CN105484933B - 一种振荡浮子式波浪发电模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种振荡浮子式波浪发电模拟装置，包括波浪机械模拟装置、振荡浮子发电模拟装置，波浪机械模拟装置包括电源、水平试验架、变频电动机、传动轴，传动轴的一端通过联轴器及减速箱连接变频电动机输出轴，所述的振荡浮子发电模拟装置包括竖直实验架、曲柄滑块机构、波浪能捕获装置及直线发电整流装置，曲柄滑块机构连接所述传动轴另一端，用于将传动轴的旋转运动转换后推动波浪能捕获装置作上下直线运动，继而驱动直线发电整流装置上下起伏运动进行发电、整流和储电。本发明通过曲柄滑块机构把变频电动机的扭矩转化为大小随着时间呈正弦波变化的垂直向上或向下的力，模拟波浪力，结构简单、成本低、占地小，维修方便，经济可靠。

Description

一种振荡浮子式波浪发电模拟装置
技术领域
本发明属于新型可再生能源技术和海洋装备领域，具体为一种振荡浮子式波浪发电模拟装置。
背景技术
海洋总面积有3·61亿km2,约占全球总面积的71％,海洋储水量约为全球总水量的97％,太阳恩赐给地球的热能,大部分都被海水吸收和储存,因此,海洋是最大的太阳能收集器,海水中的海洋能蕴藏量也就十分巨大。近年来，随着科技进步和能源短缺的加剧，波浪能这种取之不尽用之不竭的清洁绿色能源的开发利用也从“幕后”走向“台前”，并已初具商业化趋势。
我国根据目前国内外波浪能现有技术基础以及优缺点，又提出了一种新的波浪能发电装置振荡浮子式波浪能发电装置，它的效率更高、建造难度和成本更低、抗台风能力更强，为此关于振荡浮子式波浪发电的实验逐渐占领主流。但是目前海洋波浪发电实验中，大多采用造浪室进行制造波浪，用来模拟海洋波浪，虽然相似度极高，但是其成本高，占用空间大，维修困难，难以达到可靠经济的实验目的。
发明内容
本发明的目的是针对目前海洋波浪发电实验装置存在的不足之处，提出的经济可行的一种振荡浮子式波浪发电模拟装置。
本发明通过以下的技术方案实现的：
一种振荡浮子式波浪发电模拟装置，包括波浪机械模拟装置、振荡浮子发电模拟装置，
所述波浪机械模拟装置包括电源、水平试验架、设置在所述水平试验架上的变频电动机、通过轴承架转动设置在所述平试验架上的传动轴，所述传动轴的一端通过联轴器及减速箱连接变频电动机输出轴，由电源对变频电动机进行供电，并通过减速箱和变频器进行速度调节，使其旋转频率与海洋波浪的频率匹配；
所述的振荡浮子发电模拟装置包括竖直实验架、由上而下驱动连接的曲柄滑块机构、波浪能捕获装置及直线发电整流装置，所述曲柄滑块机构连接所述传动轴另一端，用于将传动轴的旋转运动转换后推动波浪能捕获装置作上下直线运动，继而通过一弹性连接件驱动直线发电整流装置模拟浮子随波浪的上下起伏运动进行发电、整流和储电。
进一步地，曲柄滑块机构包括曲柄、摇杆、竖直设置在竖直实验架上的导轨、沿导轨上下滑动的滑块，所述曲柄的一端连接传动轴，另一端连接摇杆的一端相连，所述摇杆的另一端通过销轴与滑块活动连接，传动轴旋转时，曲柄和摇杆带动滑块沿导轨做往复直线运动，曲柄的长度就是模拟海洋波浪的高度，滑块的移动的最大位移为波浪的峰峰值，即为曲柄长度的两倍。
进一步地，所述曲柄上沿轴线设有多个连接摇杆的定位孔，以适应和模拟不同波浪幅值的变化。
进一步地，所述的波浪能捕获装置包括平行地竖直设置在竖直实验架上的双杆导轨、沿所述双杆导轨上下滑动的质量块，所述质量块通过弹性连接件连接曲柄滑块机构的滑块，双杆导轨的目的是使质量块只做垂直方向的运动，防止偏振的发生。
进一步地，所述的弹性连接件为弹簧。
进一步地，所述的双杆导轨的上下端通过导轨定位块固定在竖直实验架上。
进一步地，所述的直线发电整流装置包括永磁直线发电机、整流器和蓄电池，所述永磁直线发电机的动子连接于质量块的底部，与质量块一起做上下直线运动，所述永磁直线发电机定子固定在实验架上，所述直线发电机动子与定子的相对运动产生电能，电能通过整流器整流后给蓄电池充电。
与现有的波浪发电实验装置相比，本发明具有如下优点和技术效果：
