CN110594077A - 一种复摆升频式波浪能收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种复摆升频式波浪能收集装置，包括浮于水面上并随波浪起伏而摇摆的壳体、可旋转地设置于壳体内并随其摇摆而转动的复摆机构、可旋转地设置于壳体内并与复摆机构同步转动的主动齿轮、设置于壳体内并用于与主动齿轮啮合传动以在其驱动下通过电磁感应发电的电磁发电机构，以及设置于壳体内并位于主动齿轮的端面上方、用于在其转动时产生形变以通过压电效应发电的压电发电机构。如此，当壳体跟随波浪起伏而不定向摇摆时，复摆机构产生不定向转动，适应水面波浪能的动态变化，具有较高的俘能效率。同时，电磁发电机构与压电发电机构通过两种不同的机电耦合换能机制进行能量转化，对波浪能的频谱覆盖范围较广，适应性较强，转化效率较高。

Description

一种复摆升频式波浪能收集装置
技术领域
本发明涉及发电技术领域，特别涉及一种复摆升频式波浪能收集装置。
背景技术
目前海洋环境观测主要通过各种海洋观测设备及系统进行定点平台观测和移动立体网观测，如搭载多参量传感器的通用型和专用型海洋资料浮标、拉格朗日漂流浮标等。这些海洋观测设备长期进行机动运行并携带多种传感器，在产生大量数据的同时还需要消耗大量的能源。仅靠携带高容量的电池和降低能耗是远远不够的，必要时还要从海洋环境中获取能量或从系统回馈能量，才能保证系统的长期工作。
海洋约覆盖了地球表面积的71％，蕴含着大量的可再生能源，如潮汐能、波浪能、海流能、温差能以及海上太阳能和风能等。其中海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，波浪能不受温度、天气、昼夜、季节等自然条件的影响，具有能量密度高，分布面广等优点，是一种最易于直接利用、取之不竭的全天候可再生清洁能源，同时也是海洋设备可获取的最为直接的能源。据估计，全球海域波浪能每年储备量在0.1×1010～1.0×1010kW，平均每米波峰传递的能量可达10-50kW。若将海洋波浪能资源加以俘获、转换和存储，为海洋设备提供能量，将极大提高其续航能力和自主生存能量，实现海洋观测设备的长时间、大范围、无人职守工作，这对提高人类在海洋资源与环境的科学观测和开发利用等方面具有重大意义。
目前对波浪能的开发和利用主要集中在千瓦、兆瓦级别的大型波浪能发电装置，较为常见的大型波浪能俘能方式包括悬挂摆式、浮力摆式、越浪式、振荡水柱式、振荡浮体式、点头鸭式等。波浪能收集装置主要由俘能机制(吸收波浪能)和机电耦合换能机制组成，其实质是利用俘能机制吸收海洋波浪超低频多方向随机振动能，以相对直线运动、相对摆动或相对转动的运动形式驱动机电耦合换能机制将动能转化为电能。俘能机制通常采用惯性滑块、惯性球或惯性摆在波浪作用下发生相对滑动、滚动或转动，实现非谐振式或非线性俘能，但是现有的惯性俘能机制在极低的海洋波浪频率下工作俘能效率普遍不高。
常用的三种机电耦合换能机制包括压电式、电磁式和纳米摩擦式。电磁式换能机制基于电磁感应原理将磁体和线圈的相对直线运动或相对转动转化为电能；纳米摩擦式换能机制基于静电感应和摩擦起电耦合效应，通常采用多层堆叠的方式提高能量转换效率；压电式换能机制在压电材料发生机械变形时基于压电效应产生电能输出，具有体积小、输出功率密度高等优点，在高频换能方面具有优势，但是在低频环境中的能量收集效率很低。
