CN101639029B - 共振式水面波动能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水面波动能量回收领域，公开了一种共振式水面波动能量回收装置，适用于将海洋表面波浪能量回收并转化为电能。它包括上浮子体，上浮子体为一腔体，所述腔体内设置有波动能量回收单元和频率调节单元；所述波动能量回收单元中，磁铁在水面波浪的作用下垂直于感应线圈轴线往复摆动，感应线圈相对磁铁切割磁力线发电；所述频率调节单元包含储液箱，与所述磁铁固定在一起的附加液体箱，通过控制附加液体箱的液体质量改变波动能量回收单元的固有振动频率，利用谐振原理提高波动能量回收单元的效率。

Description

共振式水面波动能量回收装置

技术领域

本发明涉及水面波动能量回收领域，具体涉及一种共振式水面波动能量回收装置，适用于将海洋表面波浪能量回收并转化为电能。 

背景技术

海洋波浪中蕴藏着巨大的能量，海洋波浪发电是可再生能源技术领域重要的研究方向之一。海洋波浪发电利用特定的装置回收波浪中蕴含的动能和势能，并推动发电机产生电能输出，是一种取之不尽，用之不竭的能源。现有技术条件下，海洋波浪发电主要有以下几种形式：1)将波浪能转化为空气压力能发电。该方法利用波浪在空气腔中的起伏，交替产生正压和负压，推动涡轮机，进而带动发电机旋转发电，例如日本科学家发明的应用于无供电海洋航标灯上的发电装置；2)将波浪能转化为液压能，通过液压马达带动发电机工作。与此相关的专利较多，例如由英国科学家设计的著名的“海蛇”(Pelamis)波浪发电系统，已经达到实用化水平，且有多套装置投入运营；3)将波浪能转化为机械能，并带动发电机发电。如英国科学家Salter发明的“鸭式”波浪发电装置等。 

另外，有研究者提出在海面浮动体上安装由质量-弹簧-阻尼系统组成的波浪能回收及发电装置，使该系统固有频率等于波浪运动频率，使之发生共振，从而最大限度地回收波浪能量，提高发电效率。但此类装置存在的最大问题是：能量回收装置的固有频率是固定不变的，当波浪运动频率发生变化时，共振状态被破坏，装置回收能量及发电的效率变得非常低，从而降低了其实用价值。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种共振式水面波动能量回收装置，其结构简单，并且能够随着水面波浪运动频率的变化，动态地改变自身固有频率，使其与波浪激励力发生共振，从而最大限度的吸收水面波动能量，提高发电量。 

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。 

一种共振式水面波动能量回收装置，包括上浮子体，上浮子体为一腔体，所述腔体内设置有波动能量回收单元和频率调节单元，其特征在于，所述波动能量回收单元包含感应线圈、感应线圈支架、板簧、板簧支架、磁铁，所述感应线圈支架和板簧支架分别固定在腔体底面上，所述板簧的一端固定在板簧支架上，另一端固定所述磁铁，磁铁在水面波浪的作用下垂直感应线圈轴线摆动，感应线圈相对磁铁运动，并切割磁力线发电；所述频率调节单元包含储液箱、与所述磁铁固定在一起的附加液体箱、分别通过软管连通储液箱和附加液体箱的液体泵、测量液体泵流量的传感器、测量上浮子体振动的加速度传感器以及计算机控制单元，所述计算机控制单元通过加速度传感器采集上浮子体加速度信号，经傅立叶变换计算上浮子振动频率，并计算附加液体箱中液体的变化量，随后结合流量传感器控制液体泵改变附加液体箱中的液体量。所述上浮子体固定连接有下浮子体，所述下浮子体的底部固定有配重体，所述下浮子体的下部设置有铁锚，铁锚和下浮子体之间通过线缆连 接。 

本发明的进一步改进和特点在于：所述附加液体箱通过弹性膜分为液体腔和气体腔。 

本发明中，波动能量回收单元的板簧、磁铁和固定在其上的附加液体箱、感应线圈共同组成了单自由度质量-弹簧-阻尼系统，系统固有频率即为波动能量回收单元固有频率；计算机控制单元通过检测上浮子体的振动频率，计算使系统共振时附加液体箱的液体变化量，并通过流量传感器和液体泵调整附加液体箱中的液体量，使波动能量回收单元固有频率与浮子体的振动频率一致，实现共振，从而提高本装置的能量回收效率。同时，附加液体箱通过弹性膜分为液体腔和气体腔，可以防止其运动过程中内部液体激烈震荡，避免改变振动模型和影响波动能量的吸收。 

