技术领域
[0001] 本
发明涉及一种封闭式全自由度波浪能发电装置及其工作方法，属于波浪能发电技术领域。
背景技术
[0002] 为有效解决日益严重的
能源和环境问题，大
力发展
可再生能源已成为全球共识。占地球表面71％的海洋蕴藏着储量巨大的可再生能源，主要以海洋
风能、波浪能、
潮汐能、温差能、
盐差能等形式存在。其中，波浪能由
风力作用产生，但相对于
风能，波浪能更加稳定，空间分布也较为集中，是一种极具发展前景的清洁能源。
[0003] 波浪能转换装置根据
能量捕获方式可分为振荡
水柱式、振荡体式和越浪式三大类，根据布放方式又可以分为固定式、漂浮式、沉没式三类。
申请号为201910659833.1的发明
专利公布了一种多浮体液压波浪能发电装置，适用于广泛
波长与周期的波浪，能够增加单位时间内的发电量。申请号为201710134086.0的发明专利公布了一种可变力矩式波浪能发电装置输入力矩的控制方法，可随波浪实时波况的变化而自适应调节波浪能的实际输入力矩，从而改变装置的固有
频率，进而提高波浪能捕获效率。申请号为201910883153.8的发明专利公布了一种具有偏置惯性体的振荡浮子波浪能发电装置，能够拓展设备能量转换的有效
频谱宽度，增加波能转换装置的有效频率区间。但捕能机构的运动部件直接与
海水接触，易受到海水
腐蚀、
生物附着等因素的影响，系统可靠性不高。
[0004] 采用封闭式结构能够有效解决波浪能发电装置的海水腐蚀和生物附着问题，提高系统的可靠性。但封闭式结构限制了波浪能捕获结构的运动幅值，导致能量捕获效率较低。申请号为201810767517.1的发明专利公布了一种多自由度偏心摆式波浪能发电装置及发电方法，采用
齿轮换向的方式，将捕能单元的双向摆动转换为发
电机的单向运动，提高了能量利用效率，并使
电能输出更加平稳。
[0005] 然而，漂浮式波浪能发电装置的运动可分解为横荡、纵荡、垂荡、艏摇、横摇、纵摇六个方向的分运动，大多数能量捕获单元仅利用了其中一到三个分运动的能量，因而波浪能捕获效率不高。通过合理设计捕能机构，充分利用漂浮式波浪能发电装置在各个方向上的运动，能够大幅提升能量捕获效率。
发明内容
[0006] 针对
现有技术的不足，本发明提出了一种封闭式全自由度波浪能发电装置及其工作方法，采用封闭式结构，集成了六自由度捕能机构，既保证了设备具有较高的运行可靠性，又能够确保波浪能发电装置具有较高的能量捕获效率。
[0007] 本发明采用以下技术方案：
[0008] 一种封闭式全自由度波浪能发电装置，包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体固定连接形成
密闭空间，将内部零件与海水隔离，密闭空间内在下壳体上固定设置有液压系统、一号能量捕获单元、二号能量捕获单元和三号能量捕获单元，一号能量捕获单元、二号能量捕获单元和三号能量捕获单元与液压系统之间均通过液压管路连接；
[0009] 所述一号能量捕获单元、二号能量捕获单元和三号能量捕获单元结构相同，均包括双作用
液压缸、
配重和
液压泵，双作用液压缸的中部与
液压泵的
输入轴连接，液压泵的输入轴与双作用液压缸的液压杆始终垂直，配重为两个，分别安装于该双作用液压缸两个液压杆的端部；
[0010] 一号能量捕获单元、二号能量捕获单元和三号能量捕获单元的安装方位不同，以下壳体的中心为原点，以三号能量捕获单元的液压泵输入轴长度方向为X轴作空间直
角坐标系，则一号能量捕获单元的液压泵输入轴长度方向沿空间直角坐标系的Y轴设置，二号能量捕获单元的液压泵输入轴长度方向沿空间直角坐标系的Z轴设置，一号能量捕获单元能够实现OXZ平面内的第一移动和绕Y轴方向的第一转动两个自由度，二号能量捕获单元能够实现OXY平面内的第二移动和绕Z轴方向的第二转动两个自由度，三号能量捕获单元能够实现OYZ平面内的第三移动和绕X轴方向的第三转动两个自由度。
[0011] 优选的，所述一号能量捕获单元、二号能量捕获单元和三号能量捕获单元结构相同，还包括