目前，面向小型海洋观测设备供能的微小型波浪能收集装置研究较少，已有的微型波浪能收集装置存在能量转换效率低、输出功率密度小的共性关键问题，难以为海洋观测设备的传感器负载或电池长时间供电。为了能够高效率俘获波浪能，俘能机制的工作频率需与海洋波浪环境超低频振动(一般小于1Hz)相匹配，同时要有较宽的工作频带和多方向工作模式以适应海洋波浪频率和方向的随机变化。但现有的惯性俘能机制在极低频率下工作的俘能效率普遍不高，装置输出功率密度低。并且现有的微小型波浪能收集装置采用的机电耦合换能机制比较单一，仅使用电磁转换、压电转换或摩擦发电中的某一种，对海洋波浪能的适应性均不强，能量转换效率低。
因此，如何提高对波浪能的俘获效率和机电能量转化效率，是本领域技术人员所面临的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种复摆升频式波浪能收集装置，能够提高对波浪能的俘获效率和机电能量转化效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种复摆升频式波浪能收集装置，包括浮于水面上并随波浪起伏而摇摆的壳体、可旋转地设置于所述壳体内并随其摇摆而转动的复摆机构、可旋转地设置于所述壳体内并与所述复摆机构同步转动的主动齿轮、设置于所述壳体内并用于与所述主动齿轮啮合传动以在其驱动下通过电磁感应发电的电磁发电机构，以及设置于所述壳体内并位于所述主动齿轮的端面上方、用于在其转动时产生形变以通过压电效应发电的压电发电机构。
优选地，所述复摆机构包括立设于所述壳体底面上的支撑轴、可周向旋转地连接于所述支撑轴的侧面上的若干个摆块；所述主动齿轮的内圆面与各块所述摆块的外端面相连。
优选地，所述复摆机构还包括套设于所述支撑轴上的轴承、安装于所述轴承外圆面上的旋转盘，以及若干根连接于所述旋转盘的外圆面上并沿周向分布的旋转梁，各块所述摆块分别安装于各根所述旋转梁上，且各根所述旋转梁的末端连接于所述主动齿轮的内圆面上。
优选地，各块所述摆块可轴向滑动地设置于各自对应的所述旋转梁上，且各根所述旋转梁上沿轴向均开设有若干道卡槽，各道所述卡槽内用于安装将所述摆块固定在当前位置的挡片。
优选地，各块所述摆块均为扇形块、锥形块、球形块或方形块，且各块所述摆块的质量各不相同。
优选地，所述电磁发电机构包括若干个可旋转地设置于所述壳体内并与所述主动齿轮啮合传动的从动齿轮，以及安装于所述壳体内并与各所述从动齿轮的转轴相连、用于通过旋转发电的若干个转子发电机。
优选地，各个所述从动齿轮均匀分布于所述主动齿轮的周向上，且所述主动齿轮与各所述从动齿轮的传动比均为加速比。
优选地，所述壳体的内壁上开设有若干个用于安装所述转子发电机和所述从动齿轮的安装槽。
优选地，所述压电发电机构包括可垂向摆动地连接于所述支撑轴的周向侧面上、用于通过摆动变形发电的若干根压电发电梁，以及用于在所述主动齿轮旋转时带动各根所述压电发电梁垂向摆动的力传递组件。
优选地，所述力传递组件包括若干个沿周向设置于所述主动齿轮端面上的激励磁铁和若干个设置于各根所述压电发电梁的末端上、并与各所述激励磁铁正对的响应磁铁，且各所述激励磁铁与各所述响应磁铁之间均保持斥力。
本发明所提供的复摆升频式波浪能收集装置，主要包括壳体、复摆机构、主动齿轮、电磁发电机构和压电发电机构。其中，壳体为本装置的主体结构，主要用于安装和承载其余零部件，在使用时，壳体漂浮于水面上，并随着水面上波浪的起伏而不定向摇摆。复摆机构设置在壳体内，并且可以在壳体内进行自由旋转，当壳体产生摇摆时，将带动复摆机构进行转动或摆动。主动齿轮设置在壳体内，并且与复摆机构同步转动，或者可以认为是复摆机构驱动主动齿轮进行转动。电磁发电机构设置在壳体内，主要用于与主动齿轮啮合传动，以在主动齿轮的驱动下通过旋转运动利用电磁感应原理进行发电。