CN108757294A - 基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备和方法 - Google Patents

基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备和方法 Download PDF

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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Abstract

本发明提供一种基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备和方法，包括风廊、管体、机壳、整流器、定子、转子、转轴支架、风轮圈、扇叶、助力圈、永磁体、铁球、轴承、防护网；风廊置于水域岸边并且一部分伸在水面以下，管体装在风廊内的气流腔中，发电机的转轴上销接有风轮圈和助力圈，风轮圈上的扇叶倾斜方向随着气体流向的改变而改变；永磁体朝向助力圈，助力圈内装有铁球。波浪在起伏时，风廊内产生往复气流，带动风轮圈转动；永磁体吸引铁球在助力圈内滚动，铁球下压驱动助力圈转动，维持气流方向改变间隙时的发电机的转子的转速；最终波浪的起伏的动能和势能被转换为电能。

Description

基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备和方法
技术领域
本发明涉及一种发电设备，特别是涉及一种基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备。
背景技术
海洋和大型湖泊中的波浪主要是风浪，而风的能量又来自太阳，所以说波浪能是一种很好的可再生能源，它的开发和利用对缓解能源危机和减少环境污染是非常重要的。汹涌的波浪运动产生巨大的、永恒的和环保的能量，如果能将海浪的动能及其它水面的波浪能充分利用起来，则世界能源的前景会相当广阔和光明。波浪能是海洋和大型湖泊表面所具有的动能和势能的总和，波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。另外，波浪能的大小还与风速、风向、连续吹风的时间、流速等诸多因素有关。
大规模波浪能发电的成本还难与常规能源发电竞争，但特殊用途的小功率波浪能发电，已在导航灯浮标、灯桩、灯塔等上获得推广应用。在边远海岛，小型波浪能发电已可与柴油发电机组发电竞争。今后应进一步研究新型装置，以提高波浪能转换效率。因此设计一种基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，对于解决当今世界严重的环境污染问题和石化资源枯竭问题具有重要意义，不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是一些特殊用途解决现实的能源供应出发，发展新能源均具有重大战略意义。
发明内容
因此，本发明为了进一步提高波浪能的利用效率，提供了一种基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，将波浪能转换为往复的气流，带动电机转子持续同向转动。
本发明所采用的技术方案是：一种基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于：包括风廊、管体、机壳、整流器、定子、转子、转轴支架、风轮圈、扇叶、助力圈、永磁体、铁球、轴承、防护网。
所述风廊装在水域的岸边陆地上，分为水平部分和竖向倾斜部分，水平部分始终露在水面以上，竖向倾斜部分的下半段伸入水面以下；所述风廊的竖向倾斜部分内开设有进水腔，进水腔底部开口与风廊外侧的水域连通；所述风廊的水平部分的内端内部开设有排气腔，排气腔顶部开口与风廊外侧的大气连通；所述风廊的进水腔和排气腔之间的墙壁开设有水平圆柱状的气流腔，将风廊的进水腔和排气腔连通。
所述管体为圆柱状管，中心轴线水平安装在风廊内的气流腔中，所述管体两端设有法兰，法兰通过螺钉固定在气流腔两端的墙壁上。
