CN106712446A - 一种海洋能源收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁发电领域，公开了一种海洋能源收集系统，包括电磁发电装置、电能收集装置；电磁发电装置包括相对间隔设置的两块磁板，相对间隔设置的两块导电板，导电板与磁板具有夹角，且两块磁板、两块导电板共同构成用于流通海水的流体通道，其中，两块磁板中一块为N极板，另一块为S极板；电能收集装置包括储能单元，储能单元与导电板电连接。本发明提供的海洋能源收集系统，提高了能源转化效率，可进行自发电，能保证发电装置在水下不间断持续输出电能，输电性能稳定，可应用在深海领域，结构简单、制造成本低，且使用过程中不会产生废弃物，环保效果好。

Description

一种海洋能源收集系统

技术领域

本发明涉及电磁发电技术领域，特别是涉及一种海洋能源收集系统。

背景技术

近年来，随着海洋资源的研究力度的不断加大，应用在海底探测领域的设备也越来越多，且绝大多数为电子产品，此类电子产品的运行需要持续不断的电能供给，因此水下电源的研究越来越受到人们的重视。

用于海底探测的电子设备通常采用化学能电池供电，因为往海底架设输电线是不现实的。某些场合下想要保证设备的持续运行，就需要不断更换电池，更换电池的成本往往太高，甚至在有些环境中是实现不了的。现有技术中也存在利用海洋自身的能源进行发电的装置。例如振动水柱式波浪发电装置，是目前研究和使用最多波浪能装置，它利用压缩空气推动汽轮发电机组发电；水下压差型波浪装置，它利用波浪的波峰和波谷对转换装置的压力差工作；点吸收型波能转化装置，利用浮漂结构吸收波浪各个方向能量，进而转换为其他能量进行存储。现有的这些能量转换装置能将海洋中的潮汐能、波浪能等进行转换，转换为易被利用的电能，实现清洁能源的充分利用。

现有技术中的海洋能收集装置也存在一些缺陷。大多数的收集装置将海洋能转换为电能的过程中，需要经历中间换能的步骤，例如需要先将波浪能转换为装置的机械能，再通过将装置的机械能转换为电能，才能实现能源的转换与存储。能源转换过程中，能量的损耗是不可避免的，这不仅会降低能源转换效率，造成能源浪费，而且现有技术中的能源收集装置不适于应用在另外现有技术中的海洋能源收集深海环境中。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种海洋能源收集系统，以解决现有技术中的海洋能源收集效率低，不能应用在深海环境的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种海洋能源收集系统，包括电磁发电装置、电能收集装置；

所述电磁发电装置包括相对间隔设置的两块磁板，相对间隔设置的两块导电板，所述导电板与所述磁板具有夹角，且两块所述磁板、两块所述导电板共同构成用于流通海水的流体通道，其中，两块所述磁板中一块为N极板，另一块为S极板；

所述电能收集装置包括储能单元，所述储能单元与所述导电板电连接。

其中，所述电磁发电装置还包括用于支撑所述磁板、导电板的框架，所述框架为两端开口的筒状，所述导电板位于所述框架内。

其中，所述电磁发电装置还包括底座，所述框架转动地连接在所述底座上。

其中，所述框架上设有插槽，所述N极板和S极板活动地插接在所述插槽上。

其中，所述导电板与所述储能单元之间还连接有整流单元。

其中，所述导电板与所述储能单元之间还连接有调压单元。

其中，所述导电板为铜板。

(三)有益效果

本发明提供的海洋能源收集系统，通过将流动的海水视为导电棒，将海水的运动等效为导电棒切割磁感线的运动，进而在法拉第电磁感应定律的基础上，实现了将海水的动能直接转化为电能并输出，避免了传统发电装置发电过程中进行的中间换能步骤，进而避免了因中间换能造成的能量损耗，提高了能源转化效率。另外，本发明利用的是流动的海水进行自发电，能保证发电装置在水下不间断持续输出电能，输电性能稳定，且可应用在深海领域，解决了深海用电设备更换电池成本高、难度大的技术难题。本发明中的电磁发电装置结构简单、材料易获得，制造成本低，且使用过程中不会产生废弃物，环保效果好。

附图说明

图1为本发明实施例中海洋能源收集系统示意图；

图2为本发明实施例中电磁发电装置工作原理图；

图3为本发明实施例中磁场分布示意图；

图4为本发明实施例中电能收集装置电路原理图；

图中，1、框架；2、N极板；3、导电板；4、S极板；5、底座；6、流体通道；7、储能单元；8、海水；9、调压单元；301、第一导电板；302、第二导电板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例中海洋能源收集系统示意图；图2为本发明实施例中电磁发电装置工作原理图；图3为本发明实施例中磁场分布示意图；图4为本发明实施例中电能收集装置电路原理图。

