一种阵列卷索式双浮体波浪能发电装置

本发明涉及波浪发电技术领域，具体涉及一种阵列卷索式双浮体波浪能发电装置。

背景技术：

我国海岸线漫长，海岛星罗棋布，海洋资源十分丰富，然而电力匮乏却成为制约沿海岛礁社会经济发展的关键问题。许多岛屿由于远离电厂、地广人稀，总体用电量不大等原因，远距离架设输电网络，经济效益较差，尤其是铺设海底电缆的前期投入和后期维护费用巨大，难以回收成本，故其供电多用柴油发电机及减速齿轮箱提供，消耗不可再生能源会导致严重的环境污染。对于一般的沿海居民区而言，波浪能发电装置可并入当地电网，提供稳定电能，减少环境污染，还可应用在海洋应急、水产养殖、气象检测、水上开采等领域。对于具有战略意义的海岛滩涂地区，该装置的应用还可以为无线通信设备、北斗卫星导航定位器等设备供能。另外，针对沿海岛礁淡水资源匮乏的问题，可将波浪能发电应用于海水淡化，再将产出淡水用于作物浇灌和生活用水，构建“食品-能源-水(f-e-w)”良性循环的可持续系统。

传统的波浪能发电装置可以分为点吸收式(振荡浮子式)、振荡水柱式、越浪式、海蛇式、摆式等。其中应用最多的是点吸收式发电装置，传统的点吸收式波能装置发展前景广阔却依旧存在弊端。在过去的几十年里，点吸收式波能转换器被大量开发出来。第一代点吸收器是在升沉过程中振动的单体系统。为了获得最大的吸收功率，振荡体的固有频率需要与入射波频率相匹配。然而，在实际应用中，由于典型的入射波频率通常很低(0.1hz-0.2hz)，这种情况通常很难实现。因此，为了使浮标的固有频率与入射波频率相匹配，浮标的尺寸需要变得非常大。根据计算，淹没半球的直径需要达到52.4m，才能匹配0.1hz的入射波频率，这个浮体尺寸与实际工程不契合，不具备实用价值。

为解决单浮体在远海域遇到的问题，波浪能装置逐渐从单浮体发展为多浮体。目前主要采用的是双浮体波浪能转换装置，其方法是在浮体下设计一个附加体，形成双体波能转换器。双浮体点吸收式波能转化器是一种很有前途且经济有效的设计，其利用浮筒和水下物体之间的相对运动来获取能量。研究表明，在相同的规则或不规则波激励下,当非线性系数不变时，若阻尼较小时，无论是吸收波能频宽还是波能转换效率的总效益，双浮体的性能均比单浮体好；即便存在较大的粘性阻尼，如果浮体的淹没尺度设计得当,由于水下物体的粘性效应，双浮体系统的能量吸收能力也显著高于单浮体系统，吸收功率会显著增加。双浮体系统经过优化后的最大吸收功率可达单体系统的两倍多。所以，在波能转换装置的设计中发展双浮体点吸收式波能转化器已经成为趋势，其可以有效地提高能量转化效率。

传统振荡浮子式波浪能转换装置由于能量由波浪能、机械能、液压能、电能等多级转化导致转化效率不高；在海中刚性传动，受波浪力损坏严重，防水防腐蚀能力差，以致海洋生存能力不足；设备繁多复杂，造成运输安装维护不便，成本高昂等问题。现阶段迫切需要一种更加简单、高效、可靠的结构来转化并利用波浪能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种阵列卷索式双浮体波浪能发电装置，实现波浪能的采集，通过锚泊系统和发电系统使装置在海面上浮动发电，在保证了海洋生存能力的情况下实现了对波浪能的采集。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种阵列卷索式双浮体波浪能发电装置，包括发电系统和锚泊系统；发电系统包括上浮体、下浮体和卷索绳，上浮体和下浮体之间通过沿圆周向阵列布置的卷索绳连接；

上浮体包括上浮体壳体和设置于上浮体壳体内的阵列式发电模块、压载调节模块以及电能管理模块，电能管理模块与阵列式发电模块连接，阵列式发电模块通过卷索绳与下浮体连接；锚泊系统包括多组浮标和绳索，多组浮标分布于上浮体的周围，并通过绳索分别与上浮体连接，多组浮标均连接有锚。