压电发电机构设置在壳体内，并且具体位于主动齿轮的端面上方，主要用于在主动齿轮产生转动时，通过两者之间的相互作用力产生弹性形变，同时利用压电材料的压电效应产生的电能进行发电。如此，当壳体在水面上跟随波浪起伏而不定向摇摆时，壳体内的复摆机构在重力和惯性等因素的共同影响下产生偏转力矩，进而相应地产生不定向转动，复摆机构的转动状态参数(如转向、角速度等)与水面波浪能的特性息息相关，比如频率、方向、振幅等，因此复摆机构的转动运动能够较好地适应水面波浪能的动态变化，具有较高的俘能效率。同时，复摆机构带动主动齿轮同步转动后，电磁发电机构与压电发电机构能够同时将其机械能通过两种不同的机电耦合换能机制进行能量转化，对波浪能的频谱覆盖范围较广，适应性较强，能量转化效率较高。
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为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。
图2为图1中所示的复摆机构及电磁发电机构的具体结构示意图。
图3为图1中所示的压电发电机构的具体结构示意图。
其中，图1—图3中：
壳体—1，复摆机构—2，主动齿轮—3，电磁发电机构—4，压电发电机构—5；
安装槽—101，支撑轴—201，摆块—202，轴承—203，旋转盘—204，旋转梁—205，卡槽—206，挡片—207，从动齿轮—401，转子发电机—402，压电发电梁—501，激励磁铁—502，响应磁铁—503。
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，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。
在本发明所提供的一种具体实施方式中，复摆升频式波浪能收集装置主要包括壳体1、复摆机构2、主动齿轮3、电磁发电机构4和压电发电机构5。
其中，壳体1为本装置的主体结构，主要用于安装和承载其余零部件，在使用时，壳体1漂浮于水面上，并随着水面上波浪的起伏而不定向摇摆。一般的，该壳体1主要呈圆筒状，能够较好地顺应来自水面上不同方向的波浪冲击，当然壳体1也可以呈方筒状等。同时，壳体1的重心可落于其下部位置，防止在波浪冲击下被淹没或倾倒在水面下。另外，为提高使用寿命，该壳体1的外表面上可喷涂疏水层或防腐层。而为了方便壳体1的拆卸和安装，便于在后续使用过程中对内部的复摆机构2等部件进行调整、维修或更换，本实施例中，壳体1为分体式结构，包括互相扣合的上壳体1和下壳体1。
复摆机构2设置在壳体1内，并且可以在壳体1内进行自由旋转，当壳体1产生摇摆时，将带动复摆机构2进行转动或摆动。该复摆机构2是一种复合型摆动机构，包括主摆和若干个副摆，能够在壳体1产生摇摆时，通过重力或惯性等因素的共同影响较容易地产生偏转力矩，进而产生摆动或转动，为本装置的俘能机构。由于水面波浪的不确定性，波浪冲击的方向、振幅和频率等关键参数各不相同，且处于动态变化中，因此，受波浪冲击而产生的复摆机构2的转动也是不定向的，其转动运动参数处于不断变化中，比如转动方向、转动速度、转动轴线等，均随波浪冲击的变化而相应变化。
主动齿轮3设置在壳体1内，并且与复摆机构2同步转动，或者可以认为是复摆机构2驱动主动齿轮3进行转动。在整个动力传动链中，主动齿轮3的前端是壳体1和复摆机构2，该两者作为动力输入机构，输入是波浪能，而主动齿轮3处于中间环节，起动力连接传递作用，后端是电磁发电机构4和压电发电机构5，该两者作为动力输出机构，输出是电能。
电磁发电机构4设置在壳体1内，主要用于与主动齿轮3啮合传动，以在主动齿轮3的驱动下通过旋转运动利用电磁感应原理进行发电。压电发电机构5设置在壳体1内，并且具体位于主动齿轮3的端面上方，主要用于在主动齿轮3产生转动时，通过两者之间的相互作用力产生弹性形变，同时利用压电材料的压电效应产生的电能进行发电。
