一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统的制作方法

1.本公开涉及波浪能发电装置气动和液压能量转换及控制系统技术领域，尤其是涉及一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统。


背景技术：

2.海洋波浪能是一种清洁可再生能源，开发和利用波浪能对改善因化石能源利用带来的环境污染问题具有重要的意义。波浪能装置种类繁多，但从波浪能转换原理可以将波浪能装置分为气动式、液动式、液压式和特殊电机式等几大类，目前研发的波浪能装置大多数是利用气动式和液压式的发电原理。
3.其中，气动式波浪能发电装置具有以下的优势，第一，气动式波浪能装置的能量转换系统结构简单，通常由喷嘴、空气透平和永磁发电机组成，因此故障率低，并且容易运维；第二，气动式波浪能发电装置利用单浮体和水柱间的相对运动做功，因此不存在刚性浮子之间的碰撞问题；第三，气动式波浪能装置的动力转换部件是空气透平，其直接与永磁发电机同轴连接，空气透平本身不存在相对运动，因此不存在密封问题。由于这些优势，气动式波浪能装置在海洋中的生存能力很强，并且可维护性非常高。气动式波浪能发电装置的缺点在于，第一，从波浪能到电能的整个过程中没有蓄能环节，导致发出的电非常不稳定，对蓄电池和电网的冲击比较大，并且用于波浪的随机性，峰值功率可达到平均功率的10倍，因此需要匹配装机功率是平均来波功率10倍的发电机，大功率发电机不仅导致成本增大，而且在小浪情况下，空气透平输出的轴功率与其不匹配，导致转换效率不高。第二，气动式发波浪能电装置由于需要吸气和排气，因此空气透平和发电机同轴连接的部分都是出于海汽之中，海汽容易通过发电机的轴间隙进入到发电机内部，腐蚀发电机内部的电气元件和轴承，导致发电机容易损坏。
4.液压式的波浪能发电装置一般都是利用双浮体或多浮体之间的相对运动来驱动动力部件(主要是液压缸)往复运动，再由液压缸泵入到蓄能器，进行蓄能稳压后发电。其优点主要在一下几个方面，第一，具有蓄能稳压环节，可以将小浪下的波浪能量蓄积，进行0-1发电，从而使发电效率提高，并且经过蓄能稳压后，发出电的能量稳定，便于充进电池或输入电网。第二，便于通过测量蓄能器压力来判断来波功率大小，从而使装置在大波下进行自保护控制。但液压式波浪能发电装置的缺点也同样明显，一是动力部件液压缸的活塞杆和缸筒之间时刻都在相对运动，并且置于海水或海汽中，动密封问题难以解决，导致其成为液压式波浪能装置最容易出故障的元件之一；二是多浮体运动存在碰撞问题。
5.总的来说，气动式波浪能发电装置的可靠性和可维护性高，但是发电品质相对较差，转换效率较低，发电机容易出故障；液压式波浪能发电装置的特点则相反，可靠性相对差一些，发电效率和稳定性相对较高。因此，如何提高气动式波浪能发电装置的发电稳定性和转换效率成为了气动式波浪能发电装置亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本公开提供了一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，以解决发明人认识到的技术问题之一。
7.本公开提供了一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，包括喷嘴、冲动式透平、扭矩输出轴、比例排量泵、手动换向阀、蓄能器组、液压马达、液压油箱、永磁发电机，所述喷嘴和冲动式透平嵌设于气室的上方，所述冲动式透平通过键槽与所述扭矩输出轴的一端连接，所述扭矩输出轴另一端通过联轴器与所述变比例排量泵的轴相连，所述变比例排量泵的进油口与所述液压油箱贯通连接，所述变比例排量泵的出油口与所述蓄能器组通过所述手动换向阀连接，所述手动换向阀一端与所述液压油箱连通，所述蓄能器组的出油口连接有第一电磁球阀的进油口，所述第一电磁球阀的出油口与所述液压马达的输入口连接，所述液压马达与所述永磁发电机同轴连接。
8.优选的，所述扭矩输出轴上设置有转速传感器，所述转速传感器的接线端连接有pid控制模块，所述pid控制模块与所述变比例排量泵的信号线控制接口连接。
9.优选的，所述第一电磁球阀的控制端连接有第一滞回比较器，所述第一滞回比较器连接有油压压力传感器。
10.优选的，还包括有第二电磁球阀，所述气室开设有一侧边支路，所述侧边支路连接所述第二电磁球阀的进口端，所述第二电磁球阀的出口端与大气相通。
