CN110905712B - 海浪能收集装置及海上发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海浪能收集装置及海上发电设备。该海浪能收集装置包括可漂浮于水面的平衡部，其底部居中设置有加重部；筒状的支撑部，设置于平衡部的顶部，其内部悬挂有摆动件，摆动件能够在支撑部内摆动；发电部，设置于支撑部内，包括环状柔性基底板及分别设置于基底板外侧和内侧的第一摩擦副和第二摩擦副，基底板环绕摆动件，基底板的数量为一个或依次嵌套的多个，摆动件摆动时能够带动基底板形变，随基底板的形变，摆动件与最内侧的基底板的第二摩擦副之间发生接触和分离而产生电输出，基底板的第一摩擦副与外侧相邻基底板的第二摩擦副之间发生接触和分离而产生电输出。本发明的海浪能收集装置能够实现对任意方向海浪能的收集，发电效率高。

Description

海浪能收集装置及海上发电设备

技术领域

本发明涉及海洋能源收集技术领域，尤其涉及一种海浪能收集装置及海上发电设备。

背景技术

海洋作为地球表面最主要的组成部分，蕴藏着丰富且可再生的蓝色能源。其中，海浪能作为蓝色能源的主体组成部分，被视为解决人类未来能源问题最具潜力的途径之一。

然而，由于海浪低频、低能量密度及方向不确定等特点，使得海浪能很难被有效地收集。作为当前主流的能量收集技术—电磁发电机，由于其低频收集效率差，推动力需求较大，且方向固定，以及笨重等特点很难被大规模应用在海面上进行海浪能的收集。

发明内容

本发明实施例提供一种海浪能收集装置及海上发电设备，能够实现对任意方向海浪能的收集，发电效率高。

一方面，本发明实施例提出了一种海浪能收集装置，包括：可漂浮于水面的平衡部，其底部居中设置有加重部；筒状的支撑部，设置于平衡部的顶部，其内部悬挂有摆动件，摆动件能够在支撑部内摆动；发电部，设置于支撑部内，包括环状柔性基底板及分别设置于基底板外侧和内侧的第一摩擦副和第二摩擦副，基底板环绕摆动件，基底板的数量为一个或依次嵌套的多个，摆动件摆动时能够带动基底板形变，随基底板的形变，摆动件与最内侧的基底板的第二摩擦副之间发生接触和分离而产生电输出，基底板的第一摩擦副与外侧相邻基底板的第二摩擦副之间发生接触和分离而产生电输出。

根据本发明实施例的一个方面，平衡部的形状为半球形或圆锥台形，平衡部为空心结构。

根据本发明实施例的一个方面，加重部为圆球状，固定设置于平衡部的底部居中位置。

根据本发明实施例的一个方面，支撑部包括固定壁及顶盖，固定壁的横截面形状为圆形，固定壁固定连接于平衡部的顶部，摆动件悬挂于顶盖。

根据本发明实施例的一个方面，摆动件的形状为圆台状，固定壁内壁的形状为圆柱状且基底板的形状为圆柱状，或者，固定壁内壁的形状为圆台状且基底板的形状为圆台状。

根据本发明实施例的一个方面，最外侧的基底板的外侧设置有柔性接触层。

根据本发明实施例的一个方面，第一摩擦副和第二摩擦副均为层状结构，第一摩擦副的材料为具有电正性的材料，第二摩擦副的材料为具有电负性的材料，基底板的材料为绝缘柔性材料。

根据本发明实施例的一个方面，第二摩擦副与基底板之间设置有第一电极层。

根据本发明实施例的一个方面，当基底板的数量为两个以上时，至少一个基底板上的第一摩擦副与基底板之间由外向内设置有介电层和第二电极层，以与第一摩擦副构成电荷泵结构，其余基底板上的第一摩擦副和第二摩擦副通过整流桥结构与至少一个基底板连接，以为该至少一个基底板上的电荷泵结构充电。

