CN108518300A - 第二代摇荡式波浪能发电机及其使用方法 - Google Patents

Abstract

第二代摇荡式波浪能发电机包括：转子和定子，转子上有线圈，并通过转子轴和浮子连接，定子上有永磁体，并通过定子柄和固定物连接，浮子上面有导向板。其特征在于：利用多组强磁永磁体和线圈发电；浮子上有导向板；发电部份涂有防止海水腐蚀的材料。本发明使用方法包括：设备浮在海面上；转子中心轴水平，且通过浮子摇摆最小的点；浮子的浮力中心和质量重心之间的距离大于浮子吃水深度的十分之一；通过固定柄延长杆和锚重物或者固定浆固定定子；多个设备并联使用。本发明的有益效果为：结构简单，对海面高度的变化要求不高，对海浪的波动周期、波长、波高、传播方向的要求也都不高，实用性强；进一步地，本发明对浮子外形要求不高，生产加工方便。

Description

第二代摇荡式波浪能发电机及其使用方法

技术领域

本发明主要使用在新能源领域。

背景技术

海浪是发生在海洋中的一种波动现象。一般地，海浪是由风产生的波动。处于海浪中的每个水分子的运动十分复杂，但是有两点可以确定：1 水分子运动有水平方向上往复运动的分量。2 靠近海水表面运动剧烈，海水深处运动幅度较小。

船舶是能航行或停泊于水域进行运输或作业的交通工具。船舶摇摆性是指船舶在风浪作用下作周期性的左右横摇和前后摇摆的运动。本发明正是利用船舶的摇摆的原理作为发电动力。

波浪能发电是以波浪的能量为动力生产电能。通过某种装置可将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量，然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电。

目前多数波浪能发电设备，都是利用波浪水分子的竖直运动分量。利用水分子的竖直运动发电，必须把设备的基底建在海床上，或者利用海湾独特的海岸线，设备基底在岸上，工作部分在海里。从地理学的角度讲，海水潮汐落差较大，陆地潮汐极小。这样一来，设备就受潮汐影响。

“摇荡式波浪能发电机及其使用方法”（专利号 2017114068925）虽然利用水分子的横向分量，但是有如下缺点：1 浮子和定子，有特定形状，需要开模具才能批量生产，成本高。2 两个轴承距离较远，难以同心，加工精度要求高。3 轴承的轴心，未必通过浮子的浮力中心，能量利用率差。4 需要密封的容积大。

发明内容

本发明是一种机械式波浪能发电装置。其结构简单，对海面高度的变化要求不高，对海浪的波动周期、波长、波高、传播方向 的要求也都不高，实用性强。进一步地，本发明对浮子外形要求不高，生产加工方便。

本发明的机械部分，主要是由浮子和固定物组成的。

浮子的外观形状基本上没有要求，但是其 浮力、重力，浮力中心 和 质量（重量）重心，必须满足一定的要求。

船舶的摇摆性，简化后的模型 可看作 是由浮力中心支撑的，摆锤位于质量重心的 单摆。

单摆的悬点，认为是静止的。对于船舶，其浮力中心，可近似看作不动点。对于本发明，转子的中心轴，必须通过浮子的浮力中心，这样整个设备的发电部份，有最小的平动，从而充分利用波浪能。

为了保证单摆悬线的长度，要求浮力中心 和 质量重心 之间 有一定距离。对于本发明，就是浮子的浮力中心和质量重心之间的距离大于浮子吃水深度的十分之一。

船舶在水中摇摆，受到较大的水的阻力。从单摆模型角度看，其“品质因子（Q因子）”较大，“振子的共振频率的带宽较大”。对于本发明，就是浮子能跟随不同频率（周期）的海波振动。

固定物保证定子不跟随转子转动（可能跟随转子平动）。

本发明的发电部分，由转子和定子组成。转子上有线圈，定子上有永磁体。转子定子相对转动时，线圈内磁通量发生变化，从而发电。为了增加发电效果，永磁体使用强磁体，线圈中间放入软磁体。为了方面提高产生的电压，必须有较高的频率，本发明采用了 多组永磁体形成多极永磁体，多组线圈形成多极线圈。

