CN105114239A - 一种基于直线发电机的可控姿态波浪发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于直线发电机的可控姿态波浪发电装置，属于波浪能发电技术领域。该发电装置包括竖直设置的第一发电机构，所述第一发电机构包括第一浮筒、浮端、第一直线发电机、定子导向板、导向轴、阻尼板连接、轴套、第一导轨，通过二级能量转化，将波浪能转化为机械能后再转化为电能。本发明通过设置浮端和浮筒，浮筒和浮端随波浪上下起伏运动进而带动第一直线发电机的第一动子作上下起伏运动时，进而实现将波浪能转化机械能后再转化成电能，仅为能量的两级转化，提高了波浪能的利用效率；同时，设置第一导轨，使第一动子和第一定子按最佳气隙相对运动，降低了波浪能的振动损耗，提高了抗震性，延长了其使用寿命。

Description

一种基于直线发电机的可控姿态波浪发电装置

技术领域

本发明涉及波浪能发电技术领域，具体涉及一种基于直线发电机的可控姿态波浪发电装置。

背景技术

波浪能发电是以波浪的能量为动力生产电能，而海洋蕴藏着巨大的能量，如何将海洋蕴含的能量转换给人类造福成为近些年研究的主要课题之一。目前，世界各国相继研究出能够实用的波浪能发电装置，一些欧美国家甚至已经付诸于现实。这些波浪能发电装置虽然能够将波浪能转化成机械能，进而转换成电能，但是这些波浪能发电装置结构不合理、波浪能振动损耗大、波浪能利用效率低、抗震性低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种基于直线发电机的可控姿态波浪发电装置，解决了现有技术中波浪能发电装置结构不合理、波浪能振动损耗大、波浪能利用效率低、抗震性低的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于直线发电机的可控姿态波浪发电装置，包括竖直设置的第一发电机构，所述第一发电机构包括，

竖直设置、且内部中空的第一浮筒，所述第一浮筒包括筒体、筒盖和筒底，所述筒体两端分别与筒盖和筒底密封连接；

设于所述浮筒上方且与所述筒盖固定连接的浮端；

设于所述第一浮筒内的第一直线发电机，所述第一直线发电机包括第一动子和第一定子，所述第一动子上端固定于所述筒盖上，所述第一定子下端固定于一定子导向板上；

一导向轴，所述导向轴一端与定子导向板固定连接、另一端穿过所述筒底与一阻尼板连接；

滑动、气密套设于所述导向轴上的轴套，所述轴套固定镶嵌于所述筒底上，使所述浮筒能够相对导向轴上下运动；

一端固定于所述筒底上的第一导轨，所述第一导轨另一端穿过所述定子导向板，使所述定子导向板能够相对第一导轨上下运动。

优选的，所述可控姿态波浪发电装置还包括与第一发电机构柔性连接且水平设置的第二发电机构，所述第二发电机构包括水平设置、内部中空的第二浮筒和设于所述第二浮筒内的第二直线发电机，第二直线发电机包括第二定子和第二动子，所述第二定子相对第二浮筒固定设置，第二动子与第二浮筒滑动连接，使第二动子能相对浮筒作左右往返运动。

优选的，所述第一发电机构还包括一套设于所述第一导轨上的弹簧，所述弹簧一端与定子导向板固定连接、另一端与筒底固定连接。

优选的，所述浮端外径大于浮筒外径，使所述第一发电机构整体呈伞状。

优选的，所述浮端靠经外缘均匀设有多个竖直设置的浮孔。

优选的，所述第二浮筒外侧壁在水平方向上向外延伸形成相对所述第二浮筒中轴线对称的浮翼，所述浮翼在第二浮筒中轴线延伸方向上至少为两对。

优选的，所述第一浮筒外壁上均匀设有多个竖直设置的导槽，所述导槽内设有第二导轨，所述第二导轨上套设有滑块，所述滑块能够在所述是导槽内相对导轨上下滑动。

优选的，所述发电装置还包括一均与所述第一直线发电机和第二直线发电机连接的整流器和一与所述整流器连接的蓄电池，所述整流器和蓄电池均设于所述浮端内。

优选的，所述整流器包括RC低通滤波电路、桥式整流电路、三端稳压管，所述RC低通滤波电路的输入端分别与第一直线发电机和第二直线发电机的输出端连接、输出端与桥式整流电路的输入端连接，所述桥式整流电路的输出端与三端稳压管的输入端连接，所述三端稳压管的输出端与蓄电池连接。

