一种可用于多自由度波浪能捕获的液压式变阻尼发电单元

1.本发明涉及波浪能发电技术领域，尤其涉及一种可用于多自由度波浪能捕获的液压式变阻尼发电单元。


背景技术：

2.振荡体式波浪能发电装置采用机械浮子捕获波浪能，浮子在波浪作用下可产生纵荡、垂荡、横荡、纵摇、横摇和艏摇六个自由度的运动。现有振荡体式波浪能发电装置主要是利用其中单一自由度的运动进行波浪能的捕获，对波浪能的利用不充分。
3.同时，在开发出的波浪能发电装置基础上需要尽可能的提高系统的捕获功率和输出功率，以最大化波浪能资源的利用率，现有研究结果见图5，表明其它参数相同时，影响发电系统捕获功率和发电功率的主要是系统的阻尼系数，在不同波浪条件下，总有一个最优的系统阻尼，使发电系统达到最高的发电功率。
4.在复杂多变的实际波况下，当前的液压发电单元多为常规液压缸发电单元，由于波浪能的不稳定性，产生的液压能波动幅度较大，虽然通过在发电单元中增加蓄能器能够一定程度上缓解，但其规格也限制了应对能力和能量捕获范围，且发电系统输出的阻尼力可调性差，难以匹配复杂瞬变的波浪力，使得波浪能捕获效率较低。此外，波浪能发电装置要面临恶劣的海况条件，如何使波浪能发电装置免受恶劣海况的破坏，同时当装置定期维修保养时，如何提供安全可靠的操作环境，也是波浪能发电技术需要解决的问题。因此，针对上述当前液压式波浪能发电单元存在的不足，设计一种可用于多自由度波浪能捕获、可实现变阻尼控制、可进行自我保护的液压式变阻尼发电单元，必能大幅度提高波浪能的吸收范围、降低产生液压能的波动性、提高捕获效率、降低波浪能发电成本，促使液压式波浪能发电技术走向商业化和规模化。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述已有技术的不足，提供了一种可用于多自由度波浪能捕获的液压式变阻尼发电单元，stewart平台分别固接在相邻浮子上，可将浮子间产生的多自由度运动用来捕获波浪能，实现多自由度波浪能捕获，充分吸收波浪能，电能输出系统的液压缸组有多种活塞面积组合，以调节液压缸组输出的阻尼力匹配不同波浪力的变化，提高波浪能的捕获效率，改善了不同波况下捕获机构和实际波浪的匹配问题，大大提高了系统的捕获效率，可用于发电、海水淡化、制氢等多个领域。
6.本发明的技术方案如下：一种可用于多自由度波浪能捕获的液压式变阻尼发电单元，包括stewart平台和通过保护罩12密封安装在stewart平台的下平台13上端的电能输出系统；所述stewart平台的上平台10和下平台13之间均匀布设有4个以上液压缸11，每个液压缸11的活塞杆端部、缸体端部对应和上平台10、下平台13通过虎克铰14连接；
所述电能输出系统包括4个以上第一换向阀21、4个以上第二换向阀22、第一单向阀41、第二单向阀42、第三单向阀43、第四单向阀44、高压蓄能器5、低压蓄能器6、液压马达7和发电机8；每个液压缸11的无杆腔和第一换向阀21一一对应管道连通，且4个以上第一换向阀21通过管道并联后，通过三通接头管道连通着第二单向阀42和第四单向阀44，每个液压缸11的有杆腔和第二换向阀22一一对应管道连通，且4个以上第二换向阀22通过管道并联后，通过三通接头管道连通着第一单向阀41和第三单向阀43，每个所述第一换向阀21和第二换向阀22分别和油箱3通过管道连通；所述第一单向阀41和第二单向阀42的出口通过管道并联后，与液压马达7入口管道连通，且液压马达7入口管道上设有高压储能器5；所述第三单向阀43和第四单向阀44的出口通过管路并联后，与液压马达7出口管道相连，且液压马达7出口管道上设有低压储能器6；所述液压马达7输出端通过联轴器和发电机8输入端连接，发电机8输出端连接有蓄电池9；使用时，上述液压式变阻尼发电装置可用于单浮子式发电装置或多浮子式发电装置中，将所述上平台10和浮子连接，下平台13和相邻浮子连接即可。
