CN109630343B - 一种海浪能双向高效吸收发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海浪能双向高效吸收发电装置，包括整流装置、浮子、第一发电机、底座，所述第一发电机的转动轴转动密封地向下竖直穿过浮子后与单向叶轮固定连接；所述浮子的边缘设置有四个圆环，所述底座上设置有若干定滑轮及第二发电机，所述浮子和第二发电机之间传动连接有两根弹性软绳，其中一根弹性软绳的两端固定在相对设置的两个圆环上，中部经定滑轮转向后与第二发电机的定子轴相缠绕，另一根弹性软绳的两端固定在相对设置的另两个圆环上，中部经定滑轮转向后与第二发电机的转子轴相缠绕。本发明结构简单、安装方便，不仅能利用海洋中上下浮动的能量，还能利用暗流涌动的水平方向的能量，在深海、浅海以及海边施工地区都有很强的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及电气工程及其自动化电机与电器领域，特别涉及一种海浪能双向高效吸收发电装置。
背景技术
在 1799 年法国就申请了世界上第一个关于波浪能方面的专利。上世纪 60 年代，日本首次研制了可以商业化的航标灯用波浪能发电装置。1973 年的石油危机促使了可再生能源的发展，激发了人们从海洋上获取能源的兴趣，日本、韩国、英、法、美、意等大量西方国家对波浪能利用技术进行深入研究。由于欧洲海浪能量密度大等环境因素，各国研究人员已经设计和试验了多种类型的波浪能发电装置；诸如英国、美国、丹麦等，因其自身的能源优势以及较早的研究，装置多呈现大型兆瓦级别，实现并网发电并成功取得商业化应用。
我国的波浪能利用技术研究开始于上世纪 70 年代，起步相对较晚，1975 年一台设计功率的波浪发电浮标研制成功，并在浙江省嵊山岛进行了海试。我国拥有2万千米的海岸线，波浪能资源丰富，其中浙江、广东、福建、山东以及台湾拥有的波浪能资源最为丰富。近年来，我国对波浪能技术的研究发展极其迅速，在 2010 年我国设立了首个海洋能专项支持计划一海洋可再生能源专项资金，推动了波浪能利用的发展。2013 年广州能源所对开展的 100KW 漂浮式鸭式装置进行了验收，实现了小浪间断发电，大浪持续发电。2014 年由山东大学开展的120KW振荡浮子式波浪能装置获得并通过国家海洋局组织的验收。
目前国内外波浪发电装置基本由两个部分组成：第一部分是能源采集装置，捕获海浪中的动能及势能；第二部分是能源转换装置，将捕获的能源转化成机械能或电能。国内外目前波浪发电装置主要有振荡水柱式(OWC)、振荡浮子式(Buoy)、摆式(Pendulum)、鸭式(Duck)、筏式(Raft)、收缩坡道式(Tapchan)、蚌式(Clam)等[3]。目前波浪能发电装置存在有能量转换效率低、建造成本高、能量不稳定等关键问题，但仍具有良好的发展前景。
发明内容
本发明的工作原理通过浮子在海浪中的上下起伏，带动四根弹性绳拉伸或收缩，前后绳带动底座的电机转子旋转，左右绳带动定子旋转，形成相对运动产生电能。而在浮子上下起伏的过程中，浮子下方的百叶窗结构可在涌流的作用下旋转，由于百叶窗的结构使得其只能朝一个方向旋转，从而捕获海浪水平方向的能量转化为浮子内电机的电能。
本发明通过如下技术方案实现：