按照上述技术方案，上浮体壳体中设有挡板将上浮体壳体内腔隔断为卷索舱、功能舱和进排水舱，阵列式发电模块以及电能管理模块均设置于功能舱，卷索绳与上浮体的连接处设置于卷索舱，压载调节模块设置于进排水舱。

按照上述技术方案，卷索舱和功能舱的个数均为多个，进排水舱布置于上浮体壳体中部，卷索舱和功能舱沿进排水舱圆周向间隔阵列分布。

按照上述技术方案，阵列式发电模块由多组卷索式发电装置构成，多组卷索式发电装置沿周向均匀布置于上浮体壳体中，卷索式发电装置包括弹簧、传动轴、绞盘、单向离合器、减速齿轮箱和发电机，传动轴的一端与弹簧连接，另一端通过单向离合器经减速齿轮箱与发电机连接，绞盘设置于传动轴上，绞盘固设于传动轴中部；卷索绳的一端缠绕连接在绞盘上，另一端穿出上浮体壳体与下浮体连接。

按照上述技术方案，发电机的输入轴上设有物理惯量，物理惯量布置于单向离合器和减速齿轮箱之间，物理惯量布置于功能舱内。

按照上述技术方案，功能舱位于卷索舱两侧，弹簧和减速齿轮箱及发电机分别布置于卷索舱两侧的功能舱内，绞盘设置于卷索舱内，传动轴横向穿过卷索舱。

按照上述技术方案，压载调节模块包括压载泵、水位传感器、进排水口和电控装置，压载泵和水位传感器设置于排水舱内，进排水口通过压载泵与排水舱的内腔连通，进排水口设有水阀，上浮体外部设有压力传感器，电控装置分别与压载泵、水位传感器、压力传感器和水阀连接；电控装置连接有加速度传感器，加速度传感器设置于上浮体上。

按照上述技术方案，卷索舱通过绳索通道与外部联通，卷索舱的绳索通道入口处设有的通道导向轮组；

通道导向轮组包括各由双层布置的四个通道导向轮和绳索通道框架，四个通道导向轮呈口字形或井字形布置于绳索通道框架上，绳索通道框架固设于绳索通道上，卷索绳经过四个通道导向轮形成口字或井字结构的中部穿过，进入绳索通道及卷索舱内。

按照上述技术方案，卷索舱内设有导向轮和导向轮轴，导向轮设置于绞盘的一侧，导向轮套设于导向轮轴上，导向轮轴的两端与卷索舱侧壁连接固定，卷索绳经导向轮后缠绕于绞盘上。

按照上述技术方案，浮标的个数为多个，形成多点浮标锚泊系统，3个浮标锚泊系统与上浮体的连接点沿上浮体周向均匀布置。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中随波浪起伏下上浮体和下浮体之间的距离不断变化，拉扯卷索绳，通过上浮体与下浮体间的相对运动采集波浪能，再通过发电装置将波浪能转化为电能，实现波浪能的采集，通过锚泊系统和发电系统使装置在海面上浮动发电，在保证了海洋生存能力的情况下实现了对波浪能的采集。

2、通过多组发电模块连接的卷索绳，上浮体和下浮体之间的多个卷索绳从而采集多个方向的波浪能，提高了能量利用效率，通过多组浮标锚泊模块形成多点锚泊，浮体抵抗恶劣海况能力得到提升，增加了本装置的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例中阵列卷索式双浮体波浪能发电装置整体示意图；

图2是本发明实施例中上浮体的内部结构示意图；

图3是本发明实施例中卷索式发电装置的立面图；

图4是本发明实施例中的通道导向轮组示意图。

图中，1-锚泊系统，2-下浮体，3-上浮体，4-压载泵，5-水阀，6-发电机及减速齿轮箱，7-物理惯量，8-导向轮，9-卷索绳，10-弹簧外壳，11-电机支架，12-单向离合器，13-第一轴承，14-密封结构，15-传动轴，16-绞盘，17-弹簧，18-弹簧支架，19-导向轮轴，20-通道导向轮组；

