CN107975455A - 一种浮子式波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋可再生能源开发利用技术领域，具体涉及一种浮子式波浪能发电装置，包括发电单元和储能单元，所述发电单元包括垂荡捕能机构和纵荡捕能机构；所述垂荡捕能机构包括竖直设置的第一弹簧振子发电机，所述纵荡捕能机构包括水平设置的第二弹簧振子发电机以及用于驱动所述第二弹簧振子发电机在水平面内旋转的偏航电机。所述垂荡捕能机构用于吸收波浪的垂荡动能，所述纵荡捕能机构用于吸收波浪的纵荡动能，且纵荡捕能机构可根据波向即时调整第二弹簧振子发电机的朝向，以提高纵荡动能的吸收效率，克服了传统浮子式波浪能发电装置只能吸收垂荡方向的波浪能的问题。

Description

一种浮子式波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及海洋可再生能源开发利用技术领域，具体涉及一种浮子式波浪能发电装置。

背景技术

20世纪以来，随着社会经济的迅猛发展以及不可再生能源的枯竭与环境的日益恶化，寻找并开发新的可替代清洁能源，已经成为人类应对能源环境问题的重要选择。

波浪能作为一种新兴的可再生绿色能源，具有可观的储量和清洁可再生性，对其开发利用是解决能源危机的重要途径之一。尤其地，对于偏远的海岛和海上军事基站，通过铺设海缆提供电能不仅工程量大且成本高，所以因地制宜地利用波浪能和海流能等海洋能源提供电能，通过微电网进行独立海岛供电具有重大意义。

公开号为CN202926514U的中国实用新型专利，公开了一种振荡浮子式波浪能发电装置，该装置包括框架、垂直地固定于海床上的基柱、露出海面的平台以及以垂直于海平面的方向固定在所述框架上的导轨，所述导轨从所述平台延伸至海面之下；还包括浮子式能量吸收组件，所述浮子式能量吸收组件设置在所述导轨上，随海面上波浪的起伏而在所述导轨上振荡，用于吸收纵向海浪的动能并消解横向波浪的冲击，一定程度上起到消波增效的作用；以及能量转化组件，所述能量转化组件固定在所述框架的平台上，并连接所述浮子式能量吸收组件，用于转化、存储以及输出能量。该装置虽然可以实现波浪能转换为电能，但其仅限于吸收垂荡方向的波浪能，因此能量转换效率较低。

公开号为CN103485972A的中国发明专利，公开了一种潮流波浪能发电装置，包括基座、垂直轴水轮机、转子-轴承系统、发电室和浮子，发电室内设置有变速永磁耦合传动系统、第一发电机、储能装置、测速刹车装置和第二发电机的定子部分，第一发电机为正反双向旋转电机，第二发电机为永磁直线电机；第一发电机的输出端和第二发电机的输出端均与储能装置的输入端相接；垂直轴水轮机中心固定轴的底端固定安装在基座上，转动输出轴的顶端通过转子-轴承系统与第二永磁耦合片的输入端相接；浮子固定安装在直线电机动子上。该装置提供的潮流波浪能发电装置，兼具潮流能发电与波浪能发电的功能，但是，该发电装置需要永磁直线电机和正反双向旋转电机两同时工作，结构过于复杂，体积过于庞大，难以适应复杂的海洋环境。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的波浪能发电装置结构复杂，且能量转换效率低、系统可靠性差。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种浮子式波浪能发电装置，包括发电单元和储能单元，所述发电单元与所述储能单元电连接，所述发电单元包括壳体、垂荡捕能机构和纵荡捕能机构，所述垂荡捕能机构和纵荡捕能机构均置于所述壳体的内部；其中，所述垂荡捕能机构包括竖直设置的第一弹簧振子发电机，所述纵荡捕能机构包括水平设置的第二弹簧振子发电机以及用于驱动所述第二弹簧振子发电机在水平面内旋转的偏航电机；

还包括控制单元、波速波向仪以及用于将发电单元锚定在海床上的锚定装置，所述控制单元的输出端与所述发电单元的输入端连接，所述波速波向仪用于检测波况信息并将检测到的波况信息传递给控制单元。

