一种具有偏置惯性体的振荡浮子波浪能发电装置的制作方法

本实用新型涉及一种具有偏置惯性体的振荡浮子波浪能发电装置，属于清洁新能源技术领域。

背景技术：

随着我国经济的发展，电力资源的供给逐渐成为制约我国经济发展的主要因素，传统以煤炭与石油等化石燃料主要用电来源的火力发电技术会造成严重的环境污染，无法满足经济及环境可持续发展的战略需要。随着科技的进步，新能源技术得到了长足的进步，并逐步形成了产业化发展，成为解决我国电力资源问题的新途径。

我国经济重心主要集中于东部沿海地区，而我国拥有18000多千米的海岸线，因此，海洋能资源受到越来越广泛的关注。其中，波浪能由于具有资源存储量大、稳定性好、建造成本低等优点，成为诸多海洋能资源领域中最有前景的方向，受到了越来越广泛的关注。

但是，由于我国波浪能密度较低，导致海洋能装置能量转换效率较低，限制了其大规模的开发与使用。因而，如何提高低波浪能密度条件下海洋能装置的能量转换效率，成为我国海洋能研究中的瓶颈问题。传统海洋能装置多采用单自由度能量获取的方法，即波浪海洋能设备只在单个自由度方向运动获能，因而导致能量转换率较低。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的问题，本实用新型提出一种具有偏置惯性体的振荡浮子波浪能发电装置，该发电装置应充分利用振荡浮子与偏置惯性体可以在垂荡、横摇、纵摇三自由度方向运动并获能，从而提高能量转换效率。同时，由于垂荡与摇动自振频率不同，因而可以有效拓展装置能量转换的有效频谱宽度，增加波能转换装置的有效获能频率区间。

本实用新型采用的技术方案是：一种具有偏置惯性体的振荡浮子波浪能发电装置，所述发电装置包括惯性机构和振荡浮子机构，所述振荡浮子机构包括半球形中空的浮子和中空的潜体，在潜体内设有双作用液压缸、包含蓄压罐和循环油柜的液压管系和液压马达发电机组，双作用液压缸固定在潜体壁上，连接双作用液压缸中活塞的活塞杆穿过固定在潜体上的导向套；所述惯性机构设置在浮子内，第一发电机的定子固定在浮子壁的半球平面部内侧，万向节的一端固定在浮子壁的半球圆弧部壁上，所述第一发电机的转子通过转轴与万向节的一轴同轴线连接，在靠近万向节的转轴上设有一个偏置惯性体；所述活塞杆的端部与所述万向节的另一轴连接，所述浮子在波浪中振荡时，通过活塞杆带动活塞在双作用液压缸中移动，向蓄压罐中供给液压油，液压油进入液压马达驱动第二发电机；同时在浮子中的惯性机构动作，由偏置惯性体带动转轴单向旋转，驱动第一发电机。

所述万向节采用球铰式万向节或十字轴铰式万向节。

所述转轴上设有棘轮机构、齿轮增速和飞轮稳速的变速器。

上述技术方案的指导思想是：在工作时，波浪作用于振荡浮子后，浮子随波浪垂荡运动，带动活塞杆上下运动，从而推动潜体中的双作用液压缸产生高压油，双作用液压缸两端经液压管系连通液压马达，实现垂向运动的发电功能。同时，由于浮子底部设有万向节，在波浪作用下浮子绕万向节做适当角度的旋转运动，浮子旋转时，浮子内偏置惯性体在惯性力作用下驱动转轴旋转，转轴受棘轮机构限制维持单向旋转，再通过齿轮增速、飞轮稳速带动发电机匀速旋转发电，实现浮子转动的发电功能。

本实用新型的有益效果是：这种具有偏置惯性体的振荡浮子波浪能发电装置包括惯性机构和振荡浮子机构，振荡浮子机构包括半球形中空的浮子和中空的潜体，在潜体内设有双作用液压缸、液压管系和液压马达发电机组。惯性机构设置在浮子内，第一发电机的转子通过变速器、转轴与万向节的一轴同轴线连接，设有偏置惯性体的转轴与万向节的另一轴连接。浮子在波浪中振荡时，双作用液压缸供给液压油；同时在浮子中的惯性机构动作，由偏置惯性体带动转轴单向旋转。该发电装置充分利用振荡浮子与偏置惯性体可以在垂荡、横摇、纵摇三自由度方向运动并获能，从而提高能量转换效率。同时，由于垂荡与摇动自振频率不同，因而可以有效拓展装置能量转换的有效频谱宽度，增加波能转换装置的有效获能频率区间。

