CN110344994A - 一种双浮子波浪发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双浮子波浪发电装置，包括：阻尼盘、与阻尼盘刚性连接的浮筒、用以随海浪浮动的内浮子和外浮子，以及铰接连接于内浮子、外浮子及浮筒之间的连接组件；还包括一对内浮子发电电机和一对外浮子发电电机。本发明所提供的双浮子波浪发电装置，在一个波浪周期内，在连接组件的连接作用下，通过内浮子和外浮子随波浪浮动，进而带动内浮子发电电机和外浮子发电电机工作，内浮子发电电机和外浮子发电电机能够往复运动两次，由此产生两次发电周期，显著地提高了发电效率、增加了发电量。与现有技术中单浮子电机相比，本发明所提供的双浮子波浪发电装置，实现了浪能的充分开发及利用，发电效率显著。

Description

一种双浮子波浪发电装置
技术领域
本发明涉及海洋能源技术领域，更具体地说，涉及一种双浮子波浪发电装置。
背景技术
随着全球经济的快速发展，能源的需求日益增加。
众所周知，全球大部分的能源消耗来源于化石能源，而化石能源作为一种非可再生能源，其燃烧和使用的过程中引起了一系列问题，譬如温室效应，环境污染和地质生态破坏等，能源消耗和环境的协调可持续发展问题受到当今世界各国的共同关注。
作为海洋能中最主要的能源之一——浪能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。汹涌的海浪运动产生巨大的、永恒的和环保的能量，如果能将海浪的动能及其他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，因此，开发和利用波浪能具有良好的环境效益、社会效益和经济效益。
现阶段，大多采用单浮子波浪发电装置进行发电，然而现有技术中的单浮子波浪发电装置，通常只有一个浮子用于捕获波浪能量，通过该浮子带动一台电机运行，在一个波浪周期内，由于电机仅往复运行一次，发电效率较低。
因此，如何充分利用波浪能量提高发电效率，降低加工难度，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双浮子波浪发电装置，解决了浪能开发利用不高、发电效率低的问题。
本发明提供一种双浮子波浪发电装置，包括：阻尼盘，用以连接于海底沉石；
浮筒，底部与所述阻尼盘刚性连接；
内浮子和外浮子，用以随海浪浮动；
连接组件，用以铰接连接于所述内浮子与所述外浮子以及所述内浮子与所述浮筒；
一对内浮子发电电机，均两端分别铰接连接于所述浮筒与所述内浮子；
一对外浮子发电电机，均两端分别铰接连接于所述浮筒与所述外浮子；
在一个波浪周期内，各所述内浮子发电电机及各所述外浮子发电电机均能够往复运动两次，且产生两次发电周期。
优选的，所述内浮子发电电机和所述外浮子发电电机均包括初级和次级；
所述初级包括主轴、绝缘骨架、嵌套于所述绝缘骨架内部的绕组，以及安装于所述绝缘骨架前端及后端的固定板；
所述次级包括外壳，所述外壳的内部安装有永磁体和凸轴，所述凸轴内部设有槽体，所述槽体安装有滚珠，还包括安装于所述槽体端部及所述外壳端部的弹簧。
优选的，所述连接组件包括一对外浮子轴承和一对内浮子轴承，所述外浮子轴承的两端分别铰接于所述外浮子和所述内浮子上，且两个所述外浮子轴承对称设置，所述外浮子发电电机与所述外浮子轴承错开设置，所述内浮子发电电机与所述外浮子轴承铰接于同一位置；所述内浮子轴承一端固接于所述浮筒侧面、另一端铰接于所述内浮子，所述内浮子发电电机与所述内浮子轴承错开设置。
优选的，任一相邻的两个所述槽体之间的夹角为120°，所述槽体的深度小于所述滚珠的直径。
优选的，所述内浮子发电电机和所述外浮子发电电机均为无齿槽式圆筒直线发电机。
优选的，所述外浮子发电电机与所述内浮子发电电机沿周向均匀分布。
优选的，所述初级的两端安装有用以将所述外浮子和所述内浮子固定于所述浮筒、以防止所述外浮子及所述内浮子运动的机械抱闸装置。
优选的，所述浮筒的内部为空心结构，包括：
