CN102808719A

CN102808719A - 浮子异动式波浪发电装置

Info

Publication number: CN102808719A
Application number: CN2012102911753A
Authority: CN
Inventors: 李大鸣; 范玉; 罗浩
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-08-15
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2012-12-05

Abstract

本发明公开了一种浮子异动式波浪发电装置，包括外浮子和置于其内的内浮子；所述外浮子包括非磁性绝缘层和置于其外部的封闭外浮子壳体以及设置在它们之间的电子线圈；所述内浮子包括由非磁性耐磨材料制成的内浮子壳体，所述内浮子壳体内固定有多个均布的磁铁和配重，所述内浮子壳体与所述非磁性绝缘层之间通过多套弹性机构连接；所述封闭外浮子壳体通过锚链与海底基岩连接；所述电子线圈上连接有输出导线。本发明直接利用波浪运动产生的能量，借助于外浮子前后摆动或上下浮动，以及内部悬置磁铁与外浮子的异动，使得通过电子线圈的磁通量发生变化，进而产生电流，减少了中间环节能量的消耗，从而使得波能利用率大幅提高。

Description

浮子异动式波浪发电装置

技术领域

本发明涉及一种利用海洋波浪能发电的装置，特别是涉及一种浮子异动式波浪发电装置，属于新型可再生能源技术领域。

背景技术

随着世界经济的发展、人口的激增、社会的进步，人类对能源的需求日益增长。人类对于传统能源的开发面临着严峻的挑战。传统能源的开发费用已经随着资源的日渐稀少而变得更加昂贵，并且随着人类的不断消耗，世界主要能源开发期已经屈指可数：石油、天然气和铀大约为30-40年，煤为200年左右。人们不得不转向海洋领域的开发研究去寻找新的发展空间。海洋中蕴含着丰富的资源，能源科学和海洋技术的重新升温，为解决这一世界性的能源与环境问题开辟了新的途径。波浪发电作为一种新能源的来源，受到世界各国的重视。我国有18000公里的海岸线、300多万平方公里的管辖海域，海洋资源十分丰富，其中，近海域波浪能的蕴藏量约为1.5亿千瓦，可开发利用量约3000~3500万千瓦。波浪能利用的装置种类繁多，关于波能转换装置的发明专利成百上千。

在上述背景下，波浪能的开发利用正日益受到关注，经过20世纪70年代对多种波浪能装置的试验和研究到80年代的海况试验及应用示范研究，国内外很多学者相继提出了很多不同种类的波能转换装置，波浪发电技术已逐步接近实用化水平。目前研究最多、应用最广的几种装置为：“点头鸭”式波能转换装置、振荡水柱式波能装置、摆式波能装置、聚波水库波能装置、振荡浮子式波能转换装置。

“点头鸭”式波能转换装置的受能体运动主要来自于入射波运动产生的动压力推动鸭身绕轴线旋转，静压力推动鸭嘴做起伏运动。因为两种形式的运动是同相位的，因此可以将产生的能量同时传递出去，从而再转换为电能使用。优点是调节鸭身质心可以使其自由频率与波浪运动频率相同或接近从而形成共振，达到最大转换效率；缺点是可靠性较差，装置易损坏。

振荡水柱式波能装置是以空气作为转换的介质，其一级能量转换机构为气室，二级能量转换机构为空气透平。振荡水柱波能装置的优点是转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便。其缺点是二级能量转换效率较低。现有振荡水柱式波能收集转换装置多用于航标灯等微型电力设备的供电，输出功率较小；近岸振荡水柱式波能收集转换装置对海岸地形要求较高。

摆式波能装置是通过摆体在波浪力的作用下发生的前后或上下摆动，将波浪能转换为摆轴的动能。摆式装置的转化效率高，但机械和液压机构的维护较为困难。其另一优点是可以方便地与相位控制技术相结合。相位控制技术可以使波能装置吸收到装置迎波宽度以外的波浪能，从而大大提高装置的转换效率。

聚波理论最早由挪威特隆姆大学的Falnes和Budal提出。聚波水库装置利用喇叭型的收缩波道，作为一级能量转换机构。波道与海连通的一面开口宽，然后逐渐收缩通至贮水库。其优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定，几乎不受波高和周期的影响。不足之处是电站建造对地形有要求，不易推广。

振荡浮子式波能装置是在振荡水柱式装置的基础上发展起来的波能发电装置。装置通过振荡浮子将波浪能转换成驱动液压泵的往复机械能，再通过能量缓冲区将不稳定的液压能转换成稳定的液压能，通过液压马达将稳定的液压能转换成稳定的旋转机械能，再通过发电机发出稳定的电能。其优点是减少了水下施工，建造容易，成本低廉，缺点浮子受过多的冲击，易损坏。

