可调节多功能底铰摇摆式波能利用装置及其控制方法

1.本发明涉及波能利用装置，尤其涉及可调节多功能底铰摇摆式波能利用装置及其控制方法。


背景技术：

2.不可再生的传统能源占据着人类所使用能源的绝大部分，比如煤炭、石油和天然气。它们本身具有不可再生性，对于环境具有污染性，随着时间的推移，全球能源储量不断地减少，开采难度也逐渐增大。目前开发新能源已经迫在眉睫，作为占据地球绝大部分面积的海洋所带来的波浪能是不可忽视的新能源。通常波浪能需要经过三级转换，分别是采能装置转换、中间转换装置转换以及发电装置转换，其中第一级转换最为重要。目前现有的波浪能采集装置中底铰摇摆式波浪能采集装置凭借其在效率方面、成本经济方面、可靠性方面的突出优势在众多波能采集装置中脱颖而出，除了突出的波能采集效率外，该装置的消波性能也非常卓越。
3.底铰摇摆式波能转换装置，从最开始的研发到现在的实际应用目的非常明确，就是为了提高波能采集的效率，降低波能采集的经济成本。上世纪90年代开始，英国就已经实现了波能发电的商业化，近年随着科技的发展沿海国家都在大力开展波能转换装置的研发。但传统底铰摇摆式波能转换装置的波能板吃水不可调节，方向不可调节的缺点给提高波能利用效率带来了极大的困扰。此外并列式布置的波能转换装置消波功能无法最大化利用，海岸无法得到保护，海岸结构遭到破坏，海岸设备的正常使用也受到影响。
4.因此，亟待解决上述问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种可快速调节相邻波能板间距、波能板高度和迎浪方向的可调节多功能底铰摇摆式波能利用装置。
6.技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种可调节多功能底铰摇摆式波能利用装置，包括至少3个并列设置且间距可调的波能转换装置，该波能转换装置包括自上而下依次设置的用于将波浪动能转化为电能的波能转换组件、用于调节波能转换组件迎浪方向的方向调节组件以及用于调节波能转换组件高度的高度调节组件，其中所述波能转换组件包括安装底板、两端通过传动轴支架设置于安装底板上的传动轴、立向穿设于传动轴上且可在波浪动能作用下带动传动轴旋转的波能板、通过第一齿轮组与传动轴相连的发电机、位于波能板背面用于推动波能板复位的液压油缸以及设置于安装底板上且用于监测波能板吃水和浪向角的波浪监测仪。
7.其中，所述第一齿轮组包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，其中第一齿轮与传动轴同轴设置，第二齿轮与发电机的输入轴同轴设置。
8.优选的，所述波能转换组件还包括密封箱，其中第一齿轮组和发电机位于密封箱内，且传动轴伸入密封箱中与第一齿轮组相连接。
9.再者，所述方向调节组件包括位于高度调节组件上的壳体、固定于壳体上的第一伺服电机、位于壳体内且通过第二齿轮组与第一伺服电机输出轴相连的蜗杆、位于壳体内且与蜗杆相啮合的第三齿轮以及伸入壳第三齿轮内且与第三齿轮同步运动的卡盘，其中卡盘与波能转换组件相连接。
10.进一步，所述第二齿轮组包括位于壳体内且相互啮合的第四齿轮和第五齿轮，其中第四齿轮与第一伺服电机的输出轴同轴设置，第五齿轮与蜗杆同轴设置。
11.优选的，所述高度调节组件包括用于设置方向调节组件的上底板、下底板、位于下底板上的电机安装座、固定于电机安装座上的第二伺服电机、通过联轴器与第二伺服电机输出轴相连且竖直设置的丝杆、位于上底板下表面且与丝杆相适配的丝杆螺母以及对称设置于上底板和下底板之间的剪插式升降组件。
12.再者，所述剪插式升降组件包括固定于上底板的上滑轨、对应设置于下底板上的下滑轨、位于上滑轨和下滑轨内且可沿来回移动的滚轮件以及与滚轮件相连接且交叉设置的剪插式支架。
13.进一步，相邻波能转换装置之间连接有可调节间距的液压油缸。