作为优选，所述纵荡捕能机构内还设有支架，所述第二弹簧振子发电机与所述支架固定连接，且所述支架的内壁设有齿圈，所述偏航电机与所述齿圈齿轮连接。

作为优选，所述第一弹簧振子发电机和第二弹簧振子发电机均包括发电机外壳以及设置在所述发电机外壳内的弹簧和永磁体，所述永磁体的两端均设有弹簧；还包括线圈，且所述线圈环绕所述永磁体设置。

作为优选，还包括下潜机构，所述下潜机构包括活塞、活塞杆以及用于驱动所述活塞杆沿竖直方向运动的驱动装置，所述活塞杆与所述活塞固定连接；所述壳体下端开口，中间设有隔板，所述隔板与所述壳体的顶壁以及侧壁围绕形成发电室，且所述垂荡捕能机构以及纵荡捕能机构置于所述发电室内；所述活塞置于所述隔板与所述壳体的开口之间，且所述活塞与所述隔板和所述壳体的侧壁围绕形成浮力室。

作为优选，所述驱动装置包括驱动电机、驱动电机输出齿轮、第一中间传动齿轮、第二中间传动齿轮以及第一活塞杆驱动齿轮和第二活塞杆驱动齿轮，所述驱动电机输出齿轮分别与所述第一活塞杆驱动齿轮和第一中间传动齿轮啮合，所述第二中间传动齿轮分别与所述第一中间传动齿轮和第二活塞杆驱动齿轮啮合；所述活塞杆竖直设置，包括第一活塞杆和第二活塞杆，且所述第一活塞杆和第二活塞杆分别与所述第一活塞杆驱动齿轮和第二活塞杆驱动齿轮螺纹连接。

作为优选，还包括压力平衡装置和气体管路，所述气体管路一端与所述压力平衡装置连接，另一端伸入所述发电室内；所述隔板上设有通孔，连通所述发电室和浮力室。

作为优选，所述锚定装置包括弹性缆绳和锚体，所述壳体上设有连接耳，所述弹性缆绳一端连接所述锚体，另一端与所述连接耳连接。

作为优选，所述发电单元的壳体上设有连接口，所述储能单元、控制单元和压力平衡装置与所述发电单元分别通过电缆、信号线和气体管路连通， 所述电缆、信号线和气体管路在靠近所述发电单元的一端组合形成复合缆，所述复合缆通过所述连接口伸入所述发电单元内。

作为优选，还包括警示灯，所述警示灯置于所述壳体的顶端。

本发明的有益效果是：

发电单元包括壳体以及设置在壳体内的垂荡捕能机构和纵荡捕能机构。其中，垂荡捕能机构用于吸收波浪的垂荡动能，纵荡捕能机构用于吸收波浪的纵荡动能，且纵荡捕能机构内设有偏航电机，可根据波向即时调整第二弹簧振子发电机的朝向，以提高纵荡动能的吸收效率。

与现有技术CN202926514U相比，本发明的浮子式波浪能发电装置克服了传统浮子式波浪能发电装置只能吸收垂荡方向的波浪能的问题。

与现有技术CN103485972A相比，本发明的浮子式波浪能发电装置可将垂荡捕能机构和纵荡捕能机构在同一个壳体内交叉设置，大大减小了工作空间，提高了单元体积的发电效率，且能更好地适应复杂的海洋环境。其次，现有技术CN103485972A中的垂直轴水轮机旋转时，难免会对周围波浪的运动造成干涉，进一步影响发电装置对垂荡动能的吸收效率，而本发明的浮子式波浪能发电装置则不存在这样的问题。而且，现有技术CN103485972A中的垂直轴水轮机工作时直接暴露在海洋环境中，容易受到海洋中的碎石或鱼类等杂物的撞击发生损坏。而本发明的浮子式波浪能发电装置，其垂荡捕能机构和纵荡捕能机构均置于壳体内，提高了其安全性和系统可靠性。

此外，海洋环境复杂，这对波浪能发电装置的可靠性提出很大的挑战；尤其对于暴风巨浪等极端天气，波浪能发电装置在巨大的能量输入和载荷冲击的条件下容易发生损坏，因此系统可靠性也是当前大部分波浪能转换装置存在的主要问题。

