CN101737239A - 一种漂浮直驱式波浪能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种漂浮直驱式波浪能装置，包括有运动部件，阻尼板，设置于运动部件套筒内的定子轴和弹簧：所述弹簧下端套连接在定子轴上，上端连接在运动部件的上端，所述运动部件为中部相对两端横截面积大的纺锤体结构；在所述运动部件的套筒的内壁上置有感应线圈，定子轴的中间部分镶嵌永磁铁，在运动部件的套筒内、定子轴的下端连接有定位轴，所述运动部件与定子轴在波浪作用下作相对运动，驱动感应线圈切割磁力线产生感应电动势，还包括有主柔性绳，所述主柔性绳一端连接到所述定位轴上，另一端与所述阻尼板连接。本发明漂浮直驱式波浪能装置结构简单，通过弹簧和水线面结构设计提高了波浪能装置的能量转换效率，能防止装置的相对运动幅度过大，对波浪能装置具有一定的保护和稳定的作用。

Description

一种漂浮直驱式波浪能装置
技术领域
本发明涉及到波浪能装置技术领域，尤其是一种漂浮直驱式波浪能装置。
背景技术
漂浮直驱式波浪能装置是在波浪驱动下使相对运动的部件直接通过电磁作用俘获波浪能量。为了直接发电，漂浮波能装置必须分成两部分，一部分运动幅度大，这一部分称为运动部件；另一部分因存在某种约束或作用力的原因，保持相对稳定，称为相对稳定部件；两相对运动的部件因装有发电机构而输出电能。波浪能装置中运动部件同入射波发生共振(吸收较多的波浪能量、产生较大的线速度)及相对稳定部件的稳定性，两者对提高波能装置的转换效率起到至关重要的作用。
在漂浮式波浪能装置的一般设计中，由于水线面积大往往导致波能装置运动部件的固有振动频率大于可用入射波的频率范围，没有产生共振的条件，运动部件往往速度低、位移幅值小，这对于设计高效的发电机系统带来了极大的困难；而运动部件过于细小而质量大的设计尽管其固有振动频率落入了可用入射波的频率范围，但其响应频带宽度非常窄，在不规则波下出现大速度幅值的几率也不高，同样导致波能装置的转换效率不高。同时在漂浮装置中尽可能的使相对稳定部件在波浪的起伏、流动过程中保持稳定，以保证运动部件有相对较高的运动速度，也是提高波能装置转换效率的一个重要因素。
目前对于漂浮垂荡运动的波能装置，其固有周期小于入射波周期，为了提高其转换效率，普遍采用相位控制的办法，这种方法是在波能装置中设置一个夹紧装置，当波能装置运动部分在波浪驱动下运行速度为零时夹紧运动部件，而在下一个波浪力极值前1/4周期(固有振动周期)时间前放开，使运动部件的运动速度同由波浪产生的激励力同相位。这种控制方法需要必要的控制机械、计算机、控制程序和测波传感器，具体实施很困难。
发明内容
本发明的目的在于通过减小水线面积设计、弹簧的使用和水下阻尼板达到提高波浪能装置能量转换效率的目的，同时弹簧有缓冲功能，通过它可避免过大的冲击力，对波浪能装置也是一种保护。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种漂浮直驱式波浪能装置，包括有运动部件，阻尼板，设置于运动部件套筒内的定子轴和弹簧：所述弹簧下端套连接在定子轴上，上端连接在运动部件的上端，所述运动部件为中部相对两端横截面积大的纺锤体结构；在所述运动部件的套筒的内壁上置有感应线圈，定子轴的中间部分镶嵌永磁铁，在运动部件的套筒内、定子轴的下端连接有定位轴，所述运动部件与定子轴在波浪作用下作相对运动，驱动感应线圈切割磁力线产生感应电动势，还包括有主柔性绳，所述主柔性绳一端连接到所述定位轴上，另一端与所述阻尼板连接。
