一种海洋波浪能和太阳能集成发电装置及其工作方法与应
用
技术领域
[0001] 本
发明涉及
一种海洋波浪能和太阳能集成发电装置及其工作方法与应用，属于波浪发电和太阳能发电技术领域。
背景技术
[0002]
能源危机和
温室效应引起的环境恶化一直是新能源开发的动
力。虽然波浪能相比于
风能、太阳能的开发要落后将近十年的时间，但是从
能量密度上来看，波浪能是
风能的3—40倍，如果能有效的开发波浪能，其所带来的经济效益要远远高于风能和太阳能。
[0003] 目前，波浪能发电装置有很多类型。根据吸收方式的不同，可分为点吸收装置，终结型装置和减缓型装置。根据能量传递方式不同，可分为机械式、液压式、空气式、电磁式和压电式。其中液压式发电因为其结构运行的
稳定性而被广泛应用，但是由于其联动结构复杂，其制造维护
费用都较高，不利于大范围推广和使用。
[0004] 其中，中国
专利CN202989884U公开一种装在沉箱直立式
防波堤的发电装置，包括防波堤及设于防波堤内的第一发
电机，防波堤内设有流
水通道，其特征在于：防波堤的迎水面上方转动连接有能上下摆动的第一挡水板，第一挡水板的下方连接有第一推动杆，第一推动杆向下斜插入防波堤内并能斜向移动，第一推动杆的下端与第一电机的
转子传动连接，第一推动杆上套设有作用于第一挡水板使第一挡水板向上转动复位的
弹簧。在波峰到来，海浪拍打第一挡水板时，第一挡水板受力逆
时针旋转，第一推动杆推动防波堤中的发电机发电，波浪退回后第一挡水板在弹簧作用下复位，等待下一个波浪来袭，第一挡水板对波浪起到阻尼作用。该专利采用的是
飞轮驱动的方式进行发电，海浪对第一
挡板和第二挡板进行冲击，进而第一推动杆和第二推动杆的单向运动，后续所述挡板通过重力进行复位，进而实现第一推动杆和第二推动杆的往复运动，实现发电。虽然该专利应用到挡板，但是其挡板的驱动是依靠海浪和重力的双重作用进行的，如果机械部件发生磨损时，其重力复位将不再发生作用；而且，所述推动杆直接与飞轮
齿轮连接，齿轮发生故障的概率远远大于液压设备，因此其维护成本也大大提高。
[0005] 国内作者肖文平于2011年9月发表的博士学位论文《摆式波浪发电系统建模与功率控制关键技术研究》，其中，该文献中记载的PENDULUM系统安装在海岸线上，主体由一个一端面对大海开放，另一端封装的
混凝土箱体组成，挡板的背面是一个半封闭的
海水容纳腔。
[0006] 经分析，该文献中所记载的PENDULUM系统具有以下缺点或不足：
[0007] 1)该文献中记载PENDULUM系统最大的缺点是，不利于连续浪涌的驱动发电。当一次浪涌的海水进入半封闭的海水容纳腔时，如果海水未能及时排出便迎接下一次浪涌，那么半封闭海水容纳腔中的水压会与波浪力相抵消，大大影响驱动挡板的效果，发电效率也会大大降低。同时，由于潮退海水和潮来海水的冲撞，很容易在海水通道内产生撞击浪花，甚至会直接撞击挡水板，从而使整个波浪能收集系统的稳定性和使用寿命降低。而本发明所述的发电装置采用联通的凹形底座作为水流通道，波浪涌进所述凹形底座的水流通道内，驱动所述挡板沿海浪涌动方向运动；当海洋波浪退回至大海时，所述的波浪沿所述凹形底座的水流通道，驱动所述挡板沿海浪退回方向运动，这样使得潮来和潮退都驱动挡水板做功，从而极大的提高了发电的效率。同时，联通的水流通道能使一个浪涌的水顺利的通过而不集中于通道内，即有效的避免了滞留海水对波浪力的抵销，增强了系统的稳定性和延长了使用寿命，也有效的提高了发电的效率。
[0008] 2)所述PENDULUM系统由挡板带动