如此，当壳体1在水面上跟随波浪起伏而不定向摇摆时，壳体1内的复摆机构2在重力和惯性等因素的共同影响下产生偏转力矩，进而相应地产生不定向转动，复摆机构2的转动状态参数(如转向、角速度等)与水面波浪能的特性息息相关，比如频率、方向、振幅等，因此复摆机构2的转动运动能够较好地适应水面波浪能的动态变化，具有较高的俘能效率。同时，复摆机构2带动主动齿轮3同步转动后，电磁发电机构4与压电发电机构5能够同时将其机械能通过两种不同的机电耦合换能机制进行能量转化，对波浪能的频谱覆盖范围较广，适应性较强，能量转化效率较高。
需要说明的是，本实施例中所指的水面，不仅仅指海洋面，同时也包括湖泊面和江河面等水域表面。
如图2所示，图2为图1中所示的复摆机构及电磁发电机构的具体结构示意图。
在关于复摆机构2的一种优选实施方式中，该复摆机构2主要包括支撑轴201、摆块202、轴承203、旋转盘204、旋转梁205、卡槽206和挡片207。
其中，支撑轴201可竖立设置在壳体1内，其顶端可连接在壳体1的上半部分的内腔中，其底端可连接在壳体1的下半部分的内腔中，两者间的连接一般为过盈连接，以防止支撑轴201产生转动或晃动。轴承203套设在支撑轴201上，并且可套设在支撑轴201的中间轴肩位置(顶部轴肩位置用于安装压电发电机构5)。旋转盘204安装在轴承203的外圈，可在轴承203的作用下与其外圈绕内圈和支撑轴201同步旋转。旋转梁205连接在旋转盘204的周向上，一般可同时设置多根，并且可沿旋转盘204的周向均匀分布，比如3～6根等。
摆块202安装在各根旋转梁205上，并且可在旋转梁205上沿其轴向方向进行滑动。具体的，摆块202内部可开设通孔，从而方便地穿设在旋转梁205上。由于摆块202的质量较大，复摆机构2的整体重心位置主要受摆块202的位置影响，通过在各根旋转梁205上分别调节各个摆块202的滑动位置，可方便地实现复摆机构2的重心位置调节。同时，为方便带动主动齿轮3进行同步转动，各根旋转梁205的末端均连接在主动齿轮3的内圆面上。如此，相当于复摆机构2设置于主动齿轮3的内圈中，在受到波浪冲击时，各个摆块202带动各根旋转梁205与旋转盘204围绕支撑轴201进行旋转，同时带动主动齿轮3进行旋转。
进一步的，考虑到波浪冲击的参数随机性，复摆机构2的重心需要偏离几何中心，才能方便地形成非线性、多自由度的摆动。为此，本实施例中，各个摆块202的质量各不相同，并且在各根旋转梁205上的安装位置各异。比如，在旋转盘204的周向上可均匀设置3根旋转梁205，每根旋转梁205上安装一个摆块202。其中一个摆块202的体积和质量较大，作为主摆，另外两个摆块202的体积和质量较小，作为副摆。如此，此种结构的复摆机构2的重心就偏向于主摆位置，在受到波浪冲击时，能够非常容易地产生重力偏转力矩和惯性力矩。除了改变复摆机构2的重心外，还可通过调整摆块202的数量、摆块202的质量等方法来调节复摆机构2的固有频率，从而适应不同频率的波浪能。为顺应复摆机构2的摆动运动，各个摆块202具体可呈扇形或锥形，当然，摆块202也可呈其余形状。
如此设置，由于复摆机构2的重心位置可以通过改变各个摆块202的质量分布以及在各根旋转梁205上的安装位置在来进行调整，因此复摆机构2的转动运动能够更加适应不同水域水面波浪能的动态变化。