7.进一步，每个所述第一换向阀21和第二换向阀22均为三位三通大流量高速电液换向阀；所述电液换向阀的三个工作位置，分别为左位、中位和右位；当电液换向阀的两端电磁铁不通电时，电液换向阀处于中位，左端电磁铁通电时，换向阀工作于左位，右端电磁铁通电时，电液换向阀工作于右位；当电液换向阀工作于左位和右位时，对应液压缸11的油腔和油箱3或电能输出系统接通，从而使液压缸11接入所述电能输出系统的总活塞面积形成多种组合，实现调节4个以上的液压缸11的输出阻尼力以匹配波浪的变化，提高波浪能的捕获效率及提高发电品质。
8.进一步，所述stewart平台的上平台10和下平台13之间均匀布设有6个液压缸11，所述电能输出系统包括6个第一换向阀21和6个第二换向阀22。
9.本发明的有益效果：（1）本发明的一种可用于多自由度波浪能捕获的液压式变阻尼发电单元，包括stewart平台和电能输出系统，stewart平台的上、下平台分别固接在发电装置的相邻浮子上，可将浮子间产生的多自由度运动用来捕获波浪能，实现多自由度波浪能捕获，充分吸收波浪能；同时stewart平台的液压缸的有杆腔和无杆腔均通过换向阀可主动地与电能输出系统或油箱接通，电能输出系统中的第一换向阀和第二换向阀由控制策略控制其工作位置，以改变液压缸接入状态，从而改变液压缸接入电能输出系统的总活塞面积，由公式f=p
∙
a可知，系统压力由负载决定，在负载恒定的情况下，液压缸输出的阻尼力与液压缸接入电能输出系统的有效作用面积成正比，在波浪力小的情况下，接入小阻尼，将较少的液压缸接入电能输出系统，即接入电能输出系统的活塞总面积减小，波浪力大的情况下，接入大阻尼，将较多的液压缸切入电能输出系统，即接入电能输出系统的总活塞面积增大，使液压缸
输出的阻尼力能跟踪波浪力的变化，达到匹配不同波况的目的，提高波浪能捕获效率，本发明的液压式变阻尼发电装置还可用于发电、海水淡化、制氢等多个领域。
10.（2）本发明的电能输出系统的管路中的蓄能器起到蓄能稳压的作用，高压蓄能器在油压高于设定值时蓄能，在压力低于设定值时释放能量，低压蓄能器回收做功后多余的油液，补充进拉伸时的各个液压缸中，装置能够维持液压系统中压力和流量稳定，确保液压马达连续匀速运转，带动发电机输出高品质电能，满足实际需求。
11.（3）本发明的液压缸工作介质可以是液压油也可以是海水，当使用海水作为工作介质时，无需再额外设置油箱，可减轻装置结构，就地取材、经济环保。
12.（4）本发明可通过将所有换向阀切换至中位将stewart平台锁住，便于检查和维修；在恶劣波况下，还能通过换向阀将液压缸的两个腔室分别与油箱接通，并与电能输出系统断开，使stewart平台处于浮动状态，发电装置随波而动，保护发电装置不受恶劣波况的冲击和破坏。
附图说明
13.图1为本发明一种可用于多自由度波浪能捕获的液压式变阻尼发电装置的结构示意图。
14.图2为本发明的电能输出系统和液压缸的连通原理图。
15.图3为本发明液压式变阻尼发电单元在单浮子式发电装置中的使用状态图。
16.图4为本发明液压式变阻尼发电单元在多浮子式发电装置中的使用状态图。
17.图5为现有研究的海水捕获功率和液压pto系统阻尼系数的关系图。
18.其中：上平台10、液压缸11、保护罩12、下平台13、虎克铰14、第一换向阀21、第二换向阀22、第一单向阀41、第二单向阀42、第三单向阀43、第四单向阀44、高压蓄能器5、低压蓄能器6、液压马达7、发电机8、蓄电池9。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