作为振动系统的运动部件，由于漂浮在水面上而受到流体的恢复力作用，此恢复力类似一个弹簧作用，其弹性系数同运动部件水线面积(静水平面切开运动部件得到轮廓线所包围的面积)成正比，在一般的漂浮波浪能装置设计中，此恢复力的水线面积使得运动部件的固有振动周期小于可用入射波的周期，运动部件不可能同可用入射波产生共振，这样运动部件吸收的波浪能量、速度幅值和位移幅值就小，速度幅值小为设计高转换效率的直线发电机造成了非常大的困难，甚至不可能，结果是波浪能装置总的转换效率不高，为了提高运动部件的固有振动周期，减少其水线面是一种方法，本发明改变传统运动部件的上下横截面同样大小的结构，通过设计一个上部相对中部小的纺锤体运动部件结构，使得水线面积减少了；采用水下阻尼板在小浪时能稳定定子轴，在大浪时随运动部件一起运动，防止相对运动幅度过大，对装置起到保护作用；通过弹簧的恢复功能使主柔性绳始终处于张弛状态，稳定定子轴。整个波能装置采用漂浮结构，不受潮位影响。
所述运动部件为纺锤形的圆柱形部件，其中包括三个不同半径、长度不同的第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒，第二圆筒穿过第一圆筒和第三圆筒，三筒同轴连接并形成一个封闭的复杂圆柱体，所述运动部件中间大、两头小，所述定子轴、弹簧、定位轴设置于所述第二圆筒内。该结构通过减少复杂圆柱形部件水线面积的设计，降低了运动部件的固有振动频率，提高了固有振动周期，同时为弹簧的使用提供了空间。运动部件下部为小圆筒形，主要是为了稳定整个波浪能装置，同时为定子轴提供足够长的运动空间。在运动部件水线面积小到一定的情况下，通过弹簧调节运动部件的固有频率，使运动部件的固有频率落入入射波可用波频率范围内，为运动部件同入射波发生共振创造条件，同时运动部件水下淹没部分减少，总体质量减少，增大了阻尼因数，也增大了运动部件的频率响应宽度，为波浪能装置在不规则波下使用有较高的转换效率提供了条件。
所述主柔性绳一端穿过所述第二圆筒底部连接到所述定位轴上，另一端与所述阻尼板连接。采用主柔性绳一方面便于运动部件底部，即第二圆筒处的密封，另一方面这种没有弹性的柔性绳，能保证定子轴在常规波浪下不运动。
所述阻尼板为扁平水平圆形板，在阻尼板板体的边缘上设有多个平均分布的环扣，每个环扣上连接有次柔性绳，所述次柔性绳等长的在阻尼板上方结于一节点后与所述主柔性绳相连。这样通过主柔性绳传递过来作用在阻尼板上的作用力由平均分布在阻尼板上的多个环扣点支撑，有助于降低单点的受力强度。
在所述阻尼板底端中央处还连接有锚系。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明漂浮直驱式波浪能装置结构简单，通过弹簧和水线面结构设计提高了波浪能装置的能量转换效率，能防止装置的相对运动幅度过大，对波浪能装置具有一定的保护和稳定的作用，使得整个装置不受潮位影响。
附图说明
图1为本发明漂浮直驱式波浪能装置结构主视图；
图2为本发明运动部件结构主视图；
图3为本发明阻尼板俯视图；
附图标记说明：1-弹簧，2-感应线圈，3-定子轴，4-运动部件，41-第一圆筒，42-第二圆筒，43-第三圆筒，5-阻尼板，51-环扣，52-次柔性绳，6-主柔性绳，7-锚系，8-节点，9-永磁体，10-定位轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
