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曲面绳轮波浪能转换与发电系统

阅读:19发布:2021-08-19

专利汇可以提供曲面绳轮波浪能转换与发电系统专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 波浪能 转换与发电系统,利用能跟随波浪弯曲起伏的易弯面(1),来接受波浪的推动,通过一端系在其上而另一端缠绕在 转轮 (12)上的绳(11)拉动转轮,实现将获得的无规律的波浪推 力 ,转换成旋转动力(波浪推力消失阶段,依靠 弹簧 或外加动力,带动转轮反转,将绳收回),然后再通过 棘轮 实现动力单向输出,通过液压系统实现 能量 汇集,通过发 电机 组实现发电,最后通过交配电系统实现将不规则的 电流 转换成可使用的电流,输出电力。本系统能够适应大多数 波形 的波浪,并能高效率的吸收波浪能,且抗 风 浪性强、造价低、具有可移动性。,下面是曲面绳轮波浪能转换与发电系统专利的具体信息内容。

1、一种波浪能转换与发电系统,由波浪能采集系统、传动系统、发电系统、作业 平台组成,其特征在于:其波浪能采集系统,是利用能跟随波浪弯曲起伏的易 弯面(1),通过拉动一端系在易弯面上而另一端缠绕在转轮(12)上的绳(11) 拉动转轮旋转,实现将无规律的波浪推转换成旋转动力,在波浪推力消失阶 段,依靠弹簧或外加动力,带动转轮反转,将绳收回;易弯面(1)是能跟随波 浪弯曲起伏的组件,有三种形式,第一种是直接由弹性材料做成;第二种是多 个板(4),呈二维阵列排列,并之间留出距离,板与板之间用板间弹性面(5) 填充;第三种是,多个板呈二维阵列依次排列,板与板之间留出距离,之间用 柔性褶皱面(7)填充,板与板用板间弹性绳(6)连接;易弯面通过绳系在插 在作业平台上的支柱(22)上。
2、根据权利要求1所述的波浪能转换与发电系统,其特征在于;其易弯面,下面 都要固接有隔板(2)。
3、根据权利要求1所述的波浪能转换与发电系统,其特征在于:转轮(12),上面 有螺旋形的凹槽,绳从转轮的一侧开始,缠绕在凹槽里,从转轮的中部引出, 弹簧,可有两种形式,一种是由蜗簧(14),蜗簧与转轮轴联,或通过传动机构; 另一种是由圆柱弹簧(17)、收绳轮(18)、一端系在圆柱弹簧上而另一端缠绕 在收绳轮上的绳组成,收绳轮与转轮轴联,或通过传动机构。
4、根据权利要求1所述的波浪能转换与发电系统,其特征在于,其传动系统由棘 轮机构(15)、和液压系统组成,液压系统动力端、执行端均采用柱塞形式; 转轮(12)通过棘轮机构传递给液压系统动力端动力,液压系统执行端采用多 缸并行、多曲柄曲轴机构(52)共同协作方式。
5、根据权利要求1所述的波浪能转换与发电系统,其特征在于,其发电系统由发 电机组(51)、交配电系统、输出电缆组成,交配电系统是把不规则的电流整理 成用电所需要的电流的系统,输出电缆,有两种形式,在不经常变动的区域, 采用海底布线形式,在经常变动的区域,采用悬吊形式,其由浮子(86)、悬吊 电缆(87)、锚(89)组成。
6、根据权利要求1所述的波浪能转换与发电系统,其特征在于:其作业平台主要 由使波浪前进中垂直深度逐渐变浅的迎浪坡(21)、支柱、在受力时位置仍相对 稳定的底座(32)、滑轨(31)(22)组成,底座可以是固接在陆基上的固定平 台,也可以是悬浮中的大面积的面片,该面片在上下前后的方向上的投影面 积很大,使得其在这两个方向上移动所受到的水的阻力很大;迎浪坡通过滑轨 与底座滑联,使迎浪坡相对底座可在前后方向上滑动;迎浪坡与底座之间的定 位、阻尼靠固接在迎浪坡上的高负载转轮(13)和一端系在高负载转轮而另一 端系在底座上的绳来实现。
7、根据权利要求1所述的波浪能转换与发电系统,其特征在于:对于单个作业平 台工作的,需要在两侧加侧板,当多个作业平台一起工作时,各作业平台的侧 面配有挂钩(82)或绳索,通过挂钩或绳索与相邻作业平台联结,从而紧密排 成一排;如果某作业平台的侧面没有其他作业平台,在该侧面需加侧板,各作 业平台之间有缓冲装置(83);在作业地点或方向需要改变时,排头或排尾上的 作业平台用拖船(81)拖动,类似于火车的运作方式,当确定作业地点后,用 锚(89)将整排作业平台固定。