20.见图1，一种可用于多自由度波浪能捕获的液压式变阻尼发电单元，包括stewart平台和通过保护罩12密封安装在stewart平台的下平台13上端的电能输出系统；所述stewart平台的上平台10和下平台13之间均匀布设有6个液压缸11，每个液压缸11的活塞杆端部、缸体端部对应和上平台10、下平台13通过虎克铰14连接；见图2，所述电能输出系统包括6个第一换向阀21、6个第二换向阀22、第一单向阀41、第三单向阀43、第三单向阀43、第一单向阀41、高压蓄能器5、低压蓄能器6、液压马达7、发电机8和蓄电池9；每个液压缸11的无杆腔和第一换向阀21一一对应管道连通，且6个第一换向阀21
通过管道并联后，通过三通接头管道连通着第二单向阀42和第四单向阀44，每个液压缸11的有杆腔和第二换向阀22一一对应管道连通，且6个第二换向阀22通过管道并联后，通过三通接头管道连通着第一单向阀41和第三单向阀43，每个所述第一换向阀21和第二换向阀22分别和油箱3通过管道连通；所述第一单向阀41和第二单向阀42的出口通过管道并联后，与液压马达7入口管道连通，且液压马达7入口管道上设有高压蓄能器5；所述第三单向阀43和第四单向阀44的出口通过管路并联后，与液压马达7出口管道相连，且液压马达7出口管道上设有低压蓄能器6；所述液压马达7输出端通过联轴器和发电机8输入端连接，发电机8输出端连接有蓄电池9；使用时，上述液压式变阻尼发电装单元可用于单浮子式发电装置或多浮子式发电装置中，将所述上平台10和浮子连接，下平台13和相邻浮子连接即可。
21.每个所述第一换向阀21和第二换向阀22均为三位三通大流量高速电液换向阀；所述电液换向阀的三个工作位置，分别为左位、中位和右位；当电液换向阀的两端电磁铁不通电时，电液换向阀处于中位，左端电磁铁通电时，换向阀工作于左位，右端电磁铁通电时，电液换向阀工作于右位；当电液换向阀工作于左位和右位时，对应液压缸11的油腔和油箱3或电能输出系统接通，从而使液压缸11接入所述电能输出系统的总活塞面积形成多种组合，实现调节6个液压缸11的输出阻尼力以匹配波浪的变化，提高波浪能的捕获效率及提高发电品质。
22.将所有第一换向阀21和第二换向阀22切换至中位，即可将stewart平台锁住，便于检查和维修；在恶劣波况下，调节第一换向阀21和第二换向阀22将液压缸11的两个腔室分别与油箱3接通，并与电能输出系统断开，使stewart平台处于浮动状态，发电装置随波而动，保护发电装置不受恶劣波况的冲击和破坏。
23.本发明的液压式变阻尼发电装置工作原理如下：当发电装置的运动浮子受到波浪力作用时，浮子产生运动，从而使连接在相邻浮子上stewart平台的上平台10和下平台13之间产生六自由度的相对运动，驱动各个液压缸11活塞杆伸出或者缩回，当液压缸11活塞杆缩回时，压缩油液由液压缸11的无杆腔流出经第一换向阀21右位到达第二单向阀42和第四单向阀44，此时第二单向阀42打开，第四单向阀44关闭，油液一部分流入高压蓄能器5，一部分进入液压马达7进油口，驱动液压马达7做功，做功后的油液一部分流入低压蓄能器6，另一部分流向第三单向阀43，此时第三单向阀43打开，第一单向阀41关闭，油液经第三单向阀43和第二换向阀22流入液压缸11的有杆腔；当液压缸11在浮子的驱动下活塞杆伸出时，高压油液由液压缸11的有杆腔流出经换向阀右位到达第一单向阀41和第三单向阀43，此时第一单向阀41打开，第三单向阀43关闭，油液由第一单向阀41流过，经高压蓄能器5，流入液压马达7的进油口，做功后的油液由液压马达7的出口流出，到达第三单向阀43和第四单向阀44，此时第二单向阀42和第三单向阀43关闭，第四单向阀44打开，做功后的油液经过第四单向阀44和第一换向阀21补充进液压缸11的无杆腔中。