附图说明

图1为一种水面波动能量回收装置的主视剖面图； 

图2为图1的俯视示意图； 

图3为以图1为基础的一种共振式水面波动能量回收装置，图中虚框内为附加的频率调节单元； 

图4为频率调节单元中附加液体箱的结构示意图； 

图5为图3的等效模型图。 

图中：1、上浮子体；2、下浮子体；3、配重体；4、缆绳；5、腔体；6、线圈支架；7、感应线圈；8、磁铁；9、板簧支架；10、板簧；11、附加液体箱；12、流量传感器；13、软管；14、计算机控制单元；15、液体泵；16、 储液箱；17、电机；18、加速度传感器；19、弹性膜；20、液体腔；21、气体腔。 

具体实施方式

参照图1、图2，一种水面波动能量回收装置，适用于将海洋表面波浪能量回收并转化为电能。该装置主要包括：固定连接的上浮子体1和下浮子体2。 

下浮子体2为细长结构，其底部固定有配重体3，使本装置能够在水中保持直立姿态；配重体3的质量应使得上、下浮子体整体能够漂浮在水面，并使水平面淹没上浮子体1约四分之一左右；下浮子体2下部设置有铁锚，铁锚和下浮子体2之间通过缆绳4连接，用来将本装置固定在选定位置，防止漂离。 

上浮子体1为一密闭腔体，腔体5内设置有波动能量回收单元，波动能量回收单元包含感应线圈7、感应线圈支架6、板簧10、板簧支架9、磁铁8。感应线圈支架6和板簧支架9分别相对置，固定在腔体5的底面，感应线圈7为两个，相互平行并沿同一水平轴线固定在感应线圈支架6的两端；板簧10为钢板弹簧，钢板弹簧的一端固定在板簧支架9上，另一端固定磁铁8，磁铁8为永久磁铁，永久磁铁的轴线与感应线圈轴线平行，永久磁铁在水面波浪的作用下在两个感应线圈之间垂直于感应线圈轴线往复摆动，从而使感应线圈相对永久磁铁运动，切割磁力线发电。 

参照图3，频率调节单元主要包含储液箱16，与磁铁8固定在一起的附加液体箱11，分别通过软管13连通储液箱16和附加液体箱11的液体泵15，驱动液体泵15的电机17，测量液体泵15流量的流量传感器12，测量上浮子 体1振动的加速度传感器18，以及计算机控制单元14。计算机控制单元14通过加速度传感器18采集上浮子体1的加速度信号，通过傅立叶变换计算其振动频率，并计算板簧、磁铁、附加液体箱及感应线圈组成的系统与波浪激励力发生共振所需的附加液体箱中液体的变化量，然后结合流量传感器12控制液体泵15改变附加液体箱11中的液体量。 

参照图4，附加液体箱11没有充满时，为防止液体在其中激烈震荡，引起系统振动不稳定，采用液一气分离结构。弹性膜19将附加液体箱11分隔为液体腔20和气体腔21。由软管13注入的液体进入液体腔20；气体腔21中充入稀薄的氮气。当液体腔20的液体量逐渐增加时，弹性膜19向上鼓起，气体腔21中的氮气被压缩。当液体腔20中液体量逐渐减少时，气体腔21中的氮气膨胀，弹性膜19下移。液体腔20中的液体总是处于比较封闭的空间中，防止其激烈震荡。 

参照图5，为图3所示的共振式水面波动能量回收装置的等效模型，其固有频率f_n计算公式如下： 

$f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m_8+m_{11}\left(t\right)}}---\left(1\right)$