所述发电机的机壳外侧设有辐射状的机壳支撑杆，机壳支撑杆外端设有片状的机壳支脚，机壳支脚螺接在管体内壁上；所述整流器安装在电机尾端，所述定子安装在机壳内，所述转子安装在定子内侧，所述定子的一端设有转轴伸出在电机头端外侧。
所述转轴支架的中心管通过轴承套装在转轴的中间位置区域处，中心管外设有辐射状的支架支撑杆，支架支撑杆的外端设有片状的支架支脚，所述支架支脚螺接在管体的内壁上。
所述风轮圈的内圈销接在转轴的最外端，内圈外侧环绕中心轴线均匀设有多个辐射状的长圆柱形的铰接杆，所述铰接杆的外端设有环形的外圈；所述铰接杆的外端和内端均设有限位片，所述扇叶的铰接管装在铰接杆的限位片之间；所述外圈上环绕中心轴线均匀开设有多个弧形的导向槽。
所述扇叶为扇形板，沿着扇形板的半径方向的一侧边，设有细圆管形的铰接管；在扇形板的外弧形边顶部，设有细圆柱形的导向杆，所述导向杆插在风轮圈的导向槽中。
所述助力圈的中心环销接在转轴支架内侧的转轴上，所述中心环的外圆柱面上向四周辐射状装有多个辐条，辐条外端接有环形的盛装圈；所述盛装圈为圆环状，内侧面沿着圆环形轮廓开设有弧形凹陷，所述铁球为圆球形，在盛装圈内侧的凹陷内滚动。
所述永磁体为中心轴线水平的圆柱体，外端螺接在管体内壁上，内端指向助力圈；
所述管体内对向配备两套发电设备，两件风轮圈分别位于管体的两端开口处。
本发明的原理为：风廊外界的水域液面上升时，进水腔内的水压增大，水面上升，进水腔内水面上方的空气被压入气流腔，最终从排气腔中排出风廊外；风廊外界的水域液面下降时，进水腔内的水压降低，水面下降，空气从排气腔经过气流腔被吸入进水腔内；由于进水腔的水平截面面积远大于气流腔的横截面面积，气流腔内不断产生强劲的往复气流。
所述扇叶的可旋转角度范围小于90度，当气流经过气流腔时，扇叶受到平行于气流腔中心轴线的气压，扇叶顶部的导向杆沿着外圈的导向槽向气流行进方向滑动，扇叶围绕铰接管转动，使得扇叶的叶面与气流方向不再垂直，扇叶受到气流压力后带动风轮圈转动；同理，当气流腔内的气流反向运动时，扇叶受到反向气流的推动，翻转倾斜方向，但始终是带动扇叶朝向铰接管的一侧移动，保证风轮圈的转动方向维持不变。
铁球在重力作用下会滚到助力圈的盛装圈内侧凹槽底部，当受到永磁体的磁力吸引时，铁球朝永磁体的方向滚动，打破助力圈的受力平衡状态，铁球偏移一侧的盛装圈受到向下的压力，使得盛装圈转动。永磁体对铁球的吸引力只能维持铁球的滚动，磁力未大到将铁球完全吸附而影响盛装圈转动。
在气流腔内气流方向变化的阶段，助力圈的转动能有效辅助风轮圈的转动速度，防止风轮圈的转速快速降低，保持发电设备的发电功率。
本发明一种基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备具有如下优点：
(1)利用进水腔水平截面面积与气流腔横截面面积的巨大面积差，将水位的起伏转换为强有力的气流；
(2)利用导向杆和导向槽结构，实现扇叶偏转角方向的变化，实现风轮圈在往复气流条件下的单向转动；
(3)依靠磁力吸引和铁球结构，维持风向改变间隙时风轮圈的较高转速。
所以，这种基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，将波浪能转换为往复的气流，带动电机转子持续同向转动，对于解决当今世界严重的环境污染问题和石化资源枯竭问题具有重要意义，对推动新能源技术的发展具有重大战略意义。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是风廊安装岸边陆地的结构示意图。
图2是防护网安装在风廊的排气腔顶部出口的结构示意图。
图3是风廊沿对称面剖切后的管体和风廊的装配示意图。
图4是风廊沿对称面剖切后的风廊的内部结构示意图。
图5是发电机构安装在管体内的结构示意图。
图6是管体沿中心轴线剖切后的管体内部的发电机构示意图。
图7是管体内的发电结构的结构示意图。
图8是电机、转轴支架、风轮圈和助力圈构成的发电机构的结构示意图。
图9是转轴支架安装在电机的转轴上的结构示意图。
图10是电机的转子的转轴从电机壳中伸出的结构示意图。
图11是电机壳的内部的发电结构示意图。
图12是轴承和转轴支架的拆解示意图。
图13是气流从进水腔进入排气腔时的风轮圈的旋转方向示意图。
图14是气流从排气腔反向进入进水腔时的风轮圈的旋转方向示意图。
图15是风轮圈的结构示意图。
图16是风轮圈的外圈处的结构示意图。
