一种重心位置可调的封闭式波浪能发电装置的制作方法

本实用新型涉及一种重心位置可调的封闭式波浪能发电装置，属于波浪能发电系统技术领域。

背景技术：

海洋蕴藏着丰富的可再生能源，主要存在形式为海洋风能、波浪能、潮汐能等，理论总量可达2.1×10⁶tw·h。其中，波浪能是海洋可再生能源中能量密度最大的一类能源，具有能量分布集中、理论能量俘获效率高、有效产能时间长等特点，引起了广泛的关注。

波浪能开发利用装置的种类繁多，按其结构形式，可分为固定摆式消耗型、漂浮摆式消耗型、摆式截止型、筏式消耗型、鸭式、振荡水柱式、振荡浮子式等类型，但其基本原理大致可分为三类，即：(1)利用结构物在波浪作用下的振荡和摇摆运动发电；(2)利用波浪压力的变化发电；(3)利用波浪沿结构物的爬升将波浪能转换成水的势能发电。例如，申请号为201811637778.8的实用新型专利公布了一种利用自由摆子捕能的波浪能发电装置，不仅能够高效捕获不同波向的波浪能，而且能够将波浪能定值转换为电能输出。申请号为201811546204.x的实用新型专利公布了一种陀螺波浪能发电装置，采用两级能量转换环节，具有结构简单、体积小、重量轻的特点。申请号为201910862898.6的实用新型专利公布了一种压浪式波浪能转换装置，提高了气动波浪能发电技术的能量转换率。

虽然波浪能发电装置形式各异，但研发成本高、投入资金大仍制约了波浪能发电技术的推广应用。提高波浪能发电装置的可靠性、延长设备的有效服役寿命，是降低发电成本的有效途径。申请号为201711369487.0的实用新型专利公布了一种全封闭惯性点吸式波浪能装置，系统振荡频率可控，环境适应能力强，有效解决了波浪能装置耐海水腐蚀的问题，系统可靠性高。然而，狂风、巨浪等极端海洋条件下，波浪能发电装置易发生倾覆，导致设备彻底失效。如果通过降低重心位置，以增大重心与浮心位置之间的距离来提高设备的抗风浪能力，又将导致发电装置的运动幅值降低，降低发电装置的能量俘获效率。因此，波浪能发电装置的可靠性与高效性之间的协同问题，一直未得到有效解决。

需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现有技术所存在的问题，提供了一种重心位置可调的封闭式波浪能发电装置，可根据海况特点主动调节重心与浮心位置之间的距离，既保证了发电装置能够在极端海洋条件下可靠生存，又能够确保发电装置在小风浪条件下较高的能量捕获效率。

本实用新型通过采取以下技术方案实现上述目的：

本申请提供了一种重心位置可调的封闭式波浪能发电装置，包括封闭的壳体，所述壳体内设置有：

轴体，所述轴体的轴线沿壳体的重心线设置，所述轴体上设置有偏心配重件，所述偏心配重件相对于所述轴体的轴线偏心设置；

基座，所述基座用于安装所述轴体，所述轴体可绕其自身轴线自由旋转；

液压泵，所述液压泵的泵轴通过增速器与所述轴体传动连接，液压泵的进油口通过供油管路与油箱相连，液压泵的排油口通过输油管路与液压马达发电机组连接；

升降单元，所述升降单元与所述基座连接，用于驱动所述基座上升或下降；

控制单元，所述控制单元包括控制器和转速传感器，所述转速传感器用于检测轴体转速，所述转速传感器与控制器的输入端相连，所述升降单元与所述控制器的输出端相连。

进一步的，所述升降单元为电动驱动器，所述电动驱动器与所述控制单元的输出端相连。

进一步的，所述升降单元为一号液压缸，所述一号液压缸与所述输油管路相连，所述一号液压缸通过第一开关单元控制其有杆腔或无杆腔与输油管路的通断，所述第一开关单元与所述控制单元的输出端相连。

进一步的，所述升降单元还包括导向机构，导向机构包括导轨，导轨固定在下壳体，基座上设置滑块、滑套或者滑槽，滑块、滑套或者滑槽与导轨滑动配合。

进一步的，所述第一开关单元为三位四通电磁换向阀或二位四通电磁阀。

进一步的，所述液压泵为双向泵，双向泵的两个油口通过泵轴的正反向旋转切换为进油口或排油口，双向泵的每个油口通过一条供油管路与油箱相连的同时，还通过一条输油管路与液压马达发电机组相连，在供油管路和输油管路上设置第二开关单元，所述第二开关单元用于控制油箱经供油管路、液压泵、输油管路至液压马达发电机组的单向导通。

进一步的，所述第二开关单元包括设置在供油管路和输油管路上的单向阀，其中，设置在供油管路上的单向阀向双向泵单向导通，设置在输油管路上的单向阀向液压马达发电机组单向导通。