1-1-锚，1-2-浮标，1-3-绳索，3-1-进排水舱，3-2-功能舱，3-3-卷索舱；

20-1-绳索通道框架，20-2-通道导向轮，20-3-通道导向轮轴，20-4-第二轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图3所示，本发明提供的一个实施例中的一种阵列卷索式双浮体波浪能发电装置，包括发电系统和锚泊系统1；发电系统包括上浮体3、下浮体2和卷索绳9，上浮体3和下浮体2之间通过沿圆周向阵列布置的卷索绳9连接；

上浮体3包括上浮体壳体和设置于上浮体壳体内的阵列式发电模块、压载调节模块以及电能管理模块，电能管理模块与阵列式发电模块连接，阵列式发电模块通过卷索绳9与下浮体2连接；锚泊系统1包括多组浮标1-2和绳索1-3，多组浮标1-2分布于上浮体3的周围，并通过绳索1-3分别与上浮体3连接，多组浮标1-2均连接有锚1-1，每个浮标1-2均连接有一个锚1-1。

进一步地，上浮体壳体中设有挡板将上浮体壳体内腔隔断为卷索舱3-3、功能舱3-2和进排水舱3-1，阵列式发电模块以及电能管理模块均设置于功能舱3-2，卷索绳9与上浮体3的连接处设置于卷索舱3-3，压载调节模块设置于进排水舱3-1。

进一步地，卷索舱3-3和功能舱3-2的个数均为多个，进排水舱3-1布置于上浮体壳体中部，卷索舱3-3和功能舱3-2沿进排水舱3-1圆周向间隔阵列分布。

进一步地，阵列式发电模块由多组卷索式发电装置构成，多组卷索式发电装置沿周向均匀布置于上浮体壳体中，卷索式发电装置包括弹簧17、传动轴15、绞盘16、单向离合器12、减速齿轮箱和发电机，传动轴15的一端与弹簧17连接，另一端通过单向离合器12经减速齿轮箱与发电机连接，绞盘16设置于传动轴15上，绞盘16固设于传动轴15中部；卷索绳9的一端缠绕连接在绞盘16上，另一端穿出上浮体壳体与下浮体2连接。

多组卷索式发电装置的个数为2、3或4个，其中多组卷索式发电装置的个数为3个时为最优选择。

进一步地，发电机的输入轴上设有物理惯量7，物理惯量7布置于单向离合器12和减速齿轮箱之间，物理惯量7布置于功能舱3-2内。

进一步地，锚泊系统1包括多组圆周阵列的锚泊结构，一组锚泊结构包含浮标1-2、绳索1-3和锚，工作时锚与海床固定，锚通过绳索1-3与浮标1-2连接，浮标1-2通过绳索1-3与上浮体外壳连接。

进一步地，功能舱3-2位于卷索舱3-3两侧，弹簧17和减速齿轮箱及发电机分别布置于卷索舱3-3两侧的功能舱3-2内，绞盘16设置于卷索舱3-3内，传动轴15横向穿过卷索舱3-3。

进一步地，压载调节模块包括压载泵4、水位传感器、进排水口和电控装置，压载泵4和水位传感器设置于排水舱内，进排水口通过压载泵4与排水舱的内腔连通，进排水口设有水阀5，上浮体外部设有压力传感器，电控装置分别与压载泵4、水位传感器、压力传感器和水阀5连接；电控装置连接有加速度传感器，加速度传感器设置于上浮体3上。

进一步地，电控装置包括处理器。

进一步地，卷索舱3-3通过绳索通道与外部联通，卷索舱3-3的绳索通道入口处设有的通道导向轮组20；

通道导向轮组20包括各由双层布置的四个通道导向轮20-2和绳索通道框架20-1，四个通道导向轮20-2呈口字形或井字形布置于绳索通道框架20-1上，绳索通道框架20-1固设于绳索通道上，卷索绳9经过四个通道导向轮20-2形成口字或井字结构的中部穿过，进入绳索通道及卷索舱3-3内。

进一步地，绞盘16位于卷索舱3-3内，卷索绳9缠绕于绞盘16上，经过导向轮8通过卷索通道与下浮体2连接，传动轴15横向穿过卷索舱3-3，传动轴15与卷索舱3-3侧壁防水密封。