(1)所述海洋波浪模拟装置是用机械装置对实际海洋波浪的动力特性进行模拟，大大节省了造浪池所需的成本和空间。实际海洋波浪能对振荡浮子的作用力大小可以用随时间变化的正弦波表示，取垂直方向为有效运动，忽略海洋波浪能其他方向的运动。波浪机械模拟装置由电源、变频电动机、减速箱等组成，由电源对变频电动机进行供电，并通过减速箱和变频器进行速度调节，使其旋转频率与海洋波浪的频率一致。
(2)所述曲柄滑块机构主要是把变频电动机的旋转运动转化为随着时间呈正弦波变化的垂直直线运动。曲柄滑块机构由曲柄、摇杆、滑块以及导轨组成，曲柄上设有多个定位孔，以适应不同波浪幅值的变化。曲柄一端与变频电机传动轴相连，另一端与摇杆相连。滑块通过销轴与摇杆连接。传动轴旋转时，曲柄做匀角速圆周运动，摇杆做复杂的平面运动，滑块沿导轨做往复直线运动。变频电机传动轴到曲柄定位孔的长度就是模拟海洋波浪的高度，滑块的移动的最大位移为波浪的峰峰值，即为该长度的两倍。
(3)所述波浪能捕获装置和直线发电整流装置是对振荡浮子的模拟。波浪能捕获装置捕获波浪能后，由直线发电整流装置进行发电和储存。通过整流器调节直线发电机的阻尼，进而影响浮子的固有振动频率，使其与波浪的振动频率一致，通过共振达到获取最大波浪能的目的。
附图说明
图1本发明的实施例的振荡浮子式波浪发电模拟装置原理示意图。
图2本发明实施例的振荡浮子式波浪发电模拟装置整体结构示意图。
图3曲柄滑块的工作原理示意图。
图4曲柄滑块的机械特性示意图。
图示：1-波浪机械模拟装置，11-变频电动机，12-曲柄，13-摇杆，14-滑块，15-联轴器，16-传动轴，17-轴承架，18-导轨，19--水平试验架，2-振荡浮子发电模拟装置，21-弹簧，22-质量块，23-双杆导轨，24-导轨定位块，25-竖直实验架。
具体实施方式
以下结合附图对本发明装置作进一步说明，但本发明装置的实施和保护范围不限于此。
如图1和图2所示，一种振荡浮子式波浪发电模拟装置，包括波浪机械模拟装置1、振荡浮子发电模拟装置2，
所述波浪机械模拟装置1包括电源、水平试验架19、设置在所述水平试验架19上的变频电动机11、通过轴承架转动设置在所述平试验架19上的传动轴16，所述传动轴16的一端通过联轴器15及减速箱连接变频电动机11输出轴，由电源对变频电动机11提供电源，并通过减速箱和变频器进行速度调节，如使用PWM控制器进行电机转速调节，使其旋转频率与海洋波浪的频率一致，周期为2秒～6秒。
所述的振荡浮子发电模拟装置2包括竖直实验架25、由上而下驱动连接的曲柄滑块机构、波浪能捕获装置及直线发电整流装置，所述曲柄滑块机构连接所述传动轴16另一端，用于将传动轴16的旋转运动转换后推动波浪能捕获装置作上下直线运动，继而通过一弹性连接件21驱动直线发电整流装置模拟浮子随波浪的上下起伏运动进行发电、整流和储电，所述的弹性连接件21为弹簧。
具体而言，所述曲柄滑块机构包括曲柄12、摇杆13、竖直设置在竖直实验架25上的导轨18、沿导轨18上下滑动的滑块14、，所述曲柄12的一端连接传动轴16，另一端连接摇杆13的一端相连，所述摇杆13的另一端通过销轴与滑块14活动连接，所述曲柄12上沿轴线设有多个连接摇杆13的定位孔，传动轴16旋转时，曲柄12和摇杆13带动滑块14沿导轨18做往复直线运动，曲柄12的长度就是模拟海洋波浪的高度，滑块14的移动的最大位移为波浪的峰峰值，即为曲柄5长度的二倍。
具体而言，所述的波浪能捕获装置包括平行地竖直设置在竖直实验架25上的双杆导轨24、沿所述双杆导轨24上下滑动的质量块22，所述质量块22通过弹簧连接于曲柄滑块机构的滑块14下方，所述的双杆导轨24的上下端通过导轨定位块24固定在竖直实验架25上。
具体而言，所述的直线发电整流装置包括永磁直线发电机、整流器和蓄电池，所述永磁直线发电机的动子连接于质量块22的底部，与质量块22一起做上下直线运动，所述永磁直线发电机定子固定在实验架25上，所述永磁直线发电机动子与定子的相对运动产生电能，电能通过整流器整流后给蓄电池充电，通过PWM控制器调节整流器而调节永磁直线发电机的阻尼，进而调节浮子固有频率。
