CN110578645A - 波浪能应用装置 - Google Patents
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Abstract
一种波浪能应用装置，包括捕能转换机构，还包括具有密封腔的壳体，所述捕能转换机构安装于所述密封腔内，所述壳体包括位于底部由边缘部向中心并向下逐渐拱出的底弧形面，所述波浪能应用装置的重心位于下部。本申请的波浪能应用装置，采用壳体构造，可承受冲击大，遭遇极端天气也不易损坏，而且无浸没在海水中的零部件，可靠性高，使用寿命长；整体重心靠下，在极端天气时发生翻转后可自行调整恢复，保持稳定的姿态，降低了日常维护的成本；具有适用性广泛、性能稳定、响应灵敏等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种波浪能应用装置。
背景技术
波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。它主要是由海洋吸收风能形成的，其能量与波浪的运动周期、波面宽度、波高的平方呈正相关关系。波浪能作为一种储量巨大、能量密度高、清洁环保的可再生能源受到了越来越多的海洋资源大国的关注和重视。
但波浪能所具有的能量密度不稳定，受海域、天气因素影响大等特点，使其开发和利用的难度增大，影响了进一步的商业化推广。主要具有如下缺点：
（1）能量的不稳定性
波浪能的密度、品质受季节、天气、风力、气压的影响很大，而且在不同的海域一般会分布不均；
（2）发电成本高，难度大
由于海面范围大及恶劣天气的影响，加上波浪能的不稳定性等因素，增加了波浪能应用装置的设计难度和开发成本；
（3）发电效率低
波浪能的不稳定性导致了现有波浪能应用装置的发电效率较低，发电的品质不良，如电压和频率不稳定。
目前，各种类型波浪能应用装置普遍面临着如何提高发电效率与装置稳定性、降低发电成本、改善其泛用性等主要问题。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种波浪能应用装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种波浪能应用装置，包括捕能转换机构，还包括具有密封腔的壳体，所述捕能转换机构安装于所述密封腔内，所述壳体包括位于底部由边缘部向中心并向下逐渐拱出的底弧形面，所述波浪能应用装置的重心位于下部。
在某些实施方式中，所述壳体上设置有固定的尾翼板，所述尾翼板的下边缘与所述底弧形面相弧线过渡，所述尾翼板所在中心平面垂直于水平面，且重合于所述壳体垂直于水平面的中心线，所述尾翼板以该中心线为圆心的径向由所述底弧形面向外延伸出。
在某些实施方式中，所述壳体包括位于下部任一横截面边缘轮廓呈圆形的下壳座、位于所述下壳座上任一横截面边缘轮廓呈圆形的上壳体，所述上壳体与所述下壳座连接处弧面过渡，所述底弧形面为所述下壳座下表面，所述密封腔形成于所述下壳座与所述上壳体之间。
在某些实施方式中，所述上壳体的横截面边缘轮廓自下而上渐变渐小，所述下壳座的横截面边缘轮廓自上而下渐变渐小，所述下壳座的高度占所述壳体总高的1/4-1/3，所述壳体外轮廓呈水滴形。
在某些实施方式中，所述壳体高a为2m-2.1m，所述壳体最宽处宽b为1.4m-1.6m,所述壳体与所述尾翼板的共宽度c为1.8m-1.9m。
在某些实施方式中，所述捕能转换机构包括上端部通过摆轴转动设置在所述密封腔内的单摆式动子、固定设置于所述下壳座中部长度沿着下凹形弧线延伸的圆弧型定子，所述圆弧型定子上设置有至少一对绕组，所述单摆式动子的下端部固定有一对磁铁，当单摆式动子通过摆轴来回摆动时，所述磁铁相对圆弧型定子来回移动。
在某些实施方式中，所述尾翼板所在的中心平面、所述圆弧型定子所在的中心平面相重合，并与所述壳体垂直于水平面的中心线重合，所述摆轴的中心线与所述壳体垂直于水平面的中心线相垂直。
在某些实施方式中，所述密封腔内具有两个支撑座，两个所述支撑座的下部分别固定于所述下壳座上，每个所述支撑座的上部分别背对背相反固定有角接触球轴承，所述单摆式动子上端部固定的摆轴的两端部分别插在相应的角接触球轴承内，所述尾翼板所在的中心平面分别与两个所述支撑座的对称平面、所述单摆式动子的纵向中心线相重合。
在某些实施方式中，所述下壳座上开有开口向着密封腔卧槽，所述圆弧型定子固定在所述卧槽内，所述单摆式动子的下端部及磁铁插在所述卧槽内。
