和二号挡板，且一号挡板和二号挡板将浮子内部分割成三个舱室，两端的两个舱室底部均设置有防水槽，一号挡板和二号挡板上分别设置有一对位于两端舱室内的、上下布置的连接块，所述中间舱室的中间位置设置有一连接板，连接板一侧的中间舱室内设置有一号固定板、另一侧的中间舱室内设置有二号固定板，一号固定板上还设置有两块固定块；

所述波浪能发电模块包括垂荡运动发电部分和纵摇运动发电部分：

所述垂荡运动发电部分包括设穿过两个防水槽的两个立柱，位于左舱室内的立柱的上端固连有一号横轴，在左舱室的两连接块之间设置有一号连接杆，一号连接杆的下端穿出连接块且悬空、上端固连有横梁，一号连接杆上设置有一号t形支架，且一号t型支架位于左舱室的两连接块之间，一号横轴的一端与一号t型支架铰接、另一端固连有二号横轴，位于左舱室内的立柱的上端固连有五号横轴，横梁的端部固连有二号连接杆，二号连接杆的端部穿过右舱室内的两连接块后悬空，二号连接杆上设置有二号t形支架，且二号t型支架位于右舱室的两连接块之间，五号横轴的一端与二号t形支架铰接、另一端固连有六号横轴，六号横轴上安装有七号齿轮，所述二号t形支架上还设置三号角位移传感器，三号角位移传感器上设置有六号齿轮，六号齿轮与七号齿轮啮合，所述横梁上设置有挂钩，挂钩端部连接有二号齿条，二号齿条的端部通过三号齿套与二号固定板的侧面连接，二号固定板上通过二号电机支座安装有二号电机，二号电机的电机轴上安装有四号齿轮，四号齿轮与二号啮合，二号电机支座上设置有二号角位移传感器，二号角位移传感器上设置有五号齿轮，五号齿轮与四号齿轮啮合，

纵摇运动发电部分包括设置在一号固定板上的一号电机支座、设置在一号电机支座上的一号电机、设置在一号电机的电机轴上的一号齿轮、设置在所述两块固定块上的一号齿条套和二号齿条套、设置在一号齿条套和二号齿条套中的一号齿条、与一号齿条连接的三号横轴、与三号横轴连接的摆杆、设置在摆杆下端部的摆球、设置在连接板上的四号横轴，摆杆的上端部与四号横轴的一端连接，四号横轴的另一端穿过连接板、且四号横轴的另一端安装有三号齿轮，所述连接板还设置有一号角位移传感器，一号角位移传感器上设置有二号齿轮，三号齿轮与二号齿轮啮合，所述摆杆下端设置有槽孔，与三号横轴连接的摆杆是指三号横轴设置在摆杆的槽孔中。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.还包括底架，底架包括支撑底板、对称设置在支撑底板两端的两组z形挂板，每组z形挂板包括两个，所述两个立柱分别位于每组的两个z形挂板之间，每个立柱的端部连接有与立柱垂直的小轴，每个小轴通过l形连接块设置在支撑底板上，且小轴与l形连接块之间设置有轴承，每个立柱与支撑底板之间还设置有斜杆。

2.还包括与立柱端部连接的锚链、设置在锚链端部的重力锚。

3.所述数据采集与分析处理部分包括计算机、与计算机连接的数据采集与分析处理系统、供电电源，数据采集与分析处理系统对一号角位移传感器、二号角位移传感器及三号角位移传感器的数字信号进行采集并分析，供电电源还对一号角位移传感器、二号角位移传感器及三号角位移传感器、进行供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)专业化功能的特点。该装置实用于波浪能开发利用的实验教学和研究工作。既可以开展波浪能开发原理的实验演示，又可以开展波能转换效率和浮体水动力性能优化的研究。(2)浮子采用u形断面的设计，既保证了垂荡浮力，又减小了波浪冲击对系统的损伤。(3)易于加工和制造，拆装、搬运、使用、操作方便，可小型化应用。(4)采用了防水槽、l形连接块、t形支架、垂荡齿条、摆锤等特有设计，使装置实现了二维度的运动，充分利用了波浪垂荡方向的势能和纵荡方向的动能，实现了二维度能量的综合利用，能量转化效率高(5)加设系泊系统之后，可以应用于真实海况下的波浪能发电活动。