图17是风轮圈的内圈处的结构示意图。
图18是扇叶的结构示意图。
图19是助力圈和永磁体的相对位置示意图。
图20是进水腔的水位上升时的风廊内的气流方向示意图。
图21是进水腔的水位下降时的风廊内的气流方向示意图。
图中标号：1-风廊、101-进水腔、102-气流腔、103-排气腔、2-管体、201-法兰、3-机壳、301-机壳支撑杆、302-机壳支脚、4-整流器、5-定子、6-转子、601-转轴、7-转轴支架、701-中心管、702-支架支撑杆、703-支架支脚、8-风轮圈、801-内圈、802-铰接杆、803-外圈、804-导向槽、805-限位片、9-扇叶、901-铰接管、902-导向杆、10-助力圈、1001-中心环、1002-辐条、1003-盛装圈、11-永磁体、12-铁球、13-轴承、14-防护网、a-岸边陆地、b-水、c-流水方向、d-风向、e-风轮圈旋转方向。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明一种基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备作进一步的详细描述。
一种基于波浪能的新型发电设备，其特征在于：包括风廊1、管体2、机壳3、整流器4、定子5、转子6、转轴支架7、风轮圈8、扇叶9、助力圈10、永磁体11、铁球12、轴承13、防护网14。
所述风廊1装在水域的岸边陆地上，分为水平部分和竖向倾斜部分，水平部分始终露在水面以上，竖向倾斜部分的下半段伸入水面以下；所述风廊1的竖向倾斜部分内开设有进水腔101，进水腔101底部开口与风廊1外侧的水域连通；所述风廊1的水平部分的内端内部开设有排气腔103，排气腔103顶部开口与风廊1外侧的大气连通；所述风廊1的进水腔101和排气腔103之间的墙壁上开设有水平圆柱状的气流腔102，将风廊1的进水腔101和排气腔103连通。
进一步讲，所述风廊1的进水腔101的水平截面积是气流腔102横截面面积的50倍以上。
进一步讲，所述排气腔103的顶部出口处装有网状防护网14，防止外界动物进入风廊1内部破坏发电设施。
所述管体2为圆柱状管，中心轴线水平安装在风廊1内的气流腔102中，所述管体2两端设有法兰201，法兰201通过螺钉固定在气流腔102两端的墙壁上。
所述发电机的机壳3外侧设有辐射状的机壳支撑杆301，机壳支撑杆301外端设有片状的机壳支脚302，机壳支脚302螺接在管体2内壁上；所述整流器4安装在电机尾端，所述定子5安装在机壳3内，所述转子6安装在定子5内侧，所述定子5的一端设有转轴601伸出在电机头端外侧。
所述转轴支架7的中心管701通过轴承13套装在转轴601的中间位置区域处，中心管701外设有辐射状的支架支撑杆702，支架支撑杆702的外端设有片状的支架支脚703，所述支架支脚703螺接在管体2的内壁上。
所述风轮圈8的内圈801销接在转轴601的最外端，内圈801外侧环绕中心轴线均匀设有多个辐射状的长圆柱形的铰接杆802，所述铰接杆802的外端设有环形的外圈803；所述铰接杆802的外端和内端均设有限位片805，所述扇叶9的铰接管901装在铰接杆802的限位片805之间；所述外圈803上环绕中心轴线均匀开设有多个弧形的导向槽804。
进一步讲，所述铰接杆802和铰接管901之间装有轴承13。
进一步讲，所述导向槽804的弧形圆心与铰接杆802的中心轴线重合。
进一步讲，所述风轮圈8的外径小于管体2内径3～5cm。
所述扇叶9为扇形板，沿着扇形板的半径方向的一侧边，设有细圆管形的铰接管901；在扇形板的外弧形边顶部，设有细圆柱形的导向杆902，所述导向杆902插在风轮圈8的导向槽804中。
进一步讲，所述导向杆902的中心轴线与扇叶9的圆心重合。
进一步讲，所述扇叶9的旋转角度范围小于90度。
所述助力圈10的中心环1001销接在转轴支架7内侧的转轴601上，所述中心环1001的外圆柱面上向四周辐射状装有多个辐条1002，辐条1002外端接有环形的盛装圈1003；所述盛装圈1003为圆环状，内侧面沿着圆环形轮廓开设有弧形凹陷，所述铁球12为圆球形，在盛装圈1003内侧的凹陷内滚动。
进一步讲，所述盛装圈1003的弧形凹陷的内径大于铁球球径3.5～5mm。