配重仓，用以调整所述浮筒的吃水深度；
后级处理电路，用以将所述内浮子发电电机及所述外浮子发电电机产生的电能加以存储及转换成标准电流；
放置腔，用以放置海洋监测仪器和/或通讯装置。
优选的，所述浮筒的顶部平台安装有导航灯。
本发明所提供的双浮子波浪发电装置，通过内浮子和外浮子随波浪浮动，进而带动内浮子发电电机和外浮子发电电机工作，在一个波浪周期内，在连接组件的连接作用下，外浮子发电电机和外浮子发电电机能够往复运动两次，由此产生两次发电周期，显著地提高了发电效率、增加了发电量。与现有技术中单浮子电机相比，本发明所提供的双浮子波浪发电装置，实现了浪能的充分开发及利用，发电效率显著。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的双浮子波浪发电装置的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1中外浮子处于前半个波浪周期的示意图；
图4为图1中外浮子处于后半个波浪周期的示意图；
图5为图1中内浮子处于前半个波浪周期的示意图；
图6为图1中内浮子处于后半个波浪周期的示意图；
图7为图1中外浮子发电电机及内浮子发电电机的剖视图；
图8为图7中滚子的分布图；
图9为图7中永磁体充磁结构示意图。
其中，1-阻尼盘、2-浮筒、3-内浮子、4-外浮子、5-内浮子发电电机、6-外浮子发电电机、7-主轴、8-绝缘骨架、9-绕组、10-固定板、11-外壳、12-永磁体、13-凸轴、14-滚珠、15-弹簧、16-内浮子轴承、17-外浮子轴承。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种双浮子波浪发电装置，解决了我国近海岸海浪能开发利用率低、发电效率不佳的问题。
需要说明的是，本文中出现的方位词“上、下”方向指的是图1中的上、下方向。本文中出现的方位词均是以本领域技术人员的习惯用法以及说明书附图为基准而设立的，它们的出现不应当影响本发明的保护范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图9，图1为本发明所提供的双浮子波浪发电装置的结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为图1中外浮子处于前半个波浪周期的示意图；图4为图1中外浮子处于后半个波浪周期的示意图；图5为图1中内浮子处于前半个波浪周期的示意图；图6为图1中内浮子处于后半个波浪周期的示意图；图7为图1中外浮子发电电机及内浮子发电电机的剖视图；图8为图7中滚子的分布图；图9为图7中永磁体充磁结构示意图。
本发明提供一种双浮子波浪发电装置，包括阻尼盘1、浮筒2、内浮子3、外浮子4、连接组件、一对内浮子发电电机5以及一对外浮子发电电机6。
阻尼盘1的底部与海底沉石相连，浮筒2的底部与阻尼盘1刚性连接，且浮筒2与阻尼盘1垂直分布；外浮子4和内浮子3均为环状结构，外浮子4套设于内浮子3外部，在海浪涌动下，内浮子3和外浮子4能够跟随海浪浮动；连接组件用以铰接连接于内浮子3与外浮子4之间，以及内浮子3与浮筒2之间，以确保发电装置整体的平衡性。
各内浮子发电电机5均两端分别铰接连接于浮筒2和内浮子3，各外浮子发电电机6均两端分别铰接连接于浮筒2和外浮子4，由于阻尼盘1和浮筒2固定在海底沉石，这样，当内浮子3和外浮子4随波浪运动时，与浮筒2之间形成相对速度差及位移差，由此内浮子发电电机5和外浮子发电电机6的初级和次级即产生相对运动，从而感应出电动势产生电能，在一个波浪周期内，各内浮子发电电机5及各外浮子发电电机6均能够往复运动两次，由此产生两次发电周期，波浪能量得到充分利用，提高了发电装置的发电效率。
由此可见，本申请将内浮子发电电机5和外浮子发电电机6与内浮子3、外浮子4和浮筒2相结合，实现了波浪能的捕获和能量的转化，一个波浪周期内，内浮子发电电机5及外浮子发电电机6均产生两个发电周期，由此提高了发电量，解决了我国发电设备效率不高的问题，在一定程度上促进了波浪发电在新能源领域的发展。