附图说明

图1是本发明的总布置图；

图2是本发明的座架结构图；

图3是本发明的浮子外部结构示意图；

图4是本发明的浮子内部结构示意图；

图5是本发明的波浪能发电模块示意图a；

图6是本发明的波浪能发电模块示意图b；

图7是本发明的波浪能发电模块示意图c；

图8是本发明的系泊示意图；

图中：1.座架，2.浮子，3.波浪能发电模块，4.数据采集与分析处理部分包括计算机，5.数据采集与分析处理系统，6.供电电源，7.数据线，8.支撑底板，9.z形挂板10.立柱，11.1号锁片，12.斜杆，13.l形连接块，14.1号轴承，15.小轴，16.斜杆连接块，17.防水槽，18.1号挡板19.上连接块，20.下连接块，21.1号固定板，22.1号固定块，23.2号固定块，24.连接板，25.2号固定板，26.2号挡板，27.横梁，28.1号连接杆，29.2号锁片，30.1号t形支架，31.2号轴承，32.1号横轴，33.2号横轴，34.1号电机支座，35.1号电机，36.1号齿条，37.1号齿条套，38.摆杆，39.1号齿轮，40.2号齿条套，41.摆球，42.3号横轴，43.1号角位移传感器，44.3号轴承，45.4号横轴，46.1号z形固定板，47.2号齿轮，48.3号齿轮，49.挂钩，50.2号齿条，51.4号齿轮，52.5号齿轮，53.2号角位移传感器，54.2号电机支座，55.3号齿条套，56.2号连接杆，57.2号z形固定板，58.5号横轴，59.6号齿轮，60.7号齿轮，61.2号t形支架，62.3号角位移传感器，63.6号横轴，64.2号电机，65.万向接头，66.锚链，67.重力锚。

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8，本发明的一种二维度的波浪能装置主要用于波浪能发电实验演示教学和实验研究工作，包括座架1、浮子2、波浪能发电模块3和数据采集与分析处理部分，座架1放置在水下，用于支撑浮子2及波浪能发电模块3；浮子2浮于水面，其内部空间用于安放波浪能发电模块3；波浪能发电模块3用于将浮子纵摇和垂荡运动的机械能通过传动机构转化为电机的电能；数据采集与分析处理部分用于采集和分析装置的纵摇、垂荡运动和电力输出值。

所述座架1放置在水下，用于支撑浮子及波浪能发电模块，为了保证座架的结构强度，同时方便实验观察，座架整体采用钢骨架结构。为方便加工制造、安装，座架采用对称的结构。整个座架包括1块支撑底板、4块z形挂板、2根立柱、4个1号锁片、2个斜杆、2个l形连接块、2个轴承、2条小轴、2块斜杆连接块及若干螺钉螺母。其中，支撑底板8、z形挂板9和斜杆连接块16为中钢板；立柱10、小轴15为圆钢，1号锁片11为薄钢板，立柱10垂直于支撑底板8，在立柱10底端，通过焊接的方式，与小轴15末端固定；小轴15前端，以过盈连接的方式，将小轴15与1号轴承14的内圈套在一起，每2个1号锁片11组合，将立柱10和斜杆12的上端活链接；斜杆12一端为圆钢，一端为中钢板；l形连接块为角钢，两个l形连接块13分别位于支撑底板8中间部位两侧，开口向外，一个l面通过四套螺钉螺母以螺纹连接的方式固定到支撑底板8上；另一个l面挖孔，以压入法通过过盈连接的方式，将1号轴承14固定到孔中。z形挂板9外观呈字母“z”形的，其上端可与外接循环水槽池壁进行连接，四块z形挂板9是分别过螺纹连接到支撑底板8的四角，两个l形连接块13分别位于支撑底板9两侧及夹在z形挂板9中间，开口向外，一个断面通过螺纹连接固定到支撑底板8上，另一个断面挖孔，装配1号轴承15，立柱10底部与小轴15末端焊连，小轴15与1号轴承15相连，1号锁片11前端通过螺纹连接固定到立柱10上，末端通过螺纹连接固定到斜杆12的中钢板一端，固定到1号锁片11上的斜杆12，与立柱10成30度角，下端以焊接方式与斜杆连接块16中心固连；斜杆连接块16上开有4个安装孔，通过四套螺钉螺母以螺纹连接方式固定到支撑底板8上。

