CN103259320A - 一种摆动式波浪发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种摆动式波浪发电装置，由机械部分和电路部分组成，机械部分由浮体、机架、电机齿轮箱组合、悬挂系统、摆杆和摆锤组成；机架固定在浮体内，电机齿轮箱组合的定子与机架固联，电机齿轮箱组合的输出轴通过联轴器和悬挂系统与摆杆一端固联，摆杆另一端与摆锤固联，摆锤能够带动摆杆驱动电机齿轮箱组合的输出轴转动；电路部分由蓄电池和储电电路组成；蓄电池和储电电路固定安装在浮体内；电机输出电能通过储电电路进行整流稳压及升压后，存储到蓄电池中。本发明提出的一种波浪发电装置，利用海浪的近似规律的简谐振动迫使摆锤摆动并拖动发电机转动产生电流，该方案机械结构简单，能量转化利用效率高。

Description

一种摆动式波浪发电装置

技术领域

本发明涉及海洋新能源技术领域，具体为一种摆动式波浪发电装置。

背景技术

目前，在能源危机的大背景下，海洋能源得到越来越多的关注。而波浪是海洋能源中存在最为广泛的能源形式之一。海洋中的波浪能大部分是由风对海面的扰动引起的，是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪能是海洋中分布最广的可再生能源，可以通过较小的装置转换为可观的廉价电能。波浪能可为长时间工作的浮标、水下航行器等提供可持续的能源。现有的波浪发电相关专利均为通过利用复杂的机械结构传动模式完成对波浪能的利用，由于机械结构越复杂，其效率越低，则能量利用率越低。且目前专利对产生电能无稳定输出控制(专利号CN201020277694.0及CN200810068016.0等)。

专利号CN201220234585.X的专利文件公开了一种双向驱动齿轮加速器的海浪发电装置，利用波浪垂直方向的力在推动4个浮箱，依此推动飞轮，带动电机产生电能。这种波浪发电装置未考虑在不同海况下波浪的振幅频率变化。所产生的电压电流会随之变化，不利于电能的收集利用，且会对电路部分产生冲击。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种摆动式波浪发电装置，利用简单的摆锤摆动吸收波浪能，带动减速机构拖动电机发电。其特点是结构简单，能量利用效率高。电机输出的电能经过放大、控制及稳压电路，可将电机输出电能稳定存储于蓄电池中，以供利用。

技术方案

本发明基于海浪的广泛存在性和持续性的特点，根据波浪能的运动机理，建立一种摆锤的发电装置，将海浪的波浪能转化为机械装置的平动和转动，利用机械运动拖动电机并输出电能，并利用过压保护电路、稳压放大电路将电能稳定输出并存储，以供利用。

本发明的技术方案为：

所述一种摆动式波浪发电装置，其特征在于：由机械部分和电路部分组成；

所述机械部分由浮体、机架、电机齿轮箱组合、悬挂系统、摆杆和摆锤组成；机架固定在浮体内，电机齿轮箱组合的定子与机架固联，电机齿轮箱组合的输出轴通过联轴器和悬挂系统与摆杆一端固联，摆杆另一端与摆锤固联，摆锤能够带动摆杆驱动电机齿轮箱组合的输出轴转动；

所述电路部分由蓄电池和储电电路组成；蓄电池和储电电路固定安装在浮体内；电机输出电能通过储电电路进行整流稳压及升压后，存储到蓄电池中。

所述一种摆动式波浪发电装置，其特征在于：储电电路包括过压反向保护电路、储电电容、过压泄流兼电压监测电路、DC-DC转换电路、充电管理电路和主控模块；电机输出的电能输入过压反向保护电路，当过压反向保护电路的输入电压处于门限范围内时，过压反向保护电路接通储电电容，将电能输入储电电容中；储电电容存储的电能输入过压泄流兼电压监测电路，过压泄流兼电压监测电路检测储电电容输出的电压，并将电压信号输入主控模块，且当储电电容输出的电压高于门限值时，过压泄流兼电压监测电路进行泄流；过压泄流兼电压监测电路接DC-DC转换电路，DC-DC转换电路将输入的电压信号转换为稳定的直流电压后经过充电管理电路将电能输入蓄电池中。

所述一种摆动式波浪发电装置，其特征在于：所述DC-DC转换电路采用SEPIC结构电路。

所述一种摆动式波浪发电装置，其特征在于：所述主控模块根据过压泄流兼电压监测电路输入的电压信号控制DC-DC转换电路进行电压转换，当DC-DC转换电路的输入电压信号低于要求的输出电压时，DC-DC转换电路采用BOOST升压工作模式，当DC-DC转换电路的输入电压信号高于要求的输出电压时，DC-DC转换电路采用BUCK降压工作模式，当DC-DC转换电路的输入电压信号低于极限阈值时，主控模块切断充电电路，停止给电池充电。