具体来说，内浮子发电电机5和外浮子发电电机6的结构相同，均包括初级和次级，初级包括主轴7、绝缘骨架8、绕组9和安装于绝缘骨架8前端及后端的固定板10，绕组9嵌套在绝缘骨架8之内，共同套装在主轴7的外表面，绝缘骨架8的前端及后端面各安装有固定板10；次级包括外壳11、永磁体12、凸轴13和滚珠14，永磁体12设于外壳11的内周面，凸轴13中部开设有槽体，槽体沿轴向分布，其内设有滚珠14，槽体端部和外壳11端部均安装有弹簧15，弹簧15的设置使得电机运行至行程尽头，利用弹簧15对初级进行缓冲，以减小初级和次级之间的碰撞力；初级和次级的永磁体12之间形成气隙磁场。
具体的，内浮子发电电机5和外浮子发电电机6均为无齿槽式圆筒直线发电机，内浮子发电电机5和外浮子发电电机6的外型为圆筒状，且初级为无齿槽式结构，在电枢体积一定的情况下，能够保证足够的绕组9空间来排布更多的线圈，提高感应电动势和输出电压，并且在保证发电机性能的情况下，初级和次级可一次性加工成型，减小加工工艺，采用无齿槽式圆筒直线发电机，降低了加工难度，减少了制造成本。
由于圆筒直线发电机作为波浪发电装置的能量转化核心结构，其功率密度和转化效率直接决定了发电装置的性能，因此，为了提高气隙磁场的正弦程度，永磁体12优选采用海尔贝克阵列(Halbach Array)，利用其在一定程度上可以平衡气隙磁场畸变，由此来降低直线发电机的定位力，提高输出电能的质量。更具体地，永磁体12包括轴向充磁永磁体12和径向充磁永磁体12，且轴向充磁永磁体12和径向充磁永磁体12的充磁方式按照如图8所示方式相间排列。
优选的，外浮子发电电机6与内浮子发电电机5沿周向均匀分布。
优选的，任一相邻的两个槽体之间的夹角为120°，且槽体的深度小于滚珠14直径，这样一来，滚珠14可以从槽体内部突出，起滚动支撑的作用，由此利用滚珠14来减小初级和次级之间的摩擦力，提高电机的工作效率。
在上述实施例的基础上，连接组件包括一对外浮子轴承17和一对内浮子轴承16，外浮子轴承17的两端分别铰接于外浮子4和内浮子3上，且两个外浮子轴承17对称设置，内浮子轴承16的一端铰接于内浮子3上，另一端固定在浮筒2的侧壁上，且两个内浮子轴承16对称设置，这样，两个内浮子轴承16及两个外浮子轴承17周向360°均匀分布，内浮子发电电机5与外浮子轴承17铰接于同一位置，外浮子发电电机6与外浮子轴承17错开设置，且内浮子发电电机5与内浮子轴承16错开设置。
由此在内浮子3、外浮子4、外浮子发电电机6、内浮子发电电机5和浮筒2之间即形成周向均匀分布且相互关联的连接结构，内浮子3、外浮子4和浮筒2之间的速度差是通过内浮子轴承16和外浮子轴承17旋转运动实现的，配合调节内浮子3和外浮子4的直径大小，可以确保发电电机初级和次级发生相对运动而使次级绕组9切割磁场线而产生电动势，与此同时，避免了发电装置受海浪倾覆，提升了安全性能。
为了进一步提升安全性能，可在初级的两端安装机械抱闸装置，当遭遇极端海洋气候时，机械抱闸装置能够实现自动锁死功能，将内浮子3和外浮子4锁止在浮筒2，以使外浮子4及内浮子3不随海浪发生相对运动，停止装置运行发电，保证电能后处理电路的不被高电压击穿，并且增强其抗击风浪的能力。
上述浮筒2的内部为空心结构，其内部设有配重仓、后级处理电路和放置腔，其中，配重仓设置于浮筒2的底部，用以调整浮筒2的吃水深度，使其振荡周期远离海洋波浪的振荡周期；后级处理电路设于浮筒2中部，也即设于配重仓与放置腔之间，其包括整流电路、电池和逆变电路，整流电路和逆变电路与外浮子发电电机6及内浮子发电电机5相连，用以将其产生的电能加以存储及转换成标准电流，由于波浪发电所产生的电能不规则，且会有断流情况，因此电能经过整流电路后，将其存储在电池中，再经逆变电路的逆变操作，为外界仪器或设备提供其工作所需的标准电流，这样一来，电池所输出的电能即为连续电能，再经逆变电路处理后获得连续且稳定的标准电流；浮筒2内腔上部的放置腔用以放置海洋监测仪器和/或通讯装置等，并且海洋监测仪器及通讯装置均可以连接于后级处理电路，利用后级处理电路中的标准电流向海洋监测仪器及通讯装置供电，以实现海洋监测作业以及与外界通讯。
