CN108223253A - 多浮体海浪二级转换发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的多浮体海浪二级转换发电装置，包括海浪直驱发电部分、传力机械部分、浮子和支撑框架构成，海浪直驱发电部分由至少一个发电单元和发电桶构成，所述发电单元由等间距串接固定在同一磁铁连杆上的铷铁硼强磁铁块形成的动子，和由线圈螺旋缠绕在线圈圆筒上形成的定子组成，所述线圈圆筒竖立放置且下端固定在发电桶底部，所述动子位于线圈圆筒内部空间；传力机械部分由一端与磁铁连杆顶端活动连接，另一端与浮子活动连接的传动杆、与发电桶体外径匹配且固定在发电桶体上不同高程的上下两个固定环、一端与上固定环活动连接的短支撑杆、一端与下固定环活动连接的长支撑杆组成。该装置兼具布置灵活，结构简单，成本低，运行效率高的特点。

Description

多浮体海浪二级转换发电装置

技术领域

本发明属于海洋能发电领域，特别涉及一种海浪转换发电装置。

背景技术

波浪能是海洋中分布最广、最丰富的可再生能源，全世界可开发利用的波浪能达到20亿千瓦。我国的海洋波浪能资源蕴藏量比较丰富，理论储量达1284万千瓦，具有广阔的开发和利用前景。在传统的波浪能发电系统中，无一例外的采用了旋转发电机。由于波浪能是以大作用力、低速度往复运动的形式存在的一种能量，要将这种能量系统与高速旋转发电机相耦合，就必须采用一系列能量转换和变速装置。传统的波浪能发电系统一般由三部分组成，即波浪采集系统、中间转换系统和发电系统。波浪采集系统是将波浪能转换成采集装置的机械能，常用的形式有振荡水柱式、振荡浮子式、摆式、漂浮式、筏式、收缩坡道式、蚌式等。中间转换系统是将采集装置的机械能转换成与发电系统相匹配的特定形式的能量，主要有空气叶轮、低水头水轮机、液压系统和机械系统等。该系统的存在增加了整个发电装置结构的复杂程度及发电成本，并降低了发电装置的可靠性和波浪能的利用效率。

在多年的研究发展中，研究者已经意识到现有传统波浪能发电系统存在以下三个主要问题。第一，传统波浪能发电系统是基于现有的旋转发电机，其高速高效的特性与波浪能不匹配，迫使系统不得不采用复杂的中间转换系统，导致发电系统效率低、结构庞大、可靠性低等问题，严重影响了该技术的实用化。第二，传统波浪能发电系统多为岸式固定装置，建造成本高，周期长，受环境约束大，且抗风暴能力弱。第三，目前波浪能发电技术主要源于欧洲等国家，那里的平均波浪能密度可达20～70千瓦/米，而我国沿海的平均波浪能密度为2～7千瓦/米，由于能量密度差距很大，大部分发电系统无法很好地应用于我国的波浪能开发利用。因此，研究开发适合于我国低海况运行，高效率、低成本的波浪能发电新技术具有非常重要的现实意义和战略需求。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种多浮体海浪二级转换模块化发电装置，该装置兼具布置灵活，结构简单，成本低，运行效率高的特点，并且适应于我国低海况运行情况。

本发明提供的多浮体海浪二级转换发电装置，包括海浪直驱发电部分、传力机械部分、浮子和支撑框架构成，海浪直驱发电部分由至少一个发电单元和发电桶构成，所述发电单元由等间距串接固定在同一磁铁连杆上的铷铁硼强磁铁块形成的动子，和由线圈螺旋缠绕在线圈圆筒上形成的定子组成，所述线圈圆筒竖立放置且下端固定在发电桶底部，所述动子位于线圈圆筒内部空间；传力机械部分由一端与磁铁连杆顶端活动连接，另一端与浮子活动连接的传动杆、与发电桶体外径匹配且固定在发电桶体上不同高程的上下两个固定环、一端与上固定环活动连接的短支撑杆、一端与下固定环活动连接的长支撑杆组成，所述短支撑杆的另一端活动连接在长支撑杆上，长支撑杆的另一端活动连接在传动杆上；所述支撑框架为大小与发电桶匹配的长方体框架，使发电桶放置在框架上且保持竖立。

在本发明的上述技术方案中，所述发电单元最好设计为相同的三个，发电单元相互独立地通过线圈圆筒固定放置在发电桶底部(各发电单元相互不接触)，所述传力机械部分和浮子对应于发电单元设置相同的三组。进一步优先设计为，三组传力机械部分和浮子在发电桶周向均匀布置，且3根短支撑杆活动链接于同一上固定环上，三根长支撑杆活动连接在同一下固定环上，在上、下固定圆环周向上均匀布置。