8、根据权利要求1所述的波浪能转换与发电系统,其特征在于,配备了自动化 监控系统(图11),监控中心通过接收来自波浪能采集系统的受力传感器、拉 程传感器、作业平台深度/倾斜度传感器、结构受力传感器、液压系统压强传感 器、速度传感器、海况监测器发来的信号,以及人工指令,来控制作业平台倾 斜度调整装置、深度调整装置、传动系统变速装置、发电机的励磁调整装置、 易弯面升降装置的执行,以保证系统的高效稳定运行。
9、根据权利要求8所述的波浪能转换与发电系统,其特征在于,配备了作业平 台倾斜度、深度调整装置(图12),深度调整装置是由封闭容器(84)、泵(61)、 水管(63)、开停(62)、气管(64)、不倒浮标(65)组成,泵放置在封闭容 器内,水管一端接到泵的输出口,一端钻出容器外,水管上安有开停阀,气管 一端接入容器内,另一端接到在海面漂浮的不倒浮体上,并在不倒浮标的作用 下保持口一直朝下,平衡调整装置主要由平衡物(66)、滑杆(67)组成;当监 控系统发出指令时,平衡物便在受控动力下,前后移动,以调整倾斜度。
10、根据权利要求7所述的波浪能转换与发电系统,其特征在于:配备了易弯面 升降装置,是由易弯面升降索(23)、易弯面升降杆(24)、一端系在易弯面上 而另一端系在易弯面升降杆上的弹性拉绳(8)组成,在受控动力带动下,易弯 面升降索带动固定在其上的易弯面升降杆升降,进而通过弹性拉绳带动易弯面 升降。

说明书全文

技术领域

发明涉及一种波浪能转换发电系统。

背景技术

100多年来,世界各国科学家提出300多种设想,发明了各种各样的波浪能发电装置, (http://zjds.zhenjiang.gov.cn/dszj dswh whbl.asp?id=11)例如日本建造了1000千瓦的“海明” 号波浪发电站,1978年在海上实验成功,最大功率达375千瓦,“海明”号是一艘相当于2000 吨级货船大小的海浪式波作业平台。船长80米,宽12米,高15米,船舱部分分隔成22 个空气室,每个空气室长7.5米,宽1.2米,高0.5米。气室开口朝下对着,上部与二 瓣式发电系统相连。发电系统使用的是空气涡轮和厉磁式交流发电机。当波浪在空气室内上 下起伏运动时,便像活塞一样推动室内空气,产生压缩空气,驱动空气涡轮高速运转,直接 带动发电机发电。
在英国颇有点名气是“点头鸭”式波力发电装置,像一只浮在水面上的鸭子。它的“胸脯” 对着海浪传播的方向,随着海浪的波动,像不倒翁一样不停地来回摆动,利用摆动的能量, 带动工作推动发电机发电。
另外还有最近出现的“海蛇”(http://blog.sina.com.cn/u/47738376010001os),它是利用了 仿生技术,外形像一条大海蛇。每台发电机由4节直径为3.5米的圆柱形浮筒组成,每两个 金属节段之间用铰链连接起来。这条金属海蛇的嘴垂直于海浪的方向,这些圆筒会像海蛇的 身子一样随着波浪上下起伏,关节处的上下运动与侧向运动会推动圆筒内的液压活塞作往复 运动,把液压油从发动机中间压过去,驱动发电机发电。
更多最近技术可以参老(http://www.sciei.com/Article/Print.as
尽管目前的各种波浪能发电系统种类繁多,但其波浪能采集都不能根据波形的不同而变 形适应,使其适应不同波浪能力差、波浪能吸收效率很低,并且大部分系统抗浪性很差, 至今还没出现一个实用高效的波浪能发电系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种曲面绳轮波浪能转换与发电系统,它能够自动适应大部分波形 的波浪,提升波浪能吸收效率,而且,其抗风浪能力强。
本发明的技术方案(见图11):