14.优选的，所述波浪监测仪监测到波能板与波浪的浪向角大于设定角度时，方向调节组件控制波能转换组件向右旋转至波能板浪向角为设定角度，波浪监测仪监测到波能板与波浪的浪向角小于设定角度时，方向调节装置控制波能转换装置向左旋转至波能板浪向角为设定角度；所述波浪监测仪监测到波能板的吃水小于设定值时，高度调节组件控制波能转换组件升高至波能板的吃水等于设定值，波浪监测仪监测到波能板的吃水大于设定值时，高度调节组件控制波能转换组件降低至波能板的吃水等于设定值，面对极端海况时，高度调节组件控制波能转换组件升高至波能板脱离水面。
15.本发明一种可调节多功能底铰摇摆式波能利用装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
16.(1)、将可调节多功能底铰摇摆式波能利用装置置于水深为10m～20m的工作海域，波浪监测仪工作，监测波能板的吃水与浪向角；
17.(2)、当波高或波长较大时，调节液压油缸加大前后波能转换装置的间距，当波高或波长较小时，调节液压油缸减小前后波能转换装置的间距；
18.(3)、若浪向角大于设定角度，方向调节组件的第一伺服电机工作，通过第二齿轮组、蜗杆、第三齿轮配合控制卡盘旋转带动波能转换组件旋转，控制波能板向右旋转直至波能板浪向角为设定角度；
19.(4)、若波能板浪向角小于设置角度，方向调节组件的第一伺服电机工作，通过第二齿轮组、蜗杆、第三齿轮配合控制卡盘旋转带动波能转换组件旋转，波能转换组件向左旋转直至波能板浪向角为设置角度；
20.(5)、波浪监测仪监测波能板吃水是否为设定值，若波能板吃水大于设定值，高度调节组件的第二伺服电机工作，通过丝杠和丝杠螺母配合，降低波能转换组件至波能板吃水为设定值；
21.(6)、若波能板吃水小于设定值，高度调节组件的第二伺服电机工作，通过丝杠和丝杠螺母配合，高度调节组件将波能转换组件升高至波能板吃水为设定值；
22.(7)、极端海况下，的第二伺服电机工作，通过丝杠和丝杠螺母配合，高度调节组件
升高波能转换组件，使波能板高于自由液面。
23.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
24.(1)、本发明通过高度调节组件可以调节波能板的吃水，面对涨潮情况自由液面升高时，高度调节组件工作，波能转换组件升高，可保障自由液面稳定在波能板高度中间位置，面对退潮情况时，通过高度调节组件降低高度至波能板吃水液面为波能板高度中间位置；
25.(2)、本发明通过高度调节组件可以在面临极端海况时升高波能转换组件，避免波能转换装置结构受损；
26.(3)、本发明通过方向调节组件可以调节波能板的方向，当波能板面对斜浪工况时，方向调节组件工作，调整波能板方向，使得波能板始终保持与波浪方向呈180
°
夹角；
27.(4)、本发明通过液压油缸调整装置之间的距离，面对不同海况可以在达到最佳消波效果的同时完成波能采集效率提高的目标。
附图说明
28.图1为本发明的整体示意图
29.图2为本发明中波能转换装置的结构示意图；
30.图3为本发明中内部机构的结构示意图；
31.图4为本发明中内部机构的侧视图；
32.图5为本发明中波能转换组件的主视图；
33.图6为本发明中波能转换组件的侧视图；
34.图7为本发明中方向调节组件的结构示意图；
35.图8为本发明中方向调节组件的内部结构示意图；
36.图9为本发明中方向调节组件的内部结构后视图；
37.图10为本发明中高度调节组件的结构示意图一；
38.图11为本发明中高度调节组件的结构示意图二；
39.图12为本发明中滚轮的结构示意图；
40.图13为本发明中工作箱的内部结构示意图；
41.图14为本发明的控制流程图。
具体实施方式
42.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
43.如图1所示，本发明一种可调节多功能底铰摇摆式波能利用装置包括至少3个并列设置且间距可调的波能转换装置，相邻波能转换装置之间连接有可调节间距的液压油缸5，液压油缸的可调节范围为1m
‑