请参阅图1所示，一种通过弹簧和水线面设计提高能量转换效率的漂浮直驱式波浪能装置，该装置包括有运动部件4，阻尼板5，感应线圈2，柔性绳6，设置于运动部件4中套筒内的定子轴3，弹簧1，弹簧1下端连接在定子轴3上，上端连接在运动部件4上，运动部件4为两端相对中部横截面积小的纺锤体结构；在运动部件4的套筒的内壁上置有感应线圈2，在定子轴3的中间部分镶嵌有永磁铁10，感应线圈2在波浪作用下与运动部件4一起运动切割磁力线产生感应电动势；在运动部件4的套筒内、定子轴3的下端连接有定位轴10，还包括有主柔性绳6，主柔性绳6一端连接到定位轴10上，另一端与阻尼板5连接。
在一般波况下，定子轴3在阻尼板5作用下运动幅度很小，可以认为不动，运动部件4的运动就是绝对运动，在大浪时定子轴3运动幅度较大，那么运动部件4相对定子轴3就是一个相对运动，运动部件4在流体中振荡运动的频率同运动部件的质量、水线面积和外部施加的弹簧1有关。
本实施例中的运动部件4为纺锤形的圆柱形部件，请参阅图2所示，其包括三个不同半径、长度不同的第一圆筒41、第二圆筒42、第三圆筒43同轴连接而成，圆柱形部件中间大、两头小，其中第一圆筒41和第三圆筒43两端的圆筒半径不一定相等，可根据实际需要设计。
请参阅图3所示，阻尼板5为一扁平水平圆形板，在其水平圆形板的边缘上设有四个环扣51，平均分布在边缘上，每个环扣51上套有次柔性绳52，四条次柔性绳52等长结于一节点与主柔性绳6相连接，这样通过主柔性绳6传递过来作用在阻尼板5上的作用力由四个环扣支撑，降低单点的受力强度；
在阻尼板5底端中央处还连接有锚系7。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (6)

1.一种漂浮直驱式波浪能装置，包括有运动部件(4)，阻尼板(5)，设置于运动部件(4)套筒内的定子轴(3)和弹簧(1)，其特征在于：所述弹簧(1)下端套连接在定子轴(3)上，上端连接在运动部件(4)的上端，所述运动部件(4)为中部相对两端横截面积大的纺锤体结构；在所述运动部件(4)的套筒的内壁上置有感应线圈(2)，定子轴(3)的中间部分镶嵌永磁铁(10)，在运动部件(4)的套筒内、定子轴(3)的下端连接有定位轴(10)，还包括有主柔性绳(6)，所述主柔性绳(6)一端连接到所述定位轴(10)上，另一端与所述阻尼板(5)连接。
2.如权利要求1所述的漂浮直驱式波浪能装置，其特征在于：所述运动部件(4)为纺锤形的圆柱形部件，其中包括三个不同半径、长度不同的第一圆筒(41)、第二圆筒(42)、第三圆筒(43)，第二圆筒(42)穿过第一圆筒(41)和第三圆筒(43)，三筒同轴连接并形成一个封闭的复杂圆柱体，所述运动部件(4)中间大、两头小，所述定子轴(3)、弹簧(1)、定位轴(10)设置于所述第二圆筒(42)内。
3.如权利要求2所述的漂浮直驱式波浪能装置，其特征在于：所述第三圆筒(43)的横截面积小于所述第一圆筒(41)的横截面积，并处于第一圆筒(41)上部。
4.如权利要求2所述的漂浮直驱式波浪能装置，其特征在于：所述主柔性绳(6)一端穿过所述第二圆筒(42)底部连接到所述定位轴(10)上，另一端与所述阻尼板(5)连接。
5.如权利要求4所述的漂浮直驱式波浪能装置，其特征在于：所述阻尼板(5)为扁平水平圆形板，在阻尼板(5)板体的边缘上设有多个平均分布的环扣(51)，每个环扣(51)上连接有次柔性绳(52)，该次柔性绳(52)等长的在阻尼板(5)上方结于一节点(8)后与所述主柔性绳(6)相连。
6.如权利要求1所述的漂浮直驱式波浪能装置，其特征在于：在所述阻尼板(5)底端中央处还连接有锚系(7)。
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