利用能跟随波浪弯曲起伏的易弯面(1),来接受波浪的推动,通过一端系在其上而另一 端缠绕在转轮(12)上的绳(11)拉动转轮,实现将获得的无规律的波浪推力,转换成旋转 动力(波浪推力消失阶段,依靠弹簧或外加动力,带动转轮反转,将绳收回),然后再通过传 动机构进行能量的汇集和传输,最后通过发电系统输出电力。
工作详细流程如下:
(一)波浪能采集系统采集波浪能(易弯面通过绳拉动转轮,弹簧回收绳)
采用能跟随波浪弯曲起伏变形的易弯面(1),来接受波浪的推动,根据波浪理论,波浪 上的点实际上是在作圆周运动,所以依附在波浪上的易弯面(1)上的点也跟着在作圆周运动, 这样,该点与转轮相对距离就会发生周期变化。当该点与转轮的距离增大时,一端系在易弯 面上该点,而另一端缠绕在转轮(12)上的绳(11)就会产生拉力,拉动转轮旋转,从而实 现将波浪不规则的推力,转换成旋转动力,拉程(即拉绳的行程)等于圆周运动的直径,即 波浪波高,同时在此过程中,也收紧了收绳用的弹簧(蜗簧(14)或圆柱弹簧(17))。当该 点与转轮之间距离减小时,波浪推力消失,绳变松,绳的拉力消失,这时收绳用的弹簧(蜗 簧或圆柱弹簧)的弹性势能释放,带动转轮反方向旋转,将绳收回,波浪能采集,就是这样 不断重复着拉、收两个过程,将不规则的波浪推力,转换成旋转动力。
另外收绳也可采用外加动力方式,拉绳阶段,不提供外加动力。拉力消失阶段,外加动 力带动转轮反转,将绳收回。
易弯面(1)是能跟随波浪弯曲起伏的组件,有三种形式实现易弯性能,第一种是直接由 弹性材料做成;第二种是多个板,呈二维阵列排列,并间隔一定距离,板(4)与板之间用板 间弹性面(5)填充;第三种,是多个板呈二维阵列依次排列,并间隔一定距离,板与板之间 用柔性褶皱面(7)填充,板与板之间用板间弹性绳(6)连接提供弹力。易弯面下面附有隔 板(2),以能够加强对波浪的附着力,提高波浪的推力。易弯面应是尽量连续的一张面,没 有缝隙,在波浪冲击时,能不漏水,以防波浪能的流失,导致推力的减小。易弯面大大增加 了与波浪的接触面积,其容易弯曲性使之能跟随波浪弯曲起伏,能够自动适应各种波形,从 而高效率的吸收波浪能。另外还可以设一横轴(3)将同一横排(面向波浪扑来时的某一横 排)的数个板串起来,以能够获取整排板所受到的波浪推力。
转轮(12),上面有螺旋形的凹槽,以定位绳(11)。绳从转轮的一侧开始,缠绕在凹槽 里,从转轮的中部引出,这种绳与转轮的组合传动,非常灵活,绳在其工作平面内可以没有 固定的运动轨迹,绳可以以各种度拉动转轮,绳的系点与转轮的工作距离可大可小,拉、 收绳的行程也可大可小,从而能够适应易弯面(1)上绳的系点的不同半径大小、不同位置的 圆周运动,能够将不同波形的波浪推力转换成旋转动力。
尽管这种组合仅能吸收波浪在一个方向上的推力,但这可以通过增加绳、轮组合来弥补, 绳可以与易弯面成各种角度,呈10~30、150~170度角可以吸收波浪水平方向上的推力,呈 30~60、120~150度角,则可以吸收波浪45、135度左右方向上的推力,呈60~120度角, 则可以吸收波浪90度,即垂直方向上的推力。
收绳用的弹簧,可有两种形式,一种是由蜗簧(14)与转轮(12)轴联,或通过传动机 构。绳(11)拉动转轮时,蜗簧便被拉伸、蓄能,绳拉力撤去后,蜗簧弹性势能释放,带动 转轮反方向旋转,收绳;另一种是由圆柱弹簧(17)、收绳轮(18)、一端系在圆柱弹簧上而 另一端缠绕在收绳轮上的绳组成,收绳轮与转轮轴联,或通过传动机构传动,绳拉动转轮时, 带动收绳轮,从而将圆柱弹簧拉伸、蓄能,波浪推力消失阶段,绳变松,绳拉力撤去,圆柱 弹簧弹性势能释放,通过收绳轮带动转轮反方向旋转,收绳。
(二)传动系统汇集、传送动力(棘轮实现动力单向输出、液压系统实现能量汇集,见 图10)