进一步的，所述偏心配重件包括：

配重块；

二号液压缸，所述配重块安装在二号液压缸的缸杆上，所述二号液压缸与输油管路相连。

进一步的，所述重心位置可调的封闭式波浪能发电装置，还包括液压蓄能器，所述液压蓄能器与输油管路相连，所述液压蓄能器与输油管路之间设置第三开关单元，所述第三开关单元与所述控制单元的输出端相连，所述第三开关单元用于控制所述液压蓄能器与输油管路之间的通断。

进一步的，所述第三开关单元为电磁开关阀。

本申请的有益效果包括但不限于：

本申请提供的发电装置，能够根据波浪大小主动调节发电装置的重心位置，使发电装置既能够在极端海洋条件下可靠生存，又能够在小风浪条件下高效捕获波浪能，根据不同的波况条件调节发电能力，提高发电效率和稳定性，适应复杂多变的海洋环境。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请涉及的发电装置的结构示意图；

图2为本申请例涉及的一种实施例中涉及的发电装置的部分结构示意图；

图3为图2涉及的发电装置的液压原理图；

图4为图2涉及的发电装置中旋转配油器的结构示意图；

图5为本申请例涉及的另一种实施例中涉及的发电装置的部分结构示意图；

图6为本申请例涉及的再一种实施例中涉及的发电装置的部分结构示意图；

图中，11上壳体；12下壳体；20轴体；30升降单元；31电动驱动器；311导轨；312滑套；313配重块；314二号液压缸；315旋转配油器；316储油腔；317油路；318密封圈；319卡簧；32一号液压缸；321三位四通电磁换向阀；322二位四通电磁阀；40基座；50液压泵；60增速器；70供油管路；80输油管路；90油箱；110液压马达；120发电机；710一号单向阀；720二号单向阀；810三号单向阀；820四号单向阀；100液压蓄能器；101第三开关单元。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本实用新型进行详细阐述。

需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施。因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1：

如图1-图2中所示，本实施例提供的重心位置可调的封闭式波浪能发电装置，包括封闭的壳体，壳体内设置有轴体20，轴体20的轴线沿壳体的重心线设置，轴体20上设置有偏心配重件，偏心配重件相对于轴体20的轴线偏心设置。轴体20安装在基座40上，轴体20可绕其自身轴线自由旋转。壳体内还设置有液压泵50和液压马达发电机组，液压泵50的泵轴通过增速器60与轴体20传动连接。液压泵50的进油口通过供油管路70与油箱90相连，液压泵50的排油口通过输油管路80与液压马达发电机组连接。

工作时，壳体漂浮在海面上，在波浪的冲击作用下，发电装置发生晃动，当发电装置重力的作用线不在偏心配重件和轴体20构成的平面内时，偏心配重件将发生摆动，从而带动轴体20转动，进而带动增速器60的输入轴发生转动，经过增速器60升速后，增速器60的输出轴输出较快转速，带动液压泵50工作。在液压泵50的作用下，液压油从油箱90经供油管路70被液压泵50吸入，增压后从液压泵50排出，经输油管路80输送至液压马达发电机组，然后返回油箱90。

具体的，液压马达发电机组包括液压马达110及发电机120，液压马达110的转轴与发电机120的转轴传动连接。液压油经过液压马达发电机组时，驱动液压马达110工作，进而带动发电机120发电。

进一步的，壳体由上壳体11和下壳体12拼接形成密闭空间，将壳体内部设备与海水隔离。下壳体12的直径大于上壳体11，壳体内的设备安装在下壳体12内，装置重心位置在浮心位置下方，使发电装置稳定漂浮在海面。增速器60为行星轮增速箱，与基座40固定连接，作用是将轴体20较低的转速提升为较高的转速，便于驱动液压泵50工作。

更为重要的，在壳体内还设置有升降单元30，升降单元30的升降输出端与基座40连接，用于推动基座40上升或下降。当风浪较小时，发电装置的晃动幅度较小，轴体20的转动速度较慢，发电装置的能量捕获效率较低。此时，控制升降单元30推动安装轴体20、增速器60、液压泵50等设备的基座40向上运动，使得波浪能发电装置的重心向上移动，使得发电装置的重心上移靠近浮心位置，发电装置稳定性变差，晃动幅度增大，轴体20转速增大，从而能够发电装置的能量捕获效率。当风浪较大时，发电装置的晃动幅度较大，存在倾覆的风险。此时，控制升降单元30推动安装轴体20、增速器60、液压泵50等设备的基座40向下运动，使得发电装置的重心下移远离浮心位置，构成“不倒翁”结构，提高发电装置的抗风浪能力。