11.优选的，还包括有气压压力传感器和第二滞回比较器，所述气压压力传感器设置于所述侧边支路，所述气压压力传感器的控制端与所述第二滞回比较器的一端连接，所述第二滞回比较器另一端与所述第二电磁球阀连接。
12.优选的，所述蓄能器组和液压油箱之间设置有溢流阀。
13.本公开的有益效果主要在于：
14.1、本发明通过将空气透平和液压转换系统结合，实现了一种创新性的气动-液压能量转换方式；
15.2、本发明通过液压转换所具有的蓄能稳压的特点，使气动式波浪能发电装置可靠性高，且提高了发电稳定性；
16.3、本发明通过一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统增加了气动式波浪能装置在大浪下的自保护功能，进一步提高了波浪能装置能量转换系统在台风等恶劣海况下的生存能力；
17.4、采用了可调的液压负载，使变比例排量泵可以根据空气透平的转速(也即是来波功率的大小)来实时调节排量，从而实现了波浪能装置的后端负载和来波功率实时匹配，提高了能量转换系统的转换效率。
18.应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
19.为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的
附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明公开的一种波浪能装置气动-液压混合能量转换系统图；
21.图标：1-喷嘴，2-冲动式透平，3-扭矩输出轴，4-联轴器，5-转速传感器，6-变比例排量泵，7-蓄能器组，8-手动换向阀，9-第一电磁球阀，10-第二电磁球阀，11-定量液压马达，12-永磁发电机，13-pid控制模块，14-油箱，15-油压压力传感器，16-第一滞回比较器，17-第二滞回比较器，18-气压压力传感器，19-溢流阀。
具体实施方式
22.下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。
23.基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
24.在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
26.实施例
27.如图1所示，本实施例提供一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，包括喷嘴1、冲动式透平2、扭矩输出轴3、联轴器4、转速传感器5、变比例排量泵6、蓄能器、手动换向阀8、第一电磁球阀9、第二电磁球阀10、液压马达11、永磁发电机12、pid控制模块13、液压油箱14、油压压力传感器15、第一滞回比较器16、第二滞回比较器17、气压压力传感器18和溢流阀19。
28.具体地，所述喷嘴1安装于气室的排气口，其中气室为振荡水柱式波浪能气室，所述气室的出气口安装有冲动式透平2，通过喷嘴1和冲动式透平2组成气动式波浪能装置的动力部件，所述冲动式透平2通过键槽与所述扭矩输出轴3连接，所述扭矩输出轴3远离所述冲动式透平2的一端通过联轴器4与所述变比例排量泵6的轴相连，使变比例排量泵6与所述冲动式透平2以相同的方向和转速进行旋转，所述变比例排量泵6的进油口和所述液压油箱14连通，所述变比例排量泵6的出油口与所述手动换向阀8的g口连通，所述手动换向阀8的e口与所述蓄能器组7连通，所述手动换向阀8的f口连通至所述液压油箱14，所述蓄能器组7安装有油压压力传感器15，用于测量蓄能器组7的压力，所述蓄能器组7的出油口连通至所述第一电磁球阀9的进油口c口，所述第一电磁球阀9的出油口d口连通所述液压马达11的进口，所述液压马达11的轴与永磁发电机12同轴连接。
29.进一步地，所述扭矩输出轴3上设置有转速传感器5，所述转速传感器5用于实时测量冲动式透平2的转速，所述转速传感器5的节点段连接有所述pid控制模块13，所述pid控制模块13连接所述变比例排量泵6，所述pid控制模块13可以通过检测转速传感器5的转速来自动调节变比例排量泵6的排量。
30.进一步地，所述油压压力传感器15的控制端连接第一滞回比较器16，所述第一滞回比较器16连接所述第一电磁球阀9的控制端，可以控制第一电磁球阀9的开启和关闭。
31.进一步地，所述气室设置有一侧边支路，所述侧边支路与所述第二电磁球阀10的进口端b口连通，所述第二电磁球阀10的出口端a口与所述大气相通。