2m。本发明通过液压油缸5调节装置之间的距离，达到最佳消波效果，完成消除波浪保护海岸的目的；同时完成波能采集效率提高的目标。
44.如图2、图3和图4所示，本发明的波能转换装置包括波能转换组件1、方向调节组件2、高度调节组件3和工作箱4，其中波能转换组件1、方向调节组件2和高度调节组件3自上而下依次设置，且方向调节组件2和高度调节组件3均位于工作箱4内，工作箱的下方设置有轮子6，工作箱4的内部可通过滑轨和滑块调节工作箱的高度，如图13所示。
45.如图5和图6所示，波能转换组件1用于将波浪动能转化为电能，波能转换组件1包括安装底板101、传动轴支架102、轴承111、传动轴103、波能板104、发电机105、液压油缸106、波浪监测仪107、第一齿轮108、第二齿轮109和密封箱110。两个传动轴支架102设置于传动轴103的两端，传动轴支架102与传动轴103之间设置有轴承111，轴承111可保障传动轴103平滑转动，传动轴支架102固定于安装底板101上。波能板104穿设于传动轴103上，波能板立向设置，正面迎向波浪，在波浪动能作用下波能板104带动传动轴103一同旋转，波能板选用底铰摇摆式波能板，波能板的高度一般可选用2m。传动轴103与第一齿轮108同轴设置，第一齿轮108和第二齿轮109相互啮合构成第一齿轮组，第二齿轮109与发电机105的输入轴同轴设置，第一齿轮组和发电机105位于密封箱110内，且传动轴103伸入密封箱110中与第一齿轮组相连接，密封箱可有效防止进水。当波能板104在波浪动能作用下带动传动轴一同旋转时，通过第一齿轮和第二齿轮的相互啮合为发电机传输动力，将波波浪动能转换为电能。其中，第一齿轮108每转动一圈，第二齿轮109亦转动一圈。液压油缸106位于波能板背面，波能板在波浪的作用下向后摇晃时，液压油缸为波能板提供恢复力帮助波能板旋转后恢复到与水平面垂直位置。波浪监测仪107设置于安装底板上，且波浪监测仪107位于波能板的左前方，波浪监测仪107用于监测波能板吃水和浪向角，本发明的波浪监测仪监测到波能板与波浪的浪向角大于设定角度时，方向调节组件控制波能转换组件向右旋转至波能板浪向角为设定角度，波浪监测仪监测到波能板与波浪的浪向角小于设定角度时，方向调节装置控制波能转换装置向左旋转至波能板浪向角为设定角度；所述波浪监测仪监测到波能板的吃水小于设定值时，高度调节组件控制波能转换组件升高至波能板的吃水等于设定值，波浪监测仪监测到波能板的吃水大于设定值时，高度调节组件控制波能转换组件降低至波能板的吃水等于设定值，面对极端海况时，高度调节组件控制波能转换组件升高至波能板脱离水面。
46.如图7、图8和图9所示，方向调节组件2用于调节波能转换组件迎浪方向，方向调节组件2包括壳体201、第一伺服电机202、蜗杆203、第三齿轮204、卡盘205、第四齿轮206和第五齿轮207。壳体201设置于高度调节组件3上，第一伺服电机202固定于壳体201上，且第一伺服电机202的输出轴伸入壳体201内，第一伺服电机202的输出轴与第四齿轮206同轴设置，第四齿轮206与第五齿轮207相互啮合构成第二齿轮组，第四齿轮206、第五齿轮207、蜗杆203和第三齿轮204均位于壳体201内，第五齿轮207与蜗杆203同轴设置，第三齿轮204与蜗杆203相啮合，卡盘205伸入第三齿轮内，卡盘205与第三齿轮204同轴设置，且卡盘205与第三齿轮同步运动，卡盘205与波能转换组件的安装底板101通过十字固定方式固定连接。其中第四齿轮206每旋转6圈，第五齿轮207旋转一圈。第一伺服电机启动，通过第二齿轮组控制蜗杆旋转方向与转动速度，蜗杆与第五齿轮同步旋转，再通过蜗杆与第三齿轮齿轮啮合传动控制卡盘的旋转方向与旋转速度，从而通过卡盘控制波能转换组件的方向；蜗杆每旋转5.5圈，第三齿轮旋转1圈。