基座、
行星轮升速箱、中
心轴和旋转配油器，所述基座固定于下壳体上，行星轮升速箱固定安装于基座上，液压泵与行星轮升速箱固定安装，所述中心轴与双作用液压缸的中部固定连接，中心轴与行星轮升速箱的输入轴连接，行星轮升速箱的
输出轴与液压泵的输入轴连接，双作用液压缸的转动，带动中心轴、行星轮升速箱的输入轴转动，从而驱动液压泵的转动；所述旋转配油器安装在中心轴上，旋转配油器为成熟产品，其作用为：在中心轴旋转的
基础上可以正常为双作用液压缸供油。
[0012] 本发明的行星轮升速箱的作用是将输入轴较低的转速提升为输出轴较高的转速，由于中心轴的转速较低，采用行星轮升速箱扩大其转速，便于驱动液压泵转动。
[0013] 优选的，所述液压泵为双向齿轮泵。
[0014] 优选的，所述液压系统包括油箱、液压流量计、
液压马达、发电机、
过滤器、
蓄能器、液压压力表、一号能量捕获单元的液压系统A、二号能量捕获单元的液压系统B和三号能量捕获单元的液压系统C，均固定安装于下壳体上。
[0015] 优选的，所述液压系统A、液压系统B和液压系统C的结构及连接关系相同，均包括一号单向
阀、二号
单向阀、三号单向阀、四号单向阀、五号单向阀、六号单向阀、七号单向阀和八号单向阀，液压系统A中的一号至八号单向阀、液压系统B中的一号至八号单向阀，以及液压系统C中的一号至八号单向阀构成
液压阀组，固定于下壳体上。
[0016] 油箱经过滤器分别与三号单向阀、四号单向阀、七号单向阀和八号单向阀连接，三号单向阀分别与一号单向阀和双作用液压缸连接，四号单向阀分别与二号单向阀和双作用液压缸连接，七号单向阀分别与五号单向阀和液压泵连接，八号单向阀分别与六号单向阀和液压泵连接，一号单向阀、二号单向阀、五号单向阀、六号单向阀连接后，经过蓄能器、液压压力表、液压马达、液压流量计与油箱连接，液压马达驱动发电机发电，上述连接均通过液压管路连接。
[0017] 进一步优选的，双作用液压缸上连接有一号两位四通
电磁阀，用于控制双作用液压缸，液压泵上连接有二号两位四通电磁阀，用于控制液压泵。
[0018] 进一步优选的，将双作用液压缸替换为单作用液压缸，能够减小能量捕获单元的体积，并能够增加能量捕获单元的偏心程度，提高波浪能发电装置对艏摇、横摇、纵摇三个运动方向能量的捕获效率。
[0019] 一种上述封闭式全自由度波浪能发电装置的工作方法，工作时，波浪能发电装置漂浮在海水表面，受波浪的影响，装置发生晃动，产生沿X轴方向的横荡、沿Y轴方向的纵荡、沿Z轴方向的垂荡、绕Z轴的艏摇、绕Y轴的横摇、绕X轴的纵摇六个方向的运动，一号能量捕获单元能够收集绕Y轴横摇、沿X轴横荡、沿Z轴垂荡产生的能量，二号能量捕获单元能够收集绕Z轴艏摇、沿X轴横荡、沿Y轴纵荡产生的能量，三号能量捕获单元能够收集绕X轴纵摇、沿Y轴纵荡、沿Z轴垂荡产生的能量；
[0020] 双作用液压缸在双向运动过程中均能够向液压马达输出单向的高压液压油，双向齿轮泵在双向运动过程中也均能够向液压马达输出单向的高压液压油。
[0021] 优选的，双作用液压缸的
活塞杆向右运动时，左腔吸油，液压油从油箱经过过滤器、三号单向阀进入双作用液压缸的左腔；右腔排油，液压油经过二号单向阀、蓄能器、液压压力表、液压马达、液压流量计回到油箱，液压油经过液压马达时，带动液压马达旋转，液压马达驱动发电机发电；
[0022] 双作用液压缸的
活塞杆向左运动时，右腔吸油，液压油从油箱经过过滤器、四号单向阀进入双作用液压缸的右腔；左腔排油，液压油经过一号单向阀、蓄能器、液压压力表、液压马达、液压流量计回到油箱，液压油经过液压马达时，带动液压马达旋转，液压马达驱动发电机发电；
[0023] 双向齿轮泵顺
时针转动时，左侧吸油，液压油从油箱经过过滤器、七号单向阀进入双向齿轮泵；右侧排油，液压油经过六号单向阀、蓄能器、液压压力表、液压马达、液压流量计回到油箱，液压油经过液压马达时，带动液压马达旋转，液压马达驱动发电机发电；