在某些实施方式中，所述单摆式动子两端固定有用于防止对所述壳体内壁造成破坏的缓冲垫。
在某些实施方式中，所述波浪能应用装置还包括负载与/或蓄电池、将所述线圈输出的原始交流电转换为直流电向负载与/或蓄电池供电的转换电路，所述转换电路依次包括升压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路。
本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本申请的波浪能应用装置，采用壳体构造，可承受冲击大，遭遇极端天气也不易损坏，而且无浸没在海水中的零部件，可靠性高，使用寿命长；整体重心靠下，在极端天气时发生翻转后可自行调整恢复，保持稳定的姿态，降低了日常维护的成本；具有适用性广泛、性能稳定、响应灵敏等优点。
附图说明
附图1为波浪能应用装置前后剖面图；
附图2为波浪能应用装置左右剖面图；
附图3为波浪能应用装置前部局部剖面俯视图；
附图4为摆轴剖面图；
附图5为捕能转换机构摆动示意图；
附图6为转换电路示意图；
附图7为波浪能应用装置在波浪中受力示意图；
其中：1、壳体；11、上壳体；12、下壳座；121、底弧形面；122、卧槽；13、密封腔；2、尾翼板；3、捕能转换机构；31、单摆式动子；32、磁铁；33、摆轴；34、圆弧型定子；35、支撑座；36、角接触球轴承；S1、尾翼板所在的中心平面；S2、圆弧型定子所在的中心平面；X1、壳体垂直于水平面的中心线；X2、摆轴的中心线。
具体实施方式
如各附图所示，一种波浪能应用装置，包括捕能转换机构3，还包括具有密封腔13的壳体1，捕能转换机构3安装于密封腔13内。如附图2所示，壳体1包括位于底部由边缘部向中心并向下逐渐拱出的底弧形面121。波浪能应用装置的重心位于下部。整体外轮廓采用壳体构造，可承受冲击大，遭遇极端天气也不易损坏，而且无浸没在海水中的零部件，可靠性高，使用寿命长；整体重心靠下，在极端天气时发生翻转后可自行调整恢复，保持稳定的姿态，降低了日常维护的成本。
如附图1、3所示，壳体1上设置有固定的尾翼板2。如附图1-3所示，尾翼板2所在中心平面S1垂直于水平面，且重合于壳体垂直于水平面的中心线X1，尾翼板2以该中心线X1为圆心的径向由底弧形面121向外延伸出。尾翼板2作为尾翼反馈调节机构，通过波浪激振力调整尾翼板2的方向，从而确定壳体1的摆动方向与波浪的方向相对应，提高波浪能的捕获效率。
本实施例中，壳体1包括位于下部任一横截面边缘轮廓呈圆形的下壳座12、位于下壳座12上任一横截面边缘轮廓呈圆形的上壳体11，上壳体11与下壳座12连接处弧面过渡，底弧形面121为下壳座12下表面，密封腔13形成于下壳座12与上壳体11之间。上壳体11的横截面边缘轮廓自下而上渐变渐小，下壳座12的横截面边缘轮廓自上而下渐变渐小，下壳座12的高度占壳体1总高的1/4-1/3。壳体1外轮廓呈下大上小的水滴形，下方的下壳座12上设置有尾翼板2，整体重心位于下部。受波浪影响反应灵敏，适用性好。
壳体1可以是横向打开式，即在上壳体11与下壳座12之间边缘部密封连接。也可以是左右两个半壳体纵向密封连接而成，每个包括上部半个上壳体与下部半个下壳体。
捕能转换机构3包括上端部通过一摆轴33转动设置在密封腔13内的单摆式动子31、固定设置于下壳座12中部长度沿着下凹形弧线延伸的圆弧型定子34。考虑到单摆摆角的实际范围，定子绕组不宜安装过多，避免降低发电机构的利用率。圆弧型定子34上设置有三对绕组。单摆式动子31的下端部固定有一对磁铁32，如铷铁硼永磁体，当单摆式动子31仅仅通过摆轴33相对壳体1能够来回摆动时，磁铁32相对圆弧型定子34来回移动。在单摆式动子31两端安装有缓冲垫，以防止在极端情况下动子对装置内壁造成破坏。如附图5所示，单摆的往复运动使绕组线圈中的磁通量发生改变，绕组将产生感应电动势，即可完成波浪能到电能的转化。采用将定子绕组安装在单摆式动子的下方的安装方式可以有效避免安装在两侧引起的受力不均衡。同时，该安装方式可以使装置的重心向下移动，更利于装置保持稳定。
如附图1-3所示，尾翼板所在的中心平面S1、圆弧型定子所在的中心平面S2相重合，并与壳体垂直于水平面的中心线X1重合。摆轴的中心线X2与壳体垂直于水平面的中心线X1相垂直。壳体1随波浪响应灵敏，适用性好，只要波浪轻微驱动壳体1摆动，单摆式动子31即能相应产生轻微摆动，波浪能量被捕获。