本发明通过设置浮端和浮筒，浮筒随波浪上下起伏运动进而带动第一直线发电机的第一动子上下运动，而第一发电机的第一定子则通过导向轴与阻尼板连接，由于阻尼板产生的浮力与第一定子形成平衡，使第一定子不受波浪影响而悬浮固定于水中，当浮筒带动第一动子作上下起伏运动时，第一动子和第一定子作相对运动，将波浪能转化机械能后再转化成电能，仅为能量的两级转化，提高了波浪能的利用效率；同时，设置第一导轨，使第一动子和第一定子按最佳气隙相对运动，降低了波浪能的振动损耗，提高了抗震性，延长了其使用寿命。

附图说明

图1是本发明的基于直线发电机的可控姿态波浪发电装置的连接结构示意图。

图2是本发明的图1的俯视图。

图3是本发明的图1的第一发电机构的A-A向视图。

图4是本发明的图1的第一发电机构的B-B向视图。

图5是本发明的图1的第一发电机构的C-C向视图。

图6是本发明的整流器的整流电路图。

图7是本发明的第一发电机构的简化数学模型图。

图8是本发明的第一发电机构的输出功率与弹簧劲度系数、等效阻尼系数的函数关系图。

图9是本发明的第一发电机构的一级转换效率与弹簧劲度系数、等效阻尼系数的函数关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例提供一种基于直线发电机的可控姿态波浪发电装置，如图1~5所示，包括竖直设置的第一发电机构1，所述第一发电机构1包括，

竖直设置、内部中空的第一浮筒101，所述第一浮筒101包括一筒体1011、筒盖1012和筒底1013，所述筒体1011两端分别与筒盖1012和筒底1013密封连接；

设于所述浮筒101上方且与所述筒盖1012固定连接的浮端102；

设于所述第一浮筒101内的第一直线发电机103，所述第一直线发电机103包括第一动子1031和第一定子1032，所述第一动子1031上端固定于所述筒盖1012上，所述第一定子1032下端固定于一定子导向板104上；

一导向轴105，所述导向轴105一端与定子导向板104固定连接、另一端穿过所述筒底1013与一阻尼板106连接；

滑动、气密套设于所述导向轴105上的轴套107，所述轴套107固定镶嵌于所述筒底1013上，使所述浮筒101能够相对导向轴105上下运动；

一端固定于所述筒底1013上的第一导轨108，所述第一导轨108另一端穿过所述定子导向板104，使所述定子导向板104能够相对第一导轨108上下运动。

本发明通过设置浮端102、浮筒101、阻尼板106，使第一发电机构1能够在水中呈竖直状态，浮筒101随波浪上下起伏运动进而带动第一直线发电机103的第一动子1031上下运动，而第一直线发电机103的第一定子1032则通过导向轴105与阻尼板106连接，由于阻尼板106产生的浮力与第一定子1032形成平衡，使第一定子1032不受波浪影响而悬浮固定于水中，当浮筒101带动第一动子1031作上下起伏运动时，第一动子1031和第一定子1032作相对运动，将波浪能转化机械能后再转化成电能，仅为能量的两级转化，提高了波浪能的利用效率；同时，设置第一导轨108，使第一动子1031和第一定子1032按最佳气隙相对运动，降低了波浪能的振动损耗，提高了抗震性，延长了其使用寿命。

具体的，本实施例的浮端102采用密度较小的轻质材料制成，能够使浮筒102和第一动子1031随波浪起伏而上下运动，而浮筒101内部的第一定子1032由于受到阻尼板106的惯性作用而与第一动子1031产生相对运动，使第一动子1031上的线圈切割第一定子上永磁体产生的磁感线，实现波浪能、机械能、电能的两级转化，减少了能量传递环节，降低了能量损耗，提高了能量的利用率。

本实施例为了保证第一导轨108的效果，使第一定子1032仅仅在竖直平面沿第一导轨108上下运动，减少其在水平面内的振动，第一导轨108设置为至少两个，所述第一导轨108相对定子导向板104中轴线对称设置或相对定子导向板104均匀布置，本实施例第一导轨108采用的是四个。

