摇臂式波浪能浮子运动姿态自控装置

1.本发明涉及一种摇臂式波浪能浮子运动姿态的自动控制装置，属于波浪能发电技术领域。


背景技术：

2.能源是人类生活和社会前进发展的重要物质基础。工业技术的发展，使得世界能源的需求大大增加，发展可再生能源是解决能源问题的重要举措。海洋能是一种重要的可再生能源，波浪能就是海洋能的一种，波浪能储量庞大，容易获取，清洁无污染，逐渐成为可再生能源开发与利用的重点。
3.波浪能发电装置从技术原理上主要是分为了振荡水柱式、越浪式和振荡体式三种。其中，与其他形式的波浪能发电装置相比，振荡体式波浪能发电装置结构灵活，建造成本低，可靠性好；同时，摇臂与波浪能浮子结合的振荡浮子式波浪能装置利用灵活，可单独布置，也可与防波堤、海洋平台等海洋工程结合，因此受到了广泛关注与研究。
4.目前，摇臂式波浪能发电装置中波浪能发电浮子与摇臂的连接方式可以分为简单铰接式和固定连接式。装置浮子与摇臂固定连接形式，尽管避免了波浪能浮子与摇臂的相对转动，保证了摇臂铰接处旋转轴的工作效率，但是由于固接形式的存在，波浪能浮子在运动过程中会出现倾斜现象，增加了海水淹没装置浮子顶部的可能性，阻碍装置浮子正常运动。从整体来看，装置浮子运动受阻，整体装置的发电效率同样会降低。另外，波浪能浮子发生倾斜时会在与摇臂的固定连接处产生较大的连接应力，危害装置安全。装置浮子与摇臂简单铰接连接形式，装置浮子在波浪作用下与摇臂之间存在较大的相对运动，这不仅会消耗较多的波浪能能量，且在极端海况下装置浮子会存在大角度转动且无法回复到原位置的现象。这极大地影响了整体波浪能利用装置的发电效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种摇臂式波浪能浮子运动姿态的自动控制装置。波浪能浮子运动时，通过自动控制装置的自我调节，抑制装置浮子相对于摇臂的转动，提高波浪能的利用率，同时降低海水漫过装置浮子顶部的可能，提高发电效率。
6.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：摇臂式波浪能浮子运动姿态自控装置，包括：支撑平台、摇臂、移动连接件、第一活塞缸、第二活塞缸、阀门和重力摆；摇臂，一端与所述支撑平台铰接，另一端与波浪能浮子铰接具有第一铰接位置；移动连接件，与所述摇臂动连接、沿所述摇臂运动；第一活塞缸，具有第一端和第二端；所述第一端与所述移动连接件铰接，所述第二端位于所述第一铰接位置上方、与波浪能浮子静连接，所述第一端低于所述第二端；第二活塞缸，具有第三端和第四端；所述第三端与所述移动连接件铰接，所述第四
端与波浪能浮子静连接，所述第三端和第四端位于所述第一活塞缸向下的延长线上；所述第二活塞缸的容腔与所述第一活塞缸的容腔的内径相同且连通；阀门，设置于所述第二活塞缸的容腔与所述第一活塞缸的容腔的连通处；以及，重力摆，铰接于波浪能浮子，自然下垂，其侧面与所述阀门连接；所述重力摆通过其摆动控制阀门的开启与关闭。
7.摇臂式波浪能浮子运动姿态自控装置，还可以包括弧形导轨；所述弧形导轨，呈圆弧状，以所述第一端与所述移动连接件的铰接位置为圆心；所述弧形导轨的两端与所述移动连接件静连接，所述第三端与所述弧形导轨铰接且沿所述弧形导轨运动。
8.摇臂式波浪能浮子运动姿态自控装置，还可以包括连通油管；所述连通油管连通所述第二活塞缸的容腔与所述第一活塞缸的容腔；所述阀门设置于所述连通油管。
9.所述第一活塞缸的活塞杆端为所述第一端。
10.所述第二活塞缸的活塞杆端为所述第三端。
11.所述重力摆包括第一重力摆和第二重力摆；所述阀门包括第一阀门和第二阀门；所述第一重力摆控制所述第一阀门，所述第二重力摆控制所述第二阀门。