附图说明

图1是一种具有偏置惯性体的振荡浮子波浪能发电装置的结构图。

图2是一种具有偏置惯性体的振荡浮子位于波谷的工作状态图。

图3是一种具有偏置惯性体的振荡浮子位于波峰的工作状态图。

图4是液压管系原理图。

图中：1、浮子，1a、浮子壁，2、第一发电机，2a、转轴，2b、偏置惯性体，2c、变速器，3、万向节，4、导向套，5、潜体，5a、潜体壁，6、双作用液压缸，6a、活塞，6b、活塞杆，7、第一高压软管，7a、第二高压软管，8、蓄压罐，9、液压马达，10、第二发电机，11、循环油柜，12、自由水面，v1、第一供油单向阀，v2、第二供油单向阀，v3、第一回油单向阀，v4、第二回油单向阀。

具体实施方式

图1示出了一种具有偏置惯性体的振荡浮子波浪能发电装置的结构图。图中，这种具有偏置惯性体的振荡浮子波浪能发电装置包括惯性机构和振荡浮子机构，振荡浮子机构包括半球形中空的浮子1和中空的潜体5，在潜体5内设有双作用液压缸6、包含蓄压罐8和循环油柜11的液压管系和液压马达发电机组，双作用液压缸6固定在潜体壁5a上，连接双作用液压缸6中活塞6a的活塞杆6b穿过固定在潜体5上的导向套4。惯性机构设置在浮子1内，第一发电机2的定子固定在浮子壁1a的半球平面部内侧，万向节3的一端固定在浮子壁1a的半球圆弧部壁上，第一发电机2的转子通过变速器2c、转轴2a与万向节3的一轴同轴线连接，在靠近万向节3的转轴2a上设有一个偏置惯性体2b。活塞杆6b的端部与所述万向节3的另一轴连接，所述浮子1在波浪中振荡时，通过活塞杆6b带动活塞6a在双作用液压缸6中移动，向蓄压罐8中供给液压油，液压油进入液压马达9驱动第二发电机10；同时在浮子1中的惯性机构动作，由偏置惯性体2b带动转轴2a单向旋转，驱动第一发电机2。万向节3采用球铰式万向节或十字轴铰式万向节。转轴2a上设有棘轮机构、齿轮增速和飞轮稳速的变速器2c。

图4示出了液压管系原理图。图中实心箭头表示供油，空心箭头表示回油。液压管系包含蓄压罐8、多个单向阀和循环油柜11，液压马达发电机组包含液压马达9和第二发电机10，在蓄压罐8上设置油压表、安全阀，在循环油柜11上设置液位计、油箱盖。第一高压软管7经第一供油单向阀v1连接蓄压罐8，还经第一回油单向阀v3连接循环油柜11,第二高压软管7a经第二供油单向阀v2连接蓄压罐8，还经第二回油单向阀v4连接循环油柜11,蓄压罐8的出油管连接驱动第二发电机10转动的液压马达9的进油口，液压马达9的出油管连接循环油柜11。

图2示出了一种具有偏置惯性体的振荡浮子位于波谷的工作状态图。浮子1位于波谷时，活塞6a移动到双作用液压缸6的底端，在这移动过程中，活塞6a的下腔向蓄压罐8压油，活塞6a上腔从循环油柜11吸油。

图3示出了一种具有偏置惯性体的振荡浮子位于波峰的工作状态图。浮子1位于波峰时，活塞6a移动到双作用液压缸6的顶端，在这移动过程中，活塞6a的上腔向蓄压罐8压油，活塞6a下腔从循环油柜11吸油。

采用上述的技术方案，建议通过使浮子垂荡自振频率与当地波浪频率相等的方法提高发电效率，浮子垂荡自振频率可通过下述公式获得，

（1）

其中，m为浮子质量，a33为附加质量，ρ为海水密度，a为浮子内水面面积。

浮子转动方向自振频率也可以通过设计为与波浪频率相等的方法提高发电效率，转动方向自振频率可以通过下述公式求得，

（2）

其中，m为浮子质量，g为重力加速度，zc为浮子转动中心（即万向节位置），z0为浮子质量中心，a55为浮子转动方向附加质量，i11与i33分别为浮子在水平与垂荡方向的转动惯量；为浮子水平方向面积矩；为浮子垂荡方向体积矩。

上述公式(1)与公式(2)参数实际上有相关性，通常无法满足均与当地波浪频率相同的要求。在设计时，建议首先保障垂荡自振频率与当地波浪频率相同，在此基础上对转动方向自振频率进行调整。

与现有技术相比，本实用新型能够利用波浪进行发电，突破了以往传统波浪发电装置单自由度获能的限制，可以在垂荡、纵荡、横荡三个方向获能，提高能量转换效率。并进一步给出了两者自振周期的计算方法，可以根据当地波浪频率设计自振周期，获得更好的波浪发电效果。当水深较浅时，该波浪能装置底部潜体可以放置于海底；当水深较深时，底部潜体可以连接锚链等系泊系统潜浮在海中。装置既可以单独使用，也可以阵列式使用以达到更好的获能效果。基于上述理由本实用新型可在海洋工程、海岸工程、清洁能源技术领域广泛推广。