所述浮子2浮于水面，内部中空用于安放波浪能发电模块。为了更好的适应波浪环境，浮子2外部采用玻璃钢材质，且侧向截面为u形，底部设有两个挖空的防水槽。为了更合理的放置波浪能发电模块，有必要对浮子内部空间进行科学的划分。浮子内部包括2个防水槽17，2个上连接块19，2个下连接块20，1号挡板18，2号挡板26，连接板24，1号固定块21，2号固定块23，1号固定板21及2号固定板25，以上均为玻璃钢材质。浮子2内部中空浮子内部被1号挡板、2号挡板分隔为三个舱室，从左至右分别为第一舱室、第二舱室、第三舱室，且第一舱室内部结构与第三舱室关于浮子中心对称。为了使立柱连接到波浪能发电模块，底部在第一舱室和第三舱室设置两个防水槽，底部贯穿浮子，防水槽17为方形槽，方形截面中心与第一舱室中心重合，顶部位于浮子第一舱室内部，底部直至贯穿浮子；立柱在防水槽内的运动角度范围为±21°内。第一舱室内设有上、下两个连接块，上连接块19和下连接块20均为方形截面，上连接块19和下连接块20中心有圆形贯穿孔结构，上连接块19和下连接块20分别固连于1号挡板在第一舱室的截面上，连接块19位于截面顶部，下连接块20位于截面中部。连连接板24两侧为弧形，固连于浮子内壁面，连接板中心处有圆形贯穿孔结构；连接板24将第二舱室等分。第二舱室内设有1号、2号固定板和1号、2号固定块，用于固定波浪能发电模块。1号固定板21位于浮子内部、连接板24左侧，两侧为弧形，固连于浮子内壁面；2号固定板25位于浮子内部、连接板24右侧，一侧为方形，另一侧为弧形，弧形部分固连于浮子内壁面。1号固定块22和2号固定块均为一侧弧形，一侧方形结构，弧形结构分别固连于浮子的前后内壁面；1号固定块22底部固连于1号固定板21之上，位于1号固定板21后端；2号固定块23底部固连于1号固定板21之上，位于1号固定板21前端。

所述波浪能发电模块放置在浮子内部之中，可以实现分离装置的纵摇及垂荡运动，分别通过电机将纵摇和垂荡运动的动能转化为电能。波浪能发电模块包括固连机构、纵摇运动模块和垂荡运动模块。