12.所述阀门为弹力阀，所述弹力阀包括活动阀芯；所述活动阀芯，与所述重力摆的侧面连接，在所述重力摆的带动下开启关闭所述弹力阀。
13.所述移动连接件为滑块；所述滑块与所述摇臂滑动连接、沿所述摇臂滑动。
14.本发明的有益效果是：波浪能浮子与摇臂的铰接点和连接两个活塞缸的固定点形成一个边长保持固定的三角形，且波浪能浮子可以绕着摇臂发生转动。为防止波浪能浮子发生过多自由转动而出现转动耗能，加入了两由重力摆控制的阀门。重力摆铰接在波浪能浮子的竖直段上，弹力阀安装在联通油管的竖直段，当波浪能浮子保持水平姿态时，阀门在弹力作用下保持开通，确保了两活塞缸内的液压油可以进行交换；当波浪能浮子发生顺时针或逆时针的偏转时，重力摆偏离平衡位置，重力摆在重力作用下会推动与之连接的阀门活动阀芯把阀门关闭，从而阻断两个活塞缸内液压油的交换，则波浪能浮子不能绕摇臂继续偏转而发生进一步偏斜，直至波浪能浮子跟随摇臂偏转回到水平姿态。因此该系统能够以构件重力为驱动力实现对波浪能浮子的运动姿态自动控制，提高由摇臂和波浪能浮子组成的获能体的能量捕获效率。
15.（1）与波浪能浮子和摇臂固定连接相比，本发明的摇臂式波浪能浮子运动姿态自控系统避免了装置浮子与摇臂固接时出现的装置浮子倾斜现象，使浮子保持为水平姿态，降低了海水漫过装置浮子顶部的可能性，减小了波浪对浮子的阻力作用。
16.（2）与波浪能浮子和摇臂固定连接相比，本发明的浮子运动姿态自控系统避免了波浪能浮子发生倾斜，并且浮子与摇臂保持为铰接，连接处应力大大减小，提高了结构的安全性。
17.（3）与波浪能浮子和摇臂简单铰接相比，本发明的浮子运动姿态自控系统可自动控制装置浮子相对于摇臂的转动，抑制浮子与摇臂之间的不确定性转动，避免了浮子只运动而不发电的现象。
18.（4）与波浪能浮子和摇臂简单铰接相比，本发明的浮子运动姿态自控系统可使浮子保持为水平姿态运动，使波浪能发电装置的水动力性能保持在稳定状态，保证了装置发
电效率。
19.（5）本发明的浮子运动姿态自控系统仅依靠重力摆的重力就可完成对浮子运动姿态的自动控制，不需要额外的控制元件和能量输入，结构简单，不易损坏。
20.（6）本发明的浮子运动姿态自控系统本身构件呈三角形布置，利用了三角形结构的稳定性，提升了装置可靠性。
21.（7）本发明的浮子运动姿态自控系统巧妙设计了圆弧形的铰接支座，确保了自控系统本身运动所需要的自由度。
附图说明
22.图1是本发明具体实施方式公开的摇臂式波浪能浮子运动姿态自控装置的结构示意图；图2是本发明具体实施方式公开的摇臂式波浪能浮子运动姿态自控装置的另一结构示意图图3是本发明具体实施方式公开的摇臂式波浪能浮子运动姿态自控装置的局部示意图；其中，1.支撑平台、2.摇臂、3.波浪能浮子、4.第一活塞缸、5.第一活塞缸的活塞杆、6.滑块、7.第二活塞缸的活塞杆、8.第二活塞缸、9.联通油管、10.第一重力摆、11.第一弹力阀、12.第二重力摆、13.第二弹力阀、14.弧形导轨、15.第一活动阀芯、16.第二活动阀芯。
实施方式
23.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
24.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
25.一种摇臂式波浪能浮子运动姿态自控装置，包括：支撑平台1、摇臂2、移动连接件、第一活塞缸4、第二活塞缸8、阀门和重力摆；摇臂2的一端a铰接在支撑平台1上，摇臂2的另一端铰接在波浪能浮子3上；波浪能浮子3在波浪激励下发生振动，驱动摇臂2绕摇臂2与支撑平台1的铰接点转动，可驱使与摇臂2的另一端连接的能量转换系统利用波浪能发电。
