本發(fā)明涉及適用于模塊化浮體的波浪能發(fā)電模型，尤其涉及一種利用模塊化浮體相對轉(zhuǎn)動發(fā)電的波浪能裝置實驗模型及使用方法。

背景技術(shù)：

1、波浪能是一種具備能量品質(zhì)較高、可利用面積大、能流密度最高的可再生能源，利用波浪能發(fā)電有望解決全球所面臨的能源緊缺，改善全球能源結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境。波浪能的發(fā)電方式按中間能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)主要分為機械式、氣動式和液壓式三大類，由于氣動式和液壓式對模型尺寸具有一定要求，因此機械式為模型試驗中廣泛應用的發(fā)電方式。

2、模塊化浮體采用模塊化拼裝拓展，形成大型海上基地，可提供商務(wù)旅游、能源供應、船舶停靠等各類海上保障。因此，將模塊化浮體的龐大規(guī)模相對轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為可利用的能量，是現(xiàn)階段領(lǐng)域內(nèi)研究的重點。

3、目前一些國內(nèi)高?；蜓芯克K化浮體實驗研究，一般采用模型試驗與數(shù)據(jù)模擬相結(jié)合的方式方法進行，其模型大多是基于特定的工程而定，模型裝配和拆卸復雜，阻尼不可控，實驗過程具有非常明顯的局限性。同時，模塊化浮體實驗模型在側(cè)表面鉸接固定時，容易發(fā)生漏水，影響使用；且對模型完整性造成了破壞，難以長期復用。因此設(shè)計一種利用模塊化浮體相對轉(zhuǎn)動發(fā)電的波浪能裝置實驗模型及使用方法，用于解決上述技術(shù)問題，顯得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用模塊化浮體相對轉(zhuǎn)動發(fā)電的波浪能裝置實驗模型及使用方法，較目前常規(guī)實驗裝置而言，其不改變或破壞浮體結(jié)構(gòu)，適用性和復用性增強；安裝單側(cè)彈簧結(jié)構(gòu)以緩沖可能的碰撞，并可通過彈簧形變測得碰撞力；外置齒輪箱裝配和拆卸簡單，操作簡便；傳動比及阻尼可調(diào)，實驗便捷；發(fā)電部分集中于浮體上部，不影響浮體的多向拓展。本發(fā)明將發(fā)電裝置集成于連接系統(tǒng)，通過電阻箱、電力負載箱和測功器的協(xié)同工作實現(xiàn)多檔位力學阻尼調(diào)控與電阻電功率的實時調(diào)控與監(jiān)測，優(yōu)化實驗的便捷性。

2、為了達到上述效果，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：一種利用模塊化浮體相對轉(zhuǎn)動發(fā)電的波浪能裝置實驗模型，包括前伸式鉸鏈1、主浮體模塊2、副浮體模塊3、柔性鉸式連接器4、齒輪箱5、直流發(fā)電機6、l型限位片7、電力負載箱8和測功器9；

3、所述主浮體模塊2、副浮體模塊3分別固定l型限位片7；所述前伸式鉸鏈1一端與l型限位片7貼合固定于副浮體模塊3的上表面，另一端連接齒輪箱5；所述齒輪箱5連接直流發(fā)電機6；所述電力負載箱8連接直流發(fā)電機6并外接測功器9；

4、所述l型限位片7包括長邊7b和短邊，所述短邊分別固定于主浮體模塊2、副浮體模塊3上表面；所述長邊7b分別位于主浮體模塊2、副浮體模塊3二者的相對側(cè)，且長邊7b固定時均距離主浮體模塊2側(cè)面、副浮體模塊3側(cè)面一定間距；

5、所述柔性鉸式連接器4兩端分別連接于l型限位片7的長邊7b上。

6、所述前伸式鉸鏈1包括鉸支座1a、管狀約束支座1b和直桿1c；所述鉸支座1a、管狀約束支座1b分別通過l型限位片7固定在副浮體模塊3上表面、主浮體模塊2上表面；所述直桿1c一端鉸接于鉸支座1a上，另一端穿過管狀約束支座1b；直桿1c另一端上集成齒條1c1，與所述齒輪箱5嚙合。

7、所述齒條1c1上端為齒，與齒輪箱5嚙合，下端為半圓柱狀，用于減少與管狀約束支座1b的摩擦阻力。

8、所述l型限位片7長邊7b表面開有滑槽7a；所述柔性鉸式連接器4的螺絲孔4a與滑槽7a通過螺絲螺母固定，旋轉(zhuǎn)螺母時保留一定空間，保證柔性鉸式連接器4沿滑槽7a進行垂向滑動。