液压缸活塞运动，从而产生液压能。但由其结构原理图可以看出，在挡板摆动过程中，其液压缸和液压活塞也在随挡板的摆动而与底座产生相对运动，即液压缸整体轴线会绕着液压缸与底座的连接处发生转动，才能保证运动的可行性。但这样产生的后果是，液压缸缸体和液压缸活塞轴线时刻处于相对变化当中，不能保证较高
精度的
同轴度，在获得轴向力的同时，也会产生较大的径向力，从而增大
摩擦力，降低发电效率。同时，由于挡板带动液压缸缸体和液压缸活塞活动，会使两者相对运动中产生冲击和摩擦，极大的加剧了液压缸和液压缸活塞的磨损，降低了液压系统的使用寿命。而本发明所述的发电装置采用导槽和虎克铰，实现将挡板的钟摆往复动作转换为液压缸活塞的同一水平轴向往复运动。从而有效的保证了液压缸缸体和液压缸
活塞杆之间的同轴度，减小了活塞杆和缸体之间的摩擦损耗，极大限度的避免了径向力的产生。这样，即有效的减少摩擦损耗，提高系统发电的效率，又能减少活塞杆和液压缸缸体之间的磨损，有效提高液压系统的使用寿命。
[0009] 3)所述PENDULUM系统挡板和活塞杆的连接部分，采用的是板状连接，即伸出一段挡板与活塞杆连接，从而带动活塞杆的运动。但这种结构有很大的弊端，主要是两个方面：第一，挡板的面积较大，在挡板摆动的过程中，会因为波浪的作用而受力，从而产生阻碍挡板摆动的作用力，降低发电的效率。第二，伸出部分会增加挡板的体积和重量，从而增加系统的成本。而本发明所述的发电装置采用
连杆来连接挡板和活塞杆，这样即有效的减小了挡板的运动阻力，提高发电效率，又减小了挡板的
质量和体积，降低了系统的成本。
[0010] 4)所述PENDULUM系统液压缸缸体同底座的连接方式，由结构原理图中我们可以看出，连接方式为铰接，即液压缸缸体可以绕连接点做整体的转动。但这样的设计存在弊端，主要有两个方面：第一，使用铰接的连接方式，在受到冲击和震动是很容易发生断裂失效，从而影响整个系统的使用寿命。第二，采用铰接的连接方式，必须将活塞缸缸体连接在底座上方厚壁处或者厚壁两侧，从而使连接活塞杆缸体的数量受到限制。众所周知，海洋波浪蕴含的能量是巨大的，可以同时带动多个液压缸工作，此系统不能实现多个液压缸的共同工作。而本发明所述的发电装置的液压缸缸体和底座采用的连接方式是一种创新性的方式，首先将液压缸缸体设计成一个异形连接座，同时在底座上安装相应的平面安装座。通过
螺栓连接来固定异形连接座和平面安装座，从而将液压缸安装在底座上。这样设计的优点有两个：第一，采用大平面
接触和螺栓连接，可以使活塞缸缸体和底座的连接更加的牢固，从而抵抗冲击和震动的能力更强，系统的稳定性更好；第二，采用异形连接座和平面安装座进行连接，可以不依赖厚壁，在保证平面安装座强度的情况下，可以安装多个液压缸系统，从而极大的提高发电的效率。
发明内容
[0011] 针对
现有技术的不足，本发明提供了一种海洋波浪能和太阳能集成发电装置。
[0012] 本发明还提供了上述海洋波浪能和太阳能集成发电装置的工作方法。
[0013] 本发明还提供了上述海洋波浪能和太阳能集成发电装置的应用。
[0014] 本发明的技术方案如下：
[0015] 一种海洋波浪能和太阳能集成发电装置，包括用于固定在海岸线上的凹形底座、在凹形底座上安装有
太阳能电池采集部，所述凹形底座下部贯通设置有水流通道，在所述水流通道内设置有受海浪驱动的挡板，在所述凹形底座上设置有沿海浪流动方向驱动的液压杆和液压缸，所述挡板的中部固定设置有旋
转轴，所述挡板通过
旋转轴设置在所述水流通道内，所述挡板的下部受海浪驱动往复钟摆运动，以所述旋转轴
支点使所述挡板的上部驱动液压杆和液压缸进行往复运动发电。
[0016] 根据本发明优选的，在所述的挡板的上部设置有连杆，所述液压杆的一端通过虎克铰连接设置有导槽，所述的连杆轴向设置在导槽内。该技术的优势在于，所述的连杆受挡板的联动作用实现钟摆往复运动，本发明利用导槽和虎克铰，实现将连杆的钟摆往复动作转换为同一水平轴向往复运动。