26.支撑平台1可以是固定式平台也可以是漂浮式平台。摇臂2可以铰接于支撑平台1的任意位置，具体位置可以根据实际情况确定。摇臂2可以采用如图所示的直臂，具体的可以采用细长杆。
27.摇臂2可以铰接于波浪能浮子3的任意位置。具体的，可以铰接于波浪能浮子3上表面的中心位置，即，摇臂2与波浪能浮子3的铰接点b位于如图1所示的位置。
28.沿摇臂2长度方向可以设置一导轨，即摇臂2的ab点之间设置导轨。或者，采用导轨作为摇臂2。导轨上设置有移动连接件，移动连接件与导轨之间动连接、沿导轨移动。具体的，移动连接件与导轨之间可以为滑动连接，移动连接件沿导轨滑动。移动连接件可以采用滑块6，导轨采用滑轨，滑块6与滑轨滑动连接，滑块6沿滑轨滑动。
29.波浪能浮子3上设置两个固定位置c和d。其中，固定位置c可以位于交接点b的正上方，固定位置d可以位于波浪能浮子3的边缘处、摇臂2的正下方，固定位置c高于固定位置d。固定位置c可以通过在波浪能浮子3上设置竖直支架的方式实现。固定位置c静连接第一活塞缸4的一端，固定位置d静连接第二活塞缸8的一端；第一活塞缸4与固定位置c之间的静连接可以为固定连接，第二活塞缸8与固定位置d之间的静连接可以为固定连接。第一活塞缸4的另一端与移动连接件铰接，第二活塞缸8的另一端与移动连接件铰接。第一活塞缸4和第二活塞缸8可以是相对的铰接在移动连接件上，二者的长度方向沿同一直线。具体的，可以是，第一活塞缸的活塞杆5端与移动连接件铰接，第二活塞缸的活塞杆7端与移动连接件铰接。当移动连接件为滑块6时，第一活塞缸的活塞杆5铰接在滑块6上侧，第二活塞缸的活塞杆7都铰接在滑块6下侧。
30.第一活塞缸4的容腔与第二活塞缸8的容腔的内径相同，第一活塞缸4的容腔与第二活塞缸8的容腔连通。第一活塞缸4和第二活塞缸8之间的液压油发生交换时，第一活塞缸的活塞杆5和第二活塞缸的活塞杆7的活动行程相同。具体的，第一活塞缸4的容腔与第二活塞缸8的容腔之间可以通过连通油管连通。连通油管的一端位于第一活塞缸4的一端、连通第一活塞缸4的容腔，连通油管的另一端位于第二活塞缸8的一端、连通第二活塞缸8的容腔。
31.在移动连接件的下侧设置一弧形导轨14。弧形导轨14的两端分别与移动连接件连接。弧形导轨14以第一活塞缸的活塞杆5与移动连接件的铰接位置e为中心设置。具体的，弧形导轨14可以为圆弧状导轨，圆弧形导轨14的圆心为第一活塞缸的活塞杆5与移动连接件的铰接位置e。第二活塞缸8的另一端与弧形导轨14铰接，且第二活塞缸8的另一端能沿弧形导轨14运动。即，弧形导轨14作为第二活塞缸8的另一端与移动连接件的铰接支座。弧形导轨14的存在，使得移动连接件沿着摇臂2发生运动时第一活塞缸的活塞杆5和第二活塞缸的活塞杆7能保持在同一直线上且铰接点距离不变。至此，波浪能浮子3可以绕着摇臂2发生转动且保持为边长固定的三角形。
32.若不对波浪能浮子3的转动加以限制，波浪能浮子3在波浪激励下可能会发生不确定性转动，甚至可能发生大角度偏转后无法回到初始平衡位置，因此引入了重力摆和由重力摆控制开启与关闭的阀门。阀门设置于第二活塞缸8的容腔与第一活塞缸4的容腔的连通处；当阀门开启时，第二活塞缸8的容腔与第一活塞缸4的容腔连通，第二活塞缸8与第一活塞缸4的液压油能交换，第二活塞缸的活塞杆7与第一活塞缸的活塞杆5能沿摇臂2运动，而使波浪能浮子3在波浪激励下保持水平姿态振荡；当阀门关闭时，第二活塞缸8的容腔与第一活塞缸4的容腔隔断，第二活塞缸8与第一活塞缸4的液压油不能进行交换，第二活塞缸的活塞杆7与第一活塞缸的活塞杆5不能沿摇臂2运动，而使波浪能浮子3不能发生进一步的偏转。