24.每个所述第一换向阀21和第二换向阀22均为三位三通大流量高速电液换向阀，12
个高速电液换向阀均有三个工作位置，即左位、中位和右位，高速电液换向阀左位工作时，液压缸11对应的腔接入油箱3，腔室作用力为零，液压缸11两腔均接油箱3时，该液压缸11被旁路掉，液压缸11油腔输出的油液不进入后续的电能输出系统，而是流入液压缸11另外一个油腔或者流回油箱3。整个电能输出系统被旁路掉，上下平台处于浮动状态，波浪力对发电单元不起作用，发电装置可随波浪而动，可避免恶劣波况对发电装置的冲击和破坏；当高速电液换向阀工作于中位时，液压缸11对应的油腔被封闭，液压缸11被锁住，当所有换向阀均工作于中位时，stewart平台的上平台10和下平台13被锁住，无相对运动，可方便维修人员对发电装置进行维修和保养；当高速电液换向阀工作于右位时，液压缸11对应腔接入电能输出系统，将捕获的波浪能用于发电，由控制策略控制其接入工作位置。
25.控制策略可简要概括如下：由公式f=p
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a可知，在波浪力变化不定的情况下，通过同步调节液压缸11接入电能输出系统的活塞总面积，进行变阻尼控制，使液压缸11输出阻尼力与波浪力的变化匹配，提高波浪能捕获效率。
26.高速电液换向阀中位截止仅在装置检查维修时使用，可暂时忽略，高速电液换向阀左位和右位两个主要工作位置分别接入油箱3和电能输出系统，可知每个液压缸11可分为不接入、有杆腔面积接入、无杆腔面积接入、差动连接面积接入四种不同的活塞接入面积状态，共有种组合方式，又因为6个液压缸11完全相同，活塞面积组合有部分重复，去除其中重复部分，易知共有367种不同的接入系统的总活塞面积组合，将各种接入活塞面积细分从小到大进行编码控制，使在波浪力小的情况下，接入电能输出系统的活塞总面积减小，波浪力大的情况下，接入电能输出系统的总活塞面积增大，改变液压缸组输出的阻尼力，达到匹配不同波浪力的目的，实现最佳阻尼力匹配，使捕能系统捕获最多的波浪能。
27.结合图3和图4，说明本发明的液压式变阻尼发电单元的具体使用方式：所述上平台10与一运动浮子连接，下平台13与另一个运动浮子或者固定物固定连接，在波浪的激励作用下，两浮子之间产生六自由度的相对运动，驱动六个液压缸11活塞杆伸出或缩回，液压缸11活塞杆伸出或缩回时油液从液压缸11压缩腔流出经对应的高速电液换向阀和高压蓄能器5流入液压马达7高压侧，驱动液压马达7旋转做功，做功后的油液由液压马达7出油口流出，经低压蓄能器6和对应高速电液换向阀补充到液压缸11的液压缸膨胀腔，实现系统液压油的循环。
28.因此本发明由于系统回路设置，可实现液压缸11活塞杆伸出和缩回做功时液压马达7的进出油口不变，液压马达7总是朝着一个方向持续运转连续发电。
29.本发明可通过控制策略改变高速换向阀的工作位置改变接入电能输出系统的液压缸11的活塞总面积，使液压缸11输出的阻尼力匹配波浪力的变化，从而提高发电装置对波浪能的捕获效率。
30.解决了海洋中波浪复杂多变，浮子受力波动大，液压缸11出力和波浪变化难以匹配，导致很多传统液压式波浪能发电装置吸收波浪能效率低，压力波动大，输出不稳定，发电成本高等问题，本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。