因为在收绳(11)过程中,转轮(12)要反转,所以需要棘轮机构(15),以使其在转轮 反方向旋转过程中,能停止传动,保证对收绳不构成阻碍。在绳拉动转轮正向旋转时,动力 通过棘轮机构输出到液压系统动力端(41)(采用柱塞泵形式),转换成液压能,沿液压管路 系统传输,最后汇集到液压系统执行端(47)(采用柱塞泵形式),再转换成动力。因为液 压系统动力端小而繁多,且各自独立运行(步调不一致),所以液压油的总流速比较稳定。每 个液压系统执行端,都配有自控换向阀(46),用自控换向阀控制液压系统执行端与压力管 (42)、回油管(43)的接通、断开。液压系统执行端采用多(一般3个以上)缸、多曲柄曲 轴机构(52)协作形式,这样可以使得工作没有死点,且动力输出平稳,液压油流速相对平 稳。
(三)发电系统发电(发电机实现发电、交配电系统实现将不规则的电流转换成可使用 的电流)
发电机(51)将来自传动系统的动力转换成电流。因为波浪大小不同,输出的电流强度 也不一样,所以交由交配电系统(例如交直交变流器或整流器+电池+逆变器等整流设备) 将不规则的电流转换成所需要的电流。最后通过输出电缆将电力输入电网。输出电缆有两种 形式,在不经常变动的区域,采用海底布线形式。在经常变动的区域,采用悬吊形式:由浮 子(86)、悬吊电缆(87)、锚(89)组成,排成一列的浮子将电缆悬吊在水中,锚将其固定 在一定范围之内。这种方式可以避免海底的磨擦,
(四)作业平台提供稳定基础、安全保障(迎浪坡收集波浪能,支柱支撑易弯面、底座 稳定作业平台、滑轨缓冲冲击力,见图2)
作业平台上部,前后(面朝波浪扑来时的前后)设有支柱(22)。作业平台采用了使波浪 前进中垂直深度逐渐变浅的迎浪坡(21),以使波浪能集中到易弯面(1)所在的上面。
底座可以是固接在陆基上的固定平台,也可以是悬浮水中的大面积的面片(因为波浪随 深度增加,强度衰减很快,深处的水流动性很小,所以大面积的底座可以使得整个作业平台 保持稳定),该面片在上下前后(面朝波浪扑来时的上下,前后)方向上的投影面积很大,使 得其在这两个方向上移动所受到的水的阻力很大。迎浪坡通过滑轨与底座滑联,使其相对底 座可在前后方向上滑动(面朝波浪扑来时的前后)。迎浪坡与底座之间的定位、阻尼依靠固接 在迎浪坡上的高负载转轮(13)和一端系在高负载转轮而另一端系在底座上的绳来实现。这 样,迎浪坡受力在其允许范围时,因为负载很大,高负载转轮不会动,能够保持稳定,而在 迎浪坡受力超出一定范围后,高负载转轮能够转动,从而使迎浪坡能够在底座上(面朝波浪 扑来时的前后)前后滑动,得以缓冲,同时高负荷转轮的旋转还输出了能量。
对于单个作业平台工作,需要在两侧(面朝波浪扑来时的左右侧面)加侧板,当多个作 业平台一起工作时,各作业平台的侧面(面朝波浪扑来的侧面)配有挂钩(82)或绳索,通 过挂钩或绳索与相邻作业平台联结,从而排成一排。如果某作业平台的侧面没有其他作业平 台,在该侧面需加侧板,以防波浪能流失。各作业平台之间有缓冲装置(83),避免作业平台 间的撞击和挤压。在作业地点或方向需要改变时,排头或排尾上的作业平台用拖船(81)拖 动,类似于火车的运作方式,这样易于操作和管理。当确定作业地点后,用锚(89)将整排 作业平台固定。
(五)自动化监控系统对系统进行监控,调整系统到高效吸收转换波浪能和保证系统安 全稳定运行的最佳状态(图11)。
监控中心对系统进行监控,以保证系统稳定高效运行。监控中心通过接收来自波浪能采 集系统的受力、拉程传感器、作业平台深度/倾斜度传感器、结构受力传感器、液压系统压强 传感器、速度传感器、海况监测器发来的信号,以及人工指令,来控制作业平台倾斜度调整 装置、深度调整装置、传动系统变速装置、发电机的励磁调整装置、易弯面升降装置等的执 行,以保证系统的高效稳定运行。
当监控中心通过各路信号得知遇到小波浪时,会通过调整发电机励磁以及传动系统的变 速装置来调小负荷,以使系统更有效率的吸收波浪能;当监控中心通过各路信号得知遇到大、 中浪时,会通过调整发电机励磁以及传动系统的变速装置来调大负荷,以使系统更有效率的 吸收波浪能;当监控中心通过各路信号得知遇到巨浪、灾难性海浪时,会通过深度调整装置, 降低作业平台的深度。当监控中心得知作业平台倾斜时,会通过深度调整装置、倾斜度调整 装置来恢复平衡。当监控中心得知波浪波峰线与作业平台偏离太大时,将反馈给人工操作台, 提供参考调整方案。