如图1和图2中所示，本发明提供一种海洋能源收集系统，包括电磁发电装置和电能收集装置。电磁发电装置工作原理基于法拉第电磁感应定律。电磁发电装置包括相对间隔设置的两块磁板和相对间隔设置的两块导电板3。两块磁板中一块为N极板2，另一块为S极板4，两块磁板之间有间隔，在间隔的空间中存在磁感线。如图1中所示，N极板2水平设置在上方，S极板4水平设置在下方，则磁感线垂直向下，由N极板2指向S极板4。导电板3与磁板间具有夹角。例如夹角为90度，即两块导电板3与两块磁板垂直，根据楞次定律，这样设置时产生的感应电动势最大。两块导电板3相对设置，与两块磁板共同构成用于流通海水8的流体通道6，海水8从流体通道6的一端流入，从另一端流出。由于海水8是导电体，海水8流过流体通道6的过程相当于一根根导体棒从能导电的滑轨上滑过，根据法拉第电磁感应定律可知，在流动的海水8中会不断产生电流，进而使得两块导电板3中一块不断积累负电荷，另一块不断积累正电荷，在外接储能装置或负载的情况下，会形成闭合回路，此时的电磁发电装置即相当于一个电源。

优选地，两块导电板平行设置，且与两块磁板垂直，此时的磁感线的分布如图3中所示。本发明中，两块磁板与两块导电板构成方式有多种，例如，两块磁板与两块导电板直接粘接在一起，形成一个方形筒状的通道，海水8从通道中流过，切割磁感线，产生感应电动势，在两侧的导电板3中蓄积电能，此时将两块导电板3接在一个电路中构成闭合回路的情况下，导电板3中的电能即可被导出利用。优选地，磁板和导电板3可以通过一个框架1进行固定。框架1为两端开口的筒状结构，如图1中所示，磁板和导电板3可以通过插接的方式固定在框架1上，也可以直接粘贴在框架1上，或者通过其他方式进行固定。若框架1为实心结构，则磁板可以设置在框架1内壁，也可以设置在框架1外壁，框架1为实心结构时导电板3只能设置在框架1内壁，必须保证导电板3始终与海水8接触。导电板3的高度可以与磁板间的距离值相同，也可以小于磁板间的距离值。

在电磁感应现象中,不管电路是否闭合,只要穿过这个电路所围面积的磁通量发生变化,电路中就有感应电动势产生，当电路闭合的情况下，就会产生感应电流。本发明中电磁发电装置发电原理如图2中所示，为方便说明，图2中将装置进行了简化并以爆炸图的方式进行显示，不代表实际中只能以这种方式出现。如图2所示，N极板2水平设置在S极板4正上方，此时的磁感线方向垂直向下，设此时的磁感应强度为B，流过的海水8的高度为a，导电板3的长度为b，两导电板3之间的距离为L，海水8的运动速度为v，海水8的电阻率为ρ,则此时的感应电动势由公式(1)得到：

E＝BLv (1)

海水8的电阻由公式(2)计算获得：

通过联立公式(1)和公式(2)可得到装置中产生的电流的如公式(3)：

本发明中的系统可以应用在深海中，此时的海水8的高度a即是两块磁板之间的距离，通过公式(3)得出，可以通过改变导电板3的长度b来调整输出的电流的大小。假设海水8从图2所示的前方入口进入，后方出口流出，根据右手定则可判断出电流方向由第一导电板301流向第二导电板302。由于电磁发电装置在应用过程中相当于一个电源，在电源内部，电流从负极流向正极，因此当该发电装置接在电路中时，与第二导电板302连接的一端相当于接了电源正极，与第一导电板301连接的一端相当于接了电源负极。这样随着海水8的不断流过，在电磁发电装置中会源源不断地产生电流，实现自发电功能。

海洋能源收集系统中的电能收集装置，用于将电磁发电装置发出的电能进行存储，以防电磁发电装置出现故障导致供能中断。电能收集装置包括储能单元7，储能单元7可以是锂离子电池储能，或超级电容器储能，或复合式储能等，它能将电磁发电装置输出的电能存储下来，在需要的时候进行释能，为用电设备供电。储能单元7与两块导电板3电连接。

本发明提供的海洋能源收集系统，通过将流动的海水视为导电棒，将海水的运动等效为导电棒切割磁感线的运动，进而在法拉第电磁感应定律的基础上，实现了将海水的动能直接转化为电能并输出，避免了传统发电装置发电过程中进行的中间换能步骤，进而避免了因中间换能造成的能量损耗，提高了能源转化效率。另外，本发明利用的是流动的海水进行自发电，能保证发电装置在水下不间断持续输出电能，输电性能稳定，且可应用在深海领域，解决了深海用电设备更换电池成本高、难度大的技术难题。本发明中的电磁发电装置结构简单、材料易获得，制造成本低，且使用过程中不会产生废弃物，环保效果好。发电装置制造的电能既可以进行存储，还可以直接为负载供电，工作模式多样。

