CN104696151A - 自稳定磁耦合海浪发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自稳定磁耦合海浪发电装置。该发电装置包括运动转换单元和磁耦合发电单元。其中运动转换单元由垂直往复运动模块和水下稳定模块组成，将垂直往复运动转化为旋转运动，并传递动能至发电机转子；磁耦合发电单元包括防水转子、定子绕组和磁耦合器等，实现发电功能以及可靠的无线电能传输。本发明的水下装置相对稳定，所以可以将海浪导致的浮筒运动转换为转子的旋转运动；另外，本发明的磁耦合器和发电机定子绕组是一体封装的，与转子相互隔离，具有完全防水能力，避免了电器部件和接口受海水腐蚀而引发的故障。本发明装置可完全工作于海面以下，适用于需要灵活补充能量的各类水下运载器。

Description

自稳定磁耦合海浪发电装置

技术领域

本发明属于电力发电技术领域，涉及机械设计、电机学和电磁能量耦合方法。具体来说是将海浪的运动转化为浮筒的垂直往复运动，这种运动与稳定的水下装置形成速度差，于是带动曲轴转动。旋转的机械部件带动发电机工作，产生交流电。通过磁耦合器将电能耦合至船体内部，实现海浪发电功能。

背景技术

海洋能源是清洁能源，开发海洋资源的一个重要方向就是利用波能发电。按照波动的频率高低，可以将波能分为潮汐能和海浪能两类。

潮汐发电利用了涨潮落潮时存储的势能，推动水轮机旋转，带动发电机发电。它不需要传动系统，可靠性较高，缺点是需要沿海建造发电站，且建造地点受地形限制，能量采集方式不灵活。

海浪发电装置是利用物体在波浪作用下的升沉和摇摆运动，将波浪能转换为机械能的装置。主要代表有振荡水柱波能装置、摆式波能装置等。振荡水柱波能装置的传动机构不与海水接触，避免了海水的侵蚀，但是机械能转化效率较低；摆式波能装置包括点头鸭发电装置等，点头鸭面对着海浪传播的方向，随着海浪的波动，像不倒翁一样不停地来回摆动，凸轮利用摆动的能量，带动发电机发电。它的机械能转化效率高，且实施方案灵活，但是机械维护比较困难。

水下运载器要求灵活的水下能源补充方式，不受地域、时间（如涨潮落潮）以及海浪传播方向限制。所以传统的海浪发电，如潮汐发电、点头鸭发电等技术都不能很好地满足水下运载器的要求。考虑到不论是浅海还是深海海域中，不论海浪的方向如何，漂浮物体具有上下运动的共同特性。所以，有必要设计适应垂直往复运动的发电装置。进一步考虑到水下运载器的隐蔽性要求，发电装置需要能够在海面以下工作。而目前还没有海浪发电装置可以实现这一要求。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景实现，目的在于对海浪发电装置存在的问题加以研究，提出一种利用波浪能的磁耦合海浪发电装置。其新颖性在于设计了升降可调节浮筒，保证整个发电装置能够工作于海面以下；采用浮筒、空气弹簧和连杆等部件构成水下稳定模块，为整个系统提供了一个深度稳定的参考点，并将浮筒的垂直往复运动转化为发电机转子的旋转运动；设计了一体化的磁耦合器和发电机定子绕组，与转子相互隔离，具有完全的防水能力，避免了电气部件和接口受海水腐蚀而引发的故障。本发明能够为各类水下运载器提供灵活的电能补充，可以在不停靠母船或者港口的情况下补充能量，还可以在不露出海面的情况下补充电能。

根据隐蔽性的要求，整个发电装置必须能够工作在海面以下。为解决该问题，本发明在浮筒中加装了压载水舱、进水阀、排水阀以及空气压缩泵，使得浮筒具备升降可调节的功能。由于靠近海面的波浪能较大，海水深处相对平静，所以应该让浮筒漂浮在距离海面较近的空间。这样既能保证隐蔽性要求，又能有效地利用波浪能。