[0024] 双向齿轮泵逆时针转动时，右侧吸油，液压油从油箱经过过滤器、八号单向阀进入双向齿轮泵；左侧排油，液压油经过五号单向阀、蓄能器、液压压力表、液压马达、液压流量计回到油箱，液压油经过液压马达时，带动液压马达旋转，液压马达驱动发电机发电。
[0025] 一种上述封闭式全自由度波浪能发电装置的工作方法，当一号两位四通电磁阀处于左位时，双作用液压缸的活塞杆
位置锁定，无法捕获波浪能；当一号两位四通电磁阀处于右位时，双作用液压缸的活塞杆处于浮动状态，能够捕获波浪能；当二号两位四通电磁阀处于左位时，双向齿轮泵锁定，无法捕获波浪能；当二号两位四通电磁阀处于右位时，双向齿轮泵的输入轴可以转动，能够捕获波浪能。
[0026] 在实际波浪状况下，若本发明的波浪能发电装置的横摇运动幅度较大，横荡和垂荡运动幅度较小，则使一号两位四通电磁阀处于左位，使二号两位四通电磁阀处于右位，只捕获横摇运动产生的能量；若本发明的波浪能发电装置的横荡和垂荡运动幅度较大，横摇运动幅度较小，则使一号两位四通电磁阀处于右位，使二号两位四通电磁阀处于左位，只捕获横荡和垂荡运动产生的能量，这样，可以避免能量
密度较小的运动引起的发电机发电的不稳定。
[0027] 一号两位四通电磁阀与双作用液压缸之间以及二号两位四通电磁阀与双向齿轮泵之间通过液压管路固定连接即可，两位四通电磁阀的结构包括阀芯和
阀体两部分，阀体固定，阀体上有液压管路的
接口，可以与双作用液压缸或双向齿轮泵连接；阀芯在电磁力的作用下，可以在阀体内部移动，从而实现将电磁阀的左位接入液压系统或将电磁阀的右位接入液压系统。
[0028] 本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
[0029] 本发明的有益效果为：
[0030] 1)本发明采用封闭式结构，集成了六自由度捕能机构，既保证了设备具有较高的运行可靠性，又能够确保波浪能发电装置具有较高的能量捕获效率。
[0031] 2)本发明的
能量收集方式为全自由度能量收集方式，能够最大限度的提高波浪能捕获效率，弥补了封闭式波浪能捕获机构的运动幅值、能量捕获效率低的不足，并能够根据海况特点，优选
能量密度最高的运动自由度，提高电能输出的平稳性。
附图说明
[0032] 图1为本发明的封闭式全自由度波浪能发电装置的结构示意图；
[0033] 图2为本发明在空间直角坐标系中能量捕获单元运动方向示意图；
[0034] 图3为本发明的一号/二号/三号能量捕获单元的结构示意图；
[0035] 图4为本发明
实施例3的液压系统连接关系示意图；
[0036] 图5为本发明实施例4的液压系统连接关系示意图；
[0037] 图6为本发明实施例5的液压系统连接关系示意图；
[0038] 图中，1-上壳体，2-下壳体，3-一号能量捕获单元，4-液压马达，5-发电机，6-二号能量捕获单元，7-过滤器，8-油箱，9-液压阀组，10-三号能量捕获单元，11-液压管路，12-蓄能器，13-双作用液压缸，14-配重，15-旋转配油器，16-中心轴，17-行星轮升速箱，18-液压泵，19-基座，20-一号单向阀，21-二号单向阀，22-三号单向阀，23-四号单向阀，24-五号单向阀，25-七号单向阀，26-八号单向阀，27-六号单向阀，28-液压压力表，29-液压流量计，30-一号两位四通电磁阀，31-二号两位四通电磁阀，32-单作用液压缸。
具体实施方式：
[0039] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
[0040] 实施例1：
[0041] 一种封闭式全自由度波浪能发电装置，如图1～6所示，包括上壳体1和下壳体2，上壳体1和下壳体2固定连接形成密闭空间，将内部零件与海水隔离，密闭空间内在下壳体2上固定设置有液压系统、一号能量捕获单元3、二号能量捕获单元6和三号能量捕获单元10，一号能量捕获单元3、二号能量捕获单元6和三号能量捕获单元10与液压系统之间均通过液压管路11连接；
