CN109469577B - 一种波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米新能源技术领域，公开了一种波浪能发电装置，该波浪能发电装置包括发电机单元网络，发电机单元网络包括多个发电机单元以及连接件，其中：每一个发电机单元包括具有封闭结构以在内部形成空间的壳体；每一个发电机单元的壳体与至少一个其他发电机单元的壳体之间通过连接件连接，以当一个发电机单元在水流作用下动作时，通过连接件向另一个发电机单元传递可对另一个发电机单元产生扭矩的作用力，以使另一个发电机单元在水流以及连接件传递的作用力下发生旋转或者摆动。该波浪能发电装置，由发电机单元网络构成，包括多个发电机单元以及连接件，结构简单灵活稳定、易于扩展、质量轻、成本低、发电效率高。
Description
技术领域
本发明涉及纳米新能源技术领域，特别涉及一种波浪能发电装置。
背景技术
现代社会资源环境的约束对于清洁可再生能源提出了更高的要求，波浪能作为一种清洁能源具有极大的应用潜力，而现有波浪能收集技术采用的发电机，存在结构较复杂、质量较大、成本较高、可靠性较差等问题。
发明内容
本发明提供了一种波浪能发电装置，上述波浪能发电装置结构简单灵活、易于扩展、质量轻、成本低、发电效率高。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种波浪能发电装置，包括发电机单元网络，所述发电机单元网络包括多个发电机单元以及连接件，其中：
每一个所述发电机单元包括具有封闭结构以在内部形成空间的壳体和位于所述空间内的发电结构；
每一个发电机单元的壳体与至少一个其他发电机单元的壳体之间通过所述连接件连接，以当一个发电机单元在水流作用下动作时，通过所述连接件向另一个发电机单元可对所述另一个发电机单元产生扭矩的作用力，以使所述另一个发电机单元在水流以及所述连接件传递的作用力下发生旋转或者摆动。
上述波浪能发电装置，由发电机单元网络构成，包括多个发电机单元以及连接件，每个发电机单元的壳体与至少一个其他发电机单元的壳体之间通过连接件连接，该发电机单元网络结构简单灵活、易于扩展、质量轻、成本低；同时，当发电机单元网络中的一个发电机单元在水流作用下动作时，该发电机单元发生机械运动，并基于发电机单元的发电原理，壳体内部的发电结构进行发电，将机械能转换为电能输出，且该发电机单元通过连接件的连接向另一个发电机单元传递可对另一个发电机单元产生扭矩的作用力，以使另一个发电机单元在水流以及连接件传递的作用力下发生旋转或者摆动，进而发生机械运动，并基于发电机单元的发电原理，将机械能转换为电能输出。其中，连接件通过作用力矩将波浪运动转化为发电机单元的旋转或者摆动动作，进而将机械能转换为电能输出，同时连接件在发电机单元之间传递机械能，对发电机单元网络中各局部发电机单元所受到的机械作用能量起到均衡作用，并且对各发电机单元产生约束，使得每个发电机单元能够维持在正常的工作姿态，提高了发电效率。
优选地，所述发电机单元网络内的发电机单元呈放射状结构分布、或者呈蜂窝状方式分布、或者呈树状方式分布、或者呈阵列状分布。
优选地，所述发电机单元网络中，至少一部分所述连接件为弹性材料制备的连接臂。
优选地，当所述发电机单元网络内的发电机单元呈矩阵状分布时，每一行发电机单元或者每一列发电机单元中，每相邻的三个发电机单元中：
中间发电机单元与前一个发电机单元之间的连接臂为前连接臂，且所述中间发电机单元与后一个发电机单元连接的连接臂为后连接臂，所述前连接臂与所述后连接臂不共线。
优选地，所述前连接臂处于常态时的延伸方向与所述后连接臂处于常态时的延伸方向平行，且所述前连接臂和所述后连接臂分别位于所述中间发电机单元几何中心的两侧；或者，
所述前连接臂处于常态时的延伸方向与所述后连接臂处于常态时的延伸方向相交。
优选地，每一个所述发电机单元为球形发电机；当所述前连接臂处于常态时的延伸方向与所述后连接臂处于常态时的延伸方向平行时，所述前连接臂和所述后连接臂中至少一个的延伸方向与中间发电机单元的壳体外表面相切。
优选地，所述连接臂的形状为片状、板状、或者杆状。
优选地，所述连接臂的材料为塑料、碳纤维、金属或者复合材料。
优选地，所述连接臂与所述发电机单元的壳体之间粘接、焊接、或者通过铆钉铆接。