进一步地，通道导向轮组20的个数为2个，分别布置于绳索通道的上下入口处，通道导向轮20-2为圆柱形，构成圆柱导向轮，通道导向轮20-2廓线呈圆弧线状，每个通道导向轮20-2均套设于相应的通道导向轮轴20-3上，通道导向轮轴20-3固定于绳索通道框架20-1上。

通道导向轮轴20-3通过轴承与绳索通道框架20-1连接，或通道导向轮轴20-3与通道导向轮之间设有轴承。

进一步地，卷索舱3-3内设有导向轮8和导向轮轴19，导向轮8设置于绞盘16的一侧，导向轮8套设于导向轮轴19上，导向轮轴19的两端与卷索舱3-3侧壁连接固定，卷索绳9经导向轮8后缠绕于绞盘16上。

进一步地，浮标1-2的个数为3个，形成三点浮标锚泊系统，3个浮标锚泊系统与上浮体3的连接点沿上浮体3周向布置。

本发明的工作原理：本装置应用于海上，利用海洋波浪能量进行发电；随波浪起伏下上浮体3和下浮体2之间的距离不断变化，当上浮体3和下浮体2之间的距离变大，拉扯卷索绳9时，绞盘16带动轴正向转动，释放卷索绳9，使发电机及减速齿轮箱6发电并通过弹簧17存储一部分能量，当上浮体3和下浮体2之间的距离变小时，弹簧17释放一部分能量，通过轴带动绞盘16反向转动，回收卷索绳9，而通过单向离合器12将轴双向转动转化为单向转动输入至发电机及减速齿轮箱6，发电机将发出的电能传输至电能管理模块。

其外部结构图参阅图1，包括：锚1-1，固定安装在海底，通过第一段绳索1-3与浮于海面上对的浮标1-2连接，以完成装置在海面上的初步定位。

浮标1-2，固连有两段绳索1-3，第一段连接锚1-1与浮标1-2，第二段连接上浮体3与浮标1-2，完成装置的定位。

锚泊系统1，为了保证上浮体3在海面的平衡，浮标锚泊系统分为多组，多个锚1-2呈圆周阵列分布于海底，每段绳索长度相同，呈圆周阵列连接于上浮体3。多点定位保证了装置在受到多个方向上的波浪或者较大的潮起潮落时，能够保证装置不会随着波浪飘走。

双浮体结构参考图1，包括：下浮体2和上浮体3；

下浮体2，下浮体2上设置有多个卷索连接孔，多个孔呈夹角圆周阵列分布。

上浮体3，多段绳索1-3固连在上浮体3外侧壁筋板上。上浮体分为浮体盖和主浮体，设有七个舱室，布置有圆周阵列分布的3个卷索舱3-3、3个功能舱3-2，以及浮体中部的进排水舱3-1。

上浮体内部结构参考图2，包括：压载泵4、水阀5、发电机及减速齿轮箱6、物理惯量7、导向轮8、卷索绳9、弹簧外壳10、电机支架11、单向离合器12、第一轴承13、密封结构14、传动轴15、绞盘16、弹簧17和弹簧安装支架18，进排水舱的进排水口设有滤网；

压载泵4，安装于上浮体中部的进排水舱3-1中。压载泵进水口与出水口与上浮体3中心底部壳体上孔密封连接。压载泵还配套有压力传感器，其设置在上浮体外壁。当压力传感器感知到装置在未储水状态下，装置外部压力超过设置临界值时，压载泵4开始向浮力调节舱内注水，增加装置自重，使上浮体下沉，使绳索1-3的受力减小，保证装置在遭受潮起潮落或者恶劣海况时能够不被摧毁，提高了装置的海上生存能力。

滤网固定安装在排水舱的进排水口，在压载泵注水时过滤排除水中固体物质。

发电机及减速齿轮箱6，固定安装在电机支架11上，发电机及减速齿轮箱6输出轴与物理惯量7一端固定连接。减速箱与电机为一体设计，安装于发电机及减速齿轮箱右端。

物理惯量7，其左端固定连接单向离合器12，右端固定连接发电机及减速齿轮箱6的输入轴。

导向轮8，设置于绞盘16的一侧，导向轮套设于导向轮轴19上，导向轮轴19的两端与卷索舱3-3侧壁连接固定，卷索绳9绕过导向轮8.