这些波浪发电装置，各有优缺点，关键技术是中间的转换装置，但有一个共同的问题是波浪能转换成电能的中间环节多，效率低，电力输出波动性大，这也是影响波浪发电大规模开发利用的主要原因之一。把分散的、低密度的、不稳定的波浪能吸收起来，集中、经济、高效、实用地转化为有用的电能，装置及其构筑物能承受灾害性海洋气候的破坏，实现安全运行，是当今波浪能开发的难题和方向。上述技术装置都采用三级环节来对波能进行转换，受能体直接接受从波浪中传来的能量，定体通过与受能体的相对运动而产生能量，而中间转换装置，它在波浪转换装置中主要起稳向、增速和稳速的作用，但是综上所述几种波能转换装置，能量的二级转换率较低。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种浮子异动式波浪发电装置，该装置集高效率、实用性与可靠性为一体，并且成本低廉，能够适应不同的地形和海况条件。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种浮子异动式波浪发电装置，包括外浮子和置于其内的内浮子；所述外浮子包括非磁性绝缘层和置于所述非磁性绝缘层外部的封闭外浮子壳体，在所述封闭外浮子壳体和所述非磁性绝缘层之间形成腔室，所述腔室在所述外浮子中心处的横截面为圆环形，所述腔室内固定有依据发电机线圈缠绕方法缠绕的电子线圈；所述内浮子包括由非磁性耐磨材料制成的内浮子壳体，所述内浮子壳体内沿其横截面周向均布固定有多个磁铁和配重，所有所述磁铁和配重共同形成中空结构，将所述内浮子壳体中心处的横截面沿周向分为2N等份，N为自然数，每一等份内磁铁的磁极方向相同，相邻等份内磁铁的磁极方向相反；所述内浮子壳体与所述非磁性绝缘层之间通过多套弹性机构连接，所述弹性机构包括弹簧、滚珠支座和滚珠，所述弹簧的一端与所述非磁性绝缘层固接，另一端与所述滚珠支座固接，所述滚珠安装在所述滚珠支座上，并与所述内浮子壳体的外表面滚动连接；所述封闭外浮子壳体通过锚链与海底基岩连接；所述电子线圈上连接有输出导线，所述输出导线延伸至所述外浮子的外部。

所述封闭外浮子壳体和所述内浮子壳体的外表面均为球形。

所述封闭外浮子壳体和所述内浮子壳体的外表面均为柱形。

每块所述磁铁均被两橡胶体夹紧固定，所述橡胶体固定在所述内浮子壳体内。

本发明具有的优点和积极效果是：采用内外双浮子结构，构思巧妙，结构新颖，建造难度和成本较低；能够更有效地利用波浪能的不确定性和随机性，且不需要其他中间的能量转换装置，能有效提高波浪能的利用率。无论外浮子在波浪的作用下作前后摆动或上下摆动，都可以利用内部的弹簧和滚珠使得内浮子内的磁铁全方位自由转动，从而和外部线圈形成切割磁力线的效果，直接将波浪能转换为电能，并通过导线输出加以利用。内置滚珠结构的设计，不仅有效利用了外浮子内的空腔，而且限定了磁铁做相对于线圈的转动，从而减少了其与边壁碰撞的几率，并且大大提高了切割磁力线的效率，在内悬磁铁与外浮子做相对运动的过程中，提高了机械能转换为电能的效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明采用球式结构的示意图；

图3为本发明采用柱式结构的示意图。

图中：1、外浮子壳体；2、电子线圈；3、非磁性绝缘层；4、弹簧；5、滚珠支座；6、滚珠；7、内浮子壳体；8、磁铁；9、橡胶体；10、配重；11、输出导线，12、锚链；13、海底基岩。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例1：

请参阅图1～图2，一种浮子异动式波浪发电装置，包括外浮子和置于其内的内浮子；外浮子包括非磁性绝缘层3和置于非磁性绝缘层3外部的封闭外浮子壳体1，在封闭外浮子壳体1和非磁性绝缘层3之间形成腔室，腔室在外浮子中心处的横截面为圆环形，腔室内固定有依据发电机线圈缠绕方法缠绕的电子线圈2；外浮子壳体1保护其内部结构不被水体破坏。

内浮子包括由非磁性耐磨材料制成的内浮子壳体7，在内浮子壳体7内沿其横截面周向均布固定有多个磁铁8和配重10，所有磁铁8和配重10共同形成中空结构，将内浮子壳体7中心处的横截面沿周向分为2N等份，N为自然数，每一等份内磁铁8的磁极方向相同，相邻等份内磁铁8的磁极方向相反。例如将内浮子壳体中心处的横截面周向分为4等份，第一、第三部分磁铁的N极指向圆心，第二、第四部分磁铁S极指向圆心。