固连机构可以实现整个装置的串联工作，连接浮子、座架、纵摇运动模块和垂荡运动模块，包括横梁27、1号连接杆28、2号锁片29、1号t形支架30、2号轴承31、1号横轴32、2号横轴33、2号连接杆56、2号z形固定板57、5号横轴58、6号齿轮59、7号齿轮60、2号t形支架61、3号角位移传感器62、6号横轴63。横梁27、1号连接杆28及2号连接杆56为钢制圆形截面管材，1号连接杆28及2号连接杆56与横梁27首尾相连。1号t形支架30，截面为t形，伸出部分朝向浮子内部，中心有一贯穿孔，垂直于孔的平面两端设有顶丝螺丝；侧截面偏下有一贯穿孔，内有2号轴承31；1号横轴32一端与2号轴承连接，另一端与2号横轴通过焊接相连，中间与立柱10焊连。1号连接杆28同时穿过上连接块19、1号t形支架30侧截面孔、下连接块20，并在上连接块19上方处设有2号锁片29。2号t形支架61，与1号t形支架30关于浮子中心对称，所布置均相同；2号z形固定板57上方与2号t形支架61用螺纹连接固定，下方放置3号角位移传感器62，并通过螺纹连接与2号z形固定板57固定；6号齿轮59与3号角位移传感器62固连；7号齿轮60与6号横轴63固连。纵摇运动模块可以实现对在波浪能中运动过程中，纵摇运动的分离，通过电机将动能转为电能，包括1号电机支座34、1号电机35、1号齿条36、1号齿条套37、摆杆38、1号齿轮39、2号齿条套40、摆球41、3号横轴42、1号角位移传感器43、3号轴承44、4号横轴45、1号z形固定板46、2号齿轮47、3号齿轮48。为了实现纵摇运动的分离，并带动电机工作发电，1号电机支座34底部通过螺纹连接固定到1号固定板21上表面，侧面通过螺纹连接固定1号电机35；1号齿轮39与1号电机35固连；1号齿条36、2号齿条套40通过螺纹连接的形式分别固定到1号固定块22、2号固定块23上；1号齿条36装配在1号齿条36、2号齿条套40之间，并与1号齿条36啮合。摆杆38一端为弧形，一端为方形，其中侧向有两个通透的槽孔；摆球41顶部为方形截面；摆杆38底部与摆球41通过固连；3号横轴42一端焊接到1号齿条36、另一端连接至摆杆38下方槽孔的上部且可在其中运动，也即3号横轴在随着摆杆摆动的同时还在摆杆下方的槽孔中运动，防止干涉。3号轴承44通固定到连接板24结构的通透孔中；4号横轴一端连接至摆杆38上方槽孔中，穿过3号轴承44，另一端与3号齿轮48固连；1号z形固定板46一端通过螺纹连接方式固定到连接板24结构上，另一端通过螺纹连接方式与1号角位移传感器43固定；2号齿轮47与1号角位移传感器43固连，并与3号齿轮48啮合。纵摇运动模块中，摆杆38和摆球41组成的整体会随着波浪运动发生纵向摆动，由于3号横轴42的约束，且只能发生纵向摆动。在摆动的过程中，3号横轴42会带动1号齿条36发生相对运动，1号齿条36由于1号齿条套37和2号齿条套40的约束而被限位，1号齿条36运动的过程带动1号齿轮39发生转动，1号齿轮39带动1号电机35发生转动，进而1号电机35工作完成纵摇运动模块发电工作。垂荡运动模块为了分离垂荡运动，将动能转化为电能，包括挂钩49、2号齿条50、4号齿轮51、5号齿轮52、2号角位移传感器53、2号电机支座54、3号齿条套55、2号电机64。为了实现垂荡运动的分离，并带动电机工作发电，2号电机支座54底部通过螺纹连接固定到2号固定板25上表面；2号角位移传感器53通过螺纹连接固定到2号电机支座54侧表面；2号电机64通过螺纹连接固定到2号电机支座54侧表面；2号角位移传感器53与5号齿轮52固连；2号电机64与4号齿轮51固连。横梁27中间一段车削加工为侧截面方形结构；挂钩49上部通过螺纹连接与横梁27侧截面为方形的部分固定，下部通过螺纹连接与2号齿条50上部固定；齿条59与4号齿轮51、5号齿轮52啮合，下端装配到3号齿条套55之中；3号齿条套55通过2套螺纹连接与2号固定板25侧表面固定。垂荡运动模块中，挂钩49上方锁止的情况下，在波浪运动的过程中，2号齿条50在挂钩49和3号齿条套55的约束下，发生且仅能发生垂向运动,2号齿条50带动4号齿轮51发生转动，4号齿轮51与2号电机64固连，进而带动2号电机64工作，完成发电。1号角位移传感器43、2号角位移传感器53、3号角位移传感器62均采用wdd35型角位移传感器，使用前需要进行标定。

所述数据采集与分析处理部分用于采集和分析装置的纵摇及垂荡运动，包括计算机4、数据采集与分析处理系统5、供电电源6和数据线7。计算机4采用thinkpad便携式计算机，配有1394数据线接口。数据采集与分析处理系统采用东华dh5920数据采集系统，包括数据采集器5和数据采集与分析处理软件。数据采集器5对1号角位移传感器43、2号角位移传感器53及3号角位移传感器62的数字信号进行采集，数据采集与分析处理软件安装于计算机4内，对数字信号进行峰值、谷值、峰峰值和平均值的分析。供电电源6采用济南能华15v直流稳压供电电源，对1号角位移传感器43、2号角位移传感器53及3号角位移传感器62进行供电。