在本发明的上述技术方案中，传动杆与磁铁连杆的端部的连接方式优先设计为：在磁铁连杆的端部设置条形通孔，螺钉通过该通孔将传动杆与磁铁连杆连接，且实现连接点可在条形通孔中来回移动。

在本发明的上述技术方案中，进一步优化的，长、短支撑杆与固定环的连接使得长、短连接杆可绕连接点转动，短支撑杆与长支撑杆的连接使二者均可绕连接点转动，长支撑杆与传动杆的连接使得二者均可绕连接点转动。

在本发明的上述技术方案中，进一步优化的，短支撑杆和长支撑杆上，在连接处分别设置有2～3个并排的连接螺孔，形成可选择的多个连接点，长支撑杆上，与传动杆连接的端部设置有2～3个并排的连接螺孔，形成可选择的多个连接点。多个连接点的可选便于根据安装精度与实际波浪大小调节长支撑杆的支撑高度。

在本发明的上述技术方案中，进一步优化的，浮子为圆柱体浮体，可采用泡沫、密闭防水空箱等可浮在海面上的材质构成，通过中心处设置的刚性连接杆与传动杆的端部活动连接。

在本发明的上述技术方案中，进一步优化的，所述发电桶为圆柱形，支撑框架为截面为发电桶的内接正四边形的长方体框架。进一步优化的，支撑框架的上部，对应于发电桶桶口部上方，横向设置有上、下两个位于支撑框架横截面上的矩形框，所述传动杆一端从上、下矩形框之间伸入，与发电桶内发电单元的磁铁连杆端部连接。

在本发明的上述技术方案中，进一步优化的，铷铁硼强磁铁块为圆柱形，2～4个等间距串接固定在同一磁铁连杆上。

在本发明的上述技术方案中，发电桶底部密封结构以隔绝海水(若将线圈输出端设置在底部，则需采用密封材料做好防水密封)，且最好选用防腐蚀材料，由于桶顶部距离波浪较高，且有浮体的存在，通常情况下海水无法通过桶顶面的圆孔进入。

应用时，将本发明所述多浮体海浪二级转换发电装置，根据海况在发电装置的支架上铰接或者焊接钢缆绳，将钢缆绳另一端焊接或铰接在钢板上，将钢板沉在海底，以固定安装发电装置，保证其在海浪的作用下不损坏。根据用电需求，当海上用电器比较单一，如灯塔，可直接将发电装置的单个发电单元的输出端(线圈)与用电器或蓄电池连接；当用电量较大时，例如海岛等，可将本发明所述发电装置的多个发电单元输出端串联作为该发电装置的输出，同时设置多个多浮体海浪二级转换发电装置，将多个发电装置的输出并联后连接到现有的整流电路及稳压电路中，满足供电的需求。

本发明采用了杠杆原理，将传力杆(杠杆)端部的圆弧运动转化为磁铁连杆的上下竖直运动。长支撑杆起支承杠杆，提供杠杆转动点的作用，短支撑杆可消弱长支撑杆杆平面上的弯矩。支撑框架上围绕框架横截面设置的上下两个矩形框(上下四根横杆)，可限定磁铁连杆的上下垂直位移，起到机构限位的作用，当海浪比较大的时候，为了防止装置被损坏，可以通过此结构限制浮体的最大运动高度，保护装置安全。三组传力机械部分在发电桶周向均匀分布，且各个传力杆长度相同，传力杆中部(即传力杆与长支撑杆连接处，即杠杆的支点)分别位于一个等边三角形的三个顶点，当波浪对于浮体的力与杆方向成一定角度时，抵消产生的垂直于杠杆方向的力，从而很好的保护杠杆和支撑杆的稳定性。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、海浪二级转换发电

本发明所述发电装置由海浪的垂直往复运动直接驱动，将传统的三级转换过程变为两级转换过程，即海浪能直接转换为机械能，机械能再转换为电能，用低速直线运动部件代替复杂的机械结构，不仅提高了能量转换效率，还简化了发电装置的构造，降低了制造和维护成本。

2、模块化的设计

本发明所述发电装置可作为一个发电模块，可呈阵列排布形成大规模的发电区域，从而最大限度的收集海浪能量。小可用于灯塔的钻井平台供电，大可用于构建大型海浪发电站解决沿海和海岛地区能源短缺。模块化的设计理念和简单可靠的结构有效地降低了成本，利于大规模生产利用。

3、各发电筒彼此独立，适用于广泛波长与周期的波浪

本发明所述发电装置内部发电单元彼此独立，互不影响，无需考虑相位差异，故可以在同一发电桶内放置多发电桶，设置多浮体发电，未来应用前景广阔。

4、对来流方向无特定要求

本发明所述发电装置中三浮体设计使装置成等边三角形三个顶点的方位布置，根据绕流理论，离水流方向最近的一角将转到与来流方向相同的位置，可以随来流方向变化而自动调整角度，减小波浪对于装置的干扰。