另一方面，本发明实施例提出了一种海上发电设备，包括如前述的海浪能收集装置。

本发明实施例提供的海浪能收集装置，平衡部能够漂浮于水面，其底部居中位置设置有加重部，在水面上能够保持在平衡状态，其顶部和底部的相对位置关系稳定，在受到海浪冲击时虽然摇晃但能够适应海浪的运动方向保持不倒，顶部依然高于底部，支撑部设置于平衡部的顶部，支撑部始终处于整个装置的顶部，海浪冲击时，支撑部摇晃，摆动件在支撑部内相对于支撑部而自由摆动，基底板环绕摆动件，摆动件摆动时基底板随之形变，摆动件与最内侧的基底板的第二摩擦副之间发生接触和分离而产生电输出，基底板的第一摩擦副与外侧相邻基底板的第二摩擦副之间发生接触和分离而产生电输出，从而实现对海浪能的收集，能够适应海浪的运动特点，适合海洋波动的特殊环境，实现对任意方向海浪能的收集，实现对微小海浪能的收集，且环状柔性的基底板实现了摆动件与第二摩擦副、第一摩擦副与第二摩擦副较大的接触面积，提高了发电部的输出性能，此外，摆动件的低频驱动高频运动的特性大大提高了发电效率，解决了现有的能量收集技术难以在海面上有效地进行海浪能收集的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的海浪能收集装置的透视结构示意图。

图2为本发明实施例的海浪能收集装置的发电部在某一状态下的俯视结构示意图。

图3为图2的局部放大图。

图4为本发明实施例的海浪能收集装置的发电部在另一状态下的俯视结构示意图。

图5为本发明另一实施例的海浪能收集装置的结构示意图。

图6为本发明又一实施例的海浪能收集装置的结构示意图。

图7为本发明另一实施例的海浪能收集装置的发电部在某一状态下的俯视结构示意图。

图8a、图8b、图8c及图8d为本发明实施例的海浪能收集装置的收集海浪能原理示意图。

图9为本发明实施例的海浪能收集装置的摆动件的变频原理示意图。

图10为本发明实施例的海浪能收集装置的几何设计示意图。

图11为本发明实施例的海浪能收集装置的几何设计示意图。

图12a、图12b分别为本发明实施例的海浪能收集装置的输出电量和电流图。

图13a、图13b分别为本发明实施例的海浪能收集装置在变频测试中的输出电量和电流图。

附图中：

100-平衡部，200-支撑部，300-发电部；

101-加重部；

201-摆动件，202-固定壁；

301-第一摩擦副，302-第二摩擦副，303-基底板，304-第一电极层，305-介电层，306-第二电极层，307-柔性接触层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1、图2及图3，本发明实施例的海浪能收集装置，包括可漂浮于水面的平衡部100，其底部居中设置有加重部101；筒状的支撑部200，设置于平衡部100的顶部，其内部悬挂有摆动件201，摆动件201能够在支撑部200内摆动；发电部300，设置于支撑部200内，包括环状柔性基底板303及分别设置于基底板303外侧和内侧的第一摩擦副301和第二摩擦副302，基底板303环绕摆动件201，基底板303的数量为一个或依次嵌套的多个，摆动件201摆动时能够带动基底板303形变，随基底板303的形变，摆动件201与最内侧的基底板303的第二摩擦副302之间发生接触和分离而产生电输出，基底板303的第一摩擦副301与外侧相邻基底板303的第二摩擦副302之间发生接触和分离而产生电输出。本实施例的平衡部100能够漂浮于水面，其底部居中位置设置有加重部101，在水面上能够保持在平衡状态，其顶部和底部的相对位置关系稳定，在受到海浪冲击时虽然摇晃但能够适应海浪的运动方向而保持不倒，顶部依然高于底部，支撑部200设置于平衡部100的顶部，支撑部200始终处于整个装置的顶部，海浪冲击时，支撑部200摇晃，摆动件201在支撑部200内相对于支撑部200而自由摆动，基底板303环绕摆动件201，摆动件201摆动时基底板303随之形变，摆动件201与最内侧的基底板303的第二摩擦副302接触且接触面积发生变化，随后分离，由于摩擦起电和静电感应，摆动件201与最内侧的基底板303的第二摩擦副302产生电输出，同理，基底板303的第一摩擦副301与外侧相邻基底板303的第二摩擦副302接触且接触面积发生变化，随后分离，由于摩擦起电和静电感应，基底板303的第一摩擦副301与外侧相邻基底板303的第二摩擦副302产生电输出，能够实现在全疆域和全天候的条件下对海浪能的收集，能够适应海浪的运动特点，适合海洋波动的特殊环境，实现对任意方向海浪能的收集，实现对微小海浪能的收集，收集效率高，且环状柔性的基底板303实现了摆动件201与第二摩擦副302、第一摩擦副301与第二摩擦副302较大的接触面积，提高了发电部300的输出性能，输出稳定，此外，摆动件的低频驱动高频运动的特性大大提高了发电效率，为建造规模化的海洋能电站，以及集成其他技术模块实现自驱动海洋探测等奠定了坚实的基础。