本发明的浮子式波浪能发电装置还包括下潜机构，所述下潜机构包括活塞、活塞杆以及用于驱动所述活塞杆沿竖直方向运动的驱动装置，且所述活塞与所述壳体围绕形成了浮力室。活塞杆与活塞固定连接，活塞杆相当于丝杆，与驱动机构的第一活塞杆驱动齿轮以及第二活塞杆驱动齿轮间形成丝杆螺母副，通过齿轮的转动带动活塞杆以及活塞上下运动，从而改变浮力室的容积，控制发电单元上浮或者下沉。同时，为了解决浮力室容积改变后发电单元内部压力也随之改变的问题，本发明还设有压力平衡装置，用于补充或者抽取壳体内的空气。

通过下潜机构以及压力平衡装置的协同工作，本发明可及时避免巨浪的冲击，增强了系统可靠性。

附图说明

图1为本实施例一种浮子式波浪能发电装置的结构示意图；

图2为本实施例发电单元结构示意图；

图3为本实施例A处局部放大图；

图4为本实施例纵荡捕能机构结构示意图；

图5为本实施例第一弹簧振子发电机结构示意图；

图6为本实施例驱动装置结构示意图。

附图标记：10-发电单元；11-壳体；111-隔板；1111-通孔；112-发电室；113-浮力室；114-连接耳；115-连接口；12-垂荡捕能机构；121-第一弹簧振子发电机；1211-发电机外壳；1212-弹簧；1213-永磁体；1214-线圈；13-纵荡捕能机构；131-第二弹簧振子发电机；132-支架；1321-齿圈；133-偏航电机；20-储能单元；30-控制单元；40-波速波向仪；50-锚定装置；51-弹性缆绳；52-锚体；60-下潜机构；61-活塞；62-活塞杆；621-第一活塞杆；622-第二活塞杆；63-驱动装置；631-驱动电机；632-驱动电机输出齿轮；633-第一中间传动齿轮；634-第二中间传动齿轮；635-第一活塞杆驱动齿轮；636-第二活塞杆驱动齿轮；70-压力平衡装置；80-复合缆；81-电缆；82-信号线；83-气体管路；90-警示灯。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。

参见图1和图2，本实施例的一种浮子式波浪能发电装置，包括发电单元10、储能单元20和下潜机构60，所述发电单元10包括壳体11、竖直设置的垂荡捕能机构12以及水平设置的纵荡捕能机构13，所述下潜机构60包括活塞61、活塞杆62以及用于驱动所述活塞61和活塞杆62沿竖直方向运动的驱动装置63，所述活塞61和所述活塞杆62固定连接。其中，所述壳体11为一端开口的筒形结构，且壳体11的中间设有隔板111，所述隔板111与所述壳体11的顶壁与侧壁围绕形成发电室112，所述垂荡捕能机构12以及纵荡捕能机构13置于所述发电室112内；所述活塞61置于所述隔板111与所述壳体11的开口之间，且所述活塞61与所述隔板111和所述壳体11的侧壁围绕形成浮力室113。

还包括锚定装置50、控制单元30、压力平衡装置70和用于检测波况信息并将检测到的波况信息传递给控制单元30的波速波向仪40，所述储能单元20与所述发电单元10通过电缆81连接；所述控制单元30与所述发电单元10通过信号线82连接；所述压力平衡装置70与所述发电单元10通过气体管路83连接；所述电缆81、信号线82和气体管路83在靠近所述发电单元10的一端组合形成复合缆80，所述复合缆80通过所述壳体11上的连接口115伸入所述发电单元10内。

在海洋中，波浪的运动包括垂直水平面方向的垂荡以及平行水平面方向的纵荡。

参见图3和图4，本实施例中，所述垂荡捕能机构12包括竖直设置的第一弹簧振子发电机121，所述纵荡捕能机构13包括支架132、偏航电机133和水平设置的第二弹簧振子发电机131；所述第二弹簧振子发电机131与支架132固定连接，所述支架132的内壁设有齿圈1321，所述偏航电机133与所述支架132齿轮连接。

工作时，偏航电机133带动可支架132在水平面内旋转，从而来控制第二弹簧振子发电机131的朝向。

作为优选，本实施例的纵荡捕能机构13内对称地分布有两个第二弹簧振子发电机131。

如图5所示，本实施例的第一弹簧振子发电机121和第二弹簧振子发电机131结构相同，均包括发电机外壳1211以及设置在所述发电机外壳1211内的弹簧1212和永磁体1213，且所述永磁体1213的两端均设有弹簧1212；还包括线圈1214，且所述线圈1214环绕所述永磁体1213设置。