本发明的输变电部分，由交流升压变压器和二极管整流电路。升压是为了减少输电线上的损失，二极管整流成直流电，是为了并联多个设备，形成规模。整流电路不需要电容器。也可以通过增加线圈匝数升压，此时线圈漆包线的直径更细。

附图说明

图1 为本发明所述波浪能发电机的 发电部份 结构示意图。图中，1、转子轴；2、转子线圈（实际分布更密）；3、定子永磁体（实际分布更密）；4、轴承内套圈；5、轴承外套圈；6、定子外壳（只有3/4）；7、定子柄； 8、转子轴键槽； 9、定子柄螺孔。

图2 为本发明所述波浪能发电机的 整体 示意图。图中，1、浮子；2、发电部分；3、固定浆。

图3 为另外一种本发明所述波浪能发电机的 整体示意图。图中，1、浮子；、发电部分；3、重物。

图4 还是一种本发明所述波浪能发电机的 整体示意图。图中，1、浮子；2、发电部分； 3、定子柄延长杆；4、锚。

图5 为 本发明所述波浪能发电机 有 两个发电部分的示意图。图中，1、浮子；2、两个相距较远 的 发电部分； 3、固定物。

图6 为 本发明所述波浪能发电机 有 两个浮子的示意图。图中，1、浮子；2、发电部分； 3、固定物；4、浮子连接杆。

图7 为 本发明所述波浪能发电机 发电部分在浮子内部的示意图。图中，1、浮子；2、发电部分； 3、固定物。

图8 为本发明所述波浪能发电机的电路原理图。图中，1、转子线圈；2、升压变压器（可省）；3、二极管整流器；4、输出。此电路在波浪能发电机内部。

图9为本发明所述波浪能发电机的连接示意图。图中，1、海岸线；2、海里；3、岸上；4、波浪能发电机；5、两芯电线；6、逆变器；7、电度表；8、电网。

图10为本发明所述波浪能发电机（单机） 的 电能输出 接示意图。图中，1、电压坐标；2、时间坐标；3、电压同步信号上限；4、电压同步信号下限；5、线圈产生的电压；6和8、开始输出电能的时间点；7和9、结束输出电能的时间点。

具体实施

下面结合附图对本发明的技术方案进行描述，很显然的，附图所描述的仅仅是本发明的一部分而不是全部实施例。

本发明主要包括转子和定子，转子上有线圈，并通过转子轴和浮子连接，定子上有永磁体，并通过定子柄和固定物连接，浮子上面有导向板；其中，浮子和固定物属于机械部分，转子和定子属于发电部分。

如图2、图3、图4 所示，浮子浮在海水表面，但是对其外观形状基本上没有要求，制作过程中，浮子可以利用已经量产的 或者 二手的 商品（汽油桶+配重 二手船只）。图中用小船表示浮子。一般地，需要将整个浮子密封；防止其进水，保证足够的浮力。根据船舶摇摆原理，转子和浮子连接时，必须保证转子的中心轴线，通过浮子的浮力中心。而实际上，浮子并非单摆，也没有一个静止的点。实际制作过程中，通过实验确定，浮子摇摆最小的点，并将其连接在转子轴上（允许测量误差和安装误差）。发电部份只能利用转动，无法利用平动。如上的做法，尽量消除了，发电部份的平动，节省了波浪能，提高了效率（不这样做，设备也能工作，只是效率不高）。