随着海浪的波动，浮筒开始上下浮动。安装在浮筒内部或者外部的机械蓄能部件也开始往复振动。目前广泛使用的发电机采用旋转的机械运动作为输入，所以部件的往复振动不能直接用来发电。为解决该问题，本发明设计了水下稳定模块。该模块由浮筒、空气弹簧和连杆上下连接而成，缓和浮筒的上下往复运动对整个系统下端的影响。同时，浮筒的上下往复运动推动曲轴连杆的运动。由于曲轴与相对静止的水下稳定单元连接，这样就形成了运动速度差，这种速度差可以转化浮筒的上下往复运动为曲轴的旋转运动。

另外，海水是导电率较高的介质，当电气部件和接口部分受到海水腐蚀后，整个发电系统就可能短路，进而瘫痪。传统的防水电机是采用密封机构阻断电机内部外部所有可能的缝隙，电机内部并没有防水能力，所以不能可靠地工作在海水深处。本发明的发电机防水转子和定子绕组是相互独立的两个部件，转子上有防水涂层保护，以延长它在海水中的使用寿命；定子绕组位于密闭的磁耦合器壳体内，壳体与水下稳定模块刚性连接，以保证定子绕组处于稳定的位置。所以防水转子和磁耦合器壳体之间的介质为海水，这一点与传统的防水电机完全不同。另外，磁耦合器壳体中还包括磁耦合器，与船体内部的磁耦合器共同构成无线的能量传输链路，可以避免电气部件和接口受海水腐蚀而引发的故障。

本发明的技术方案是：发电装置由两个部分组成，运动转换单元和磁耦合发电单元。运动转换单元由垂直往复运动模块和水下稳定模块组成。

垂直往复运动单元包括升降可调节浮筒、连杆和曲轴，功能是将往复运动转化为旋转运动。浮筒内部隔断成上中下三个空间。下部空间为压载水舱，压载水舱的下端为进水阀，上端为排水阀；中部空间安装空气压缩泵；上部较小空间安装控制器，控制空气压缩泵和进水排水阀的工作，并通过超声波的方式与水下运载器进行交互操纵。浮筒材料为高分子量聚乙烯，大小为500x500x500(mm)，承载受力300KG/m²。浮筒表面材料涂刷与海水颜色接近的蓝色涂料，达到隐蔽水下运载器的效果。

通过调整压载水的重量来调整浮筒所处的深度。开始进水时，控制器同时打开进水阀和排水阀，海水较快地进入压载水舱，舱内空气被压入中部空间；当压载水即将上涨到预定海水量时，控制器分段关闭排水阀，直至完全关闭；当压载水到达预定海水量时，控制器立刻关闭进水阀。开始排水时，控制器连接空气压缩泵的输出至排水阀，之后打开进水阀和排水阀，启动空气压缩泵工作；当压载水下降到预定海水量时，控制器关闭进水阀，之后关闭排水阀，停止空气压缩泵工作，并将压缩泵与排水阀之间的连接断开。

浮筒与连杆连接，连杆采用碳纤维材料，具有高的硬度和小的重量。连杆长度8m，其下端连接曲轴。曲轴输出端连接磁耦合发电单元的防水转子输入端，曲轴输出端的轴心连接水下稳定单元。工作开始时，连杆跟随浮筒一起做上下往复运动，带动曲轴旋转，工作半径为300mm。

水下稳定模块主要包括连杆、空气弹簧，功能是为整个发电装置提供相对稳定的参考点。空气弹簧中注入部分海水，并对弹簧的端板、法兰和活塞等进行防水涂层保护，弹簧行程略大于曲轴工作半径。由于目前国内没有适合弹簧行程的产品，本发明设计了三个空气弹簧串接的方式，单个空气弹簧的行程约为120mm，可以实现360mm的弹簧行程。当浮筒做上下往复运动时，水下稳定单元开始工作。当浮筒压缩空气弹簧时，弹簧刚度增加，弹簧的承载能力相应地增加。当浮筒拉伸空气弹簧时，弹簧的高度升高，其刚度减小，导致弹簧的承载能力减小。这样，空气弹簧可以有效地缓和浮筒的上下波动，保证整个水下稳定单元处于相对静止的状态。由于水下稳定单元的最底端保持相对的稳定，所以以该底端做水平参考面，并将其与曲轴输出端的轴心相连接。这样，浮筒的运动转化成为水下稳定单元与垂直往复运动单元之间的相对运动，最后转化为曲轴的旋转运动。