在上述实施例的基础上，电磁发电装置还包括底座5，底座5用于对电磁发电装置进行限位，防止其随海水的流动飘离原工作位置。本实施例中，电磁发电装置设置有支撑磁板和导电板3的框架1，框架1转动地连接在底座5上。如图1中所示，底座5的下部可以是一个弹性结构，这样可以帮助安装在上部的电磁发电装置实现多方向调整。底座5的上部与电磁发电装置的框架1可相互转动地连接在一起，框架1可以绕底座5旋转，由于整个电磁发电装置是筒状结构，这样在受到不同流向的海水的冲击时，电磁发电装置会通过降低与海水正面冲击的面积来减小受到的冲击力，这样即会将筒状结构的开口始终保持正对海水流动的方向，达到的效果是海水始终垂直切割磁感线，产生最大的感应电动势。设置底座5的目的是帮助电磁发电装置随时调整位姿，以保证电磁发电装置持续稳定地输出最大电能。

在上述实施例的基础上，框架1上可以设置插槽，N极板2和S极板4通过插接的方式插入插槽中，实现两块磁板的固定。设置插槽不仅方便了磁板的固定，还可以通过更换磁板调整输出的电流的大小。如公式(3)中所示，输出的电流与磁感应强度成正比，意味着可以通过更换磁板改变电路中的磁感应强度大小，进而改变输出的电流的大小。另外，还可通过更换N极板2和S极板4的位置，改变磁感线的方向，进而改变输出的电流的方向。

在上述实施例的基础上，导电板3与储能单元7之间还连接有整流单元。整流单元中的整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。在水下环境中，通常局部的水流方向并不是一直沿一个方向的，受潮汐等其他因素的影响，水流整体朝一个方向流动，局部会出现来回波动，即局部出现逆流现象，这会导致电磁发电装置某段时间内发出的电为交流电，因此本发明中在导电板3与储能单元7之间连接了整流单元，用于将产生的交流电整流为直流电，方便电能的存储与应用。

在上述实施例的基础上，导电板3与储能单元7之间还连接有调压单元9，如图1中所示。本实施例中调压单元9采用Boost变换电路，Boost变换电路有电感电流连续和电感电流断续两种工作方式，本发明采用的Boost变换电路选取电感电流连续的方式。目前，Boost变换电路的控制主要有三种实现方式：脉冲宽度调制、脉冲频率调制、混合调制。脉冲宽度调制(PWM)是保持开关管的开关频率不变，即开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来控制开关管的导通时间，从而改变占空比的大小。本实施例中选用PWM调制方式对电压进行调制。本发明中电磁发电装置发出的电压值在通常在0-2V之间，功率可达到200mW。在经过Boost变换电路调压后，输出的电压值可达到15V，极大地方便了电能的存储与应用。

本发明中，导电板3可以为铜板、铝板、银板等，优选铜板，铜的导电性能优良，且价格适中，是理想的制作导电板的材料。

本实施例中提供的海洋能源收集系统，包括电磁发电装置、电能收集装置，同时电磁发电装置直接接至负载两端，直接为负载供电，其原理图如图4所示。两导电板3通过引线首先接至整流电路中，整流电路主要通过二极管实现。输出的电流经过调压单元9提压后，接至电能收集装置，如图4中示意的电容。本实施例中，还在电能收集装置两端并联了负载，用电阻R表示，即发电装置发出的电能可以直接用于驱动负载。本实施例提供的方案中，既接入了电能存储装置，还接入了负载，这样能实现电磁发电装置的即时供电，还可以在装置损坏断电的时候由电能存储单元进行续电，极大地保障了电能的持续供应。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海洋能源收集系统，其特征在于，包括电磁发电装置、电能收集装置；

所述电磁发电装置包括相对间隔设置的两块磁板，相对间隔设置的两块导电板，所述导电板与所述磁板具有夹角，且两块所述磁板、两块所述导电板共同构成用于流通海水的流体通道，其中，两块所述磁板中一块为N极板，另一块为S极板；

所述电能收集装置包括储能单元，所述储能单元与所述导电板电连接。

2.如权利要求1所述的海洋能源收集系统，其特征在于，所述电磁发电装置还包括用于支撑所述磁板、导电板的框架，所述框架为两端开口的筒状，所述导电板位于所述框架内。

3.如权利要求2所述的海洋能源收集系统，其特征在于，所述电磁发电装置还包括底座，所述框架转动地连接在所述底座上。

4.如权利要求2所述的海洋能源收集系统，其特征在于，所述框架上设有插槽，所述N极板和S极板活动地插接在所述插槽上。

5.如权利要求1-4任一项所述的海洋能源收集系统，其特征在于，所述导电板与所述储能单元之间还连接有整流单元。

6.如权利要求1-4任一项所述的海洋能源收集系统，其特征在于，所述导电板与所述储能单元之间还连接有调压单元。

7.如权利要求6所述的海洋能源收集系统，其特征在于，所述导电板为铜板。