深度调整装置(图12)由封闭容器(84)、泵(61)、水管(63)、开停阀(62)、气管(64)、 不倒浮标(65)组成。泵放置在封闭容器内,水管一端接到泵的输出口,一端钻出容器外, 水管上安有开停阀。气管一端接入容器内,另一端接到在海面漂浮的不倒浮标上并在不倒浮 标的作用下保持口一直朝下。当需要上浮时,发出信号并给泵动力,打开开停阀,让泵把容 器里的水抽出,同时,海面上的空气通过气管进入容器内补充。整个系统比重下降,由此得 以上浮。当需要下沉时,打开开停阀,外面的水在重力作用下顺水管进入容器内,并把容器 内的空气通过气管排到容器外。深度调整系统可以兼有左右倾斜度平衡作用。
前后方向上的倾斜度调整则靠倾斜度调整装置(图13,剖开显示部分)来完成,它由平 衡物(66)、滑杆(67)组成,通常将平衡调整装置安置在作业平台下部中央部位,以使重心 靠下,系统更稳定。当监控系统发出指令时,平衡物便在受控动力下,前后移动,以调整倾 斜度。
易弯面升降装置,是由易弯面升降索(23)、易弯面升降杆(24)、一端系在易弯面上而 另一端系在易弯面升降杆上的弹性拉绳(8)组成。在受控动力带动下,易弯面升降索带动固 定在其上的易弯面升降杆升降(类似升旗、降旗),从而实现易弯面升降。
本发明具有以下优点:
1、适应波形能力强、波浪能吸收、转换效率高:易弯面呈整个面,与波浪接触,提高 了波浪能的吸收面积。易弯面(1)连续、不漏水,这在很大程度上避免了波浪能的 流失。易弯面可以随波起伏,其易弯特性使它能够适应各种波形。绳(11)与转轮 (12)的组合,也非常灵活,适应各种波形,尽管这种组合仅能吸收波浪在一个方 向上的推力,但这可以通过增加绳、轮组合来弥补,绳可以与易弯面成各种角度, 呈10~30、150~170度角可以吸收波浪水平方向上的推力,呈30~60、120~150 度角,则可以吸收波浪45、135度左右方向上的推力,呈60~120度角,则可以吸 收波浪90度,即垂直方向上的推力。另外,设置的作业平台的迎浪坡,能将波浪能 向易弯面处集中,从而更能提高吸收效率。由于适应各种波浪,其作业时间也增长, 即使是在灾害性海浪发生时,系统沉入水下后,仍能继续工作(因为水面下不深处, 水也是在作圆周运动,也有波浪,只是强度小)。另外自动化监控系统能根据波浪强 度大小,调整发电系统的负载大小以及升降易弯面、深度、倾斜度调整装置,使得 系统适应波浪能力、吸收波浪能效率更上一层楼。
2、抗风浪能力非常强:由于易弯面本身具有弹性和延展性,而且绳的收放距离可以很 长(可以达到数十米),这就大大延长了波浪冲击过程中缓冲距离,减小了瞬时冲击 力,抗风浪能力由此得以增强(如果绳足够长的话,甚至可以应付波高 10多米的巨浪)。加之迎浪坡与底座是通过滑轨、高负荷转轮+绳装置相连,在遇到 巨浪时,也可以起到一定缓冲的作用。另外,自动化监控系统装备的深度调节装置 (84),可以在灾害性海浪发生时,将系统沉入水面以下。
3、可以离岸作业:底座可以悬浮于水中,这样就摆脱了对陆地的依赖。拖船可以拖着 一整排作业平台到处走,由此可以移动作业。本系统的悬吊电缆也为移动性提供了 基础条件。
4、操作性强、可靠性高:本系统采用了自动化监控系统,可以实时监控系统运行状况, 自动调节系统到最佳利用效能状态,根据海况,自动调节作业平台的深度、平衡, 以及可以升降易弯面,减少了人力,提高了系统的稳定性和灵敏性。
附图说明                              61—泵
图1:波浪能的吸取原理图               62—开停阀
图2:作业平台的侧视图                 63—水管
图3:作业平台的透视图                 64—气管
图4:板+弹性面型易弯面结构            65—不倒浮标
图5:板+柔性面+弹性绳型易弯面         66—平衡物
图6:易弯面的一段                     67—滑杆
图7:易弯面俯视图                     81—拖船