其中k为钢板弹簧刚度，m₈为磁铁8的质量，m₁₁(t)为t时刻附加液体箱11的质量，它们的和为系统总质量。 

本装置的波动能量回收单元和水面波浪运动产生共振时，有利于最大限度地吸收波浪运动能量，提高发电量。但实际环境中，波浪运动频率经常会发生变化，为了使波动能量回收单元固有频率与外界波浪运动频率一致，采用如下的方法：利用加速度传感器18采集上浮子体1的振动加速度信号， 输入计算机控制单元14后，通过傅立叶变换计算出波浪激振频率(即上浮子体1的振动频率)，然后根据该激振频率计算当前时刻波动能量回收单元所应具有的液体质量m₁₁(t)，并对比前一时刻的液体质量m₁₁(t₀)。令Δm＝m₁₁(t)-m₁₁(t₀)，则当Δm＞0时，计算机控制单元14控制液体泵15向附加液体箱11中注入质量为|Δm|的液体。当Δm＜0时，液体泵15从附加液体箱11中抽出质量为|Δm|的液体量。在液体泵15工作过程中，计算机控制单元14通过流量传感器12实时监测流入(或流出)附加液体箱11的液体量，以便及时停止泵液，因而，能够精确控制系统的液体质量。 

显然，对本发明所述的波动能量回收单元，当钢板弹簧的质量忽略不计时，其最大固有频率为： 

$f_n{|}_{\max }=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m_8}}---\left(2\right)$

其中m₈为磁铁8的质量。此时附加液体箱11质量为零。而系统最小固有频率为： 

$f_n{|}_{\min }=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{m_8+m_{11}}}---\left(3\right)$

其中m₁₁为附加液体箱11充满液体时的质量，设液体密度为ρ₁₁，则附加液体箱11的体积为： 

$V_{11}=\frac{m_{11}}{{\mathrm{\ρ}}_{11}}---\left(4\right)$

因此，本发明装置可以使波动能量回收单元的固有频率在f_n|_min到f_n|_max之间连续、精确地发生变化。通过对本发明装置使用要求的分析，应用公式(3)、(4)，可以设计附加液体箱11的体积V₁₁。 

为了使附加附加液体箱的体积尽量小，通常应选用密度较大的液体(例如蒸馏水)作为工作介质。根据具体要求，其他液体如液压油等也可以充当工作介质。 

以下说明本发明装置如何根据波浪运动频率的变化，自动调节波动能量回收单元的固有频率，使之与波浪运动发生共振。 

假设前一时刻外部波浪运动频率为f_w0，当前时刻波浪运动频率为f_w，则有前一时刻附加液体箱11中液体的质量m₁₁(t₀)为： 

$m_{11}\left(t_0\right)=\frac{k}{{(2\mathrm{\π}*f_{w0})}^2}-m_8---\left(5\right)$

而当前时刻附加液体箱11中液体的质量应该为m₁₁(t)， 

$m_{11}\left(t\right)=\frac{k}{{(2\mathrm{\π}*f_w)}^2}-m_8---\left(6\right)$

令Δm＝m₁₁(t)-m₁₁(t₀)。当Δm＞0时，计算机控制单元14应控制液体泵15向附加液体箱11中注入质量为|Δm|的液体。当Δm＜0时，液体泵15应从附加液体箱11中抽出质量为|Δm|的液体量。通过这种方法，可以使系统固有频率调整为f_w，促使系统与波浪激振力发生共振。 

Claims (2)

1.一种共振式水面波动能量回收装置，包括上浮子体，上浮子体为一腔体，所述腔体内设置有波动能量回收单元和频率调节单元，其特征在于，所述波动能量回收单元包含感应线圈、感应线圈支架、板簧、板簧支架、磁铁，所述感应线圈支架和板簧支架分别固定在腔体底面上，所述板簧的一端固定在板簧支架上，另一端固定所述磁铁，磁铁在水面波浪的作用下垂直于感应线圈轴线往复摆动，感应线圈相对磁铁切割磁力线发电；所述频率调节单元包含储液箱、与所述磁铁固定在一起的附加液体箱、分别通过软管连通储液箱和附加液体箱的液体泵、测量液体泵流量的流量传感器、测量上浮子体振动的加速度传感器以及计算机控制单元，所述计算机控制单元通过加速度传感器采集上浮子体加速度信号，经傅立叶变换计算上浮子振动频率，并计算附加液体箱中液体的变化量，随后结合流量传感器控制液体泵改变附加液体箱中的液体量；所述上浮子体固定连接有下浮子体，所述下浮子体的底部固定有配重体，所述下浮子体的下部设置有铁锚，铁锚和下浮子体之间通过线缆连接。

2.根据权利要求1所述的一种共振式水面波动能量回收装置，所述附加液体箱通过弹性膜分为液体腔和气体腔。

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