[0042] 一号能量捕获单元3、二号能量捕获单6元和三号能量捕获单元10结构相同，均包括双作用液压缸13、配重14和液压泵18，双作用液压缸13的中部与液压泵18的输入轴连接，液压泵18的输入轴与双作用液压缸13的液压杆始终垂直，配重14为两个，分别安装于该双作用液压缸13两个液压杆的端部；
[0043] 一号能量捕获单元3、二号能量捕获单元6和三号能量捕获单元10的安装方位不同，以下壳体2的中心为原点，以三号能量捕获单元的液压泵输入轴长度方向为X轴作空间直角坐标系，则一号能量捕获单元3的液压泵输入轴长度方向沿空间直角坐标系的Y轴设置，二号能量捕获单元6的液压泵输入轴长度方向沿空间直角坐标系的Z轴设置，一号能量捕获单元3能够实现OXZ平面内的第一移动和绕Y轴方向的第一转动两个自由度，二号能量捕获单元6能够实现OXY平面内的第二移动和绕Z轴方向的第二转动两个自由度，三号能量捕获单元10能够实现OYZ平面内的第三移动和绕X轴方向的第三转动两个自由度，以标准斜二测画法的空间直角坐标系中，能量捕获单元运动方向如图2所示。
[0044] 实施例2：
[0045] 一种封闭式全自由度波浪能发电装置，结构如实施例1所示，所不同的是，一号能量捕获单元3、二号能量捕获单元6和三号能量捕获单元10结构相同，如图3所示，还包括基座19、行星轮升速箱17、中心轴16和旋转配油器15，基座19固定于下壳体2上，行星轮升速箱17固定安装于基座19上，液压泵18与行星轮升速箱17固定安装，中心轴16与双作用液压缸
13的中部固定连接，中心轴16与行星轮升速箱17的输入轴连接，行星轮升速箱17的输出轴与液压泵18的输入轴连接，双作用液压缸13的转动，带动中心轴16、行星轮升速箱14的输入轴转动，从而驱动液压泵18的转动；旋转配油器15安装在中心轴16上；
[0046] 液压泵18为双向齿轮泵。
[0047] 旋转配油器为成熟产品，其作用为：在中心轴旋转的基础上可以正常为双作用液压缸供油。
[0048] 本发明的行星轮升速箱的作用是将输入轴较低的转速提升为输出轴较高的转速，由于中心轴的转速较低，采用行星轮升速箱扩大其转速，便于驱动液压泵转动。
[0049] 实施例3：
[0050] 一种封闭式全自由度波浪能发电装置，结构如实施例2所示，所不同的是，如图4所示，液压系统包括油箱8、液压流量计29、液压马达4、发电机5、过滤器7、蓄能器12、液压压力表28、一号能量捕获单元3的液压系统A、二号能量捕获单元6的液压系统B和三号能量捕获单元10的液压系统C，均固定安装于下壳体2上；
[0051] 液压系统A、液压系统B和液压系统C的结构及连接关系相同，均包括一号单向阀20、二号单向阀21、三号单向阀22、四号单向阀23、五号单向阀24、六号单向阀27、七号单向阀25和八号单向阀26，液压系统A中的一号至八号单向阀、液压系统B中的一号至八号单向阀，以及液压系统C中的一号至八号单向阀构成液压阀组9，固定于下壳体2上。
[0052] 油箱8经过滤器7分别与三号单向阀22、四号单向阀23、七号单向阀25和八号单向阀26连接，三号单向阀22分别与一号单向阀20和双作用液压缸13连接，四号单向阀23分别与二号单向阀21和双作用液压缸13连接，七号单向阀25分别与五号单向阀24和液压泵18连接，八号单向阀26分别与六号单向阀27和液压泵18连接，一号单向阀20、二号单向阀21、五号单向阀24、六号单向阀27连接后，经过蓄能器12、液压压力表28、液压马达4、液压流量计29与油箱8连接，液压马达4驱动发电机5发电，上述连接均通过液压管路连接。
[0053] 实施例4：
[0054] 一种封闭式全自由度波浪能发电装置，结构如实施例3所示，所不同的是，双作用液压缸13上连接有一号两位四通电磁阀30，用于控制双作用液压缸13，液压泵18上连接有二号两位四通电磁阀31，用于控制液压泵18。
[0055] 实施例5：