[0017] 根据本发明优选的，在所述的挡板的上部设置有连杆的数量为2个。
[0018] 根据本发明优选的，所述液压缸底部设置有异形安装座，所述液压缸通过异形安装座与所述凹形底座固定安装连接，所述异形安装座包括倾斜架体、与所述倾斜架体底部连接的平面座板，在所述平面座板上贯通设置有螺栓孔。
[0019] 根据本发明优选的，所述倾斜架体与平面座板之间的夹
角为30-45°。此处设计的优点在于，采用异形安装座对液压缸进行固定，不但节省了连接座的用料，而且采用30-45°范围的安装夹角，大大降低了海浪对液压缸的冲击力度，使液压缸具有较强的耐冲击强度，在单位安装面积上可根据需要增加安装液压缸的数量，以提高发电效率。与现有技术“PENDULUM系统”相比，本发明无需再依托较大的厚壁对液压缸进行安装固定。
[0020] 根据本发明优选的，所述太阳能电池采集部包括伸缩
支撑架和在所述伸缩支撑架顶部固定设置的
太阳能电池板。此处设计的优点在于，所述伸缩支撑架用于调整太阳能电池板的采集方位，根据光照的方向，利用伸缩支撑架对太阳能电池板进行方位调整，使其实时或对太阳能实现最大采光效率。
[0021] 根据本发明优选的，所述伸缩支撑架包括多根液压伸缩杆。
[0022] 根据本发明优选的，所述伸缩支撑架包括4根液压伸缩杆，所述4根液压伸缩杆分别通过球副与所述太阳能电池板的四个角相连。此处设计的优点在于，利用4根液压伸缩杆按照太阳升落角度、季节太阳南北移动，调整太阳能电池板与太阳方向一致，确保太阳能电池板最大采集面积的对太阳光进行采集。
[0023] 根据本发明优选的，所述的太阳能电池采集部还包括中控部分，所述太阳能电池板电输出端和液压缸发电输出端分别并联对中控部分进行供电，所述中控部分包括GPS模
块、太阳光照角度计算模块和驱动模块，所述的GPS模块实时接收卫星发出的时间信息、太阳能电池板所安装的地理
位置信息和海水相对发电装置的水位信息；在所述太阳光照角度计算模块内装载有太阳方位信息库，该信息库包括地球上所有位置经纬度、以及所有经纬度对应的一年四季的、一天24小时太阳的照射角度，所述太阳光照角度计算模块根据接收到的时间信息和地理位置信息在所述信息库中对应查询到对应的太阳的照射角度，通过该太阳照射角度计算所述太阳能电池板4根液压伸缩杆的伸缩长度，将太阳能电池板与所述太阳照射方向垂直。
[0024] 根据本发明优选的，所述GPS模块为Trimble GPS模块，工作
电压为4.2-5.5V，尺寸为45mm×40mm，环境要求为：运行
温度为-40℃—80℃，存储温度为-55℃—105℃。该GPS模块接收卫星发出的时间信息和太阳能电池板所安装的地理位置信息，并将采集到的时间信息和位置信息转化为可被
单片机识别的输入
信号，通过
接口电路输入到太阳光照角度计算模块对应的单片机中。
[0025] 根据本发明优选的，所述太阳光照角度计算模块包括89C51单片机。本发明采用现有技术将89C51单片机、晶振电路和复位电路相连，实现具有上电复位和手动复位的功能；使用单片机片内程序
存储器；具有基本的
人机交互接口；具有一定的可扩展性，可与其他电路方便相连。其功能实现原理是，将GPS模块转化的
输入信号采集进单片机，通过信号条件对内部存储的太阳方位信息库进行筛选，并根据接收到的时间信息和地理位置信息在所述信息库中对应查询到对应的太阳的照射角度，输出动作信号，通过电路接口输入到驱动模块，最后由驱动模块控制所述4根液压伸缩杆的伸缩，进而将太阳能电池板调整为与太阳光照射方向垂直。
[0026] 所述驱动模块采用L289集成电路。本发明所采用的L289集成电路是一种驱动电压可达46V、直流