在本实施例中，由于摆动件201具备任意方向的自由度、极低的阻尼系数，能够实现对任意方向、微小的海浪能的有效收集，同时，由于摆动件201具备高频的运动特点，能够达到较高的能量收集效率。

并且，本实施例的加重部101固定设置于平衡部100的底部居中位置，加重部101与平衡部100整体构成低重心的结构，能够较好地适应海洋波动的特性，具有任意方向自由度、阻尼系数小及高频运动等特点，能够进一步地提高装置整体的能量收集效率。

本实施例的发电部300，基底板303环绕摆动件201设置，能够实现对任意方向海浪能的收集，多个基底板303依次嵌套设置，提高了发电部300的输出性能；同时，利用摩擦起电和静电感应原理，其具有轻便、驱动力小、价格较低、低频收集效率高等优势，且其结构简单、制备简单；并且，可以利用平衡部100及支撑部200内部多余的空间集成能量收集模块、传感器模块等，实现实时和自驱动的海洋监测等功能。

在本实施例中，当基底板303的数量为一个时，摆动件201作为一个电极，第二摩擦副302连接导电件作为另一个电极，输出交流电；当基底板303的数量为依次嵌套的多个时，摆动件201与多个第一摩擦副301并联作为一个电极，多个第二摩擦副302通过导电件并联作为另一个电极，输出交流电。

作为一个可选实施例，平衡部100的形状为半球形或圆锥台形，平衡部100为空心结构。

本实施例的平衡部100可选为空心的薄壁半球壳或圆锥台壳，能够漂浮于水面上；对于半球壳的情况，其半径可为5cm-10m，材料可为亚克力、聚乙烯、钢等硬质材料。

作为一个可选实施例，加重部101为圆球状，固定设置于平衡部100的底部居中位置。

在本实施例中，加重部101可为实心的金属球，固定设置于平衡部100的底部，内部或外部均可，将平衡部100的重心降低；对于金属球的情况，其半径可为1cm-2m，材料可为铜、钢、石英等密度较大的材料。

可以理解，加重部101也可与平衡部100一体成型，具体可为在平衡部100的底部居中做加厚处理。

作为一个可选实施例，支撑部200包括固定壁202及顶盖，固定壁202的横截面形状为圆形，固定壁202固定连接于平衡部100的顶部，摆动件201悬挂于顶盖。

本实施例的摆动件201在固定壁202围成的腔体内摆动，带动基底板303形变，实现发电；固定壁202固定连接于平衡部100的顶部，顶盖固定连接于固定壁202的顶部，构成密闭腔体，发电部300设置于该密闭腔体内。