图8:蜗簧、转轮、棘轮、液压系统       82—挂钩
动力端关系示意图                      83—缓冲装置
图9:圆柱弹簧收绳结构图               84—封闭容器
图10:液压系统                        86—浮子
图11:波浪能转换及发电流程图          87—悬吊电缆
图12:深度调节装置                    89—锚
图13:平衡调节装置(剖开圈内)
图14:多作业平台布置图
图15:两种电缆布线
1—易弯面
2—隔板
3—横轴
4—板
5—板间弹性面
6—板间弹性绳
7—柔性褶皱面
8—弹性拉绳
11—绳
12—转轮
13—高负载转轮
14—蜗簧
15—棘轮机构
17—圆柱弹簧
18—收绳轮
21—迎浪坡
22—支柱
23—易弯面升降索
24—易弯面升降横杆
31—滑轨
32—底座
41—液压系统动力端
42—压力管
43—回油管
46—自控换向阀
47—液压系统执行端
51—发电机
52—多曲柄曲轴机构

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进—步的详细说明。
(一)易弯面(见图4、图5、图6、图7)的制造:
第一种易弯面,可选用弹性塑料材料,但成本比较高。
对于多板形式易弯面:
易弯面上单个板(4)的大小,可以根据装置所在地的平均波浪大小选择。一般可以 左右,厚度满足工作强度需求即可。板,要比水轻,但要保证具备一定强度, 可以用泡沫塑料加高强度塑料板。
隔板(2)长度和与其固接的单个板相同,垂直固接在板下,宽度在0.5米左右,用具备 一定强度的材料制作,例如高强度塑料,厚度满足工作强度需求即可。
横轴(3)的作用是连接同一排的数个板,传递各板所受到的波浪推力,抗弯强度要求较 高,可用管制作,长度6×3米,内径3厘米,外径4厘米。
对于第二种易弯面(1),板间弹性面(5)可用橡胶制作。
对于第三种易弯面(1),填充用的柔性褶皱面(7),可以用高强度的高分子材料制作, 板间弹性绳(6)可以用具有防腐蚀能力的弹簧或橡皮筋制作。
值得补充的是,根据波浪理论,波浪前进中,深度小于半个波长时,波速会变慢,波长 会变短,因为迎浪坡(21)引起的波浪传播深度变浅,加上波浪能的不断被吸收,波浪衰减, 波长、波高逐渐变小,所以靠后(面朝海浪扑来时的前后)的板、隔板都要比靠前的窄一些, 窄的板、隔板更有利于对小波浪的吸收。
(二)绳(11)转轮(12)装置的制造与布置(见图8、图9)
绳应是高强度、耐腐蚀、耐磨、柔韧性好的,如尼龙等,也可采用外面有保护套的钢丝 绳。绳的系点,一般是在横轴(3)的两端上,也可以直接系在板的两端上。但没有必要为每 个板上都系绳,具体系多少,每隔多少排系,视当地波浪平均杂乱度、强度而定。
转轮(12),做成圆柱形,柱面上面有螺旋凹槽,供绳定位用,绳的缠绕是从转轮的一侧 开始,在中部引出,转轮半径为0.1米左右,螺旋槽的圈数为20~50圈左右。转轮要具有防 腐蚀能力,可以用外表涂有光滑涂料的钢筋混凝土制作。
转轮相对于易弯面的安装位置是这样的:转轮应该固定在易弯面下方的迎浪坡上,因为 这样可以将系统重心压低,增强稳定性。而且转轮、绳在易弯面上的系点的横向位置也应彼 此错开,以避免绳与绳之间互相干扰。
收绳可以采用蜗簧(14)或圆柱弹簧(17)两种装置(如图8、图9)。蜗簧装置,是由 蜗簧与转轮轴联,绳拉动转轮时,蜗簧便被拉伸、蓄能,绳拉力撤去后,蜗簧弹性势能释放, 带动转轮反方向旋转,收绳;
另一种是圆柱弹簧(17)装置,由圆柱弹簧、收绳轮(18)、一端系在圆柱弹簧上而另一 端缠绕在收绳轮上的绳组成,收绳轮与转轮轴联,并比转轮半径小,绳拉动转轮时,圆柱弹 簧便被拉伸、蓄能,绳拉力撤去后,圆柱弹簧弹性势能释放,带动转轮反方向旋转,收绳。
这与与刚卷尺的自动回收和吸尘器回收电源线很相似。
另外收绳也可采用外加动力方式,拉绳阶段,不提供外加动力。拉力消失阶段,外加动 力带动转轮反转,将绳收回。