捕能转换机构3的安装：
如附图4所示，密封腔13内具有两个支撑座35，两个支撑座35的下部分别固定于下壳座12上，每个支撑座35的上部分别背对背相反固定有角接触球轴承36，单摆式动子31上端部固定的摆轴33的两端部分别插在相应的角接触球轴承36内。尾翼板2所在的中心平面S1分别与两个支撑座35的对称平面、单摆式动子31的纵向中心线相重合。
角接触球轴承36 “背对背”反装，双支点各单向固定的安装方式，理由如下：角接触球轴承36的当量摩擦系数小，有利于单摆的往复运动，减少摩擦损耗；可同时承受径向载荷及轴向载荷，防止轴向的波浪力对装置造成损害；“背对背”反装以扩大压力中心距离L，增加预调间隙，防止摆轴33受热变形导致的卡死。单摆式动子31上端部与摆轴33之间采用对顶螺母固定，该固定方式依靠螺纹间的压力与摩擦力防松，结构简单，适用于平稳、低速、重载的固定装置上的连接。同时便于调整动子与定子之间的间隙，改变装置的固有频率。
下壳座12上开有开口向着密封腔13卧槽122，圆弧型定子34固定在卧槽122内，单摆式动子31的下端部及磁铁32插在卧槽122内。使波浪能应用装置的重心尽量降低。
捕能转换机构3结构原理简单，加工组装方便，可有效降低制造成本，在尾翼板2的反馈调节作用下，保证波浪激振力与摆动方向在同一水平面内，波浪能的捕获效率较高。
在波浪能到电能的转化中，经由定子线圈输出的电压电流信号较弱且不稳定，倘若直接接入负载电路将会对电路中各种元器件造成冲击甚至导致电路损坏不能正常工作。因此，要设计一个转换电路，对输出的电压电流信号进行调压、整流、滤波、稳压等一系列操作后才可接入负载。本文拟采用单相桥式整流电路进行整流，π形RC滤波电路进行滤波，最后通过稳压二极管进行稳压，其电路图设计如图6所示：
线圈输出的原始交流电信号经过变压器升压后以方便对后续的电信号进行处理。
整流环节采用的是最常用的单相桥式整流电路，它利用二极管的单向导电性，由四个二极管接成电桥的形式构成。当变压器电压u在正半周时，二极管D1与D3导通，D2与D4截止；当变压器电压u在负半周时，二极管D2与D4导通，D1与D3截止。这样相对于半波整流电路利用了电源的整个周期，同时减小了整流电压的脉动。
滤波环节采用的是π形RC滤波电路，它由一个电阻R和两个电容器C1，C2组成。它避免了使用电感线圈的π形滤波器中线圈体积大，成本高的缺点，同时保留了较好的滤波效果。电阻对于交流电具有降压作用，与电容配合时，使脉动电压的交流分量能较多地降落在电阻两端，而较少地降落在负载上，从而起到滤波作用。R越大，C2越大，滤波效果越好，其主要适用于负载电流较小且要求输出电压脉动很小的场合。
稳压环节采用的是稳压二极管，利用PN结的反向击穿状态，保持电压稳定不变。通过图7的转换电路，最终将波浪能应用装置产生的交流电转换为直流电，供给负载或为蓄电池供能。
本发明单摆式波浪能应用装置以单摆作为能量吸收的介质，在入射波的激励下，装置的壳体1将不断往复摆动。由于惯性作用，单摆式动子31与固定在下壳座12的圆弧型定子34将做相对运动并使定子线圈中的磁通量发生变化，进而将机械能转换为电能，并经过整流电路将其储存或输出负载。同时，安装于壳体一侧的尾翼板2将不断调整装置的位置以提高波浪能的捕获效率，降低发电成本。
如图7所示，装置主要以横摇的运动形式吸收波浪能，壳体往复摆动一周，内部的单摆式动子31也将相对底部圆弧型定子34摆动一周，由此完成一个发电循环。
单摆式波浪能应用装置针对目前传统的波浪能应用装置所面临的适用海域范围窄、维护成本高、发电性能不稳定等问题而设计，具有响应灵敏、安全稳定、易于安装锚定等诸多优点。
由于安装了可自动调整位置的反馈机构尾翼板2，从而避免了繁复的锚定系统，不仅在近海可以稳定工作，而且在深海更能显示出优势，可为海洋资料浮标、气象浮标、航标灯等一系列功耗较低的海洋设备供电，或者作为其他形式发电系统的辅助供电装置，有着广阔的应用前景。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种波浪能应用装置，包括捕能转换机构（3），其特征在于：还包括具有密封腔（13）的壳体（1），所述捕能转换机构（3）安装于所述密封腔（13）内，所述壳体（1）包括位于底部由边缘部向中心并向下逐渐拱出的底弧形面（121），所述波浪能应用装置的重心位于下部。