在本实施例中，支撑部200可在保证摆动件201不与金属球形式的加重部101相接触的条件下，部分插入平衡部100内部，如图5所示，或者如图6所示。

本实施例的固定壁202，其半径可为2cm-4m，高度可为5cm-20m，厚度可为1mm-5cm，材料可为亚克力、钢板等硬质材料。

作为一个可选实施例，摆动件201的形状为圆台状，固定壁202内壁的形状为圆柱状且基底板303的形状为圆柱状，或者，固定壁202内壁的形状为圆台状且基底板303的形状为圆台状。

本实施例的圆台状的摆动件201摆动时挤压基底板303，柔性的基底板303发生形变，同时配合圆柱状的基底板303及圆柱状的固定壁202内壁，或者圆台状的基底板303及圆台状的固定壁202内壁，摆动件201与第二摩擦副302、第一摩擦副301与第二摩擦副302充分接触，接触面积大，提高了发电部300的输出性能；如图4所示，当基底板303及固定壁202内壁均为圆柱状时，摆动件201摆动时，驱动多个基底板303形变。

在本实施例中，摆动件201通过悬线连接于支撑部200的顶盖，悬线的直径可为1mm-2cm，材料可为尼龙线、钢丝等高强度的细线；对于摆动件201为圆台状的情况，其顶圆半径可为5mm-3m，底圆半径可为1cm-2m，高可为1cm-10m，倾角可为0-90°，优选11°，材料可为铜、铝、钛等金属或者其他导电材料。

作为一个可选实施例，最外侧的基底板303的外侧设置有柔性接触层307。

本实施例的基底板303在摆动件201的带动下发生形变时，柔性接触层307的设置使得摆动件201与基底板303之间、相邻基底板303之间接触更加充分，接触面积更大，从而摆动件201与第二摩擦副302、第一摩擦副301与第二摩擦副302的接触更加充分，进而能够提高发电部300的输出性能；柔性接触层307为绝缘材料，可为泡沫、海绵等，其厚度可为0.1-5mm。

可以理解，由于最外侧的基底板303的第一摩擦副301不参与摩擦发电，所以，最外侧的基底板303的外侧可不设置第一摩擦副301，此时，柔性接触层307设置于最外侧的基底板303的外侧；当然，柔性接触层307也可直接设置于支撑部200的内壁，即固定壁202的内壁。

作为一个可选实施例，第一摩擦副301和第二摩擦副302均为层状结构，第一摩擦副301的材料为具有电正性的导电材料，第二摩擦副302的材料为具有电负性的材料，基底板303的材料为绝缘柔性材料。

本实施例的层状的第一摩擦副301和第二摩擦副302均粘接于基底板303的侧壁上，且二者均具有一定的弹性，能够随基底板303的形变而相应形变。

本实施例的第一摩擦副301的材料可为铜、铝、金等导电材料，其厚度可为100nm-20μm；第二摩擦副302可为高分子薄膜，其材料可为聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、硅胶、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)等容易吸附电子的材料，其厚度可为5-200μm；基底板303可为弹性绝缘体薄膜，其材料可为聚酰亚胺(kapton)、聚乙烯(PE)等，其厚度可为10μm-1mm；基底板303的个数可为1-100。

作为一个可选实施例，第二摩擦副302与基底板303之间设置有第一电极层304。

本实施例的第一电极层304与第二摩擦副302连接，第一电极层304作为电极之一，起导电作用，第一摩擦副301、摆动件201直接作为另一个电极。

作为一个可选实施例，当基底板303的数量为两个以上时，至少一个基底板303上的第一摩擦副301与基底板303之间由外向内设置有介电层305和第二电极层306，以与第一摩擦副301构成电荷泵结构，其余基底板303上的第一摩擦副301和第二摩擦副302通过整流桥结构与至少一个基底板303连接，以为该至少一个基底板303上的电荷泵结构充电，具体为其余基底板303上的第一摩擦副301和第一电极层304与整流桥结构连接，整流桥结构再与至少一个基底板303上的第一摩擦副301和第二电极层306连接，实现其余基底板303为至少一个基底板303充电。