32.进一步地，所述侧边支路安装有气压压力传感器18，用于测量气室内的气压，所述气压压力传感器18的控制端连接所述第二滞回比较器17，所述第二滞回比较器17连接第二电磁球阀10的控制端，可以控制第二电磁球阀10的开启与关闭。
33.进一步地，所述蓄能器组7和液压油箱14之间设置有溢流阀19。
34.气动式波浪能发电技术通常采用气室俘获波浪能，气室是一个下方开口的结构，当波浪作用在开口结构时，气室内的水柱就会上下运动，从而俘获波浪的能量。传统的气动式波浪能技术由气室、空气叶轮、发电机构成，振荡水柱推动气室内空气往复运动，通过叶轮，直接驱动发电机发电。
35.本发明提供一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，在能发电的基础上，增加了液压能量转换部件，当波浪作用于气室内的振荡水柱时，水柱压缩气室上部的空气，形成往复空气流，经过喷嘴1后，驱动冲动式透平2单向旋转，高速旋转的冲动式透平2上设置有一根扭矩输出轴3，与冲动式透平2同步旋转，在扭矩输出轴3上安装有转速传感器5，可以实时测量扭矩输出轴3的转速，扭矩输出轴3通过联轴器4与变比例排量泵6连接，因此，冲动式透平2在往复空气流的驱动下将会带动变比例排量泵6单向旋转，实现了空气压缩能到旋转机械能的转变。
36.当变比例排量泵6单向旋转时，将液压油从液压油箱14中吸入，并经过变比例排量泵6加压从出口输出，将旋转机械能转换成液压能。
37.转速传感器5的测量信号端连接有pid控制模块13，pid控制模块13的控制端连接到变比例排量泵6的控制信号端，pid控制模块13通过判断扭矩输出轴3转速的大小，来控制变比例排量泵6的排量大小，实现了变比例排量泵6根据来波的情况实时调节输出功率，提高了气动式波浪能能量转换系统的效率。
38.所述变比例排量泵6出口的液压油进入到手动换向阀8，手动换向阀8正常状态时，阀芯处于右位，手动换向阀8的g口和e口连通，f口断开，高压液压油通过手动换向阀8进入的蓄能器组7进行蓄能，在进入蓄能器组7的管路上安装有压力传感器，通过压力传感器可以实时测量蓄能器组7的压力。该压力传感器的测量信号与第一滞回比较器16连接，第一滞回比较器16通过检测第一压力传感器的信号，来确定是否输出电压到第一电磁球阀9和电磁受控端。当系统出现故障需要维修时，可以推动手动换向阀8手柄向左，阀芯左移，手动换向阀8的g口和f口联通，e口断开，变比例排量泵6出口的液压油流回油箱，当维修结束时，放开手动换向阀8的手柄，阀芯在回复弹簧的作用下，回到右位，重新处于正常工作状态。
39.滞回比较控制器的控制逻辑如下，初始状态下，处于0状态，没有电压信号输出，当压力逐渐上升至po时，输出电压信号，是为状态1，如果压力继续上升，将持续1状态；当压力
下降但未至pc时，依然处于1状态；当压力下降至pc时，电压信号输出停止，处于0状态，并开始下一个循环。
40.蓄能器组7的出口通向第一电磁球阀9的c口，初始状态下，第一电磁球阀9的阀芯处于左位，第一电磁球阀9的c口和d口断开。当变比例排量泵6输入到蓄能器组7的液压油压力上升至设定的压力p2时，第一滞回比较器16输出电压信号至第一电磁球阀9的电磁控制端，第一电磁球阀9电磁控制端得到电压信号后，阀芯右移，第一电磁球阀9的c口和d口连通，蓄能器组7中的高压液压油将被释放至液压马达11的进口，驱动液压马达11高速旋转，并通过液压马达11的出口流回液压油箱14，液压马达11与永磁发电机12同轴连接，带动永磁发电机12旋转，进而发电，实现了液压能转变为电能的过程。
41.如果此时波浪的来波能量较大，往复空气流速度较快，使得冲动式透平2和变比例排量泵6的转速也较快，变比例排量泵6入到蓄能器液压油的流量较大，大于蓄能器输出到液压马达11的流量，蓄能器的压力将会继续上涨，直至到安全溢流压力，溢流阀19打开，实施溢流，使蓄能器压力不会超过设定的安全溢流压力，由于蓄能器的压力一致大于p2，因此第一电磁球阀9的阀芯一直处于右位，c口和d口一直处于连通状态，系统连续发电。
42.如果此时波浪的来波能量相对较小，往复空气流速度较慢，使得冲动式透平2和变比例排量泵6的转速也较慢，变比例排量泵6入到蓄能器组7的液压油的流量较小，小于蓄能器组7的输出到液压马达11的流量，蓄能器的压力将会下降，直至下降到设定的关闭压力p1，第一滞回比较器16的电压信号将停止，第一电磁球阀9电磁控制端没有电压信号后，阀芯在左端回复弹簧的作用下，回复到左位，c口和d口将会断开，蓄能器组7的液压油将停止释放至液压马达11，系统发电停止，蓄能器组7将会开启下一个蓄能过程，系统处于间断发电状态。