如图1的原理图所示，传统的波浪能发电实验均采用造浪室制造波浪，但是这种方法不仅占用空间大，而且成本巨大，不利于波浪能发电实验的普及与发展。本实施例通过机械装置模拟波浪能对浮子的作用力，节省了空间和成本。波浪能对浮子的有效作用力是垂直方向上的力，且其位移和大小随着时间呈正弦波变化，本实施例通过曲柄滑块机构把变频电动机的扭矩转化为大小随着时间呈正弦波变化的力，且其方向为垂直向上或向下，达到对波浪力模拟的目的。波浪能捕获装置通过共振获取最大波浪力，通过永磁体直线发电机进行发电，发出的电能经过整流器整流后给蓄电池充电。
图3给出了曲柄滑块机构的工作原理。曲柄滑块机构主要是把变频电动机的扭矩转化为大小随着时间呈正弦波变化的力，且其方向为垂直向上或向下。曲柄滑块机构由曲柄12，摇杆13，滑块14以及导轨18组成，曲柄12上设有很多定位孔，以方便模拟海洋波浪幅值的变化。曲柄12一端与电机传动轴16相连，另一端与摇杆13相连。滑块14通过销轴与摇杆13连接。传动轴16以角速度ω旋转时，曲柄12做角速度为ω的圆周运动，且半径为r。摇杆13做复杂的平面运动，滑块14沿导轨18做往复直线运动。电机传动轴到曲柄定位孔的长度r就是模拟海洋波浪的高度，滑块14的移动的最大位移L为波浪的峰峰值，即为r的两倍。
图4为曲柄滑块机构的机械特性图，代表着滑块14的输出特性。由图可知滑块14的位移L与角度α为正弦关系，而角度α为变频电动机11的角速度与时间的乘积，即α＝ωt。由此可知可用滑块14的位移代替波浪能的位移。
本实施例通过曲柄滑块机构把变频电动机的扭矩转化为大小随着时间呈正弦波变化的力，且其方向为垂直向上或向下，达到对波浪力模拟的目的，结构简单、成本低、占用空间小，维修方便，经济可靠。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种振荡浮子式波浪发电模拟装置，其特征在于：包括波浪机械模拟装置(1)、振荡浮子发电模拟装置(2)，
所述波浪机械模拟装置(1)包括电源、水平试验架(19)、设置在所述水平试验架(19)上的变频电动机(11)、通过轴承架转动设置在所述水平试验架(19)上的传动轴(16)，所述传动轴(16)的一端通过联轴器(15)及减速箱连接变频电动机(11)输出轴；
所述的振荡浮子发电模拟装置(2)包括竖直实验架(25)、由上而下驱动连接的曲柄滑块机构、波浪能捕获装置及直线发电整流装置，所述曲柄滑块机构连接所述传动轴(16)另一端，用于将传动轴(16)的旋转运动转换后推动波浪能捕获装置作上下直线运动，继而通过一弹性连接件(21)驱动直线发电整流装置模拟浮子随波浪的上下起伏运动进行发电、整流和储电；
曲柄滑块机构包括曲柄(12)、摇杆(13)、竖直设置在竖直实验架(25)上的导轨(18)、沿导轨(18)上下滑动的滑块(14)，所述曲柄(12)的一端连接传动轴(16)，另一端连接摇杆(13)的一端，所述摇杆(13)的另一端通过销轴与滑块(14)活动连接；
所述的波浪能捕获装置包括平行地竖直设置在竖直实验架(25)上的双杆导轨(24)、沿所述双杆导轨(24)上下滑动的质量块(22)，所述质量块(22)通过弹性连接件(21)连接曲柄滑块机构的滑块(14)；
所述的直线发电整流装置包括永磁直线发电机、整流器和蓄电池，所述永磁直线发电机的动子连接于质量块(22)的底部，与质量块(22)一起做上下直线运动，所述永磁直线发电机定子固定在竖直实验架(25)上，所述直线发电机动子与定子的相对运动产生电能，电能通过整流器整流后给蓄电池充电，通过调节整流器而调节永磁直线发电机的阻尼，进而调节浮子固有频率，使其与模拟的波浪的振动频率一致，通过共振获取最大波浪能；所述的弹性连接件(21)为弹簧。
2.根据权利要求1所述的一种振荡浮子式波浪发电模拟装置，其特征在于：所述曲柄(12)上沿轴线设有多个连接摇杆(13)的定位孔。
3.根据权利要求 1所述的一种振荡浮子式波浪发电模拟装置，其特征在于：所述的双杆导轨(24)的上下端通过导轨定位块(24)固定在竖直实验架(25)上。
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