进一步的，所述可控姿态波浪发电装置还包括与第一发电机构1柔性连接且水平设置的第二发电机构2，所述第二发电机构2包括水平设置、内部中空的第二浮筒201和设于所述第二浮筒201内的第二直线发电机，第二直线发电机包括第二定子和第二动子，所述第二定子相对第二浮筒固定设置，第二动子与第二浮筒滑动连接，使第二动子能相对浮筒作左右往返运动。

第二发电机构2与第一发电机构1的结构基本相同，其不同之处在于，第二动子相对第二浮筒滑动连接，第二定子相对第二浮筒固定设置，具体工作时，由于第二浮筒为水平设置，其一端会随波浪起伏，另一端受到惯性或波浪能的影响而停留原位置，即第二浮筒一端靠近波浪的波峰、另一端靠近波浪的波谷，使第二浮筒产生倾斜，第二动子受到重力作用向靠近波谷一端运动，而随着波浪的移动，第二浮筒两端所处的波峰、波谷位置交替进行，第二动子在重力作用下交替向第二浮筒两端作往返运动，使第二动子上的线圈切割第二定子上的永磁体产生的磁感线。也可在第二动子上设置永磁体、第二定子上设置线圈，其同样可达到线圈切割磁感线的目的。

由于第二浮筒201为水平设置，所述第二浮筒201外侧壁在水平方向上向外延伸形成相对所述第二浮筒201中轴线对称的浮翼202，所述浮翼202在第二浮筒201中轴线延伸方向上至少为两对，本实施例采用的为两对，且分别靠经第二浮筒201两端设置。本实施例的第二浮筒201设置为长胶囊状，减少了第二浮筒201在随波浪起伏过程中的能量损失，而两端的浮翼202则使第二浮筒2012更好的随波浪起伏而左右震荡，提高了对波浪能的吸收效率。

本实施例采用的第二发电机构2为四个，具体使用时可根据需求设置第二发电机构2的数量，第一发电机构1和第二发电机构2由于处于波浪的不同位置，尤其是波浪振幅较大时，第一发电机构1和第二发电机构2会产生较大的相互作用力，该作用力与波浪的作用力相反，容易导致波浪能的损耗，故第一发电机构1和第二发电机构2采用防水材料制备的柔性绳连接。

进一步的，所述第一发电机构1还包括一套设于所述第一导轨108上的弹簧109，所述弹簧109一端与定子导向板104固定连接、另一端与筒底1013固定连接，弹簧109可一定程度的储存第一定子1032和第一动子1031相对运动产生的机械能，并周期性的释放，提高第一定子1032和第一动子1031相对运动频率与波浪频率变化的适应性，提高发电装置对波浪能的利用率。具体的，由于定子导向板104带动第一定子1032相对第一导轨108上下运动，为了减少定子导向板104在水平面内的振动而导致波浪能利用率的降低，减少定子导向板104与第一导轨108之间的摩擦，延长第一发电机构1的使用寿命，在定子导向板104上固定镶嵌有导轨套110，所述导轨套110滑动套设于所述第一导轨108上，导轨套110能够相对第一导轨108上下滑动，而弹簧109可一端与导轨套110连接、另一端与筒底1013连接。

本实施例所述浮端102外径大于浮筒101外径，使所述第一发电机构1整体呈伞状，浮端102和浮筒101整体形成一浮子，通过浮端102的设置，提高浮子受到的波浪的起伏力，保证浮子能够随波浪具有较大的起伏，使浮子的振幅接近波浪的振幅，提高发电装置对波浪能的利用。

而为了进一步的提高浮子对波浪频率变化的适应性，所述浮端102靠经外缘均匀设有多个竖直设置的浮孔1021，当波浪从浮端102下方向上穿过浮孔1021时，给浮端102提供向上的外力，从而使浮子1021更快的随波浪起伏，反之亦然。

为了提高本实施例的发电装置的抗风浪性，防止浮子运动振幅过大，使浮底1013受到阻尼板106产生较大的拉扯力或顶压力，故所述第一浮筒101外壁上均匀设有多个竖直设置的导槽1014，所述导槽1014内设有第二导轨111，所述第二导轨111上套设有滑块112，所述滑块112能够在所述是导槽1014内相对导轨111上下滑动，当浮子随波浪相上运动时，受到滑块112向下的重力影响，使浮子受到向下的力，降低了浮子向上运动的距离，反之向下亦然，即滑块112降低了浮子的上下运动的振幅，同时也可使第一发电机构1更好的随波浪上下起伏运动，保证第一发电机构1与波浪的具有相同或接近的频率，从而使第一发电机构1具有更好的抗风浪性，提高了本发电装置的使用寿命。而且，第一发电机构1的起伏频率越接近波浪的频率，其对波浪能利用率越高。