在本实施例中，如图7所示，以基底板303的数量为五个为例，由内向外的第一至第三个基底板303上的第一摩擦副301与基底板303之间由外向内设置有介电层305和第二电极层306，第一摩擦副301、介电层305和第二电极层306构成电荷泵结构，能够储存电荷，使得静电感应效应增强，从而增强电能输出；摆动件201和第四个基底板303上的第一摩擦副301以及第一个基底板303上的第一电极层304和第五个基底板303上的第一电极层304，通过整流桥结构与第一至第三个基底板303上的第一摩擦副301和第一至第三个基底板303上的第二电极层306连接，从而实现为第一至第三个基底板303上的电荷泵结构充电，通过第一至第三个基底板303向外输出电能，大于所有基底板303共同向外输出时的电能，从而提高了发电部300的输出性能。

关于本实施例的海浪能收集装置的收集海浪能原理，如图8a、图8b、图8c及图8d所示，首先，本装置在静水面上漂浮，保持平衡状态，摆动件201在重力作用下处于平衡位置，此时摆动件201与第二摩擦副302、第一摩擦副301与第二摩擦副302分离；当一个海浪到达装置左侧时，由于海浪冲击和重力作用，整个装置向右倾斜，摆动件201向右摆动，摆动件201与第二摩擦副302、第一摩擦副301与第二摩擦副302接触，摩擦而产生电流；当海浪到达本装置的中部，整个装置随着海浪而升高，整个装置恢复到平衡状态，摆动件201恢复到平衡位置，摆动件201与第二摩擦副302、第一摩擦副301与第二摩擦副302分离并产生与上一个电流方向相反的电流；当海浪流过本装置的中部，整个装置向左倾斜，摆动件201向左摆动，摆动件201与第二摩擦副302、第一摩擦副301与第二摩擦副302接触，摩擦而产生电流；当海浪流过本装置，整个装置恢复到平衡状态，摆动件201恢复到平衡位置，摆动件201与第二摩擦副302、第一摩擦副301与第二摩擦副302分离并产生与上一个电流方向相反的电流。

如图9所示，一个海浪驱动摆动件201发生摆动之后，由于摆动件201仍具有一定的动能，能够继续驱动发电部300工作，从而实现发电部300的高频输出，提高了海浪能的收集效率，本装置在变频测试中的输出电量和电流，分别如图13a、图13b所示。

为了确保摆动件201与基底板303之间、相邻基底板303之间接触更加充分，获得更大的接触面积，进而使得发电部300的输出性能更高，摆动件201、支撑部200及发电部300的几何设计可参考如下：

如图10所示，设圆台状的摆动件201的悬线长度为a，顶圆半径为c，底圆半径为b，高为h，倾斜角为θ，多个基底板303完全接触时悬点到发电部300的距离为x，摆动件201的中线与斜边的交点到旋转中心的距离为y，支撑部200的固定壁202内壁及基底板303均为圆柱状，固定壁202内壁的半径为R，多个基底板303的总厚度为k，则：

x＝ysinθ (2)

R＝x+k (5)

由于摆动件201和平衡部100均具备高频运动的特点，通过使二者的运动频率相匹配而产生共振效果，可以大幅提高发电部300的输出性能，进而大幅提高海浪能收集效率，相关几何设计可参考如下：

如图11所示，设悬点到圆台状摆动件201重心的距离为d，摆动件201重心到底圆距离为e，支撑部200在平衡部100上的相对高度为j，同时，设半球形的平衡部100的半径为R₁，圆球状的加重部101的半径为r₁，悬点到加重部101重心的距离为i，重力加速度为g，以及摆动件201的摆动频率为f₁，平衡部100的摆动频率为f₂，则：

i＝j+R₁-r₁(9)