进一步讲，所述助力圈10的材料为非铁质的轻型材质。
所述永磁体11为中心轴线水平的圆柱体，外端螺接在管体2内壁上，内端指向助力圈10；
进一步讲，所述永磁体11的中心轴线与助力圈10的轴向对称面共面。
进一步讲，所述永磁体11的高度介于盛装圈1003的最低点和中心轴线之间。
所述管体2内对向配备两套发电设备，两件风轮圈8分别位于管体2的两端开口处。
风廊1外界的水域液面上升时，进水腔101内的水压增大，水面上升，进水腔101内水面上方的空气被压入气流腔102，最终从排气腔103中排出风廊1外；风廊1外界的水域液面下降时，进水腔101内的水压降低，水面下降，空气从排气腔103经过气流腔102被吸入进水腔101内；由于进水腔101的水平截面面积远大于气流腔101的横截面面积，气流腔102内不断产生强劲的往复气流。
所述扇叶9的可旋转角度范围小于90度，当气流经过气流腔102时，扇叶9受到平行于气流腔102中心轴线的气压，扇叶9顶部的导向杆902沿着外圈803的导向槽804向气流行进方向滑动，扇叶9围绕铰接管901转动，使得扇叶9的叶面与气流方向不再垂直，扇叶9受到气流压力后带动风轮圈8转动；同理，当气流腔102内的气流反向运动时，扇叶9受到反向气流的推动，翻转倾斜方向，但始终是带动扇叶9朝向铰接管901的一侧移动，保证风轮圈8的转动方向维持不变。
铁球12在重力作用下会滚到助力圈10的盛装圈1003内侧凹槽底部，当受到永磁体11的磁力吸引时，铁球12朝永磁体11的方向滚动，打破助力圈10的受力平衡状态，铁球12偏移一侧的盛装圈1003受到向下的压力，使得盛装圈1003转动。永磁体11对铁球12的吸引力只能维持铁球12的滚动，磁力未大到将铁球12完全吸附而影响盛装圈1003转动。
在气流腔102内气流方向变化的阶段，助力圈10的转动能有效辅助风轮圈8的转动速度，防止风轮圈8的转速快速降低，保持发电设备的发电功率。
一种基于波浪能的新型可再生能源采集利用方法：
(1)在水域岸边设置一部分伸在水面以下的风廊结构；
(2)将波浪的起伏转换成风廊1内气流流动，利用气流的往复流动带动风轮圈8的转动；
(3)风轮圈8上的扇叶9倾斜方向随着风向的改变转动，风轮圈8的转向固定不变；
(4)利用永磁体11吸引铁球12滚动，驱动助力圈10转动，在风向更替的间隙维持风轮圈8的转速。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于：包括风廊(1)、管体(2)、机壳(3)、整流器(4)、定子(5)、转子(6)、转轴支架(7)、风轮圈(8)、扇叶(9)、助力圈(10)、永磁体(11)、铁球(12)、轴承(13)、防护网(14)；
所述风廊(1)装在水域的岸边陆地上，分为水平部分和竖向倾斜部分，水平部分始终露在水面以上，竖向倾斜部分的下半段伸入水面以下；所述风廊(1)的竖向倾斜部分内开设有进水腔(101)，进水腔(101)底部开口与风廊(1)外侧的水域连通；所述风廊(1)的水平部分的内端内部开设有排气腔(103)，排气腔(103)顶部开口与风廊(1)外侧的大气连通；所述风廊(1)的进水腔(101)和排气腔(103)之间的墙壁上开设有水平圆柱状的气流腔(102)，将风廊(1)的进水腔(101)和排气腔(103)连通；
所述管体(2)为圆柱状管，中心轴线水平安装在风廊(1)内的气流腔(102)中，所述管体(2)两端设有法兰(201)，法兰(201)通过螺钉固定在气流腔(102)两端的墙壁上；
所述发电机的机壳(3)外侧设有辐射状的机壳支撑杆(301)，机壳支撑杆(301)外端设有片状的机壳支脚(302)，机壳支脚(302)螺接在管体(2)内壁上；所述整流器(4)安装在电机尾端，所述定子(5)安装在机壳(3)内，所述转子(6)安装在定子(5)内侧，所述定子(5)的一端设有转轴(601)伸出在电机头端外侧；
所述转轴支架(7)的中心管(701)通过轴承(13)套装在转轴(601)的中间位置区域处，中心管(701)外设有辐射状的支架支撑杆(702)，支架支撑杆(702)的外端设有片状的支架支脚(703)，所述支架支脚(703)螺接在管体(2)的内壁上；