5、本发所述发电装置综合考虑海浪能利用的三个难题：发电系统效率低、海浪能呈分散的面状分布、能量密度很低的情况，提出了直驱发电、面状发电，富集电能的新思路。可按用户需要和环境条件灵活的调节装置的数量和阵列安装方式，对环境的适应性也很强，通过调节传力机械部分的连接点和浮体，可使其适应各种海况。同时，它的运动部分与水体接触面积小，大大提高了承受恶劣天气的能力。

6、本发明所述装置兼具布置灵活，结构简单，成本低，运行效率高的特点，相对于其它种类的波浪能转换装置的体型更小，在海面上对于景观和海面航行的影响更小，因此适合安装在靠近潜在用户的区域，同时也适应于我国低海况运行情况，特别是推广在现有海域波浪能收集不充分、利用不合理的区域以及能源断缺的沿海和海岛地区。

附图说明

图1本发明所述发电装置中的发电单元的剖视图；

图2本发明所述具有三个发电单元的发电装置的俯视图；

图3本发明所述发电桶放置在支架上是示意图；

图4为本发明所述发电装置的整体结构立体图；

图5为图4中发电装置上半部分放大图；

图6为图4中发电装置下半部分放大图；

图7为本发明所述发电装置发电时受力和运动示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述多浮体海浪二级转换发电装置做进一步说明。

实施例1

本实施例为具有三个发电单元的多浮体海浪二级转换发电装置，结构如图1-6所示，由海浪直驱发电部分、传力机械部分、泡沫浮子11和支撑框架12构成，海浪直驱发电部分由三个发电单元和圆柱形防腐塑料发电桶10构成，所述传力机械部分和浮子对应于发电单元对应设置三组。每个发电单元由等间距串接固定在同一磁铁连杆4上的三个圆柱形铷铁硼强磁铁块1形成的动子，和由铜线圈2螺旋缠绕在塑料线圈圆筒3上形成的定子组成。缠绕了铜线圈的三个线圈圆筒竖立放置且下端固定在发电桶底部(可与发电桶整体浇筑形成)，三个动子分别位于三个线圈圆筒内部空间，三个发电单元在发电桶内彼此独立互不接触。传力机械部分由一端与磁铁连杆顶端活动连接，另一端与浮子活动连接的传动杆5、与发电桶体外径匹配且固定在发电桶体上不同高程的上、下两个固定环8、一端与上固定环活动连接的短支撑杆7、一端与下固定环活动连接的长支撑杆6组成。短支撑杆的另一端活动连接在长支撑杆中部，长支撑杆的另一端活动连接在传动杆5中部。三组传力机械部分和浮子在发电桶周向均匀布置，且三根短支撑杆活动链接于同一上固定环上，三根长支撑杆活动连接在同一下固定环上。所述支撑框架为横截面为发电桶的内接正四边形的长方体框架，用防腐钢材焊接制成。支撑框架的高度根据发电桶的高度确定，发电桶高度根据所在海域的波浪波高的平均值而设定，支撑框架保证发电桶放置在框体中保持竖立(保证发电桶不会倾倒)。

传力机械部分各杆的连接方式为：传动杆5与磁铁连杆的端部设置有条形通孔，螺钉通过该通孔将传动杆与磁铁连杆连接，且保证连接点可在条形通孔中来回移动，从而实现传动杆随海浪起伏端部做微曲线运动，带动连接点在长条形开孔内来回滑动并随着上下移动，同时带动磁铁连杆上下直线运动。支撑框架的上部，对应于发电桶桶口部上方，横向设置有上、下两个位于支撑框架横截面上的矩形框13，所述传动杆一端从上、下矩形框之间伸入框内，与发电桶内发电单元的磁铁连杆端部连接，使得磁铁连杆的上下运动受到上下矩形框的横杆的限制，可以起到机构限位的作用，当海浪比较大的时候，可防止装置被损坏，并通过此结构限制浮体的最大运动高度，保护机构安全。因此支撑框架的高度需要高于发电桶，两个矩形框之间的间距应保证传动杆和磁铁连杆有足够的上下运动的空间，同时又起到限位作用。长、短支撑杆与固定环的连接使得长、短连接杆可绕连接点转动，短支撑杆与长支撑杆的连接使二者均可绕连接点转动，长支撑杆与传动杆的连接使得二者均可绕连接点转动。短支撑杆和长支撑杆上，在短支撑杆与长支撑杆的连接处分别设置有3个并排的连接螺孔，形成可选择的多个连接点，以弥补在制作及安装过程中产生的误差。长支撑杆与传动杆连接的端部设置有3个并排的连接螺孔，形成可选择的多个连接点，以弥补在制作及安装过程中产生的误差和调节长支撑杆的支撑高度。两个固定环可对应三组机械传力部分在圆周上等分为三个部分(每部分为三分之一圆周长)，在两两接头处分别与长、短支撑杆连接。两个圈之间的距离根据实际海况与运作情况进行调整。所述浮子为圆柱体浮体，通过中心处设置的刚性连接杆9与传动杆的端部活动连接。各连接点均采用螺钉和螺帽配合连接。