电流总和可达4A、直接采用TTL逻辑电平控制的专用功率集成电路。可以控制电机以不同的转速转动。其功能实现原理是：单片机输出的动作信号输入到L289集成电路的输入接口中，L289集成电路根据输入信号来控制相应的电机转动，带动压伸缩杆的
液压泵转动，液压油经液压元件和液压回路的作用到达相应的调节压伸缩杆的作用，从而控制四个压伸缩杆同时协作，进而按照光照要求调节太阳能电池板的采光
姿态。
[0027] 上述海洋波浪能和太阳能集成发电装置的工作方法，包括步骤如下：
[0028] 1)选址：
选定需要海浪发电的海岸线；
[0029] 2)固定安装：将所述凹形底座固定设置在所述海岸线上；
[0030] 3)调整太阳能电池采集部：通过调整4根液压伸缩杆，调整所述太阳能电池板与太阳照射方向垂直；
[0031] 4)当海洋波浪涌向海岸线时，所述的波浪涌进所述凹形底座的水流通道内，驱动所述挡板沿海浪涌动方向运动；当海洋波浪退回至大海时，所述的波浪沿所述凹形底座的水流通道，驱动所述挡板沿海浪退回方向运动；
[0032] 5)在所述水流通道内设置有受海浪驱动的挡板，在所述凹形底座上设置有沿海浪流动方向驱动的液压杆和液压缸，所述挡板的中部固定设置有旋转轴，所述挡板通过旋转轴设置在所述水流通道内，所述挡板的下部受海浪驱动往复钟摆运动，以所述旋转轴支点使所述挡板的上部驱动液压杆和液压缸进行往复运动发电。本发明将海洋波浪能转换为液压能，进而将液压能转换为
电能，其中将液压能转换为电能的技术为现有技术，即将具有较高压力的液压油输入到
蓄能器中，经单向
阀和溢流阀的作用，将稳定的液压油输入到
液压马达中，带动液压马达转动，液压马达通过
联轴器来带动发电机转动发电，从而实现将液压能转化为电能。
[0033] 根据本发明优选的，海洋波浪能和太阳能集成发电装置的工作方法中还包括涨潮自动保护方法：
[0034] 所述GPS模块实时采集海水水位信息，并将所述海水水位信息转
化成电信号输入给所述单片机中，所述单片机将所述海水水位信息与所述发电装置的高度进行比较：
[0035] 当所述海水水位信息大于所述发电装置的高度时，单片机控制所述发电机进入自动保护程序：
[0036] 所述单片机向驱动模块输出自动保护信号，控制液压伸缩杆收缩至最低位置，进而将太阳能电池板的姿态调整为水平状态，以减小海浪对电池板的冲击。
[0037] 上述海洋波浪能和太阳能集成发电装置的应用，包括：
[0038] 将所述海洋波浪能和太阳能集成发电装置通过凹形底座固定设置在所述海岸线上，利用海浪涌岸、海浪回流对发电装置中的挡板进行钟摆形驱动，进而驱动液压缸往复运动发电，所述太阳能电池采集部利用太阳能电池板将太阳能转换为电能。
[0039] 本发明的优势：
[0040] 创新点1：本发明通过采用液压缸系统和太阳能电池板相结合的布局，在液压缸较高效率转化波浪能的同时，太阳能电池板还能有效的转化太阳能为电能，从而提高发电的效率。
[0041] 创新点2：本发明采用导杆式机械装置将波浪能转化为液压能。挡水板和连杆通过
轴承的作用后形成杠杆原理，从而有效的增加了输出给活塞杆的压力或者拉力。活塞杆和连杆间通过导槽连接，导槽和连杆间存在移动副，导槽和活塞杆间存在转动副，从而使能量传递过程更加灵活，同时既提高了能量转换的效率，又能使活塞杆与液压缸始终保持同轴线，有效的降低液压缸的磨损，延长使用寿命。
[0042] 创新点3：本发明采用P-S分支来控制太阳能电池板的形态。太阳能电池板的四个支撑柱均为P-S分支结构，即上部采用球副和电池板连接，下部采用移动副和底座连接，通过四个支撑柱P-S分支的不同调节状态，我们可以根据太阳在不同时刻的位置和光照强度来调整太阳能电池板的姿态，从而提高发电效率。