进一步的，所述发电装置还包括一均与所述第一直线发电机和第二直线发电机连接的整流器3和一与所述整流器连接的蓄电池4，所述整流器3和蓄电池4均设于所述浮端102内。具体设计时，浮端102可通过一外接电线，该外接电线与整流器3连接，将本发电装置发的电直接输送供电，当供电需求较小时，可将发电装置发电储存入蓄电池内，以供需要的时候使用。

如图6所示，本实施例采用的整流器3包括RC低通滤波电路、桥式整流电路、三端稳压管，所述RC低通滤波电路的输入端分别与第一直线发电机和第二直线发电机的输出端连接、输出端与桥式整流电路的输入端连接，所述桥式整流电路的输出端与三端稳压管的输入端连接，所述三端稳压管的输出端与蓄电池4连接。

具体的，第一直线发电机103和第二直线发电机输出的电能首先经过RC低通滤波电路，滤去高次谐波，减小对基波幅值的影响，再经过桥式整流电路整流，并用LM7808KC三端稳压管进行稳压输出，可以直接为用电设备供电或对蓄电池充电储能。

由于波浪运动的随机性，普通发电装置发出的是不稳定的交流电，不能直接给用电设备供电，而本实施例的发电装置经过滤波、整流和稳压，变成稳定的直流电，可直接为用电设备供电或者储存于装置内部的蓄电池中，也可实现多台发电装置的并联集成供电。

如图3~5所示，本实施例的第一动子1031为多组绕线板1033，绕线板1033上设置多组线圈，绕线板1033为四对，分别相对筒盖1012上、下、左、右对称设置，每对绕线板1033包括前后平行设置的两个绕线板1033，定子导向板104上第二定子1032包括与绕线板1033相配合设置的多组永磁体1034，每个绕线板1033对应一组永磁体103.4，每组永磁体1034包括南北磁极。

下面是本实施例的发电装置的模拟计算原理：

首先，可以将第一发电机构整体简化为一个二阶系统，具体数学模型请参阅图7，根据牛顿第二定律，该二阶系统的运动方程如下：

上述式中，

m₁为第一定子、定子导向板、导向轴、阻尼板的总质量和；

m₂为第一动子、整流器、蓄电池、第一导轨、浮子的总质量和；

x₁表示第一定子位移，x₂表示第一动子位移；

x₁(t)表示第一定子位移随时间的变化关系，x₂(t)表示第一动子位移随时间的变化关系；

k为弹簧的劲度系数，c为第一动子和第一定子之间的等效阻尼系数；

本实施例的等效阻尼系数反映的是发电装置将波浪能转换为电能的能力，它与磁场强度、线圈长度和导线电阻率相关。

根据线性理论，波浪力可以写为：

于是可以得到第一动子与第一定子相对运动位移函数：

式中：

A₁为定子振幅，A₂为动子振幅，ω为角速度，、β均为相位角。

稳定工作时，可取：x（t）=-Asin（），于是第一发电机构将波浪能转换为电能的功率计算式为：。

同时，通过上述计算公式可知，本实施例的第一发电机构的输出功率与弹簧劲度系数、等效阻尼系数的函数关系图，具体见图8所示，所述图8中的纵坐标为第一发电机构的输出功率，横坐标为等效阻尼系数，其中：k1=40，k2=50，k3=60，k4=70，k5=80，k6=90，k7=100，单位N/m。

为了便于计算，本实施例采用以下表1数据，表1数据仅仅本实施例用于计算的具体实施方式，并不是对本实施例的限制。

表1

依照本实施例的设计，参数选取为：波浪周期T＝4.0s，波浪平均波高H＝0.55m，m₁＝30kg，m₂＝10kg,k＝45N/m，带入以上数据计算可得，算出第一发电机构最大输出功率为P_max＝73.89W。

(1)波浪能计算：

单位面积内波浪的总能量为： $\stackrel{\‾}{E}=\stackrel{\‾}{E_k}+\stackrel{\‾}{E_p}=\frac{1}{8}{\mathrm{\ρgH}}^2=441.0W/m^2;$