优选地，所述发电机单元网络中，至少一部分所述连接件为连接绳，且采用所述连接绳连接的发电机单元中，该所述发电机单元与前一个发电机单元之间的连接绳为前连接绳，且该所述发电机单元与后一个发电机单元连接的连接绳为后连接绳，且当所述发电机单元网络处于平面展开状态、且各个发电机单元的几何中心共面时，所述前连接绳与所述后连接绳共面、且所述前连接绳和所述后连接绳所在平面与所述发电机单元的壳体外表面相交。
优选地，每一个所述发电机单元中，所述前连接绳与所述发电机单元壳体的连接点与所述后连接绳与所述发电机单元壳体的连接点之间的连线经过所述发电机单元的几何中心。
优选地，当所述发电机单元网络中的多个发电机单元呈矩阵状分布时，所述矩阵状为矩形点阵排列状、或者平行四边形点阵排列状。
优选地，所述发电机单元包括以下发电机中的一种或者多种：摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、电磁发电机、混合式发电机。
优选地，当所述发电机单元为所述摩擦纳米发电机时，所述壳体内部形成摩擦空间，所述发电结构包括位于所述摩擦空间内的运动体。
附图说明
图1为本实施例提供的发电机单元与连接件连接结构示意图；
图2a为本实施例提供的发电机单元网络呈矩形点阵排列状的结构示意图；
图2b为本实施例提供的图2a所示发电机单元网络的顶部连接示意图；
图2c为本实施例提供的图2a所示发电机单元网络的底部连接示意图；
图3a为本实施例提供的发电机单元网络呈平行四边形点阵排列状的结构示意图；
图3b为本实施例提供的图3a所示发电机单元网络的顶部连接示意图；
图3c为本实施例提供的图3a所示发电机单元网络的底部连接示意图；
图4a为本实施例提供的三个发电机单元连接结构示意图；
图4b为本实施例提供的一种发电机单元的受力分析图；
图4c为本实施例提供的图4a所示发电单元受波浪影响后结构示意图；
图5a为本实施例提供的一种发电机单元与连接臂连接结构示意图；
图5b为本实施例提供的一种发电机单元与连接臂连接结构示意图；
图5c为本实施例提供的一种发电机单元与连接臂连接结构示意图；
图5d为本实施例提供的一种发电机单元与连接臂连接结构示意图；
图5e为本实施例提供的一种发电机单元与连接臂连接结构示意图；
图5f为本实施例提供的一种发电机单元与连接臂连接结构示意图；
图5g为本实施例提供的一种发电机单元的受力分析图；
图6a为本实施例提供的一种发电机单元与连接绳连接结构示意图；
图6b为本实施例提供的一种发电机单元与连接绳连接结构示意图；
图6c为本实施例提供的发电机单元与连接绳连接时状态变化图。
图标：
10、11、12、13-发电机单元；101、111、121-壳体；102发电结构；103-空间；20、21、22-连接件；211-前连接臂；221-后连接臂；212-前连接绳；222-后连接绳。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1和图2a，本发明提供一种波浪能发电装置，包括发电机单元网络，发电机单元网络包括多个发电机单元10以及连接件20，其中：
每一个发电机单元包括具有封闭结构以在内部形成空间的壳体101和位于壳体101内部的发电结构102进行发电；
每一个发电机单元的壳体与至少一个其他发电机单元的壳体之间通过连接件20连接，以当一个发电机单元11在水流作用下动作时，通过连接件21向另一个发电机单元12传递可对发电机单元12产生扭矩的作用力，以使另一个发电机单元12在水流以及连接件21传递的作用力下发生旋转或者摆动。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，由发电机单元网络构成，包括多个发电机单元10以及连接件20，如图1所示，每一个发电机单元包括具有封闭结构以在内部形成空间的壳体101，每个发电机单元的壳体与至少一个其他发电机单元的壳体之间通过连接件20连接，该发电机单元网络结构简单灵活、易于扩展、质量轻、成本低；同时，如图2a所示，当发电机单元网络中的一个发电机单元11在水流作用下动作时，该发电机单元11发生机械运动，并基于发电机单元11的发电原理，壳体101内部的发电结构102进行发电，将机械能转换为电能输出，且该发电机单元11通过连接件21的连接向另一个发电机单元12传递可对发电机单元12产生扭矩的作用力，以使另一个发电机单元12在水流以及连接件21传递的作用力下发生旋转或者摆动，进而发生机械运动，将机械能转换为电能输出，其中，连接件通过作用力矩将波浪运动转化为发电机单元的旋转或者摆动动作，进而将机械能转换为电能输出，同时连接件在发电机单元之间传递机械能，对发电机单元网络中各局部发电机单元所受到的机械作用能量起到均衡作用，并且连接件对各发电机单元产生约束，使得每个发电机单元能够维持在正常的工作姿态，提高了发电效率。