[0056] 一种封闭式全自由度波浪能发电装置，结构如实施例3所示，所不同的是，将双作用液压缸13替换为单作用液压缸32，能够减小能量捕获单元的体积，并能够增加能量捕获单元的偏心程度，提高波浪能发电装置对艏摇、横摇、纵摇三个运动方向能量的捕获效率。
[0057] 实施例6：
[0058] 一种实施例3的封闭式全自由度波浪能发电装置的工作方法，工作时，波浪能发电装置漂浮在海水表面，受波浪的影响，装置发生晃动，产生沿X轴方向的横荡、沿Y轴方向的纵荡、沿Z轴方向的垂荡、绕Z轴的艏摇、绕Y轴的横摇、绕X轴的纵摇六个方向的运动，一号能量捕获单元3能够收集绕Y轴横摇、沿X轴横荡、沿Z轴垂荡产生的能量，二号能量捕获单元6能够收集绕Z轴艏摇、沿X轴横荡、沿Y轴纵荡产生的能量，三号能量捕获单元10能够收集绕X轴纵摇、沿Y轴纵荡、沿Z轴垂荡产生的能量；
[0059] 双作用液压缸13在双向运动过程中均能够向液压马达输出单向的高压液压油，双向齿轮泵在双向运动过程中也均能够向液压马达输出单向的高压液压油；
[0060] 每个能量捕获单元的工作方法相同，均为：
[0061] 双作用液压缸13的活塞杆向右运动时，左腔吸油，液压油从油箱8经过过滤器7、三号单向阀22进入双作用液压缸13的左腔；右腔排油，液压油经过二号单向阀21、蓄能器12、液压压力表28、液压马达4、液压流量计29回到油箱8，液压油经过液压马达4时，带动液压马达4旋转，液压马达4驱动发电机5发电；
[0062] 双作用液压缸13的活塞杆向左运动时，右腔吸油，液压油从油箱8经过过滤器7、四号单向阀23进入双作用液压缸13的右腔；左腔排油，液压油经过一号单向阀20、蓄能器12、液压压力表28、液压马达4、液压流量计29回到油箱8，液压油经过液压马达4时，带动液压马达4旋转，液压马达4驱动发电机5发电；
[0063] 双向齿轮泵顺时针转动时，左侧吸油，液压油从油箱8经过过滤器7、七号单向阀25进入双向齿轮泵；右侧排油，液压油经过六号单向阀27、蓄能器12、液压压力表28、液压马达4、液压流量计29回到油箱8，液压油经过液压马达4时，带动液压马达4旋转，液压马达4驱动发电机5发电；
[0064] 双向齿轮泵逆时针转动时，右侧吸油，液压油从油箱8经过过滤器7、八号单向阀26进入双向齿轮泵；左侧排油，液压油经过五号单向阀24、蓄能12、液压压力表28、液压马达4、液压流量计29回到油箱8，液压油经过液压马达4时，带动液压马达4旋转，液压马达4驱动发电机5发电。
[0065] 实施例7：
[0066] 一种实施例4的封闭式全自由度波浪能发电装置的工作方法，当一号两位四通电磁阀30处于左位时，双作用液压缸13的活塞杆位置锁定，无法捕获波浪能；当一号两位四通电磁阀30处于右位时，双作用液压缸13的活塞杆处于浮动状态，能够捕获波浪能；当二号两位四通电磁阀31处于左位时，双向齿轮泵锁定，无法捕获波浪能；当二号两位四通电磁阀31处于右位时，双向齿轮泵的输入轴可以转动，能够捕获波浪能。
[0067] 在实际波浪状况下，若本发明的波浪能发电装置的横摇运动幅度较大，横荡和垂荡运动幅度较小，则使一号两位四通电磁阀30处于左位，使二号两位四通电磁阀31处于右位，只捕获横摇运动产生的能量；若本发明的波浪能发电装置的横荡和垂荡运动幅度较大，横摇运动幅度较小，则使一号两位四通电磁阀30处于右位，使二号两位四通电磁阀31处于左位，只捕获横荡和垂荡运动产生的能量，这样，可以避免能量密度较小的运动引起的发电机发电的不稳定。
[0068] 一号两位四通电磁阀30与双作用液压缸13之间以及二号两位四通电磁阀31与双向齿轮泵之间通过液压管路固定连接即可，两位四通电磁阀的结构包括阀芯和阀体两部分，阀体固定，阀体上有液压管路的接口，可以与双作用液压缸或双向齿轮泵连接；阀芯在电磁力的作用下，可以在阀体内部移动，从而实现将电磁阀的左位接入液压系统或将电磁阀的右位接入液压系统。
[0069] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