[0043] 创新点4：本发明还能设置在海岸线，并智能识别海水涨潮时自动将太阳能电池板收缩至最低位，以缓冲海浪对太阳能电池板的冲击，大大降低了人工维护成本。
[0044] 创新点5：本发明采用异形安装座对液压缸进行固定，不但节省了连接座的用料，而且采用30-45°范围的安装夹角，大大降低了海浪对液压缸的冲击力度，使液压缸具有较强的耐冲击强度，在单位安装面积上可根据需要增加安装液压缸的数量，以提高发电效率。与现有技术“PENDULUM系统”相比，本发明无需再依托较大的厚壁对液压缸进行安装固定。
附图说明
[0045] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0046] 图2是图1的侧面结构示意图；
[0047] 图3是本发明中液压杆和液压缸的结构示意图；
[0048] 图4是本发明中所述太阳能电池采集部中的伸缩支撑架的结构示意图；
[0049] 图5是本发明中挡板的结构示意图；
[0050] 图6是图5的俯视图；
[0051] 在图1-6中，1、凹形底座；2、太阳能电池采集部；3、水流通道；4、挡板；5、液压杆；6、液压缸；7、旋转轴；8、连杆；9、虎克铰；10、导槽；11、伸缩支撑架；12、太阳能电池板；13、液压伸缩杆；14、液压缸的
活塞衬套；15、液压缸的第一油嘴；16、液压缸的第二油嘴；17、液压缸的
密封圈；18、液压缸座；19、球副；20、倾斜架体；21、平面座板。
具体实施方式
[0052] 下面结合
实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。
[0053] 如图1-6所示。
[0054] 实施例1、
[0055] 一种海洋波浪能和太阳能集成发电装置，包括用于固定在海岸线上的凹形底座1、在凹形底座1上安装有太阳能电池采集部12，所述凹形底座1下部贯通设置有水流通道3，在所述水流通道3内设置有受海浪驱动的挡板4，在所述凹形底座1上设置有沿海浪流动方向驱动的液压杆5和液压缸6，所述挡板4的中部固定设置有旋转轴7，所述挡板4通过旋转轴7设置在所述水流通道3内，所述挡板4的下部受海浪驱动往复钟摆运动，以所述旋转轴7支点使所述挡板4的上部驱动液压杆5和液压缸6进行往复运动发电。
[0056] 实施例2、
[0057] 根据实施例1所述的一种海洋波浪能和太阳能集成发电装置，其区别在于，在所述的挡板4的上部设置有连杆8，所述液压杆5的一端通过虎克铰9连接设置有导槽10，所述的连杆8轴向设置在导槽10内。
[0058] 在所述的挡板4的上部设置有连杆8的数量为2个。
[0059] 实施例3、
[0060] 根据实施例1所述的一种海洋波浪能和太阳能集成发电装置，其区别在于，所述液压缸6底部设置有异形安装座，所述液压缸通过异形安装座与所述凹形底座1固定安装连接，所述异形安装座包括倾斜架体20、与所述倾斜架体20底部连接的平面座板21，在所述平面座板21上贯通设置有螺栓孔。所述倾斜架体20与平面座板21之间的夹角为30°。
[0061] 实施例4、
[0062] 根据实施例3所述的一种海洋波浪能和太阳能集成发电装置，其区别在于，所述倾斜架体20与平面座板21之间的夹角为45°。
[0063] 实施例5、
[0064] 根据实施例1所述的一种海洋波浪能和太阳能集成发电装置，其区别在于，所述太阳能电池采集部包括伸缩支撑架11和在所述伸缩支撑架11顶部固定设置的太阳能电池板12。
[0065] 所述伸缩支撑架11包括多根液压伸缩杆13。
[0066] 所述伸缩支撑架11包括4根液压伸缩杆13，所述4根液压伸缩杆13分别通过球副19与所述太阳能电池板12的四个角相连。