47.如图10、图11和图12所示，高度调节组件3用于调节波能转换组件高度，工作箱的高度可调节，调节范围为10m～20m，可调节多功能底铰摇摆式波能利用装置通常设置在水深10m～20m的近海岸附近，高度调节组件可调节高度范围为10m～20m。高度调节组件3包括上底板301、下底板302、电机安装座303、第二伺服电机304、联轴器305、丝杆306、丝杆螺母307、上滑轨308、下滑轨309、滚轮件310和剪插式支架311。上底板301与方向调节组件的壳
体201相连，用于设置方向调节组件，下底板302与工作箱4相连。电机安装座303设置于下底板302上，第二伺服电机304通过螺栓固定于电机安装座303上，第二伺服电机304的输出轴通过联轴器305连接有丝杆306，丝杆306竖直设置，丝杆螺母307设置于上底板301的下表面，丝杆螺母穿设于丝杆306上，且可沿着丝杆上下滑动，同时带动上底板301上下移动。剪插式升降组件对称设置于上底板301和下底板302之间，剪插式升降组件包括上滑轨308、下滑轨309、滚轮件310和剪插式支架311，上滑轨308固定于上底板，下滑轨309对应设置于下底板上，上滑轨308和下滑轨309对应设置构成一组滑轨组件，上底板和下底板之间对称设置有2组滑轨组件，每一上滑轨308内均设置有可来回滑动的2个滚轮件，每一下滑轨309内均设置有可来回滑动的2个滚轮件，剪插式支架311由两个交叉设置的长条板构成，2个长条板的交叉处为铰接；剪插式支架311的上端与上滑轨内的2个滚轮件相连接，剪插式支架311的下端与下滑轨内的2个滚轮件相连接。第二伺服电机启动，丝杆驱动丝杆螺母上下运动的同时带动上底板运动，上底板在上下升降的同时，剪插式升降组件的剪插式支架在滚轮件的作用下沿着上滑轨和下滑轨内移动，剪插式升降组件可维持装置整体的稳定性能；其中丝杆每旋转3.2圈，装置升高或降低0.1m。
48.本发明通过对波能转换装置下方工作箱进行改进并在工作箱内部加装方向调节组件与高度调节组件使得波能转换组件的吃水与迎浪方向可调节，使得波能板始终保持180
°
迎浪方向，提高波能采集的效率，解决了传统波能转换装置的适应能力差、波能采集效率低的缺点；通过高度调节组件调节波能板的吃水，保持波能板的吃水，解决了传统波能转换装置波能板吃水高度不可调节的缺点。
49.如图14所示，本发明一种可调节多功能底铰摇摆式波能利用装置的控制方法，包括如下步骤：
50.(1)、将可调节多功能底铰摇摆式波能利用装置置于水深为10m～20m的工作海域，波浪监测仪工作，监测波能板的吃水与浪向角；
51.(2)、当波高或波长较大时，调节液压油缸加大前后波能转换装置的间距，当波高或波长较小时，调节液压油缸减小前后波能转换装置的间距；
52.(3)、若浪向角大于设定角度，方向调节组件的第一伺服电机工作，通过第二齿轮组、蜗杆、第三齿轮配合控制卡盘旋转带动波能转换组件旋转，控制波能板向右旋转直至波能板浪向角为设定角度；
53.(4)、若波能板浪向角小于设置角度，方向调节组件的第一伺服电机工作，通过第二齿轮组、蜗杆、第三齿轮配合控制卡盘旋转带动波能转换组件旋转，波能转换组件向左旋转直至波能板浪向角为设置角度；
54.(5)、波浪监测仪监测波能板吃水是否为设定值，若波能板吃水大于设定值，高度调节组件的第二伺服电机工作，通过丝杠和丝杠螺母配合，降低波能转换组件至波能板吃水为设定值；
55.(6)、若波能板吃水小于设定值，高度调节组件的第二伺服电机工作，通过丝杠和丝杠螺母配合，高度调节组件将波能转换组件升高至波能板吃水为设定值；
56.(7)、极端海况下，的第二伺服电机工作，通过丝杠和丝杠螺母配合，高度调节组件升高波能转换组件，使波能板高于自由液面。
57.本发明的控制方法中设置角度为180
°
，设定值为1m。在工作中波能转换装置的波
能采集效率主要取决于波能板运动的运动状况，而波能板的吃水、与波浪夹角是影响波能板运动幅度与频率受主要因素，本发明通过方向调节组件保证波能板始终与波浪呈180
°
夹角，波能板的吃水始终保持波能板高度的一半即波能板工作时吃水为1m，使得波能转换装置面对潮涨潮落与不同方向波浪亦可以高效工作。