作为优选，所述发电机外壳1211为圆柱形，永磁体1213受发电机外壳1211以及上下两端的弹簧1212限制，在所述发电机外壳1211内做上下振荡运动。所述线圈1214缠绕在所述发电机外壳1211上，当永磁体1213上下振荡时，与线圈1214产生相对运动，切割磁感线进行发电。

本实施例中，所述垂荡捕能机构12用于吸收波浪的垂荡动能，垂荡捕能机构12内的第一弹簧振子发电机121竖直安装，受垂荡波浪运动激励，永磁体1213与线圈1214产生相对运动，切割磁感线发电，且由于弹簧1212的存在，永磁体1213的振幅是受限的，以达到最好的产能效果；所述纵荡捕能机构13用于吸收波浪的纵荡动能，纵荡捕能机构13内的第二弹簧振子发电机131水平安装，受纵荡波浪运动激励，捕获纵荡方向波浪能。但是由于波浪的纵荡往往来自不同方向，为了更好地捕获波浪能，本实施例通过波速波向仪40来检测波浪运动方向，并将检测到的数据反馈给控制单元30，控制单元30进而控制偏航电机133来即时调节第二弹簧振子发电机131的朝向，使得第二弹簧振子发电机131内永磁体1213的运动方向始终与波浪的纵荡运动方向保持一致。

如图6所示，所述下潜机构60的驱动装置63包括设置在发电室112内的驱动电机631以及水平排布的驱动电机输出齿轮632、第一中间传动齿轮633、第二中间传动齿轮634、第一活塞杆驱动齿轮635和第二活塞杆驱动齿轮636，所述驱动电机输出齿轮632分别与所述第一活塞杆驱动齿轮635和第一中间传动齿轮啮合633，所述第二中间传动齿轮634分别与所述第一中间传动齿轮633和第二活塞杆驱动齿轮636啮合。通过两级中间传动齿轮的传动，使得第一活塞杆驱动齿轮635和第二活塞杆驱动齿轮636的转动方向以及转速保持一致。

进一步，所述活塞杆62包括第一活塞杆621和第二活塞杆622，所述第一活塞杆621和第二活塞杆622分别与所述第一活塞杆驱动齿轮635和第二活塞杆驱动齿轮636螺纹连接。驱动电机631工作时，带动驱动电机输出齿轮632旋转，从而将动力传递至第一活塞杆驱动齿轮635和第二活塞杆驱动齿轮636。由于第一活塞杆621和第二活塞杆622和第一活塞杆驱动齿轮635和第二活塞杆驱动齿轮636螺纹连接，相当于形成了丝杆螺母副，可将齿轮的旋转运动转换为活塞杆62的上下运动。

当波速波向仪40检测到巨浪来袭时，将信号反馈给控制单元30，控制单元30进一步控制驱动电机631带动活塞61上移，从而减小了浮力室113的容积，使得发电单元10下移，避免巨浪冲击。由于活塞61与壳体11围绕形成的空间是密闭的，活塞616上移会导致壳体11内压强增大，此时，压力平衡装70置会将部分通过气体管路83抽离，且所述隔板111上设有通孔1111，连通所述发电室112和浮力室113，从而保证壳体11内压强一致。当波速波向仪40检测到波浪正常时，控制单元30控制活塞61下移，压力平衡装置70给壳体11内腔补充气体，发电单元10上浮。

作为本实施例的一种优选，所述锚定装置50包括弹性缆绳51和锚体52，所述弹性缆绳51一端连接所述锚体52，另一端与所述壳体11上的连接耳114连接。

锚定装置50的存在限定了本实施例的浮子式波浪能发电装置的活动范围，避免其在波浪作用下脱离工作人员活动的范围。

为了避免发电单元10与过往船只发生碰撞，本实施例还在所述发电单元10的壳体11顶端设置了警示灯90。

总之，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种浮子式波浪能发电装置，包括发电单元（10）和储能单元（20），所述发电单元（10）与所述储能单元（20）电连接，所述发电单元（10）包括壳体（11）、垂荡捕能机构（12）和纵荡捕能机构（13），其特征在于：所述垂荡捕能机构（12）和纵荡捕能机构（13）均置于所述壳体（11）的内部；其中，所述垂荡捕能机构（12）包括竖直设置的第一弹簧振子发电机（121），所述纵荡捕能机构（13）包括水平设置的第二弹簧振子发电机（131）以及用于驱动所述第二弹簧振子发电机（131）在水平面内旋转的偏航电机（133）；