[0067] 实施例6、
[0068] 根据实施例5所述的一种海洋波浪能和太阳能集成发电装置，其区别在于，所述的太阳能电池采集部还包括中控部分，所述太阳能电池板电输出端和液压缸发电输出端分别并联对中控部分进行供电，所述中控部分包括GPS模块、太阳光照角度计算模块和驱动模块，所述的GPS模块实时接收卫星发出的时间信息、太阳能电池板所安装的地理位置信息和海水相对发电装置的水位信息；在所述太阳光照角度计算模块内装载有太阳方位信息库，该信息库包括地球上所有位置经纬度、以及所有经纬度对应的一年四季的、一天24小时太阳的照射角度，所述太阳光照角度计算模块根据接收到的时间信息和地理位置信息在所述信息库中对应查询到对应的太阳的照射角度，通过该太阳照射角度计算所述太阳能电池板4根液压伸缩杆的伸缩长度，将太阳能电池板与所述太阳照射方向垂直。
[0069] 所述GPS模块为Trimble GPS模块，工作电压为4.2-5.5V，尺寸为45mm×40mm，环境要求为：运行温度为-40℃—80℃，存储温度为-55℃—105℃。
[0070] 所述太阳光照角度计算模块包括89C51单片机。
[0071] 所述驱动模块采用L289集成电路。
[0072] 实施例7、
[0073] 如实施例1-实施例6所述海洋波浪能和太阳能集成发电装置的工作方法，包括步骤如下：
[0074] 1)选址：选定需要海浪发电的海岸线；
[0075] 2)固定安装：将所述凹形底座1固定设置在所述海岸线上；
[0076] 3)调整太阳能电池采集部：通过调整4根液压伸缩杆13，调整所述太阳能电池板与太阳照射方向垂直；
[0077] 4)当海洋波浪涌向海岸线时，所述的波浪涌进所述凹形底座的水流通道3内，驱动所述挡板4沿海浪涌动方向运动；当海洋波浪退回至大海时，所述的波浪沿所述凹形底座的水流通道，驱动所述挡板沿海浪退回方向运动；
[0078] 5)在所述水流通道3内设置有受海浪驱动的挡板4，在所述凹形底座1上设置有沿海浪流动方向驱动的液压杆5和液压缸6，所述挡板4的中部固定设置有旋转轴7，所述挡板4通过旋转轴7设置在所述水流通道3内，所述挡板4的下部受海浪驱动往复钟摆运动，以所述旋转轴支点使所述挡板4的上部驱动液压杆5和液压缸6进行往复运动发电。本发明将海洋波浪能转换为液压能，进而将液压能转换为电能，其中将液压能转换为电能的技术为现有技术，即将具有较高压力的液压油输入到蓄能器中，经
单向阀和溢流阀的作用，将稳定的液压油输入到液压马达中，带动液压马达转动，液压马达通过联轴器来带动发电机转动发电，从而实现将液压能转化为电能。
[0079] 实施例8、
[0080] 如实施例7所述海洋波浪能和太阳能集成发电装置的工作方法，其区别在于，海洋波浪能和太阳能集成发电装置的工作方法中还包括涨潮自动保护方法：
[0081] 所述GPS模块实时采集海水水位信息，并将所述海水水位信息转化成电信号输入给所述单片机中，所述单片机将所述海水水位信息与所述发电装置的高度进行比较：
[0082] 当所述海水水位信息大于所述发电装置的高度时，单片机控制所述发电机进入自动保护程序：
[0083] 所述单片机向驱动模块输出自动保护信号，控制液压伸缩杆收缩至最低位置，进而将太阳能电池板的姿态调整为水平状态，以减小海浪对电池板的冲击。
[0084] 实施例9、
[0085] 如实施例1-6所述海洋波浪能和太阳能集成发电装置的应用，包括：
[0086] 将所述海洋波浪能和太阳能集成发电装置通过凹形底座固定设置在所述海岸线上，利用海浪涌岸、海浪回流对发电装置中的挡板进行钟摆形驱动，进而驱动液压缸往复运动发电，所述太阳能电池采集部利用太阳能电池板将太阳能转换为电能。