运作原理如图7所示(图中F为波浪力，G为重力)，传动杆整体上表现出杠杆原理的灵活运动，当波浪上下运动带动波浪能收集装置——圆柱形浮体上下运动，波浪力通过长传动杆传递到磁铁连接杆，并使杆的上下运动，从而让磁铁切割铜线圈而产生电能。圆柱型浮体的尺寸根据所在海域的实际波浪的大小而定。

Claims (10)

1.一种多浮体海浪二级转换发电装置，其特征在于包括海浪直驱发电部分、传力机械部分、浮子(11)和支撑框架(12)构成，海浪直驱发电部分由至少一个发电单元和发电桶(10)构成，所述发电单元由等间距串接固定在同一磁铁连杆(4)上的铷铁硼强磁铁块(1)形成的动子，和由线圈(2)螺旋缠绕在线圈圆筒(3)上形成的定子组成，所述线圈圆筒竖立放置且下端固定在发电桶底部，所述动子位于线圈圆筒内部空间；传力机械部分由一端与磁铁连杆顶端活动连接，另一端与浮子活动连接的传动杆(5)、与发电桶体外径匹配且固定在发电桶体上不同高程的上、下两个固定环(8)、一端与上固定环活动连接的短支撑杆(7)、一端与下固定环活动连接的长支撑杆(6)组成，所述短支撑杆的另一端活动连接在长支撑杆上，长支撑杆的另一端活动连接在传动杆(5)上；所述支撑框架为大小与发电桶匹配的长方体框架，使发电桶放置在框架上且保持竖立。

2.根据权利要求1所述多浮体海浪二级转换发电装置，其特征在于所述发电单元为3个，相互独立地通过线圈圆筒固定在发电桶底部，所述传力机械部分和浮子对应于发电单元并行设置3组。

3.根据权利要求2所述所述多浮体海浪二级转换发电装置，其特征在于三组传力机械部分和浮子在发电桶周向均匀布置，且3根短支撑杆活动链接于同一上固定环上，3根长支撑杆活动连接在同一下固定环上。

4.根据权利要求1～3中任一权利要求所述多浮体海浪二级转换发电装置，其特征在于传动杆(5)与磁铁连杆的端部设置有条形通孔，螺钉通过该通孔将传动杆与磁铁连杆连接，且实现连接点可在条形通孔中来回移动。

5.根据权利要求1～3中任一权利要求所述多浮体海浪二级转换模块化发电装置，其特征在于长、短支撑杆与固定环的连接使得长、短连接杆可绕连接点转动，短支撑杆与长支撑杆的连接使二者均可绕连接点转动，长支撑杆与传动杆的连接使得二者均可绕连接点转动。

6.根据权利要求1～3中任一权利要求所述多浮体海浪二级转换模块化发电装置，其特征在于短支撑杆和长支撑杆上，在短支撑杆与长支撑杆的连接处分别设置有2～3个并排的连接螺孔，形成可选择的多个连接点；长支撑杆上，与传动杆连接的端部设置有2～3个并排的连接螺孔，形成可选择的多个连接点。

7.根据权利要求1～3中任一权利要求所述多浮体海浪二级转换模块化发电装置，其特征在于所述浮子为圆柱体浮体，通过圆柱中心处设置的刚性连接杆(9)与传动杆的端部活动连接。

8.根据权利要求1～3中任一权利要求所述多浮体海浪二级转换模块化发电装置，其特征在于所述发电桶为圆柱形，支撑框架为截面为发电桶截面的内接正四边形的长方体框架。

9.根据权利要求8所述多浮体海浪二级转换模块化发电装置，其特征在于所述支撑框架的上部，对应于发电桶桶口部上方，横向设置有上、下两个位于支撑框架横截面上的矩形框(13)，所述传动杆一端从上、下矩形框之间伸入，与发电桶内发电单元的磁铁连杆端部连接。

10.根据权利要求1～3中任一权利要求所述多浮体海浪二级转换模块化发电装置，其特征在于所述铷铁硼强磁铁块为圆柱形，2～4个等间距串接固定在同一磁铁连杆上。