33.重力摆，铰接于波浪能浮子3，自然下垂，其侧面与阀门连接；重力摆通过其摆动控制阀门的开启与关闭。具体的，重力摆铰接于bc之间，随着波浪能浮子3的运动而左右摆动，
重力摆左右摆动时拉动、推动阀门的阀芯，进而使得阀门开启或关闭。具体的，重力摆包括第一重力摆10和第二重力摆12；阀门包括第一阀门和第二阀门；第一重力摆10控制第一阀门，第二重力摆12控制第二阀门。第一重力摆10可以位于第二重力摆12的正上方，第一阀门可以位于第二阀门的正上方。
34.阀门可以为弹力阀。弹力阀包括活动阀芯；活动阀芯与重力摆的侧面连接，活动阀芯在所述重力摆的带动下在弹力阀腔内运动进而开启关闭弹力阀。
实施例
35.一种摇臂式波浪能浮子运动姿态自控装置，如图1、图2和图3所示，包括：支撑平台1、直线型摇臂2、滑块6、第一活塞缸4、第二活塞缸8、联通油管9、第一弹力阀11、第二弹力阀13、第一重力摆10和第二重力摆12；摇臂2的端点a铰接在支撑平台1上，摇臂2的另一端铰接在波浪能浮子3上表面的中心位置、铰接点为b点。波浪能浮子3在波浪激励下发生振动，驱动摇臂2绕支撑平台1转动，可驱使后端的能量转换系统利用波浪能发电。
36.摇臂2上滑动连接滑块6，滑块6沿摇臂2滑动。
37.波浪能浮子3上表面的中心位置设置一竖直安装架，安装架的顶端为固定点c。位于摇臂2的正下方、波浪能浮子3上表面的边缘处为固定点d。
38.第一活塞缸4和第二活塞缸8的结构、尺寸相同。第一活塞缸4的缸体端固定连接于固定点c，第二活塞缸8的缸体端固定连接于固定点d；第一活塞缸的活塞杆5端铰接于滑块6上侧，铰接点为e点。以铰接点e点为圆心设置圆弧形导轨14，圆弧形导轨14的两端连接于滑块6下侧。第二活塞缸的活塞杆7端铰接于圆弧形导轨14，铰接位置沿圆弧形导轨14运动。圆弧形导轨14作为第二活塞缸的活塞杆7与滑块6的铰接支座。第一活塞缸4和第二活塞缸8的长度方向位于同一直线。
39.第一活塞缸4和第二活塞缸8的通过联通油管9连接了容腔，第一活塞缸4和第二活塞缸8之间的液压油发生交换时第一活塞缸的活塞杆5和第二活塞缸的活塞杆7的活动行程相同。至此，波浪能浮子3可以绕着摇臂2发生转动且保持为边长固定的三角形。
40.第一重力摆10和第二重力摆12铰接在波浪能浮子3的安装架上，第一弹力阀11和第二弹力阀13安装在联通油管9的竖直段，当波浪能浮子3保持为水平姿态时，第一弹力阀11和第二弹力阀13在弹簧弹力作用下保持开通，则第一活塞缸4和第二活塞缸8内的液压油能继续交换而使波浪能浮子3在波浪激励下保持水平姿态振荡。
41.当波浪能浮子3在波浪抨击下发生了大角度转动而发生逆时针偏转时，第一重力摆10会在重力作用下偏离平衡位置向左拉动第一弹力阀11的第一活动阀芯15将第一弹力阀11阀门关闭，从而阻断第一活塞缸4和第二活塞缸8内的液压油交换，则波浪能浮子3不能发生进一步的逆时针偏转，直至波浪能浮子3随摇臂2转动到水平姿态而打开第一弹力阀11。
42.当波浪能浮子3在波浪抨击下发生了大角度转动而发生顺时针偏转时，第二重力摆12会在重力作用下偏离平衡位置向右推动第二弹力阀13的第二活动阀芯16将第二弹力阀13阀门关闭，从而阻断第一活塞缸4和第二活塞缸8内的液压油交换，则波浪能浮子3不能发生进一步的顺时针偏转，直至波浪能浮子3随摇臂2转动到水平姿态而打开第二弹力阀
13。
43.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。