一种海浪能双向高效吸收发电装置，包括整流装置、密封设置的浮子、设置在所述浮子内的第一发电机、位于所述浮子下方的底座，所述第一发电机的转动轴转动密封地向下竖直穿过所述浮子后与单向叶轮固定连接；所述浮子的边缘沿周向均匀地对称设置有四个圆环，所述底座上设置有若干定滑轮及防水密封的第二发电机，所述浮子和第二发电机之间传动连接设置有两根弹性软绳，其中一根弹性软绳的两端固定在相对设置的两个圆环上，中部经定滑轮转向后与第二发电机的定子轴相缠绕，另一根弹性软绳的两端固定在相对设置的另两个圆环上，中部经定滑轮转向后与第二发电机的转子轴相缠绕，所述第一发电机和第二发电机的电力输出端与整流装置电路连接。
进一步地，所述浮子为倒置的中空圆锥台结构，底部设置有与所述第一发电机的转动轴转动密封的圆孔。
进一步地，所述浮子的上下半径比为3:1~2:1。
进一步地，所述浮子内通过肋板固定有长方体电机安装腔，所述第一发电机1设置在所述电机安装腔内。
进一步地，所述的单向叶轮包括叶轮轴、沿所述叶轮轴周向均匀固定在叶轮轴外周壁的若干组百叶窗扇叶结构，每组所述百叶窗扇叶结构上均铰接设置有若干仅能沿叶轮轴同一旋转方向推开的窗叶。
进一步地，所述的叶轮轴外周壁沿周向均匀固定有三组相邻夹角为120度的百叶窗扇叶结构。
进一步地，每组所述的百叶窗扇叶结构上沿叶轮轴的轴向或径向方向依次铰接有若干沿叶轮轴同一旋转方向推开的矩形窗叶。
进一步地，所述的底座4上设置有密封性隔水箱，所述第二发电机密封设置于所述隔水箱内且定子轴和转子轴分别伸至隔水箱外，所述隔水箱上设置有分别与所述定子轴和转子轴密封配合的圆孔。
进一步地，所述的整流装置采用桥式整流电路。
进一步地，所述浮子上设置有通过控制浮子中水的重量、从而控制浮子的重量的阀门。
相比现有技术，本发明提供的海浪能双向高效吸收发电装置结构简单、安装条件低、不仅能利用海洋中上下浮动的能量，还能利用暗流涌动的水平方向的能量，极大地提高对海浪能的利用率，在深海、浅海以及海边施工地区都有很强的适用性。
附图说明
图1是本发明实施例的海浪发电机整体结构示意图。
图2是本发明实施例的内装电机的圆锥型密封浮子结构图；
图3是可随波浪方向自动张开闭合的“百叶窗”单向叶轮结构示意图；
图4是可实现转子与定子相对运用的第二发电机示意简图；
图5是本发明实施例的结构简图。
图6是本发明实施例的桥式整流电路示意图。
图中：1-第一发电机；2-弹性软绳；3-第二发电机；4-底座；5-单向叶轮；51-叶轮轴；52-百叶窗扇叶结构；53-窗叶；6-浮子；7-圆环；8-活动扇叶；9-定子；10-转子；11-定滑轮；12-隔水箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种海浪能双向高效吸收发电装置，包括整流装置、密封设置的浮子6、设置在所述浮子6内的第一发电机1、位于所述浮子6下方的底座4，所述第一发电机1的转动轴转动密封地向下竖直穿过所述浮子6后与单向叶轮5固定连接；所述浮子6的边缘沿周向均匀地对称设置有四个圆环7，所述底座4上设置有若干定滑轮及防水密封的第二发电机，所述浮子6和第二发电机之间传动连接设置有两根弹性软绳2，其中一根弹性软绳2的两端固定在相对设置的两个圆环7上，中部经定滑轮转向后与第二发电机的定子轴相缠绕，另一根弹性软绳2的两端固定在相对设置的另两个圆环7上，中部经定滑轮转向后与第二发电机的转子轴相缠绕、所述第一发电机1和第二发电机的电力输出端与整流装置电路连接。
如图2所示，所述浮子6为倒置的中空圆锥台结构，底部设置有与所述第一发电机1的转动轴转动密封的圆孔。所述浮子6的上圆的半径为40cm，上下半径比2:1。所述浮子6内通过肋板固定有长方体电机安装腔，所述第一发电机1设置在所述电机安装腔内。