单个第一发电机构接收波浪能量：其中D为浮端的直径。

（2）发电效率分析

第一发电机构的一级转换效率的最大效率为：。

而通过第一发电机构的输出功率公式和一级转换效率计算公式可知，本实施例的第一发电机构的一级转换效率与弹簧劲度系数、等效阻尼系数的函数关系图，具体请参阅图9，所述图9中的纵坐标为第一发电机构的一级转换效率，横坐标为等效阻尼系数，其中：k11=210，k12=240，k13=270，k14=300，k15=330，k16=360，k17=390，单位N/m。

第一发电机构的能量转换效率主要取决于波浪能至机械能的一级转换效率和机械能至电能的二级转换效率的乘积，总效率为：。对于已有的直线发电机，效率已经可以达到90%以上，而本实施例的第一直线发电机也可达到90%以上，即第一发电机构的能量转换总效率最大值为31.7%，这相对现有技术的能量转换总效率具有明显提高。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于直线发电机的可控姿态波浪发电装置，其特征在于，包括竖直设置的第一发电机构，所述第一发电机构包括，竖直设置、且内部中空的第一浮筒，所述第一浮筒包括筒体、筒盖和筒底，所述筒体两端分别与筒盖和筒底密封连接；

设于所述浮筒上方且与所述筒盖固定连接的浮端；

设于所述第一浮筒内的第一直线发电机，所述第一直线发电机包括第一动子和第一定子，所述第一动子上端固定于所述筒盖上，所述第一定子下端固定于一定子导向板上；

一导向轴，所述导向轴一端与定子导向板固定连接、另一端穿过所述筒底与一阻尼板连接；

滑动、气密套设于所述导向轴上的轴套，所述轴套固定镶嵌于所述筒底上，使所述浮筒能够相对导向轴上下运动；

一端固定于所述筒底上的第一导轨，所述第一导轨另一端穿过所述定子导向板，使所述定子导向板能够相对第一导轨上下运动。

2.根据权利要求1所述的可控姿态波浪发电装置，其特征在于，所述可控姿态波浪发电装置还包括与第一发电机构柔性连接且水平设置的第二发电机构，所述第二发电机构包括水平设置、内部中空的第二浮筒和设于所述第二浮筒内的第二直线发电机，第二直线发电机包括第二定子和第二动子，所述第二定子相对第二浮筒固定设置，第二动子与第二浮筒滑动连接，使第二动子能相对浮筒作左右往返运动。

3.根据权利要求2所述的可控姿态波浪发电装置，其特征在于，所述第一发电机构还包括一套设于所述第一导轨上的弹簧，所述弹簧一端与定子导向板固定连接、另一端与筒底固定连接。

4.根据权利要求3所述的可控姿态波浪发电装置，其特征在于，所述浮端外径大于浮筒外径，使所述第一发电机构整体呈伞状。

5.根据权利要求4所述的可控姿态波浪发电装置，其特征在于，所述浮端靠经外缘均匀设有多个竖直设置的浮孔。

6.根据权利要求5所述的可控姿态波浪发电装置，其特征在于，所述第二浮筒外侧壁在水平方向上向外延伸形成相对所述第二浮筒中轴线对称的浮翼，所述浮翼在第二浮筒中轴线延伸方向上至少为两对。

7.根据权利要求6所述的可控姿态波浪发电装置，其特征在于，所述第一浮筒外壁上均匀设有多个竖直设置的导槽，所述导槽内设有第二导轨，所述第二导轨上套设有滑块，所述滑块能够在所述是导槽内相对导轨上下滑动。

8.根据权利要求7所述的可控姿态波浪发电装置，其特征在于，所述发电装置还包括一均与所述第一直线发电机和第二直线发电机连接的整流器和一与所述整流器连接的蓄电池，所述整流器和蓄电池均设于所述浮端内。

9.根据权利要求8所述的可控姿态波浪发电装置，其特征在于，所述整流器包括RC低通滤波电路、桥式整流电路、三端稳压管，所述RC低通滤波电路的输入端分别与第一直线发电机和第二直线发电机的输出端连接、输出端与桥式整流电路的输入端连接，所述桥式整流电路的输出端与三端稳压管的输入端连接，所述三端稳压管的输出端与蓄电池连接。