此外，虽然各个摆块202可在各根旋转梁205上滑动，以方便地调整重心位置(调整时，可参考使用水面的全年波浪能变化情况)，但在投入使用时，各个摆块202需要稳定地固定在各根旋转梁205上，以防止重心随时变化导致运动干涉，为此，本实施例在各根旋转梁205上沿轴向开设了若干道卡槽206，同时通过挡片207与各道卡槽206相配合。当需要固定各个摆块202时，即可将两片挡片207一前一后地安插在摆块202前后端面处对应的卡槽206中，将摆块202固定在旋转梁205上，防止其前后滑动。
在关于电磁发电机构4的一种优选实施方式中，该电磁发电机构4主要包括从动齿轮401和转子发电机402。
其中，从动齿轮401同时设置有多个，并且分布在主动齿轮3的周向上，同时与主动齿轮3产生啮合。转子发动机的转轴与从动齿轮401的转轴相连，当主动齿轮3在复摆机构2的带动下旋转时，通过主动齿轮3与从动齿轮401的啮合，可带动转子发电机402的转轴旋转，进而在转子发电机402内通过转子与定子间的相对运动产生感应电动势，进而产生感应电流，实现机械能到电能的转化。
具体的，从动齿轮401可同时设置2～8个，并且可均匀分布在壳体1的内壁上。为稳定安装各个从动齿轮401和各个转子发电机402，本实施例还在壳体1的内壁上开设了若干个安装槽101，通过各个安装槽101安装各组从动齿轮401和转子发电机402。
同时，为保证发电效率，主动齿轮3与从动齿轮401之间的传动比需要大于1，比如12～28等，如此，从主动齿轮3到从动齿轮401的动力传递将形成增速传递，从而加快转子发电机402的转子旋转速度。可见，由于主动齿轮3与从动齿轮401之间的加速比，本实施例中的电磁发电机构4能够适应于较低频的波浪能。
如图3所示，图3为图1中所示的压电发电机构的具体结构示意图。
在关于压电发电机构5的一种优选实施方式中，该压电发电机构5主要包括压电发电梁501、激励磁铁502和响应磁铁503。其中，压电发电梁501一般同时设置多个，并且均连接在复摆机构2中的支撑轴201上，当然，为避免运动干涉，各个压电发电梁501可均连接在支撑轴201的顶端位置。该压电发电梁501具体可为压电陶瓷等，可在受到外力的作用而产生形变时，其内部产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，进而产生电流。
为保证主动齿轮3旋转时能够顺利带动各个压电发电梁501产生形变，本实施例中，激励磁铁502和响应磁铁503组成力传递组件，可在主动齿轮3旋转时对各个压电发电梁501产生相应的作用力，同时，各个压电发电梁501可在支撑轴201上进行垂向翻转或垂向摆动运动。具体的，激励磁铁502设置在主动齿轮3的端面上，可同时设置多个，并且沿主动齿轮3的端面周向均匀分布。响应磁铁503设置在各个压电发电梁501的末端上，可与各个激励磁铁502产生磁力作用。并且，各个激励磁铁502与各个响应磁铁503互相正对，且正对的表面极性相同，产生斥力。
如此，随着主动齿轮3的旋转，设置在其端面上的各个激励磁铁502不断地与各个压电发电梁501上的响应磁铁503正对，并产生斥力将压电发电梁501向上顶起，使得压电发电梁501产生垂向翻转，进而产生形变，最终利用压电效应产生电流。另外，在相邻两个激励磁铁502与中间的响应磁铁503产生斥力后的等待间隙时间，对应的压电发电梁501将在重力作用下往回翻转，回复到初始状态，之后又重新在斥力的作用下向上翻转，从而形成往复垂向振动。激励磁铁502的设置数量越多，压电发电梁501的振动频率就越高，发电效率就越高。同时，压电发电梁501本身的固有频率一般高于海洋波浪的频率，当压电发电梁501受到激励磁铁502的激励时，会在自身的固有频率下发生振荡，从而将低频的海洋波浪振动转换成的高频的压电发电梁501振动，实现升频振动。