在经历多次测量后，我们发现在所有简单几何体中倒圆锥台可以最大化地吸收波浪中驻波的能量，所以我们把浮子的形状设计成倒倒圆锥形，圆锥台是中空的结构，下面开一个圆形的孔，浮子里面还设计了一个长方体电机安装腔，用四块肋板把这个长方体电机安装腔固定，里面是第一发电机，电机转子轴直接通过浮子6底下的孔伸出浮子，孔只比电机转子轴略大并做一些。防水处理以防止第一发电机进水。浮子6对称的位置有四个圆环，用于装上弹性软绳2，弹性软绳2的另一端向下延伸至海底安装的底座4，并通过定滑轮11与第二发电机3驱动连接。浮子6会随着海浪上下起落，浮子6起的时候拉紧弹性软绳2，传递一个拉力，浮子6落的时候弹性软绳2放松，拉力消失，由此往复。
如图3所示，所述的单向叶轮5包括叶轮轴51、沿所述叶轮轴51周向均匀固定在叶轮轴51外周壁的若干组百叶窗扇叶结构52，每组所述百叶窗扇叶结构52上均铰接设置有若干沿叶轮轴51同一旋转方向推开的窗叶53。所述的叶轮轴51外周壁沿周向均匀固定有三组相邻夹角为120度的百叶窗扇叶结构52。每组所述的百叶窗扇叶结构52上沿叶轮轴51的轴向方向依次铰接有三片沿叶轮轴同一旋转方向推开的矩形窗叶53。
本实施例的单向叶轮5 采用“百叶窗”式叶轮机构：叶轮轴上装了一个类似于叶轮一样的结构，即百叶窗扇叶结构，经实践数据比较，叶轮的叶片为三个的时候可以最大化地吸收波浪中涌流的能量，所以设计叶片为三个，叶片像是百叶窗一样的结构，有许多小的叶片，即窗叶53，窗叶53只能从一个方向的推开一定角度，像百叶窗一样。当波浪从窗叶推开的方向打过来的时，窗叶受力的作用打开，减小涌流对叶轮的冲击力和阻力；当波浪从反方向打过来的时，窗叶受力的作用同时因为结构的原因闭合，增大涌流对叶轮的推动作用，这样可以使得无论海浪的前进方向是怎样，叶轮只往一个方向转动，叶轮转动的时候直接带动浮子6里的第一发电机转动发电，同时浮子6会受驻波影响上下起伏。
如图4和图5所示，所述的底座4上设置有密封性隔水箱12，所述第二发电机密封设置于所述隔水箱12内且定子轴和转子轴分别伸至隔水箱12外，所述隔水箱12上设置有分别与所述定子轴和转子轴密封配合的圆孔。
本发明实施例中，浮子6的四根弹性软绳2是分前后和左右方向的，故设计了一种方案，即前后的弹性软绳2通过定滑轮组的改向拉动第二发电机的转子转动，左右的弹性软绳2通过定滑轮组的改向拉动第二发电机的定子运动，形成相对运动，以增大转子的速度。同时，由于弹性软绳2的性质，我们也可以控制相对运动的大小。这样子，根据感应电动势公式 E=BLV 可知，在速度增大的情况下可以输出更多的电能，对于小型发电机就能产生更多的电能。
所示底座4上安装有六个定滑轮11，用于改变系在浮子4上的弹性软绳2的方向，使其作用在第二发电机3的定子轴与转子轴上，实现定子与转子的相对运动，把机械能转化成电能。同时在第二发电机3四周安装了防水装置，使其能够在水下正常运转。底座4同时采用类抛锚的装置固定在海床上，方便发电装置的迁移与调节。
如图6所示，所述的整流装置采用桥式整流电路。因为浮子6上下运动带动两组弹性软绳2做方向相反的运动，存在着正转和反转的问题，我们需要将其设计成单向运动。因为机械类的单向结构中间过程的损失较大，于是本发明选择设计整流电路。常用的整流有不可控的方式及其可控的方式，因为对不同海面需要制定不同的方案，本发明先用不可控的方式进行整流。因为采用桥式整流电路能够保证浮子6在上下浮动时，通过定滑轮11连接到转子和定子的两组弹性软绳2能够使主轴只按一个方向转动，从而恒定输出。