有益效果

本发明提出的一种波浪发电装置，利用海浪的近似规律的简谐振动迫使摆锤摆动并拖动发电机转动产生电流，该方案机械结构简单，能量转化利用效率高。MCU主控模块和DC-DC转换电路整流限压，能够完成电流信号放大、正负换向以及稳定电压。保证该发电系统稳定输出电能，并将电能存储于电池中，以供利用。MCU主控模块还实时监控电路电压和电机转速，以最大效率匹配各组件工作，可以提高系统效率。MCU主控模块根据监测到的输出电压和输出电流信号自动的判断锂电池当前的充电阶段，据此控制充电子系统产生相应的输出电压对锂电池进行充电。在充电子系统的输入电压过高或者过低时，MCU主控模块能够按照设定要求控制DC/DC变换器的关闭与开启，在输出电压和电流发生异常时也应该能够控制切断充电子系统的电流通路保护系统不受到损害。

附图说明

图1：电能存储系统组成框图；

图2：摆动发电装置示意图；

图3：DC-DC电路图；

图4：主控模块工作框图；

图5：过压泄流兼电压监测电路图；

图6：过压反向保护电路图。

其中、1、浮体；2、蓄电池；3、机架；4、储电电路；5、电机；6、减速器；7、悬挂机构；8、联轴器；9、轴承；10、摆杆；11、连接销；12、摆锤。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

如附图2所示，本实施例中的摆动式波浪发电装置由机械部分和电路部分组成，所述机械部分由浮体1、机架3、电机齿轮箱组合、悬挂机构7、摆杆10和摆锤12组成。电机齿轮箱组合由电机5和减速器6组成。

浮体1可通过锚链固定于航行器或海底支架上。机架3固定在浮体1内，电机齿轮箱组合的定子与机架固联，电机齿轮箱组合的输出轴通过联轴器和悬挂系统与摆杆10一端固联，摆杆10另一端与摆锤12通过连接销11固联，摆锤能够带动摆杆驱动电机齿轮箱组合的输出轴转动。

所述电路部分由蓄电池和储电电路组成，蓄电池和储电电路固定安装在浮体内，电机输出电能通过储电电路进行整流稳压及升压后，存储到蓄电池中。

储电电路包括过压反向保护电路、储电电容、过压泄流兼电压监测电路、DC-DC转换电路、充电管理电路和主控模块。如图1所示。

波浪冲击使电机转动产生电能，电机输出的电能输入过压反向保护电路。由于波浪速度存在不稳定性，即来流速度时大时小进而带动电机转速时快时慢，会造成三种供电工作状态：欠压，电压在可用范围，过压。在欠压状态时电能微弱，利用效率低。过压时电压过大，会对后端电路造成损坏，所以需要设计过压反相保护电路。如图6所示，用芯片LTC4365和MOS开关管SI4438BDY组成过压反向保护电路，当输入电压大于等于过压门限（34V）或者小于等于欠压门限（2.5V）时，MOS开关断开，当输入电压在可用电压范围以内时，MOS开关管闭合以接通后端电路。SI4438BDY的导通电阻相对与同类产品较小，所消耗的功率也会很小。过压保护和欠压保护的门限值通过改变电阻R1，R2、R26、R28的阻值来设定，可以由公式表示为

$U_{\mathrm{TL}}=\frac{R1+R2+R26+R28}{R1+R26+R28}\×0.5V.$

$U_{\mathrm{TH}}=\frac{R1+R2+R26+R28}{R28}\×0.5V$

这样过压反向保护电路就可以起到保护后端的电路和提高电能利用率的作用。

过压反向保护电路输出电能充入大容量的储电电容（mF级）以存储电能，这里存储的电能将被用于DC-DC转换器产生稳定的电压。

从储电电容中输出的电能进入过压泄流兼电压监测电路，过压泄流兼电压监测电路的输入电压高于设定的门限值时，电路内的MOS开关闭合进行泄流，同时该电路担负电压监测功能，并将监测值送入MCU主控模块。参照附图5，当电压高于门限值（14.5V）时，MOS开关闭合进行泄流。电路由两部分组成：由MOS开关管SI4497DY和三端并联稳压器TL431组成的过压泄流电路；由R18、R39、C17组成的电压监测电路。过压泄流电路的原理是：三端并联稳压器TL431的第1脚门限电压2.5V，有R17和R22分压后1脚电压小于2.5V时TL431相当于断开，R16两边的电位基本相等，MOS开关管断开，泄流电路不工作；当第1脚电位大于2.5V时TL431反向导通，其第2脚电位降低导致MOS开关管导通，电路通过R36和R37进行泄流。电压监测原理是读取R18和R39之间的分压电位，根据R18和R39比值求得电压，并送入MCU主控模块。