还可以在浮筒2的顶部平台上安装导航灯，该导航灯同样可以与后级处理电路相连，向导航灯供电，实现夜间照明功能。
本发明所提供的双浮子波浪发电装置，大部分装置安装于水中，在海平面上还可以放置监测设备，利用本申请所产生的电能为监测设备供电，构成发电网络，由此充分利用海面的波浪能，实现了波浪能的捕获和能量的转化，实现并网运行。
以上对本发明所提供的双浮子波浪发电装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双浮子波浪发电装置，其特征在于，包括：
阻尼盘(1)，用以连接于海底沉石；
浮筒(2)，底部与所述阻尼盘(1)刚性连接；
内浮子(3)和外浮子(4)，用以随海浪浮动；
连接组件，用以铰接连接于所述内浮子(3)与所述外浮子(4)以及所述内浮子(3)与所述浮筒(2)；
一对内浮子发电电机(5)，均两端分别铰接连接于所述浮筒(2)与所述内浮子(3)；
一对外浮子发电电机(6)，均两端分别铰接连接于所述浮筒(2)与所述外浮子(4)；
在一个波浪周期内，各所述内浮子发电电机(5)及各所述外浮子发电电机(6)均能够往复运动两次，且产生两次发电周期。
2.根据权利要求1所述的双浮子波浪发电装置，其特征在于，所述内浮子发电电机(5)和所述外浮子发电电机(6)均包括初级和次级；
所述初级包括主轴(7)、绝缘骨架(8)、嵌套于所述绝缘骨架(8)内部的绕组(9)，以及安装于所述绝缘骨架(8)前端及后端的固定板(10)；
所述次级包括外壳(11)，所述外壳(11)的内部安装有永磁体(12)和凸轴(13)，所述凸轴(13)内部设有槽体，所述槽体安装有滚珠(14)，还包括安装于所述槽体端部及所述外壳(11)端部的弹簧(15)。
3.根据权利要求2所述的双浮子波浪发电装置，其特征在于，所述连接组件包括一对外浮子轴承(17)和一对内浮子轴承(16)，所述外浮子轴承(17)的两端分别铰接于所述外浮子(4)和所述内浮子(3)上，且两个所述外浮子轴承(17)对称设置，所述外浮子发电电机(6)与所述外浮子轴承(17)错开设置，所述内浮子发电电机(5)与所述外浮子轴承(17)铰接于同一位置；所述内浮子轴承(16)一端固接于所述浮筒(2)侧面、另一端铰接于所述内浮子(3)，所述内浮子发电电机(5)与所述内浮子轴承(16)错开设置。
4.根据权利要求3所述的双浮子波浪发电装置，其特征在于，任一相邻的两个所述槽体之间的夹角为120°，所述槽体的深度小于所述滚珠(14)的直径。
5.根据权利要求4所述的双浮子波浪发电装置，其特征在于，所述内浮子发电电机(5)和所述外浮子发电电机(6)均为无齿槽式圆筒直线发电机。
6.根据权利要求5所述的双浮子波浪发电装置，其特征在于，所述外浮子发电电机(6)与所述内浮子发电电机(5)沿周向均匀分布。
7.根据权利要求6所述的双浮子波浪发电装置，其特征在于，所述外浮子轴承(15)和所述内浮子轴承(16)沿周向均匀分布。
8.根据权利要求2～7任一项所述的双浮子波浪发电装置，其特征在于，所述初级的两端安装有用以将所述外浮子(4)和所述内浮子(3)固定于所述浮筒(2)、以防止所述外浮子(4)及所述内浮子(3)运动的机械抱闸装置。
9.根据权利要求8所述的双浮子波浪发电装置，其特征在于，所述浮筒(2)的内部为空心结构，包括：
配重仓，用以调整所述浮筒(2)的吃水深度；
后级处理电路，用以将所述内浮子发电电机(5)及所述外浮子发电电机(6)产生的电能加以存储及转换成标准电流；
放置腔，用以放置海洋监测仪器和/或通讯装置。
10.根据权利要求9所述的双浮子波浪发电装置，其特征在于，所述浮筒(2)的顶部平台安装有导航灯。
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