9、主浮體模塊2、副浮體模塊3間設(shè)有彈簧7c；彈簧7c的一端卡于所述副浮體模塊3的l型限位片7滑槽7a兩端或固定于l型限位片7長邊7b，彈簧7c另一端根據(jù)測試工況懸空或連接至主浮體模塊2的l型限位片7滑槽7a上；除極端海況以外的工況測試，所述彈簧另一端懸空；當相鄰浮體相對扭轉(zhuǎn)幅度正常時，彈簧懸空端不觸及主浮體模塊2上的l型限位片7，當相鄰浮體相對扭轉(zhuǎn)幅度超出正常范圍時，彈簧7c用于緩沖底部碰撞接觸力，并將碰撞能量先積蓄于彈簧勢能，再逐步釋放轉(zhuǎn)化為波浪能發(fā)電；同時，設(shè)置激光位移傳感器，測得彈簧7c接觸變形，得到二者的碰撞力。

10、所述齒輪箱5包括齒輪箱外殼50、外驅(qū)動齒輪5a、內(nèi)傳動齒輪5b、輸出齒輪軸5c、輸出齒輪5d和常規(guī)齒輪軸5e；所述輸出齒輪軸5c和常規(guī)齒輪軸5e均向外伸出齒輪箱5一定距離，用于所述外驅(qū)動齒輪5a根據(jù)需要更換至任一常規(guī)齒輪軸5e上；所述外驅(qū)動齒輪5a與內(nèi)傳動齒輪5b固定在常規(guī)齒輪軸5e；所述輸出齒輪5d固定在輸出齒輪軸5c上；所述內(nèi)傳動齒輪5b由若干嚙合的齒輪組成，分為多級；同一根常規(guī)齒輪軸5e上的內(nèi)傳動齒輪5b設(shè)置一個大齒輪與一個小齒輪，二者交錯排布；每一小齒輪與前一級的大齒輪嚙合，直至輸出齒輪5d與前一級大齒輪嚙合；所述外驅(qū)動齒輪5a受前伸式鉸鏈1的線性運動驅(qū)動，帶動所述內(nèi)傳動齒輪5b旋轉(zhuǎn)，從而逐級提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速；直流發(fā)電機6與所述外驅(qū)動齒輪5a分別安裝在齒輪箱5的兩個側(cè)面，所述輸出齒輪軸5c外端安裝有直流發(fā)電機6。

11、一種利用模塊化浮體相對轉(zhuǎn)動發(fā)電的波浪能裝置實驗模型的使用方法，在工作過程中：

12、在入射波浪荷載的作用下，主浮體模塊2和副浮體模塊3之間繞柔性鉸式連接器4的連接轉(zhuǎn)動軸40，發(fā)生浮體底部相對遠離的轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)使前伸式鉸鏈1運動；直桿1c因受管狀約束支座1b約束，僅可發(fā)生與主浮體模塊2平行的水平位移，進而由直桿1c末端的齒條1c1帶動外驅(qū)動齒輪5a旋轉(zhuǎn)，外驅(qū)動齒輪5a帶動同軸的內(nèi)傳動齒輪5b旋轉(zhuǎn)，下一級內(nèi)傳動齒輪半徑更小，而具有的線速度相同，因此較外驅(qū)動齒輪5a相比角速度已得到增大，經(jīng)此往復傳遞，從而逐級提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，有效增加直流發(fā)電機6的發(fā)電量，提供有效的電力資源；當發(fā)生浮體底部相對靠近轉(zhuǎn)動時，運動模式同上；最后利用電力負載箱8和測功器9測量得到發(fā)電功率等電力數(shù)據(jù)；當相鄰浮體相對扭轉(zhuǎn)較大時，裝配于滑槽7a的彈簧7c與浮體2底部接觸，緩沖底部碰撞接觸力，并將碰撞能量先積蓄于彈簧勢能，再逐步釋放轉(zhuǎn)化為波浪能發(fā)電；同時通過激光位移傳感器，測量得到彈簧7c的變形量，定量評估二者的碰撞力。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于：