所述风轮圈(8)的内圈(801)销接在转轴(601)的最外端，内圈(801)外侧环绕中心轴线均匀设有多个辐射状的长圆柱形的铰接杆(802)，所述铰接杆(802)的外端设有环形的外圈(803)；所述铰接杆(802)的外端和内端均设有限位片(805)，所述扇叶(9)的铰接管(901)装在铰接杆(802)的限位片(805)之间；所述外圈(803)上环绕中心轴线均匀开设有多个弧形的导向槽(804)；
所述扇叶(9)为扇形板，沿着扇形板的半径方向的一侧边，设有细圆管形的铰接管(901)；在扇形板的外弧形边顶部，设有细圆柱形的导向杆(902)，所述导向杆(902)插在风轮圈(8)的导向槽(804)中；
所述助力圈(10)的中心环(1001)销接在转轴支架(7)内侧的转轴(601)上，所述中心环(1001)的外圆柱面上向四周辐射状装有多个辐条(1002)，辐条(1002)外端接有环形的盛装圈(1003)；所述盛装圈(1003)为圆环状，内侧面沿着圆环形轮廓开设有弧形凹陷，所述铁球(12)为圆球形，在盛装圈(1003)内侧的凹陷内滚动；
所述助力圈(10)的中心环(1001)销接在转轴支架(7)内侧的转轴(601)上，所述中心环(1001)的外圆柱面上向四周辐射状装有多个辐条(1002)，辐条(1002)外端接有环形的盛装圈(1003)；所述盛装圈(1003)为圆环状，内侧面沿着圆环形轮廓开设有弧形凹陷，所述铁球(12)为圆球形，在盛装圈(1003)内侧的凹陷内滚动；
所述永磁体(11)为中心轴线水平的圆柱体，外端螺接在管体(2)内壁上，内端指向助力圈(10)；
所述管体(2)内对向配备两套发电设备，两件风轮圈(8)分别位于管体(2)的两端开口处。
2.根据权利要求1所述的基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于：所述风廊(1)的进水腔(101)的水平截面积是气流腔(102)横截面面积的50倍以上。
3.根据权利要求1所述的基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于：所述排气腔(103)的顶部出口处装有网状防护网(14)，防止外界动物进入风廊(1)内部破坏发电设施。
4.根据权利要求1所述的基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于：所述导向槽(804)的弧形圆心与铰接杆(802)的中心轴线重合。
5.根据权利要求1所述的基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于：所述风轮圈(8)的外径小于管体(2)内径3～5cm。
6.根据权利要求1所述的基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于：所述导向杆(902)的中心轴线与扇叶(9)的圆心重合；所述扇叶(9)的旋转角度范围小于90度。
7.根据权利要求1所述的基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于：所述盛装圈(1003)的弧形凹陷的内径大于铁球球径3.5～5mm。
8.根据权利要求1所述的基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于：所述助力圈(10)的材料为非铁质的轻型材质。
9.根据权利要求1所述的基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于：所述永磁体(11)的中心轴线与助力圈(10)的轴向对称面共面；所述永磁体(11)的高度介于盛装圈(1003)的最低点和中心轴线之间。
10.根据权利要求1～9任一项所述的基于波浪能的新型可再生能源采集利用设备，其特征在于，一种基于波浪能的新型可再生能源采集利用方法：
(1)在水域岸边设置一部分伸在水面以下的风廊结构；
(2)将波浪的起伏转换成风廊(1)内气流流动，利用气流的往复流动带动风轮圈(8)的转动；
(3)风轮圈(8)上的扇叶(9)倾斜方向随着风向的改变转动，风轮圈(8)的转向固定不变；
(4)利用永磁体(11)吸引铁球(12)滚动，驱动助力圈(10)转动，在风向更替的间隙维持风轮圈(8)的转速。
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