所述的一种二维度波浪能发电装置，除了可以应用于高等学校波浪能开发利用方向的实验演示和实验教学，在撤掉座架1之后，加装万向接头65、锚链66及重力锚67后，构成系泊系统，可以抛放于波浪能丰富的海域，为边远海岛提供生活用电。

本发明的的工作原理及工作过程：

一种二维度波浪能发电装置主要用于波浪能开发利用研究方向的实验演示及实验教学。以实验教学应用为例，实验前，首先对1号角位移传感器43、2号角位移传感器53及3号角位移传感器63进行标定，然后将座架1固定到某一循环水槽当中，槽内水将浮子2浮起，此时1号锁片11锁止，立柱10垂直稳定立于水槽之上，1号t形支架30和2号t形支架61处的顶丝拧紧。然后，按照试验要求，以一定流速开启循环水槽，浮子2随水槽内流体流动而发生相对运动。

波浪能装置3中包括固连机构、垂荡运动模块及纵摇运动模块。其中，固连机构中，7号齿轮60随着浮子的运动而发生转动，与7号齿轮60啮合的6号齿轮59会随之转动，6号齿轮59的转动会将运动传递到3号角位移传感器62,3号角位移传感器62将信号反馈到计算机4中，完成信号采集，获取浮子运动的运动情况；纵摇运动模块中，摆杆38和摆球41组成的整体会随着波浪运动发生纵向摆动，由于3号横轴42的约束，且只能发生纵向摆动。在摆动的过程中，3号横轴42会带动1号齿条36发生相对运动，1号齿条36由于1号齿条套37和2号齿条套40的约束而被限位，1号齿条36运动的过程带动1号齿轮39发生转动，1号齿轮39带动1号电机35发生转动，进而1号电机35工作完成纵摇运动模块发电工作。同时，摆杆38上方带动穿过3号轴承44的4号横轴45，进而使3号齿轮48发生相对转动，传递到与3号轴承43固连的2号齿轮47上，1号角位移传感器43将信号反馈到计算机4中，完成信号采集，获取纵摇运动模块下的发电情况；垂荡运动模块中，挂钩49上方锁止的情况下，在波浪运动的过程中，2号齿条50在挂钩49和3号齿条套55的约束下，发生且仅能发生垂向运动,2号齿条50带动4号齿轮51发生转动，4号齿轮51与2号电机64固连，进而带动2号电机64工作，完成发电。4号齿轮51的转动同时会带动525号齿轮发生相对转动，5号齿轮52与2号角位移传感器53固连，2号角位移传感器53将信号反馈到计算机4中，完成信号采集，获取垂荡运动模块下的发电情况。此外，在1号锁片11未锁止的情况下，浮子为自适应海浪状态，可以测试本装置在该状态下的性能，具体方式方法如上文所述。根据需要抬出装置和抽水，实验完毕。

本发明并不仅仅局限于实验室教学使用，在撤掉座架1之后，将重力锚67固定于近海岸底、与锚链66连接，锚链66与万向接头65连接，万向接头65与立柱10固连，组成整个锚泊系统(如图8所示)，可以应用到波浪能丰富的地区，进行真实海况下的发电活动，具体原理方法跟上述相同。

综上，本发明包括座架、浮子、波浪能发电模块和数据采集与分析处理部分。所述座架用于固定浮子，钢骨架结构；所述浮子用于安放波浪能发电模块，两端与座架相连；所述波浪能发电模块可以将波浪能转化为电能，安放于浮子之中，包括固连机构、垂荡运动机构和纵摇运动机构装置；所述数据采集与分析处理部分主要包括计算机、数据采集与分析处理系统、供电电源和数据线，用于采集和分析浮子的纵摇、垂荡运动信号以及电力输出信号。本发明所涉及的一种二维度波浪能发电装置，可以同时利用垂荡及纵摇运动两自由度高效利用波浪能发电，且结构简单，易于加工制造，安装、使用方便、成本低廉，既可用于高等院校有关波浪能高效综合利用的实验演示和实验研究，也可以加装系泊系统，抛放于波浪能丰富的海域，为沿海及岛屿居民提供生产和生活用电。