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，发电机单元网络内的发电机单元可以呈放射状结构分布、或者呈蜂窝状方式分布、或者呈树状方式分布、或者呈阵列状分布等分布形式或者以上分布形式的混合形式，该波浪能发电装置不限于上述分布形式，形式多样、易于扩展，并且不限于一层分布，也可以对发电机单元进行多层堆垛向水下深度方向拓展。如图2a和图3a为发电机单元网络中的多个发电机单元呈矩阵状分布时的两种分布形式，图2a为呈矩形点阵排列状的发电机网络结构示意图，图2b为图2a结构示意图的顶部连接示意图，图2c为图2a结构示意图的底部连接示意图，图3a为呈平行四边形点阵排列状的发电机网络结构示意图，图3b为图3a结构示意图的顶部连接示意图，图3c为图3a结构示意图的底部连接示意图。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，发电机单元网络中，至少一部分连接件2可以为弹性材料制备的连接臂，由于连接臂具有弹性，通过连接臂的弹性弯曲和回复，使发电机单元网络产生振动，并可与波浪波动产生共振，从而更大程度上吸收波浪能。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，当发电机单元网络内的发电机单元呈矩阵状分布时，每一行发电机单元或者每一列发电机单元中，每相邻的三个发电机单元中：如图4a所示，中间发电机单元12与前一个发电机单元11之间的连接臂为前连接臂211，且中间发电机单元12与后一个发电机单元13连接的连接臂为后连接臂221，前连接臂211与后连接臂221不共线。当前连接臂211与后连接臂221不共线时，在水流的作用下发电机单元12动作，不共线的前连接臂211和后连接臂221对发电机单元12的运动产生约束并且对其施加了不共线的反作用力，如图4b所示为发电机单元12的受力分析图，F21x，F23x几个不共线分力对发电机单元12产生力矩作用，使发电单元12产生更适于发电的有效运动形式，如旋转或摆动。
具体地，当中间发电机单元12处于波浪的波谷时，前一个发电机单元11和后一个发电机单元13会由水波的作用向中间发电机单元12靠拢，从而使前连接臂211和后连接臂221受到挤压及变形并产生反作用力，当中间发电机单元12处于波峰时，前一个发电机单元11和后一个发电机单元13会由于水波的作用而远离中间发电机单元12，拉动前连接臂211和后连接臂221，并使前连接臂211和后连接臂221产生显著弯曲变形，如图4c所示，连接臂211和221产生的反作用力使中间发电机单元12旋转或者摆动。随着波浪的波动，中间发电机单元12会交替处于波峰和波谷附近，发电机单元网络在上述两种状态间交替变化，产生往复扩张-收缩运动，将波浪波动高效转化为发电机单元的转动或摆动等对于发电有效的运动形式。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，前连接臂211处于常态时的延伸方向与后连接臂221处于常态时的延伸方向平行，且前连接臂211和后连接臂221分别位于中间发电机单元121几何中心的两侧；或者，前连接臂211处于常态时的延伸方向与后连接臂221处于常态时的延伸方向相交，其中，两连接臂的常态表示的是连接臂没有受到挤压或者拉力而变形的状态。如图5a至图5f，列举出了几种前连接臂211和后连接臂221的连接结构，两连接臂的优选布置方案为不共线布置，其中，图5e和图5f所示连接结构为两种特殊情况，前连接臂211和后连接臂221共线，图5f所示的连接结构受力分析图如图5g所示。发电机单元网络中发电机单元的连接可以为上述同一种连接结构的连接也可以为不同种连接结构的混合连接。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，如图4a所示，每一个发电机单元为球形发电机，发电机单元的壳体具有空心球状结构；当前连接臂211处于常态时的延伸方向与后连接臂221处于常态时的延伸方向平行时，常用的一种连接方式为，前连接臂211和后连接臂221中至少一个的延伸方向与中间发电机单元的壳体外表面相切，如图5a和5b。当然，也存在前连接臂211和后连接臂221不与发电机单元相切的一种情况，例如图5c。