由于i>d，可知f₁>f₂，单摆和不倒翁两者要产生共振，则f₁和f₂之间的关系为：

f₁＝nf₂(n＝2,3,4.....) (12)

由此确定上述参数的几何设计关系。

此外，设加重部101的质量为m₁，摆动件201的质量为m₂，平衡部100、支撑部200及发电部300的总重量为m₃，设海水的密度为ρ，根据浮力公式可得：

本实施例的海浪能收集装置将收集海浪能的海域扩展到全疆域，时间扩展到全天候，测试表明，如图12a、图12b所示，在低频输入条件下可以获得高频的电能输出，电荷转移量可达700nC，短路电流可达240μA，输出性能高，在蓝色能源的有效收集和实用化领域取得了突破性进展。

本发明实施例还提供一种海上发电设备，包括上述实施例的海浪能收集装置，多个海浪能收集装置大规模网格化集成，进而通过海底电缆供电，完全具备向陆地电网持续供电的潜力，同时也为进一步整合太阳电池、压电发电能等辅助能量收集技术提供了有力支持。

本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种海浪能收集装置，其特征在于，包括：

可漂浮于水面的平衡部，其底部居中设置有加重部；

筒状的支撑部，设置于所述平衡部的顶部，其内部悬挂有摆动件，所述摆动件能够在所述支撑部内摆动；

发电部，设置于所述支撑部内，包括环状柔性基底板及分别设置于基底板外侧和内侧的第一摩擦副和第二摩擦副，所述基底板环绕所述摆动件，所述基底板的数量为一个或依次嵌套的多个，所述摆动件摆动时能够带动所述基底板形变，随所述基底板的形变，所述摆动件与最内侧的所述基底板的第二摩擦副之间发生接触和分离而产生电输出，所述基底板的第一摩擦副与外侧相邻所述基底板的第二摩擦副之间发生接触和分离而产生电输出。

2.根据权利要求1所述的海浪能收集装置，其特征在于，所述平衡部的形状为半球形或圆锥台形，所述平衡部为空心结构。

3.根据权利要求1所述的海浪能收集装置，其特征在于，所述加重部为圆球状，固定设置于所述平衡部的底部居中位置。

4.根据权利要求1所述的海浪能收集装置，其特征在于，所述支撑部包括固定壁及顶盖，所述固定壁的横截面形状为圆形，所述固定壁固定连接于所述平衡部的顶部，所述摆动件悬挂于所述顶盖。

5.根据权利要求4所述的海浪能收集装置，其特征在于，所述摆动件的形状为圆台状，所述固定壁内壁的形状为圆柱状且所述基底板的形状为圆柱状，或者，所述固定壁内壁的形状为圆台状且所述基底板的形状为圆台状。

6.根据权利要求1所述的海浪能收集装置，其特征在于，最外侧的所述基底板的外侧设置有柔性接触层。

7.根据权利要求1至6任一项所述的海浪能收集装置，其特征在于，所述第一摩擦副和第二摩擦副均为层状结构，所述第一摩擦副的材料为具有电正性的材料，所述第二摩擦副的材料为具有电负性的材料，所述基底板的材料为绝缘柔性材料。

8.根据权利要求7所述的海浪能收集装置，其特征在于，所述第二摩擦副与所述基底板之间设置有第一电极层。

9.根据权利要求8所述的海浪能收集装置，其特征在于，当所述基底板的数量为两个以上时，至少一个基底板上的所述第一摩擦副与基底板之间由外向内设置有介电层和第二电极层，以与第一摩擦副构成电荷泵结构，其余所述基底板上的所述第一摩擦副和第二摩擦副通过整流桥结构与所述至少一个基底板连接，以为该至少一个基底板上的电荷泵结构充电。

10.一种海上发电设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的海浪能收集装置。

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