制造的收绳弹簧装置,其工作曲线特性线应比较平缓,即拉力大小变化幅度不大,拉力 值不宜过大,能回收绳即可,但其反应速度应很快,不应出现迟滞现象。
另外收绳装置是与海水隔离的,安置在迎浪坡容器内。收绳装置与转轮(12)之间的轴 上应加有防水密封圈,以防渗水腐蚀收绳轮、弹簧等构件。
(三)棘轮机构、液压系统的制造(见图8、图9、图10)
棘轮机构(15)以及整个液压系统都应是与水隔离的,安置在迎浪坡容器内。
棘轮机构与转轮(12)之间的轴,应加有防水密封圈。
液压系统的动力端(41)(柱塞泵式),应比执行端(47)(柱塞泵式)小很多。
液压管路系统的靠近动力端部分,管路细而分支多,可以使用钢丝加强尼龙胶管制作, 既可以防腐蚀,又可以灵活调整位置。而靠近执行端的部分,管路要粗。液压系统不局限在 一个作业平台内,它还可以根据情况,实现不同作业平台间的液压能传输。液压能传输,应 本着高压、低速、稳速的原则,这样可以减少摩擦损耗、避免脉冲波动。
每个液压系统执行端,都配有自控换向阀(46),用自控换向阀控制液压系统执行端与压 力管(42)、回油管(43)的接通、断开。液压系统执行端,应采用多(至少3个)缸、多曲 柄曲轴(52)协作方式,而且各曲柄应该是均匀间隔角度取向的。例如,3个缸、3个曲柄的 曲轴,相邻曲柄夹角均为360/3=120度。这样可以保证没有死点,而且动力输出平稳,对液 压系统来说,液压油流速也相对平稳了许多。
(四)发电系统(发电机的选用、交配电系统的配置)
发电机的选用应根据液压系统输出的动力大小而定,发电机放置在迎浪坡容器内,也可 放置在单独的船上。
交配电系统采用整流器+蓄电池+逆变器模式,或者是交直交变流器。前一种模式,宜采 用电力直接输出+蓄电池补正方式,可以节省蓄电池成本。
输出电缆(图15),用海底布线方式和悬吊方式两种,利用浮子(86)将悬吊电缆(87) 悬吊在水中,浮子间的距离可以是50~100米,悬吊深度5米~10米左右,部分区域为了允 许船只通过,可以是50米。而锚(89)则在间隔很长距离(例如500米)或电缆需要转弯处 布置。因为悬吊这种方式,影响水面交通以及潜艇的航行,且不稳定,所以只用于经常变动 的区域或海底布线有困难的区域。
(五)作业平台的制造(迎浪坡、支柱、滑轨、底座,见图2、图3)
迎浪坡(21),做成上下高10米,前后宽20米,壁厚10厘米左右的直角三棱柱形容器。 容器内放置传动系统、发电系统。坡面上安装转轮(12)、收绳弹簧装置、棘轮机构(15)等。 迎浪坡容器(包括里面的设备)整体比重应该与水接近。因为迎浪坡要承受很大的冲击力和 拉力,所以要用高强度的钢筋混凝土板或高分子材料制造。
作业平台的前后,布置两排支柱(22),每排两个以上,且分布均匀(图13,则为4个), 前排支柱高16米,后排支柱高6米,可以用做过防腐处理的钢管制造。
底座(32)则做成侧面投影酷似“几”形的面片形状,上下高10米,顶部与迎浪坡同宽, 20米,底部跨宽32米。底座的整体比重与水接近,材料可选用皮混凝土板(所谓铁皮混 凝土,就是是混凝土板与钢铁皮层+钢丝框架组成),或用高分子材料或其复合物制造。
滑轨(31)最好用磁轨实现,考虑到成本,可以直接在迎浪坡或底座上安装轮子,而另 一方安装限制轮子滑动的轨道即可。
布置在滑轨上的绳+高负荷转轮(13)的阻尼装置,负载很大。在波浪小的时候,它应该 保持不动或很小的距离,以保持迎浪坡的稳定,因为它主要是为吸收特大波浪能准备的。该 处的绳,强度也很高。也可以通过多个绳、转轮组合代替。
另外作业平台的两侧应有挂钩(82)或绳索,以为了在多作业平台协同工作时,可以与 相邻作业平台绑定,另外还要有缓冲装置(83),以免应力过于集中,损坏作业平台。作业平 台应该是紧密相连,以防波浪能流失。对于准备用在队首或队尾的作业平台,其侧面还要加 侧板,另外需要准备拖船,以备拖动整排作业平台之用。
(六)自动化监控系统的配置、操作(传感部分、监控中心、执行机构,见图11)