需要说明的是，本实施例中，以发电机单元为球形结构举例，但是每一个发电机单元的结构不限于球形结构，也可以为其他结构，例如椭球形结构、正方体结构、长方体结构等等；相应地，发电机单元的壳体结构也可以为空心椭球状、空心正方体状、空心长方体状等等。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，连接臂的形状可以为片状、板状、或者杆状等，这种设计结构简单、易于制作和扩展，当连接臂的形状为片状、板状和杆状时，前连接臂211和后连接臂221可能不共面。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，连接臂的材料可以为塑料、碳纤维、金属或者复合材料等，以上材料具有弹性并且常见，容易制作，节约了生产成本。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，如图1所示，连接臂20与发电机单元10的壳体101之间可以用粘接、焊接、或者通过铆钉铆接等接法连接，接法简单，易于完成。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，可选地，发电机单元网络中，至少一部分连接件还可以为连接绳，且在采用连接绳连接的发电机单元中，发电机单元12与前一个发电机单元11之间的连接绳为前连接绳212，且发电机单元12与后一个发电机单元13连接的连接绳为后连接绳222，且当发电机单元网络处于平面展开状态、且各个发电机单元的几何中心共面时，前连接绳212与后连接绳222共面、且前连接绳212和后连接绳222所在平面与发电机单元的壳体外表面相交，如图6a和图6b所示，即连接件21和22共线的情况下，连接件21和22也可设置为连接绳212和连接绳222；其中，连接绳的材料可以为线和绳等，连接绳的作用仅可承受拉力。如图6c所示，同一平面上，三个用连接绳连接的发电机单元中，在水流的作用下，中间发电机单元12随着波浪的动作而运动，在运动的过程中，前连接绳212和后连接绳222对相连接的中间发电机单元12产生反作用的拉力，使得中间发电机单元12在拉力的不共线分力作用下受到力矩作用，产生旋转或者摆动等运动，图6c中，中间发电机单元12在产生的反作用的拉力的作用下，由实线所示的状态旋转或者摆动至虚线所示的状态。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，如图图6a所示，常用的一种连接方式为，每一个发电机单元中，前连接绳与发电机单元壳体的连接点与后连接绳与发电机单元壳体的连接点之间的连线经过发电机单元的几何中心。如图6b所示，两个连接绳的连接点之间的连线也可以不经过发电机单元的几何中心。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，发电机单元可以为以下发电机中的一种或者多种：摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、电磁发电机、混合式发电机等。
上述实施例提供的波浪能发电装置中，发电机单元的优选方案为摩擦纳米发电机，当所述发电机单元为所述摩擦纳米发电机时，所述壳体101内部形成摩擦空间，所述发电结构102包括位于所述摩擦空间内的运动体，具体地，发电结构102可以为运动体，更具体地，上述运动体为滚动体，如图1所示。当发电机单元10在水流或者连接件20的反作用力作用下运动时，壳体101发生机械运动，滚动体由于惯性或者重力等作用相对壳体101运动，基于摩擦纳米发电机的发电原理，将机械能转换为电能输出。