14、1、與常規(guī)的波浪能發(fā)電裝置相比，本發(fā)明將發(fā)電裝置集成于浮體間的連接器裝置上，柔性鉸式連接器對兩個相鄰的浮體其運動進行了約束，使得兩浮體間僅可發(fā)生縱向相對轉(zhuǎn)動，前伸式鉸鏈將產(chǎn)生的縱向相對轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為其齒條的線性運動，驅(qū)動齒輪箱發(fā)電。一方面將兩浮體模塊間難以利用的相對轉(zhuǎn)動動能提取為可利用的電能，另一方面該實驗裝置無需額外增添附加浮體結(jié)構(gòu)以提取電能，而由齒輪箱重量造成的質(zhì)心偏移可通過在主浮體模塊內(nèi)部調(diào)節(jié)配重塊的分布以調(diào)整和人工控制主浮體模塊的質(zhì)心位置，因此可與軟件數(shù)值模擬的參數(shù)設(shè)置一致，使得模型實驗所得到的動力學數(shù)據(jù)與軟件模擬的情況更加貼近。此外，同樣由于該實驗裝置無需額外增添附加浮體結(jié)構(gòu)以提取電能，因此提高了空間利用率，便于在寬度較小的實驗波浪水槽中進行實驗，同時，不影響模塊化浮體結(jié)構(gòu)的多向拓展。

15、2、本發(fā)明中，柔性鉸式連接器、線性彈簧等附加結(jié)構(gòu)均非直接通過螺栓固定于浮體側(cè)表面，而是安裝在l型限位片上，再由l型限位片固定于浮體上表面，以約束浮體的相對線位移，避免了浮體側(cè)表面應力集中和可能的漏水問題，同時保護了浮體模型的完整性，有助于浮體模型重復使用，增加模型壽命。

16、3、本發(fā)明中，多個實驗變量可自主控制調(diào)節(jié)。通過將外驅(qū)動齒輪更換至不同的齒輪軸，可自主調(diào)節(jié)齒輪箱的傳動比，同時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的力學阻尼大小，對于波浪能裝置模型實驗的力學性能研究有很大的幫助。使用電力負載箱以從控制實驗中的電阻等電學變量，結(jié)合測功機以實時獲取電流大小、瞬時電功率曲線等實驗數(shù)據(jù)，多檔位力學阻尼調(diào)控與電阻電功率的實時調(diào)控與監(jiān)測優(yōu)化了實驗的便捷性。此外，通過調(diào)節(jié)l型限位片的固定位置，可自主調(diào)節(jié)兩浮體間的距離，以防止浮體發(fā)生碰撞，同時有助于研究浮體間距對于水動力特征和發(fā)電效率等物理特性的影響。

17、4、本發(fā)明中，在使用中，通過l型限位片的滑槽設(shè)計，允許柔性鉸式連接器沿滑槽進行垂向滑動，優(yōu)化了系統(tǒng)整體發(fā)生相對運動的流暢度，易于提高發(fā)電水平；同時，亦可通過調(diào)節(jié)柔性鉸式連接器與滑槽連接螺栓的緊密程度，視環(huán)境更改該局部的阻尼情況，實現(xiàn)柔性約束到固定約束的自由轉(zhuǎn)換。

18、5、相比常規(guī)的波浪能發(fā)電裝置模型，本發(fā)明的實驗模型的結(jié)構(gòu)通用性大大提高。本發(fā)明中的齒輪箱可根據(jù)實驗浮體的大小自由設(shè)置齒輪數(shù)量和齒輪直徑，進而根據(jù)不同功能需要對齒輪箱進行針對性的改裝，例如，可在齒輪結(jié)構(gòu)中選擇加入惰輪和限位槽，將齒輪箱變?yōu)閱蜗蜉敵鳊X輪箱，保證結(jié)構(gòu)底部無論發(fā)生相對靠近轉(zhuǎn)動或相對遠離轉(zhuǎn)動均可產(chǎn)生穩(wěn)定有效的電力。因此可適用于不同尺寸和功能要求的實驗。本發(fā)明利用兩浮體間的相對轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電力，推而廣之可廣泛應用于具有相對轉(zhuǎn)動特性的組合物體，因而可不再局限于模塊化浮體領(lǐng)域，為利用相對轉(zhuǎn)動發(fā)電的實驗模型提供了新的思路。

19、6、使用線性彈簧約束作為浮體防撞裝置，能夠有效避免較大的波浪下實驗浮體間發(fā)生碰撞損壞；同時，可通過測得彈簧接觸變形，得到二者的碰撞力；當進行極端海況測試時，可選用剛度系數(shù)更大的彈簧，并將彈簧另一端由懸空狀態(tài)更改為連接至主浮體模塊2的l型限位片7滑槽7a上，從而保證裝置的生存能力，以應對不同波浪作用下對裝置發(fā)電效率和生存的要求。相關(guān)彈簧的剛度可以結(jié)合試驗的具體需求進行對應調(diào)整。