磁耦合发电单元包括防水转子、定子绕组、磁耦合器、磁耦合器壳体和船体连接件，实现机械能向电能转化以及无连接的能量传输。防水转子为圆筒状，圆筒内侧表面嵌入稀土钴永磁材料制成（1:5材料）的永磁体6条，转子内外表面都有防水涂层保护。转子的输入端连接曲轴的输出端。定子绕组为铜线绕制成的3对磁极，绕制在磁耦合器壳体内表面。磁耦合器壳体为圆柱状，位于防水转子圆筒的中心，壳体材料为高分子量聚乙烯。磁耦合器壳体外表面与防水转子内表面间距小于1cm。除封装定子绕组外，磁耦合器壳体内部还封装有磁耦合器。磁耦合器由电感线圈、电容和电阻构成，其中电感线圈安装在壳体的下端，以靠近船体内部的电感线圈。磁耦合器壳体下端连接船体连接件，保证磁耦合器壳体与船体可靠连接，也确保电感线圈之间可靠的磁场耦合。发电机额定功率为100W，输出电压28V。当曲轴开始旋转后，带动防水转子上的永磁体旋转。磁力线切割定子绕组的导体，所以旋转的机械能转化为电能。此时定子绕组输出交变电流，该电流通过磁耦合器产生交变磁场，交变磁场作用于船体内部的电感线圈，实现完整的发电过程。

本发明是单浮筒单发电机模式，通过增加浮筒和发电机，很容易扩展至多浮筒多发电机模式，以满足更大的电力需求。

本发明有益效果是，为各类水下运载器提供灵活的电能补充，可以在不停靠母船或者港口的情况下补充能量，还可以不露出海面补充电能，以提高运载器的隐蔽性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是运动转换单元结构示意图。

图2是磁耦合发电单元结构示意图。

图3是升降可调节浮筒及其工作原理图。

图中1.升降可调节浮筒，2. 连杆，3.曲轴，4. 空气弹簧，5. 活塞，6. 端板，7 .曲轴输出端，8. 防水转子，9. 稀土钴永磁体，10.定子绕组，11磁耦合器壳体，12. 磁耦合器，13. 船体连接件，14. 压载水舱，15. 进排气舱，16. 控制舱，17. 控制器，18. 超声波通信器，19. 进水阀，20. 排水阀，21. 空气压缩泵。

具体实施方式

在图1中，升降可调节浮筒（1）的下端与连杆（2）的刚性连接。由于海浪的波动，升降可调节浮筒（1）和连杆（2）做垂直往复运动；连杆（2）的下端与曲轴（3）相连；升降可调节浮筒（1）的下端与空气弹簧（4）的上端的活塞（5）连接；三个空气弹簧依次串接；最下方空气弹簧的端板（6）与曲轴输出端（7）的轴心刚性连接。这种连接方式，可以保证即使在升降可调节浮筒（1）上下运动的情况下，空气弹簧的端板（6）仍然保持相对稳定，所以曲轴输出端（7）的轴心相对稳定。这样，系统可以将连杆（2）的垂直往复运动转化为曲轴（3）的旋转运动。曲轴输出端（7）连接磁耦合发电单元的防水转子（8）输入端；防水转子（8）的内缘装嵌稀土钴永磁体（9）；定子绕组（10）被密封在磁耦合器壳体（11）中。曲轴输出端（7）带动防水转子（8）旋转，所以稀土钴永磁体（9）周围的磁场产生运动，运动的磁场与定子绕组（10）相互作用，产生电能。