上述实施例中，摩擦纳米发电机的基本原理是利用摩擦(接触)在滚动体和壳体摩擦空间的表面(其中至少一个为绝缘材料)生成静电荷，当接触表面分离时，静电荷的分离产生电势差，驱动绝缘表面下感应电极中的自由电荷定向移动，从而收集环境中的机械能，并转化为电能。摩擦纳米发电技术尤其适用于收集低频运动的机械能，且具有结构简单、成本低、材料选择丰富等优势。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种波浪能发电装置，其特征在于，包括发电机单元网络，所述发电机单元网络包括多个发电机单元以及连接件，其中：
每一个所述发电机单元包括具有封闭结构以在内部形成空间的壳体和位于所述空间内的发电结构；
每一个发电机单元的壳体与至少一个其他发电机单元的壳体之间通过所述连接件连接，以当一个发电机单元在水流作用下动作时，通过所述连接件向另一个发电机单元传递可对所述另一个发电机单元产生扭矩的作用力，以使所述另一个发电机单元在水流以及所述连接件传递的作用力下发生旋转或者摆动；其中，
所述发电机单元网络内的发电机单元呈放射状结构分布、或者呈蜂窝状方式分布、或者呈树状方式分布、或者呈矩阵状分布；
所述发电机单元网络中，至少一部分所述连接件为弹性材料制备的连接臂；当所述发电机单元网络内的发电机单元呈矩阵状分布时，每一行发电机单元或者每一列发电机单元中，每相邻的三个发电机单元中：中间发电机单元与前一个发电机单元之间的连接臂为前连接臂，且所述中间发电机单元与后一个发电机单元连接的连接臂为后连接臂，所述前连接臂与所述后连接臂不共线；或者，
所述发电机单元网络中，至少一部分所述连接件为连接绳，且采用所述连接绳连接的发电机单元中，该所述发电机单元与前一个发电机单元之间的连接绳为前连接绳，且该所述发电机单元与后一个发电机单元连接的连接绳为后连接绳，且当所述发电机单元网络处于平面展开状态、且各个发电机单元的几何中心共面时，所述前连接绳与所述后连接绳共面、且所述前连接绳和所述后连接绳所在平面与所述发电机单元的壳体外表面相交。
2.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述前连接臂处于常态时的延伸方向与所述后连接臂处于常态时的延伸方向平行，且所述前连接臂和所述后连接臂分别位于所述中间发电机单元几何中心的两侧；或者，
所述前连接臂处于常态时的延伸方向与所述后连接臂处于常态时的延伸方向相交。
3.根据权利要求2所述的波浪能发电装置，其特征在于，每一个所述发电机单元为球形发电机；当所述前连接臂处于常态时的延伸方向与所述后连接臂处于常态时的延伸方向平行时，所述前连接臂和所述后连接臂中至少一个的延伸方向与所述中间发电机单元的壳体外表面相切。
4.根据权利要求1-3任一项所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述连接臂的形状为片状、板状、或者杆状。
5.根据权利要求1-3任一项所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述连接臂的材料为塑料、碳纤维、金属或者复合材料。
6.根据权利要求1-3任一项所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述连接臂与所述发电机单元的壳体之间粘接、焊接、或者通过铆钉铆接。
7.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，每一个所述发电机单元中，所述前连接绳与所述发电机单元壳体的连接点与所述后连接绳与所述发电机单元壳体的连接点之间的连线经过所述发电机单元的几何中心。
8.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，当所述发电机单元网络中的多个发电机单元呈矩阵状分布时，所述矩阵状为矩阵点阵排列状、或者平行四边形点阵排列状。
9.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述发电机单元包括以下发电机中的一种或者多种：摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、电磁发电机、混合式发电机。
10.根据权利要求9所述的波浪能发电装置，其特征在于，当所述发电机单元为所述摩擦纳米发电机时，所述壳体内部形成摩擦空间，所述发电结构包括位于所述摩擦空间内的运动体。
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