还包括控制单元（30）、波速波向仪（40）以及用于将发电单元（10）锚定在海床上的锚定装置（50），所述控制单元（30）的输出端与所述发电单元（10）的输入端连接，所述波速波向仪（40）用于检测波况信息并将检测到的波况信息传递给控制单元（30）。

2.根据权利要求1所述的浮子式波浪能发电装置，其特征在于：所述纵荡捕能机构（13）内还设有支架（132），所述第二弹簧振子发电机（131）与所述支架（132）固定连接，且所述支架（132）上设有齿圈（1321），所述偏航电机（133）与所述齿圈（1321）齿轮连接。

3.根据权利要求1所述的浮子式波浪能发电装置，其特征在于：所述第一弹簧振子发电机（121）和第二弹簧振子发电机（131）均包括发电机外壳（1211）以及设置在所述发电机外壳（1211）内的弹簧（1212）和永磁体（1213），且所述永磁体（1213）的两端均设有弹簧（1212）；还包括线圈（1214），且所述线圈（1214）环绕所述永磁体（1213）设置。

4.根据权利要求1-3任一项所述的浮子式波浪能发电装置，其特征在于：还包括下潜机构（60），所述下潜机构（60）包括活塞（61）、活塞杆（62）以及用于驱动所述活塞杆（62）沿竖直方向运动的驱动装置（63），所述活塞杆（62）与所述活塞（61）固定连接；所述壳体（11）下端开口，中间设有隔板（111），所述隔板（111）与所述壳体（11）的顶壁以及侧壁围绕形成发电室（112），且所述垂荡捕能机构（12）以及纵荡捕能机构（13）置于所述发电室（112）内；所述活塞（61）置于所述隔板（111）与所述壳体（11）的开口之间，且所述活塞（61）与所述隔板（111）和所述壳体（11）的侧壁围绕形成浮力室（113）。

5.根据权利要求4所述的浮子式波浪能发电装置，其特征在于：所述驱动装置（63）包括驱动电机（631）、驱动电机输出齿轮（632）、第一中间传动齿轮（633）、第二中间传动齿轮（634）以及第一活塞杆驱动齿轮（635）和第二活塞杆驱动齿轮（636），所述驱动电机输出齿轮（632）分别与所述第一活塞杆驱动齿轮（635）和第一中间传动齿轮（633）啮合，所述第二中间传动齿轮（634）分别与所述第一中间传动齿轮（633）和第二活塞杆驱动齿轮（636）啮合；所述活塞杆（62）竖直设置，包括第一活塞杆（621）和第二活塞杆（622），且所述第一活塞杆（621）和第二活塞杆（622）分别与所述第一活塞杆驱动齿轮（635）和第二活塞杆驱动齿轮（636）螺纹连接。

6.根据权利要求5所述的浮子式波浪能发电装置，其特征在于：还包括压力平衡装置（70）和气体管路（83），所述气体管路（83）一端与所述压力平衡装置（70）连接，另一端伸入所述发电室（112）内；所述隔板（111）上设有通孔（1111），连通所述发电室（112）和浮力室（113）。

7.根据权利要求1所述的浮子式波浪能发电装置，其特征在于：所述锚定装置（50）包括弹性缆绳（51）和锚体（52），所述壳体（11）上设有连接耳（114），所述弹性缆绳（51）一端连接所述锚体（52），另一端与所述连接耳（114）连接。

8.根据权利要求6所述的浮子式波浪能发电装置，其特征在于：所述发电单元（10）的壳体（11）上设有连接口（115），所述储能单元（20）、控制单元（30）和压力平衡装置（70）与所述发电单元（10）分别通过电缆（81）、信号线（82）和气体管路（83）连通， 所述电缆（81）、信号线（82）和气体管路（83）在靠近所述发电单元（10）的一端组合形成复合缆（80），所述复合缆（80）通过所述连接口（115）伸入所述发电单元（10）内。

9.根据权利要求1-3或5-8任一项所述的浮子式波浪能发电装置，其特征在于：还包括警示灯（90），所述警示灯（90）置于所述壳体（11）的顶端。