另外，所述浮子6上设置有通过控制浮子中水的重量、从而控制浮子6的重量的阀门。
当海浪上下波动时，浮子在海浪中的上下起伏，带动四根弹性软绳2拉伸或收缩，其中前后绳带动底座的电机转子旋转，左右绳带动定子旋转，形成定子和转子的正反转，从而相对运动产生电能。而在浮子上下起伏的过程中，浮子6下方的“百叶窗”式叶轮机构则在涌流的作用下旋转，由于百叶窗的结构使得其只能朝一个方向旋转，从而捕获海浪水平方向的能量推动浮子6内的第一发电机旋转将机械能转化为电能，可极大的提高海量能的利用率。
以上仅为本发明的优选实施例，并不限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有多种形式的改动。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种海浪能双向高效吸收发电装置，其特征在于：包括整流装置、密封设置的浮子(6)、设置在所述浮子(6)内的第一发电机(1)、位于所述浮子(6)下方的底座(4)，所述第一发电机(1)的转动轴转动密封地向下竖直穿过所述浮子(6)后与单向叶轮(5)固定连接；所述浮子(6)的边缘沿周向均匀地对称设置有四个圆环(7)，所述底座(4)上设置有若干定滑轮及防水密封的第二发电机，所述浮子(6)和第二发电机之间传动连接设置有两根弹性软绳(2)，其中一根弹性软绳(2)的两端固定在相对设置的两个圆环(7)上，中部经定滑轮转向后与第二发电机的定子轴相缠绕，另一根弹性软绳(2)的两端固定在相对设置的另两个圆环(7)上，中部经定滑轮转向后与第二发电机的转子轴相缠绕，所述第一发电机(1)和第二发电机的电力输出端与整流装置电路连接；所述浮子(6)为倒置的中空圆锥台结构，底部设置有与所述第一发电机(1)的转动轴转动密封的圆孔；所述浮子(6)的上下半径比为3:1~2:1；所述浮子(6)内通过肋板固定有长方体电机安装腔，所述第一发电机(1)设置在所述电机安装腔内；所述的单向叶轮(5)包括叶轮轴(51)、沿所述叶轮轴(51)周向均匀固定在叶轮轴(51)外周壁的若干组百叶窗扇叶结构(52)，每组所述百叶窗扇叶结构(52)上均铰接设置有若干沿叶轮轴(51)同一旋转方向推开的窗叶(53)；所述的底座(4)上设置有密封性隔水箱(12)，所述第二发电机密封设置于所述隔水箱(12)内且定子轴和转子轴分别伸至隔水箱(12)外，所述隔水箱(12)上设置有分别与所述定子轴和转子轴密封配合的圆孔。
2.根据权利要求1所述的海浪能双向高效吸收发电装置，其特征在于：所述的叶轮轴外周壁沿周向均匀固定有三组相邻夹角为120度的百叶窗扇叶结构。
3.根据权利要求2所述的海浪能双向高效吸收发电装置，其特征在于：每组所述的百叶窗扇叶结构上沿叶轮轴的轴向或径向方向依次铰接有若干沿叶轮轴同一旋转方向推开的矩形窗叶。
4.根据权利要求1所述的海浪能双向高效吸收发电装置，其特征在于：所述的整流装置采用桥式整流电路。
5.根据权利要求1所述的海浪能双向高效吸收发电装置，其特征在于：所述浮子(6)上设置有通过控制浮子中水的重量、从而控制浮子(6)的重量的阀门。
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