内浮子壳体7与非磁性绝缘层3之间通过多套弹性机构连接，弹性机构包括弹簧4、滚珠支座5和滚珠6，弹簧4的一端与非磁性绝缘层3固接，另一端与滚珠支座5固接，滚珠6安装在滚珠支座5上，并与内浮子壳体7的外表面滚动连接；这样即限制了内浮子在外浮子内的位置，又使得内浮子相对于外浮子可以产生异动，并减少了边壁的碰撞，电子线圈2上连接有输出导线11，输出导线11延伸至外浮子的外部，产生电流后通过输出导线11依傍锚链12输出。上述弹性机构的数量可以根据发电装置的规格确定，弹簧的弹性模量可以根据装置实际材质和重量确定。封闭外浮子壳体7通过锚链与海底基岩13连接。

在本实施例中，封闭外浮子壳体1和内浮子壳体7的外表面均为球形。每块磁铁8均被两橡胶体9夹紧固定，橡胶体9固定在内浮子壳体7内。

本实施例的工作原理：

在波浪的推动下，内外两个浮子作前后或上下摆动，通过内外两个浮子将波浪能转换成驱动磁铁3和电子线圈8运动的往复机械能。基于电磁感应定律和电磁力定律，当通过电子线圈的磁通量发生变化，就会产生电流。内浮子壳体的大小及磁铁数量应视情况而定。浮子异动式结构能够更有效地利用波浪能的不确定性和随机性，且不需要其他中间的能量转换装置，有效提高了波浪能的利用率。无论内外双浮子在波浪的作用下作前后摆动还是上下摆动，都可以将波浪能直接转换为电能。另外，鉴于海面自然条件及本实施例的物理结构性质，为了让本实施例更具实用性和推广性，提出“浮子异动式波浪发电装置群”的概念，即：应根据实际的海洋波浪场情况，设计不同的浮子异动式波浪发电装置的安装尺寸大小和数量，对提高波能收集率和转换率都大有裨益。

实施例2：

请参阅图1和图3，与实施例1的不同之处仅在于：封闭外浮子壳体和内浮子壳体的外表面均为柱形，内浮子壳体即可为敞口的，也可为封闭的。图3的横截面与图2通过封闭外浮子壳体中心的截面结构相同，如图1所示。

综上，本发明直接利用波浪运动产生的能量，借助于外浮子前后摆动或上下浮动，以及内部悬置磁铁与外浮子的异动，使得通过电子线圈的磁通量发生变化，进而产生电流，减少了中间环节能量的消耗，从而使得波能利用率大幅提高。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种浮子异动式波浪发电装置，包括外浮子和置于其内的内浮子；其特征在于，

所述外浮子包括非磁性绝缘层和置于所述非磁性绝缘层外部的封闭外浮子壳体，在所述封闭外浮子壳体和所述非磁性绝缘层之间形成腔室，所述腔室在所述外浮子中心处的横截面为圆环形，所述腔室内固定有依据发电机线圈缠绕方法缠绕的电子线圈；

所述内浮子包括由非磁性耐磨材料制成的内浮子壳体，所述内浮子壳体内沿其横截面周向均布固定有多个磁铁和配重，所有所述磁铁和配重共同形成中空结构，将所述内浮子壳体中心处的横截面沿周向分为2N等份，N为自然数，每一等份内磁铁的磁极方向相同，相邻等份内磁铁的磁极方向相反；

所述内浮子壳体与所述非磁性绝缘层之间通过多套弹性机构连接，所述弹性机构包括弹簧、滚珠支座和滚珠，所述弹簧的一端与所述非磁性绝缘层固接，另一端与所述滚珠支座固接，所述滚珠安装在所述滚珠支座上，并与所述内浮子壳体的外表面滚动连接；

所述封闭外浮子壳体通过锚链与海底基岩连接；

所述电子线圈上连接有输出导线，所述输出导线延伸至所述外浮子的外部。

2.根据权利要求1所述的浮子异动式波浪发电装置，其特征在于，所述封闭外浮子壳体和所述内浮子壳体的外表面均为球形。

3.根据权利要求1所述的浮子异动式波浪发电装置，其特征在于，所述封闭外浮子壳体和所述内浮子壳体的外表面均为柱形。

4.根据权利要求1所述的浮子异动式波浪发电装置，其特征在于，每块所述磁铁均被两橡胶体夹紧固定，所述橡胶体固定在所述内浮子壳体内。