如图2所示，定子柄 和 固定浆3 相连接。固定浆在深水中，那里海水波动相对缓和，固定浆基本上不会摇动（转动），固定浆有较大的面积，轻微转动就获得的较大的阻力，固定浆是长方形的，有较长的力臂。所以固定浆能保证定子基本上不转动。这种方式，装置容易飘走；但是可以利用正常使用的船只进行波浪能发电。如图3所示，定子柄 和 重物3相连接，重物 要距离 定子一定的距离，保证力臂的长度 加之 重物自身的重量，保证定子基本上不转动。 为了保持平衡，使用了两个发电部份 分别和重物相连。两个发电部份的转子 理论上 虽然同轴心，但是允许较大的加工误差，这是专利号为（2017114068925）的发明，不具备的优点。这种方式，装置也容易飘走。如图4所示，定子柄 和 定子柄延长杆 相连，定子柄延长杆 又和 锚 相连。定子柄延长杆 保证了力臂，并且 和 锚的重力 一起提供很大的力矩，保证 定子 基本上不转动。而且装置也不容易飘走。系锚的绳子的长度大于比海水的深度，这样可以保证设备在海平面上升或者下降时都可以正常工作（但不是潮汐能发电）。考虑到平衡，这里有两个浮子。转子轴线同时过两个浮子摇摆最小的点。定子只需要提供力矩，不需要提供任何直线方向上的作用力；也就是说定子本身是可以平动的。这样就不必在海床上或者利用海湾等特殊形状的海岸线，建设基底了，所以本发明漂浮在海面上（锚除外）。固定物也不必是特定的形状，制作过程中，可以利用已经规模化生产的产品（T型钢、普通船舶上的锚或者养殖用锚），大大节约了成本。固定物不需要密封，整体在水面以下。

一般来说，海风是贴着海面水平吹动，波浪沿着水面传播，浮子摇摆的轴心线也是水平的；所以要求 转子的中心轴水平（不水平也可以工作，只是效率不高）。在浮子的上面安装导向板，导向板始终在海水以上。导向板 偏向一边可以获得较大的力矩；而且导向板较少的一边为迎风向，保证方向稳定，避免旋转180度。因为海风一般来说是垂直于波浪的。导向板一般是平行于海风的。导向板和转子中心轴垂直，所以一般情况下，海浪和转子中心轴平行。从而保证在 海浪向不同方向传播 的时候，设备都可以正常工作。导向板可以有多个。海水流动方向和风向相同的海域，导向板也可以没入水中，以获得更大的力矩。

如图1所示，本发明的发电部份包括 转子和定子。转子上有线圈2，定子上有永磁体3。转子固定在轴承内套圈4上，定子固定在轴承外套圈5上。最外面是定子外壳6。转子轴1和轴承内套圈相连，定子柄7和定子外壳6相连。转子轴上有键槽8，方便和浮子连接，定子柄上有螺孔9，方便和固定物连接。图1为内转子结构，也可以是外转子结构。图1在转子上固定线圈，定子上固定磁铁；也可以把线圈放在定子上，永磁体放在转子上。因为转子旋转角度不大，即便是“旋转电枢式发电”，不使用“滑环”，也不会引起导线的缠绕。

永磁体必须使用强磁材料（比如 钕铁硼），线圈的软磁体也必须使用高磁导率的软磁体材料（锰锌铁氧体）。这样设备才能在没有变速箱的情况下工作，即“直驱发电”。转子转动的角速度和线速度都不大。在低速的情况下，水的阻力也不大。没有必要密封整个发电部份。所以发电部份仅仅涂防海水腐蚀材料即可，让他们在水中运动。不密封发电部份，是对专利号为（2017114068925）的发明的改进。

海浪的周期，波长也都不固定，为了得到交流电，以备升压。永磁体和线圈都是多极的。本发明采用多组永磁体形成多极永磁体，多组线圈形成多极线圈。这样在浮子和定子相对移动缓慢时，也有足够高的频率。永磁体和线圈级数多，每一个极的尺寸较小。所以浮子和定子之间的间隙也要比较小。多极设计的磁体和线圈，让设备适合多数情况下的海浪周期和波长。海浪的波高不固定，浮子摇摆的幅度也就不固定；但是对于多极发电机，只要转过的角度大于两个磁极之间的夹角，即可工作；所以本发明对波高要求也不高。