在图2中，磁耦合器壳体（11）为圆柱状，位于防水转子（8）圆筒的中心；磁耦合器壳体（11）外表面与防水转子（8）内表面间距小于1cm；磁耦合器壳体（11）内部下端还安装有磁耦合器（12），磁耦合器（12）由电感线圈、电容和电阻组成。磁耦合器壳体（11）外部下端安装有船体连接件（13），可以保证磁耦合器发电单元可靠地固定在船体表面。定子绕组（10）输出交流电至磁耦合器，电流通过电感线圈产生交变磁场，该磁场作用于船体内部电感线圈，将电能无线地传递至船体内部。

在图3中，升降可调节浮筒分成三个空间，从下到上依次为，压载水舱（14）、进排气舱（15）和控制舱（16）；控制舱（16）内控制器（17）具有超声波通信器（18），可以与水下运载器交互操作，双向实箭头代表信号双向传递。控制器（17）可以分别控制进水阀（19）、排水阀（20）和空气压缩泵（21），单向实箭头代表单向控制。通过调整压载水的重量来调整浮筒所处的深度。进水阀（19）和排水阀（20）分别位于压载水舱（14）的底部和顶部。进水时，控制器（17）同时打开进水阀（19）和排水阀（20），海水较快地进入压载水舱（14），舱内空气被压入进排气舱（15）；当压载水即将上涨到预定海水量时，控制器（17）分段关闭排水阀（20），直至完全关闭；当压载水到达预定海水量时，控制器立刻关闭进水阀（19）。排水时，控制器（17）连接空气压缩泵（21）的输出至排水阀（20），之后打开进水阀（19）和排水阀（20），启动空气压缩泵（21）工作；当压载水下降到预定海水量时，控制器关闭进水阀（19），之后关闭排水阀（20），停止空气压缩泵（21）工作，并将压缩泵（21）与排水阀（20）之间的连接断开。

Claims (11)

1.一种自稳定磁耦合海浪发电装置，能够为各类水下运载器提供灵活的电能补充，可以在不停靠母船或者港口，并且不露出海面的情况下补充电能。

2.该发电装置包括运动转换单元和磁耦合发电单元。

3.设计了升降可调节浮筒（1），保证整个发电装置能够工作于海面以下；在升降可调节浮筒（1）下方安装空气弹簧（4）等部件构成水下稳定模块，将升降可调节浮筒（1）和连杆（2）的垂直往复运动转化为曲轴（3）的旋转运动；设计了一体化的发电机定子绕组（10）和磁耦合器（12），与防水转子（8）相互隔离，具有完全的防水能力，避免了电气部件和接口受海水腐蚀而引发的故障。

4.根据权利要求1所述的自稳定磁耦合海浪发电装置，其特征是：升降可调节浮筒（1）分成三个空间，从下到上依次为，压载水舱（14）、进排气舱（15）和控制舱（16）。

5.控制舱（16）内控制器（17）具有超声波通信器（18），可以与水下运载器交互操作。

6.控制器（17）控制进水阀（19）、排水阀（20）的开关时间以及空气压缩泵（21）的启动和停止，来调整压载水的重量，达到调整浮筒所处的海水深度的目的。

7.浮筒表面材料涂刷与海水颜色接近的蓝色涂料，达到隐蔽水下运载器的效果。

8.根据权利要求1所述的自稳定磁耦合海浪发电装置，其特征是：升降可调节浮筒（1）与三个空气弹簧（4）顺序连接，保证即使在升降可调节浮筒（1）上下运动的情况下，空气弹簧的端板（6）仍然保持相对稳定，也即曲轴（3）的轴心相对稳定。

9.这样，垂直往复运动模块与水下稳定模块之间的相对运动最终可以转化为曲轴（3）的旋转运动。

10.根据权利要求1所述的自稳定磁耦合海浪发电装置，其特征是：防水转子（8）的内缘装嵌稀土钴永磁体（9）；定子绕组（10）被密封在磁耦合器壳体（11）中；磁耦合器壳体（11）为圆柱状，位于防水转子（8）圆筒的中心；磁耦合器壳体（11）外表面与防水转子（8）内表面间距小于1cm；磁耦合器壳体（11）内部下端安装有磁耦合器（12）。

11.磁耦合器壳体（11）外部下端安装有船体连接件（13），以保证磁耦合器壳体（11）与船体可靠连接以及电感线圈之间可靠的磁场耦合。