过压泄流兼电压监测电路接DC-DC转换电路，DC-DC转换电路应用LT3759芯片的SEPIC电路拓扑结构，该结构允许输入电压高于、等于、低于设定的输出恒定电压，从而DC-DC转换电路将输入的电压信号转换为稳定的直流电压输出。参照附图3，LT3759搭配外部MOS开关管搭建成SEPIC结构电路。DC-DC变换电路采用SEPIC拓扑结构，可以实现升/降压。该部分电路的核心器件为Linear Technology公司的LT3759开关电源芯片，FB端是该芯片的反馈端。电路中设计了电压反馈和电流反馈两种反馈回路：电压反馈和电流反馈。电压反馈是由R1、R2产生反馈电压，作用是使SEPIC电路稳定到一个基本的输出电压。电流反馈通过R4采样电阻将电流转换成电压信号，通过运放U1和比较器U2产生反馈电压。其中，运放U1是放大采样电阻两端的电压值，比较器U2的作用是把经过U1放大的信号和设定的门限值相比较，如果高于门限，U2输出高电平，通过二极管D1和限流电阻R3和电压反馈信号相叠加，升高FB端电压，通过反馈机制将SEPIC电路的输出电压降低，从而起到限制电流的作用。比较器U2IN-端输入的门限的初始值由3.3V电压经由R5、R7分压获得，单片机的DAC输出经过限流电阻R6与初始偏置电压相叠加，这样的设计方便主控模块来控制输出电压（电流）。

DC-DC转换电路输出的稳定直流电压后经过充电管理电路将电能输入蓄电池中。

MCU主控模块根据过压泄流兼电压监测电路输入的电压信号控制DC-DC转换电路进行电压转换，当DC-DC转换电路的输入电压信号低于要求的输出电压时，DC-DC转换电路采用BOOST升压工作模式，当DC-DC转换电路的输入电压信号高于要求的输出电压时，DC-DC转换电路采用BUCK降压工作模式，当DC-DC转换电路的输入电压信号低于极限阈值时，主控模块切断充电电路，停止给电池充电。MCU主控模块根据电压的正负切换导通开关，保证电能输入的连续性。当电池电量比较充足时，电机输出电能不能得到释放，电机消耗转矩减小，发电机转速、输出电压就会逐渐升高，进入超速和过压状态。MCU实时监测发机转速和电压，当发现转速或电压超过预定阈值时，MCU打开泄流高速开关，通过泄流负载，释放多余的电能。

MCU主控模块选用TI公司MSP430F2618单片机作为核心控制器。参照附图4，MSP430F2618片上有丰富的模拟和数字模块，利用片上12位ADC采集电能存储电路部分输入电压、输入电流、输出电压、输出电流等信号，并实时记录到在电路板上安装的SD卡中。单片机可以根据输入电压和输入电流信号判定是否开始DC/DC电压转换；根据输出电压、输出电流可以判断锂电池的充电状态，并且根据所需的充电曲线通过片上12位DAC产生控制电压来控制DC/DC电压变换电路输出的电压。

Claims (4)

1.一种摆动式波浪发电装置，其特征在于：由机械部分和电路部分组成；

所述机械部分由浮体、机架、电机齿轮箱组合、悬挂系统、摆杆和摆锤组成；机架固定在浮体内，电机齿轮箱组合的定子与机架固联，电机齿轮箱组合的输出轴通过联轴器和悬挂系统与摆杆一端固联，摆杆另一端与摆锤固联，摆锤能够带动摆杆驱动电机齿轮箱组合的输出轴转动；

所述电路部分由蓄电池和储电电路组成；蓄电池和储电电路固定安装在浮体内；电机输出电能通过储电电路进行整流稳压及升压后，存储到蓄电池中。

2.根据权利要求1所述一种摆动式波浪发电装置，其特征在于：储电电路包括过压反向保护电路、储电电容、过压泄流兼电压监测电路、DC-DC转换电路、充电管理电路和主控模块；电机输出的电能输入过压反向保护电路，当过压反向保护电路的输入电压处于门限范围内时，过压反向保护电路接通储电电容，将电能输入储电电容中；储电电容存储的电能输入过压泄流兼电压监测电路，过压泄流兼电压监测电路检测储电电容输出的电压，并将电压信号输入主控模块，且当储电电容输出的电压高于门限值时，过压泄流兼电压监测电路进行泄流；过压泄流兼电压监测电路接DC-DC转换电路，DC-DC转换电路将输入的电压信号转换为稳定的直流电压后经过充电管理电路将电能输入蓄电池中。

3.根据权利要求2所述一种摆动式波浪发电装置，其特征在于：所述DC-DC转换电路采用SEPIC结构电路。

4.根据权利要求3所述一种摆动式波浪发电装置，其特征在于：所述主控模块根据过压泄流兼电压监测电路输入的电压信号控制DC-DC转换电路进行电压转换，当DC-DC转换电路的输入电压信号低于要求的输出电压时，DC-DC转换电路采用BOOST升压工作模式，当DC-DC转换电路的输入电压信号高于要求的输出电压时，DC-DC转换电路采用BUCK降压工作模式，当DC-DC转换电路的输入电压信号低于极限阈值时，主控模块切断充电电路，停止给电池充电。

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