卷索绳9，卷索绳上端与绞盘16的套筒固定连接，从上往下绕过导向轮8，经过卷索通道与通道卷索导轮20，下端与下浮体2的多个卷索连接孔固连，在波浪作用下，上浮体3与下浮体2产生相对运动，使得卷索绳带动绞盘转动，完成波浪能的转换。

弹簧外壳10，弹簧外壳固定安装在弹簧安装支架18上，弹簧18外钩镶嵌在弹簧外壳10上，弹簧17内钩卡在传动轴15上的卡槽上。

电机支架11，固定安装于上浮体3的功能舱3-2中。

单向离合器12，单向离合器安装于物理惯量7左端盲孔内，单向离合器12外部与物理惯量7左端盲孔固连，单向离合器12内部与传动轴15右端固连。在传动轴15顺时针旋转时，单向离合器12契合，使得物理惯量7与传动轴15保持同步转速。在传动轴15逆时针旋转时，单向离合器12脱离，物理惯量7凭借惯量使传动轴15继续保持转动。

第一轴承13，第一轴承13为一对，对称安装在上浮体3的功能舱3-2两侧外壁上轴承孔中，第一轴承13外圈与上浮体壳体固定连接。第一轴承13内圈与传动轴15采用过盈配合，在传动轴15上设置有卡簧槽，在安装上轴之后，将卡簧安装于卡簧槽中，使得轴不会相对于轴承发生横向滑动，保证传动的稳定性。

密封结构14，密封结构14安装于上浮体3的发电舱(弹簧舱)3-2内壁，与传动轴15相互配合，防止卷索舱3-3中的水进入其他舱内，达到防水效果。

传动轴15，传动轴15自左向右一次安装有发电机及减速齿轮箱6、物理惯量7、单向离合器12、卡簧、第一轴承13、密封结构14、绞盘16、密封结构14、第一轴承13、卡簧、弹簧17。

绞盘16，绞盘的套筒与传动轴15固定连接，使卷索绳在被拉动时，绞盘16开始转动，同时传动轴15与绞盘16保持同步转速。使波浪能转化为输入轴的角动量，完成能量输入。上浮体卷索舱3-3的绞盘，绞盘与轴及卷索绳固定连接，在卷索绳被拉动时，绞盘可以与轴同步转动。

弹簧17，弹簧17内钩固定安装在传动轴15的卡槽中。当上浮体3与下浮体2间距增大时，卷索绳9受拉力，带动绞盘使传动轴15在顺时针转动时，弹簧紧绷，积蓄能量；当上浮体3与下浮体2达到最大间距时，弹簧17开始释放能量，开始回卷，使传动轴15逆时针转动，带动绞盘16回收卷索绳9，回到初始状态。弹簧内钩固定安装在轴的卡槽中，外部与弹簧外壳固连。

弹簧安装支架18，其固定安装于上浮体3的功能舱3-2的底部。

导向轮轴19，固定连接于卷索舱3-3的舱壁上，设于绞盘16的一侧。

通道导向轮组20，其外部结构图参阅图4，通道导向轮组20分为两层，两层空间垂直分布，每一层由两个圆柱导向轮对称分布，圆柱导向轮20-2与通道导向轮轴20-3使用一对第二轴承20-4连接，通道导向轮轴20-3固定于导向轮轴外框架20-1上。通道导向轮组20外框架固定于上浮体3卷索通道进出口处。

工作时锚与海床固定，锚通过绳索与浮标连接，浮标通过绳索与上浮体外壳连接。本发明通过圆周阵列式发电系统和锚泊系统使装置在海面上浮动发电，在保证了海洋生存能力的情况下实现了对波浪能的采集。

综上所述，本发明的双浮体波浪能发电装置包括多点定位锚泊及双浮体，上浮体中设置有多组动力传输机构，上下浮体间由多组卷索绳连接。本发明动力传输机构远离电机一侧设置有弹簧，起储能与回收卷索作用；本发明采用多组卷索可采集多个方向的波浪能，提高了能量利用效率；本发明采用弹簧解决了卷索绳的回收问题；本发明通过单向离合器和物理惯量配合使电机单向转动，实现了机械整流，保证装置连续稳定运行；本发明使用多点锚泊，浮体抵抗恶劣海况能力得到提升，增加了本装置的使用寿命。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。