43.此外，气室的侧壁设置第二电磁球阀10和气压压力传感器18，该电磁球阀打开时，可以将气室内的高压空气泄压到大气中，防止大浪时，气室内过高的压力，使得冲动式透平2的转速加快，并有可能大大超过冲动式透平2的额定转速，对气室和系统造成破坏。
44.第二电磁球阀10的起闭通过第二滞回比较器17来控制的，初始状态下，第二电磁球阀10的阀芯处于右位，第二电磁球阀10的a口和b口断开。正常波况下，气室内的空气压力不会超过第二电磁球阀10设定的开启压力值p4，因此第二电磁球阀10处于常闭状态，也即是一直维持初始状态。当遇到台风的恶劣海况时，来波功率很大，气室内的空气压力也急剧上升，当气室的压力上升至设定的p4时，第二滞回比较器17将会输出电压信号至第二电磁球阀10的电磁控制端，第二电磁球阀10电磁控制端得到电压信号后，阀芯左移，第二电磁球阀10的a口和b口连通，此时，气室内的一部分气压将通过电磁球阀泻放至空气中。
45.当台风等恶劣海况退去，来波功率减小时，气室内的气压也相应减小，当气压减小至p3时，第二滞回比较器17的电压信号将停止，第二电磁球阀10电磁控制端没有电压信号后，阀芯在右端回复弹簧的作用下，回复到右位，a口和b口将会断开，第二电磁球阀10关闭。
46.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，其特征在于，包括：喷嘴、冲动式透平、扭矩输出轴、比例排量泵、手动换向阀、蓄能器组、液压马达、液压油箱、永磁发电机，所述喷嘴和冲动式透平嵌设于气室的上方，所述冲动式透平通过键槽与所述扭矩输出轴的一端连接，所述扭矩输出轴另一端通过联轴器与所述变比例排量泵的轴相连，所述变比例排量泵的进油口与所述液压油箱贯通连接，所述变比例排量泵的出油口与所述蓄能器组通过所述手动换向阀连接，所述手动换向阀一端与所述液压油箱连通，所述蓄能器组的出油口连接有第一电磁球阀的进油口，所述第一电磁球阀的出油口与所述液压马达的输入口连接，所述液压马达与所述永磁发电机同轴连接。2.根据权利要求1所述的一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，其特征在于，所述扭矩输出轴上设置有转速传感器，所述转速传感器的接线端连接有pid控制模块，所述pid控制模块与所述变比例排量泵的信号线控制接口连接。3.根据权利要求1所述的一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，其特征在于，所述第一电磁球阀的控制端连接有第一滞回比较器，所述第一滞回比较器连接有油压压力传感器。4.根据权利要求1所述的一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，其特征在于，还包括有第二电磁球阀，所述气室开设有一侧边支路，所述侧边支路连接所述第二电磁球阀的进口端，所述第二电磁球阀的出口端与大气相通。5.根据权利要求4所述的一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，其特征在于，还包括有气压压力传感器和第二滞回比较器，所述气压压力传感器设置于所述侧边支路，所述气压压力传感器的控制端与所述第二滞回比较器的一端连接，所述第二滞回比较器另一端与所述第二电磁球阀连接。6.根据权利要求1所述的一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，其特征在于，所述蓄能器组和液压油箱之间设置有溢流阀。

技术总结
本发明公开提供了一种气动-液压混合波浪能装置能量转换系统，包括喷嘴、冲动式透平、扭矩输出轴、联轴器、转速传感器、变比例排量泵、蓄能器、手动换向阀、第一电磁球阀、第二电磁球阀、液压马达、永磁发电机、PID控制模块、液压油箱、油压压力传感器、第一滞回比较器、第二滞回比较器、气压压力传感器和溢流阀。本发明通过将空气透平和液压转换系统结合，实现了一种创新性的气动-液压能量转换方式。液压能量转换方式。液压能量转换方式。


技术研发人员：吴清 禹鹏 方连航 张小店 陈益华 洪同庆 陈皇言 赵景飞 高玉洁 吴祝李
受保护的技术使用者：三沙供电局有限责任公司
技术研发日：2022.12.20
技术公布日：2023/5/16