当浮子提供的机械功率 大于 发电部份消耗机械能功率 时，需要用到多个发电部份。如图5所示，距离较远的发电部份，异步转动（实际相位相差很小），这样就不要求所有轴承严格的同轴心，降低了对加工精度的要求，节省了成本，这也是对 专利号为（2017114068925）的发明的改进。对于两个浮子的情况（图6），为了保证机械结构的强度，可以加一个 浮子连接杆 4。如图7所示，为了保证足够的机械强度，可以把 发电部份2 和 固定物3 放入 浮子内部，此时 固定物3为重物，且形成一个单摆；其周期，必须和浮子摇摆周期相差较大。

如图8所示，从线圈引出的交流电，为了减少输电线上的损失，必须经过升压电路2升压（可省）。多个波浪能发电机未必同步，所以必须把交流电整流成直流电才能输出。整流电路3不必使用电容器。当输出接口的电压小于发电电压的时候，设备就输出电流；当接口电压大于等于发电电压时，由整流二极管隔离，没有电流输入。多个设备处于不同步状态下发电，整体上看叠加电压应该是基本稳定的。设备不输出电流的时候，对波浪的阻碍能力较小，不浪费波浪能（正常发电的情况下，波浪幅度是减少的）。

在波浪能发电厂实际建设过程中，投资一般是逐步到位。在吸引进一步投资之前，最好能有小规模的测试。本发明正好适合逐步地扩大规模。因为（如图9所示）多个设备是并联使用的。设备输出电流并联后，引上岸，经过逆变器6和电度表7后送入电网8。

另外一种并联方法 是 在多个设备并联后，给每个发电机，发送相同的电压同步信号。同步信号为交流信号，在特定的时间点，电压同步信号是一个固定范围。对于一个设备，只有线圈产生的电压在同步电压范围内时，才输出电能。因为设备数量较多，总有某一些设备的线圈产生的电压 在 电压同步信号范围之内。这样就可以直接获得交流电，方便岸上变压。如图10所示，线圈产生的电压5，在电压同步信号3和4 之间时，设备输出电能。不输出电能时，可以把电能保存在电容器内。

Claims (10)

1.第二代摇荡式波浪能发电机包括：转子和定子，转子上有线圈，并通过转子轴和浮子连接，定子上有永磁体，并通过定子柄和固定物连接，浮子上面有导向板，其特征在于：发电部份由转子和定子两部分组成。

2.根据权利要求1 所述的第二代摇荡式波浪能发电机，其特征在于：永磁体使用强磁体，软磁体使用高磁导率磁性材料。

3.根据权利要求1 所述的第二代摇荡式波浪能发电机，其特征在于：多组永磁体形成多极永磁体，多组线圈形成多极线圈。

4.根据权利要求1 所述的第二代摇荡式波浪能发电机，其特征在于：永磁体，线圈涂防海水腐蚀材料。

5.根据权利要求1 所述的第二代摇荡式波浪能发电机，其特征在于：浮子上安装导向板，且导向板偏向一边，导向板和转子的中心轴垂直。

6.第二代摇荡式波浪能发电机的使用方法包括：单台设备 和 多台设备 的使用方法，其特征在于：利用船舶的摇摆性，获得用于发电的机械能。

7.根据权利要求6 所述的第二代摇荡式波浪能发电机的使用方法，其特征在于：转子的中心轴水平，且通过浮子摇摆最小的点。

8.根据权利要求6 所述的第二代摇荡式波浪能发电机的使用方法，其特征在于：浮子的浮力中心和质量重心之间的距离大于浮子吃水深度的十分之一。

9.根据权利要求6所述的第二代摇荡式波浪能发电机的使用方法，其特征在于：通过固定柄延长杆和锚 重物 或者 固定浆 固定定子。

10.根据权利要求6所述的第二代摇荡式波浪能发电机的使用方法，其特征在于：多个设备并联使用。