为了实现自动控制，发电装置还包括控制单元，控制单元包括控制器和转速传感器，转速传感器与控制器的输入端相连，转速传感器用于检测轴体20转速并发送信号给控制器，控制器分析轴体20转速信号后，通过输出端发出指令给升降单元30，控制升降单元30执行驱动基座40上升或下降的动作。

如图3中所示，在本实施例中，升降单元30具体为电动驱动器31，电动驱动器31安装在下壳体12，其升降输出端与基座40连接，以推动基座40上升或下降。具体的，电动驱动器31为滚珠丝杠机构或者电动推杆。

再次参考图2，为了对基座40的上升和下降进行导向，使其平稳升降，升降单元30还包括导向机构，导向机构包括导轨311，导轨311固定在下壳体12，基座40上设置滑块、滑套312或者滑槽，滑块、滑套312或者滑槽与导轨311滑动配合。

进一步的，轴体20既可沿顺时针旋转，也可沿逆时针旋转，因此液压泵50选择为既可正向旋转也可反向旋转的双向泵，具体为双向齿轮泵，在双向齿轮泵双向运动过程中均能够输出高压油。

再次参考图3，双向齿轮泵具有两个油口，两个油口通过泵轴的正反向旋转切换为进油口或排油口。双向齿轮泵的每个油口通过一条供油管路70与油箱90相连的同时，还通过一条输油管路80与液压马达发电机组相连，在供油管路70和输油管路80上设置第二开关单元，第二开关单元用于控制油箱90经供油管路70、液压泵50、输油管路80至液压马达发电机组的单向导通。

具体的，第二开关单元包括设置在每条供油管路70和输油管路80上的单向阀。其中，分别设置在两条供油管路70上的一号单向阀710和二号单向阀720向双向齿轮泵单向导通，分别设置在两条输油管路80上的三号单向阀810和四号单向阀820向液压马达发电机组单向导通。一号单向阀710和二号单向阀720为不带弹簧复位的单向阀，可降低吸油过程的压力损失，三号单向阀810和四号单向阀820为带弹簧复位的单向阀，在液压油流向发生变化时可以快速封闭输油管路80。

每组供油管路70和输油管路80分别通过单向阀控制，使液压油在轴体20正转或反转时都能从油箱90经供油管路70、液压泵50、输油管路80至液压马达发电机组的单向导通，从而使液压油经液压泵50增压后供给液压马达发电机组用于发电。

进一步的，再次参考图2，偏心配重件包括配重块313和二号液压缸314，均偏心安装在轴体20上，且配重块313安装在二号液压缸314的缸杆上，二号液压缸314与输油管路80相连。当风浪较小时，轴体20的转速较小，液压泵50输出的液压油压力变小，进入二号液压缸314有杆腔的液压油压力减小，二号液压缸314的活塞杆伸出，推动配重块313远离轴体20，增大配重块313的偏心距，进而提高轴体20的旋转速度。当风浪较大时，轴体20的转速较大，液压泵50输出的液压油压力变大，进入二号液压缸314有杆腔的液压油压力增大，二号液压缸314的活塞杆回缩，推动配重块313靠近轴体20，减小配重块313的偏心距，进而降低轴体20的旋转速度。

如图4中所示，为了在轴体20旋转的基础上可以正常为二号液压缸314供油，在轴体20外侧套设旋转配油器315，与轴体20转动连接。具体的，旋转配油器315内具有环绕在轴体20外周的储油腔316。在轴体20内设置油路317，轴体20内的油路317与旋转配油器315的储油腔316连通，储油腔316还与二号液压缸314连通。工作时，液压油进入轴体20内的油路317，然后进入到旋转配油器315的储油腔316，再进入二号液压缸314。旋转配油器315和油路317的数量分别为两个，分别与二号液压缸314的有杆腔和无杆腔连接。

此外，在旋转配油器315与轴体20的接触面上设置密封圈318，实现动密封，防止储油腔316内的液压油外泄。旋转配油器315的两端与轴体20之间分别设置卡簧319，用于限制旋转配油器315沿轴体20的轴向运动。在轴体20转动过程中，旋转配油器315不发生转动，能够正常向二号液压缸314输送液压油。

此外，液压油经过的管路上还可设置液压压力表、液压流量计等，以对发电装置的液压情况实时监测，还可设置过滤器，截留液压油中的污染物，保持液压油清洁，保证液压系统正常工作。

实施例2：

如图5中所示，本实施例是对实施例1中电动驱动器31的替换，具体将电动驱动器31替换为一号液压缸32，其具体连接方式如下：

一号液压缸32与输油管路80相连，一号液压缸32通过第一开关单元控制其有杆腔或无杆腔与输油管路80的通断，第一开关单元与控制单元的输出端相连。一号液压缸32的有杆腔或无杆腔内进油将驱动缸杆回缩或伸出，推动基座40上升或下降。