可见，由于主动齿轮3到压电发电梁501之间的升频机制，本实施例中的压电发电机构5能够适应于较高频的波浪能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种复摆升频式波浪能收集装置，其特征在于，包括浮于水面上并随波浪起伏而摇摆的壳体(1)、可旋转地设置于所述壳体(1)内并随其摇摆而转动的复摆机构(2)、可旋转地设置于所述壳体(1)内并与所述复摆机构(2)同步转动的主动齿轮(3)、设置于所述壳体(1)内并用于与所述主动齿轮(3)啮合传动以在其驱动下通过电磁感应发电的电磁发电机构(4)，以及设置于所述壳体(1)内并位于所述主动齿轮(3)的端面上方、用于在其转动时产生形变以通过压电效应发电的压电发电机构(5)。
2.根据权利要求1所述的复摆升频式波浪能收集装置，其特征在于，所述复摆机构(2)包括立设于所述壳体(1)底面上的支撑轴(201)、可周向旋转地连接于所述支撑轴(201)的侧面上的若干个摆块(202)；所述主动齿轮(3)的内圆面与各块所述摆块(202)的外端面相连。
3.根据权利要求2所述的复摆升频式波浪能收集装置，其特征在于，所述复摆机构(2)还包括套设于所述支撑轴(201)上的轴承(203)、安装于所述轴承(203)外圆面上的旋转盘(204)，以及若干根连接于所述旋转盘(204)的外圆面上并沿周向分布的旋转梁(205)，各块所述摆块(202)分别安装于各根所述旋转梁(205)上，且各根所述旋转梁(205)的末端连接于所述主动齿轮(3)的内圆面上。
4.根据权利要求3所述的复摆升频式波浪能收集装置，其特征在于，各块所述摆块(202)可轴向滑动地设置于各自对应的所述旋转梁(205)上，且各根所述旋转梁(205)上沿轴向均开设有若干道卡槽(206)，各道所述卡槽(206)内用于安装将所述摆块(202)固定在当前位置的挡片(207)。
5.根据权利要求4所述的复摆升频式波浪能收集装置，其特征在于，各块所述摆块(202)均为扇形块、锥形块、球形块或方形块，且各块所述摆块(202)的质量各不相同。
6.根据权利要求1所述的复摆升频式波浪能收集装置，其特征在于，所述电磁发电机构(4)包括若干个可旋转地设置于所述壳体(1)内并与所述主动齿轮(3)啮合传动的从动齿轮(401)，以及安装于所述壳体(1)内并与各所述从动齿轮(401)的转轴相连、用于通过旋转发电的若干个转子发电机(402)。
7.根据权利要求6所述的复摆升频式波浪能收集装置，其特征在于，各个所述从动齿轮(401)均匀分布于所述主动齿轮(3)的周向上，且所述主动齿轮(3)与各所述从动齿轮(401)的传动比均为加速比。
8.根据权利要求7所述的复摆升频式波浪能收集装置，其特征在于，所述壳体(1)的内壁上开设有若干个用于安装所述转子发电机(402)和所述从动齿轮(401)的安装槽(101)。
9.根据权利要求2所述的复摆升频式波浪能收集装置，其特征在于，所述压电发电机构(5)包括可垂向摆动地连接于所述支撑轴(201)的周向侧面上、用于通过摆动变形发电的若干根压电发电梁(501)，以及用于在所述主动齿轮(3)旋转时带动各根所述压电发电梁(501)垂向摆动的力传递组件。
10.根据权利要求9所述的复摆升频式波浪能收集装置，其特征在于，所述力传递组件包括若干个沿周向设置于所述主动齿轮(3)端面上的激励磁铁(502)和若干个设置于各根所述压电发电梁(501)的末端上、并与各所述激励磁铁(502)正对的响应磁铁(503)，且各所述激励磁铁(502)与各所述响应磁铁(503)之间均保持斥力。
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