2.根据权利要求1所述波浪能应用装置，其特征在于：所述壳体（1）上设置有固定的尾翼板（2），所述尾翼板的下边缘与所述底弧形面（12）相弧线过渡，所述尾翼板（2）所在中心平面垂直于水平面，且重合于所述壳体垂直于水平面的中心线（X1），所述尾翼板（2）以该中心线（X1）为圆心的径向由所述底弧形面（121）向外延伸出。
3.根据权利要求2所述波浪能应用装置，其特征在于：所述壳体（1）包括位于下部任一横截面边缘轮廓呈圆形的下壳座（12）、位于所述下壳座（12）上任一横截面边缘轮廓呈圆形的上壳体（11），所述上壳体（11）与所述下壳座（12）连接处弧面过渡，所述底弧形面（121）为所述下壳座（12）下表面，所述密封腔（13）形成于所述下壳座（12）与所述上壳体（11）之间。
4.根据权利要求3所述波浪能应用装置，其特征在于：所述上壳体（11）的横截面边缘轮廓自下而上渐变渐小，所述下壳座（12）的横截面边缘轮廓自上而下渐变渐小，所述下壳座（12）的高度占所述壳体（1）总高的1/4-1/3，所述壳体（1）外轮廓呈水滴形。
5.根据权利要求4所述波浪能应用装置，其特征在于：所述壳体（1）高a为2m-2.1m，所述壳体（1）最宽处宽b为1.4m-1.6m,所述壳体（1）与所述尾翼板（2）的共宽c为1.8m-1.9m。
6.根据权利要求4所述波浪能应用装置，其特征在于：所述捕能转换机构（3）包括上端部通过摆轴（33）转动设置在所述密封腔（13）内的单摆式动子（31）、固定设置于所述下壳座（12）中部长度沿着下凹形弧线延伸的圆弧型定子（34），所述圆弧型定子（34）上设置有至少一对绕组，所述单摆式动子（31）的下端部固定有一对磁铁（32），当单摆式动子（31）通过摆轴（33）来回摆动时，所述磁铁（32）相对圆弧型定子（34）来回移动，所述尾翼板所在的中心平面（S1）、所述圆弧型定子所在的中心平面（S2）相重合，并与所述壳体垂直于水平面的中心线（X1)重合，所述摆轴的中心线（X2）与所述壳体垂直于水平面的中心线（X1)相垂直。
7.根据权利要求6所述波浪能应用装置，其特征在于：所述密封腔（13）内具有两个支撑座（35），两个所述支撑座（35）的下部分别固定于所述下壳座（12）上，每个所述支撑座（35）的上部分别背对背相反固定有角接触球轴承（36），所述单摆式动子（31）上端部固定的摆轴（33）的两端部分别插在相应的角接触球轴承（36）内，所述尾翼板（2）所在的中心平面（S1）分别与两个所述支撑座（35）的对称平面、所述单摆式动子（31）的纵向中心线相重合。
8.根据权利要求7所述波浪能应用装置，其特征在于：所述下壳座（12）上开有开口向着密封腔（13）的卧槽（122），所述圆弧型定子（34）固定在所述卧槽（122）内，所述单摆式动子（31）的下端部及磁铁（32）插在所述卧槽（122）内。
9.根据权利要求5所述波浪能应用装置，其特征在于：所述单摆式动子两端固定有用于防止对所述壳体（1）内壁造成破坏的缓冲垫。
10.根据权利要求5所述波浪能应用装置，其特征在于：所述波浪能应用装置还包括负载与/或蓄电池、将所述线圈输出的原始交流电转换为直流电向负载与/或蓄电池供电的转换电路，所述转换电路依次包括升压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路。
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| CN201910808976.4A Pending CN110578645A (zh) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | 波浪能应用装置 |
Country Status (1)
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Citations (10)
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-
2019
- 2019-08-29 CN CN201910808976.4A patent/CN110578645A/zh active Pending
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