为了能够快速控制基座40的升降，本实施例中，第一开关单元具体为三位四通电磁换向阀321，具有进油口p、回油口t、工作油口a和工作油口b，工作油口a和工作油口b分别与一号液压缸32的有杆腔和无杆腔连通，回油口t与工作油口b连通。

三位四通电磁换向阀321位于中位时，切断一号液压缸32与输油管路80的连接，一号液压缸32缸杆的位置处于锁定状态；位于左位时，液压泵50输出的高压油进入一号液压缸32的无杆腔，推动基座40向上运动；位于右位时，液压泵50输出的高压油进入二号液压缸314的有杆腔，推动基座40向下运动。因此，采用液压泵50输出的液压油，可以直接控制发电装置的重心位置。

实施例3：

如图6中所示，本实施例是对实施例2中三位四通电磁换向阀321的替换，具体将三位四通电磁换向阀321替换为二位四通电磁阀322，其具体连接方式如下：

二位四通电磁阀322具有进油口p、回油口o、工作油口a和工作油口b，工作油口a和工作油口b分别与一号液压缸32的有杆腔和无杆腔连通，回油口o与工作油口b连通。

一号液压缸32的无杆腔内带弹簧，当二位四通电磁阀322位于左位时，一号液压缸32的缸杆位置处于锁定状态。位于右位时，一号液压缸32的缸杆处于浮动状态。具体的，当发电装置晃动幅度较大时，液压泵50输出的液压油压力较高，一号液压缸32无杆腔内的弹簧压缩，缸杆回缩带动基座40向下移动，使发电装置的重心下移，重心与浮心之间的距离增大，发电装置的稳定性提高；当波浪能发电装置晃动幅度较小时，液压泵50输出的液压油压力较小，一号液压缸32无杆腔内的弹簧伸长，缸杆伸出带动基座40向上移动，使发电装置的重心上移，重心与浮心之间的距离减小，使发电装置的能量捕获效率提高。因此，发电装置能够根据自身晃动情况，主动调节重心位置，适应不同波浪条件。

实施例4：

如图3、图5及图6中所示，与实施例1相比，本实施例中发电装置还包括液压蓄能器100，液压蓄能器100与输油管路80相连，液压蓄能器100与输油管路80之间设置第三开关单元101，第三开关单元101与控制单元的输出端相连，第三开关单元101用于控制液压蓄能器100与输油管路80之间的通断。当液压油的压力突然升高时，液压蓄能器能够储存一部分液压油；当液压油的压力突然降低时，液压蓄能器能够释放一部分液压油，因而液压蓄能器能够消除液压系统中液压油的压力冲击，使发电平稳。

具体的，第三开关单元101为电磁开关阀，当电磁开关阀处于左位时，蓄能器与输油管路80断开，不发挥作用；当电磁开关阀处于右位时，蓄能器与输油管路80连通，发挥作用。

基于实施例1-3的发电装置的发电控制方法，采用转速闭环控制策略，包括以下步骤：

s1、设定发电装置工作时轴体20的转速上限值和下限值分别为n1和n2；

s2、通过转速传感器获取轴体20的实时转速为n0；

s3、若n0＞n1，判定当前工作环境下波浪较大，则控制升降单元30推动基座40下降，从而降低发电装置重心，增大发电装置重心与浮心之间的距离，提高发电装置运行的可靠性，使n0减小；

若n0＜n2，判定当前工作环境下波浪较小，则控制升降单元30推动基座40上升，从而提高发电装置重心，减小发电装置重心与浮心之间的距离，提高发电装置的发电效率，使n0增大；

若n2≤n0≤n1，升降单元30不工作，基座40维持当前位置，发电装置工作在额定工况下，运行可靠，发电平稳。

进一步的，基于实施例4的发电装置的发电控制方法，采用转速闭环控制与压力闭环控制相并联的策略，压力闭环控制策略包括如下步骤：

s1、设定发电装置工作时输油管路80的油压上限值和下限值分别为p1和p2；

s2、在输油管路80的末端设置压力传感器，通过压力传感器获取输油管路80的油压为p0；

s3、若p0＞p1，则判定当前液压系统内压力较高，控制第三开关单元101开启，导通液压蓄能器100与输油管路80，蓄能器吸收多余的压力，使p0减小，避免发电电压过高；

若p0＜p2，则判定当前液压系统内压力较低，控制第三开关单元101开启，导通液压蓄能器100与输油管路80，蓄能器释放压力，使p0升高，避免发电电压过低；

若p2≤p0≤p1，控制第三开关单元101关闭，断开液压蓄能器100与输油管路80，发电装置工作在额定工况下，运行可靠，发电平稳。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

上述具体实施方式不能作为对本实用新型保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本实用新型实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在实用新型的保护范围内。

本实用新型未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。