本发明属于波能发电装置领域，特别涉及该领域中的一种多自由度振荡浮子波能发电装置及发电方法。
背景技术：
能源是人类赖以生存的重要物质基础，当今世界，化石燃料能源正在消耗殆尽，开发并利用可再生能源已成为发展的必然趋势。海洋能作为一种储量丰富且清洁环保的可再生能源，引起了人们的极大关注。海洋能的形式多种多样，例如潮汐能、盐差能、潮流能、温差能、波浪能等，其中，波浪能分布最为广泛、储量极为丰富，能流密度高，在近岸及离岸地区均可获取。
波浪能发电装置一般涉及能量的三次转换过程：一级转换为吸收波浪能转换为某种载体的机械能；二级转换为通过一定的机械能形式传递一级转换的机械能并转为稳定的能量；三级转换为通过发电机将机械能最终转换为电能。根据能量一次转换过程中机械能的形式，目前波浪能发电装置一般分为三种形式：振荡水柱式、越浪式、振荡浮子式。其中振荡浮子式被称为第三代波浪能发电装置，其利用漂浮或淹没的振荡体与波浪直接作用吸收波浪能，转化效率高，因浮子尺寸相对应于入射波长较小，又被称为点吸收装置，可在不同水深条件（特别是水深超过40m的近海区域）下工作，这些特点使得振荡浮子成为近海地区波浪能开发的一种颇具前景的类型。
点吸收波浪能采集装置是由一个或多个置于水中的浮子作为采集装置，利用与浮子连接的液压装置或者机械装置，将波浪的势能和动能转化为液压能或机械能，进而驱动发电机发电。然而，振荡浮子的功率捕获性能并不令人满意，升沉型振荡浮子波能转换装置的平均能量俘获宽度比为16%，只有在波能发电装置的固有频率与波浪主频率相差不大时，在该频率附近才能获得理想的俘获功率。传统的单自由度振荡浮子线性捕能系统波能转换装置在非共振频率条件下能量转换效率很低，并且俘获宽度比较小，对所在波场的能量吸收利用率低，设备和电缆的制造成本相对较高。由于我国波浪具有周期短、波高小、能流密度低等特点，传统通过单纯增大结构尺寸以获得更高能量转换效率的方式难以取得良好的效果。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题就是提供一种多自由度振荡浮子波能发电装置及发电方法。
本发明采用如下技术方案：
一种多自由度振荡浮子波能发电装置，包括固定在海面上的支架，其改进之处在于：在支架上沿水平方向安装两根相互平行且带有齿条的支撑杆，在每根支撑杆上都套装有两个与水平导杆固定连接的滑动轴承，在水平导杆上安装可与支撑杆上的齿条相啮合的齿轮，该齿轮的齿轮轴通过减速箱与安装在水平导杆上的第一电机的动力输入轴相连接；在置于海面的浮子侧部开设水平通孔，在通孔内安装转轴，该转轴通过减速箱与第二电机的动力输入轴相连接，此外转轴的两端还各通过一个轴承与一根带有齿条的垂向导杆相连接，两根垂向导杆相互平行并且各通过一个轴承与一根水平导杆相连接，在水平导杆上安装可与垂向导杆上的齿条相啮合的齿轮，该齿轮的齿轮轴通过减速箱与安装在水平导杆上的第三电机的动力输入轴相连接。
进一步的，所述的支架为钢架组合结构。
进一步的，水平导杆位于支撑杆的顶部。
进一步的，所述的第一电机、第二电机和第三电机均为永磁同步发电机。
进一步的，所述的浮子为圆柱体。圆柱体的底面直径大于高。
进一步的，通孔与转轴之间为过盈配合。
一种多自由度振荡浮子波能发电方法，使用上述的装置，其改进之处在于：将装置的支架固定，使浮子漂浮在海面上，在浮子随海面波浪起伏的过程中，浮子带动垂向导杆做上下的垂荡运动、带动转轴沿竖直方向转动做纵摇运动、通过垂向导杆带动水平导杆做前后的纵荡运动，水平导杆在运动过程中可带动与支撑杆上的齿条相啮合的齿轮转动，从而驱动第一电机发电，转轴转动可驱动第二电机发电，垂向导杆在运动过程中可带动与其齿条相啮合的齿轮转动，从而驱动第三电机发电。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的多自由度振荡浮子波能发电装置及发电方法，有垂荡、纵荡、纵摇三个自由度，在入射波一定的情况下，可以提高单体效率，捕获多个方向的波能，从而更大程度地吸收波能，增加能量转换效率和发电功率，增大功率俘获宽度，提高发电质量，降低装置及配套电缆的制造成本。
本发明所公开的多自由度振荡浮子波能发电装置，支架采用的钢架组合结构可靠性更高，对环境荷载的适应能力更强，检修与维护也较为方便。采用圆柱体作为浮子的几何形状，其结构不受潮差变化的影响，可进行全天候工作并且圆柱体形状对入射波的方向适应能力较强，可接受各个方向的入射波浪，从而提高能量转换效率。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开多自由度振荡浮子波能发电装置的主视结构示意图；
图2是本发明实施例1所公开多自由度振荡浮子波能发电装置的侧视结构示意图；
图3是本发明实施例1所公开多自由度振荡浮子波能发电装置的俯视结构示意图；
图4是本发明实施例1所公开多自由度振荡浮子波能发电装置的立体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1-4所示，本实施例公开了一种多自由度振荡浮子波能发电装置，包括固定在海面上的支架，在支架上沿水平方向安装两根相互平行且带有齿条的支撑杆7，在每根支撑杆上都套装有两个与水平导杆8固定连接的滑动轴承4，在水平导杆上安装可与支撑杆上的齿条相啮合的齿轮51，该齿轮的齿轮轴通过减速箱与安装在水平导杆上的第一电机61的动力输入轴相连接；在置于海面的浮子1侧部开设水平通孔，在通孔内安装转轴9，该转轴通过减速箱与第二电机62的动力输入轴相连接，此外转轴的两端还各通过一个轴承21与一根带有齿条的垂向导杆3相连接，两根垂向导杆相互平行并且各通过一个轴承22与一根水平导杆8相连接，在水平导杆上安装可与垂向导杆上的齿条相啮合的齿轮52，该齿轮的齿轮轴通过减速箱与安装在水平导杆上的第三电机63的动力输入轴相连接。
在本实施例中，所述的支架为钢架组合结构。水平导杆位于支撑杆的顶部。所述的第一电机、第二电机和第三电机均为永磁同步发电机。所述的浮子为圆柱体，该圆柱体的底面直径大于高。通孔与转轴之间为过盈配合。
本实施例还公开了一种多自由度振荡浮子波能发电方法，使用上述的装置，将装置的支架固定，使浮子漂浮在海面上，在浮子随海面波浪起伏的过程中，由于海面实际波浪均为不规则波，浮子会带动垂向导杆做上下的垂荡运动、带动转轴沿竖直方向转动做纵摇运动、通过垂向导杆带动水平导杆做前后的纵荡运动，水平导杆在运动过程中可带动与支撑杆上的齿条相啮合的齿轮转动，从而驱动第一电机发电，转轴转动可驱动第二电机发电，垂向导杆在运动过程中可带动与其齿条相啮合的齿轮转动，从而驱动第三电机发电。