迎浪坡结构受力传感器、深度/倾斜度传感器、液压压强传感器、水推力、绳拉力、拉程 传感器、海况检测传感器等,都可以选用目前现有的各种传感检测元件。监控中心可由单片 机、可编程控制器以及计算机系统等组成,一般不需要每个作业平台单独配置一个监控中心, 而是多个甚至全部作业平台共用一个监控中心。
用于传递动力和信号的线路,均采用电线方式。液压系统的变速、易弯面升降、作业平 台深度(84)、倾斜度调整等装置等执行机构,均采用电机驱动,以保证准确形、灵敏性。
当监控中心通过各路信号得知遇到小波浪时,通过调整发电机励磁以及传动系统的变速 装置来调小负荷,以使系统更有效率的吸收波浪能;当监控中心通过各路信号得知遇到大、 中浪时,通过调整发电机励磁以及传动系统的变速装置来调大负荷,以使系统更有效率的吸 收波浪能;当监控中心通过各路信号得知遇到巨浪时,会通过深度调整装置(84),降低作业 平台的深度。当监控中心得知作业平台倾斜时,通过深度调整装置、倾斜度调整装置来恢复 平衡。当监控中心得知波浪波峰线与作业平台偏离太大时,将反馈给人工操作台,并给出参 考方案。
深度调整系统(84)由封闭容器、泵(61)、水管(63)、开停阀(62)、气管(64)、不 倒浮标(65)组成。泵放置在封闭容器内,水管一端接到泵的输出口,一端钻出容器外,水 管上安有开停阀。气管一端接入容器内,另一端接到在海面漂浮的不倒浮体上并在不倒浮标 的作用下保持口一直朝下。当需要上浮时,发出信号并给泵动力,打开开停阀,让泵把容器 里的水抽出。同时,海面上的空气通过气管进入容器内补充。整个系统比重下降,由此得以 上浮。当需要下沉时,打开开停阀,外面的水在重力作用下顺水管进入容器内,并把容器内 的空气通过气管排到容器外。深度调整系统可以兼有左右倾斜度调整作用。封闭容器可放在 迎浪坡下部或两侧。
前后方向上的倾斜度调整则靠单独的倾斜度调整装置来完成,它主要由平衡物(66)、滑 杆(67)组成,平衡调整装置安置在作业平台下部中央部位,以使重心靠下,系统更稳定。
易弯面升降装置,是由易弯面升降索(23)、易弯面升降杆(24)、一端系在易弯面上而 另一端系在易弯面升降杆上的弹性拉(8)绳以组成。在受控动力带动下,易弯面升降索带动 固定在其上的易弯面升降杆(类似升旗、降旗),从而实现易弯面升降。易弯面升降索可用尼 龙绳链制作,易弯面升降杆则用钢管制作。
下面是对吸收、转换功率的估算:
对于某海域年均浪高2米、波长在50米、周期8s的波浪左右,系统的尺寸参数设定如 下:
作业平台的宽度为20米左右,迎浪坡高10米,四个支柱顶端高6米左右。底座10米, 向前后两侧张开30度角。易弯面上的隔板宽度在0.5米左右。易弯面高出柱底1米。
根据波浪理论,波浪水质点运动速度与随深度呈级数递减:
V=V0e-2πz/λ
(λ为波浪波长,z为水深,V0为水面水质点速度,V为z水深处水质点深度。)
而因为迎浪坡的高度是10米,该波浪的波长是50米,那么迎浪坡底的水深就是0.2波 长,也就是说,迎浪坡将集中0.2波长深度以上的波浪能。根据公式
η = E z E = 1 - e - 4 πz / λ
(z为水深,η为z水深以上的波浪能所所占比例,λ为波浪波长。)
得出η=91.89%
而势能则集中在水面上,所以能够集中的波浪能占总能量的95%左右。
根据波浪能公式,
P=0.5 TH2
(P为功率,T为波浪周期,H为波高)
单位宽度上的波浪能与周期成正比,与波高平方成正比,则一米的宽度上的波浪能总和 为0.5×8×2×2=16千瓦,集中的波浪能为16×0.95=15.2千瓦。
各作业平台紧密相连,而且绳+转轮(12)配置合理充分的话,在经过该系统后,大部分 波浪能将被吸收,设吸收效率90%,传动机构效率为85%,发电机转换效率95%,交配电 系统的效率为95%,则最后得到的功率为
15.2×90%×85%×95%×95%=10.49千瓦
总效率为10.49/16=65.58%
可见效率是很高的。
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