CN111878289A - 一种新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，通过灯浮标连接机构连接灯浮标；包括：液压行程放大单元、频率放大单元和发电单元；液压行程放大单元包括设置在灯浮标外壁的浮体、主动活塞和直线输出活塞以及液压缸；频率放大单元包括由低速输入转轴、高速输出转轴以及磁齿轮磁场调制环组成的磁齿轮结构、低速输入摇杆、高速输出摇杆、低速输入连杆以及高速输出连杆；低速输入转轴与直线输出轴通过低速输入摇杆连接；发电单元包括定子线圈、定子磁轭、定子磁场调制环以及动子磁铁，动子磁铁与高速输出转轴通过高速输出摇杆连接。本发明的技术方案解决了传统灯浮标波浪能发电技术无法有效利用低频，低幅值波浪能等问题。

Description

一种新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及波浪能发电技术领域，具体而言，尤其涉及一种新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置。

背景技术

随着现代工业的发展，对能源的需求也日益增加。为此，人们不断探索和开发各种安全、清洁、且可再生的新能源。地球海洋面积约占总地球面积的70％，并且储存着大量如潮汐、波浪海水温差等未被人类充分开发的能源，其中，波浪能密度最高，约为20亿千瓦，开发潜力很大。

波浪能发电是利用海面波浪的竖直、水平方向上的运动产生的能量进行发电，波浪能发电装置通常将波浪能转化为液压能、机械能等形式后，再将这些能量转化为电能。常见的波浪能发电装置主要有：

一、振荡水柱式

柱式波浪能发电装置内部的水柱会在波浪的冲击与起伏的作用下做活塞式的上下往返运动，使水柱上方空间内的空气柱也在进行上下往复运动，空气穿过气室上方的气孔流经一个往复透平，进而将空气运动产生的动能转变为电能。振荡水柱式波浪能发电装置相对于其他波浪能装置的最大差异之处在与其具有气室。所谓气室，就是指置于海面以下的装置内部的设计与构造。

振荡水柱式的优点是传递方便，通过气室将低速运动波浪的能量转化成高速运动的气液，可靠性好，缺点是建造费用高，转化效率低，发电成本高，装置一般只能安装在海岸边，装置使用条件较苛刻。

二、振荡浮子式

振荡浮子式波浪能发电装置是在振荡水柱式装置的基础与理论上发展并完善起来的，二者间有一定的相似性与共同性。通常的振荡浮子式装置是用一个或多个置于海中的浮子作为载体，用来吸收波浪运动产生的机械能，浮子吸收的波浪势能和动能传递出去，用以驱动电机进行发电。振荡浮子式波浪发电装置通常是由浮子、操纵连杆、液压传动部件、电机以及发电保护装置等多个部分构成。振荡浮子式发电装置的优点不仅在于其能量间的转换效率高，而且其建造与实施难度相对较低，减少了水下工作量，有利于节省成本，具有较高的商业经济与实际应用价值。缺点是浮子受过多的冲击，易损坏，并且受到海况条件限制，难以吸收低频低幅值的波浪能。

目前常见的波浪能发电装置不管使用的是旋转发电机还是直线发电机，在低频波浪时都很难进行发电，无法保证为灯浮标进行长时间稳定的供电。使用机械齿轮对发电机动子部分进行加速，会产生噪音、磨损、响应时间过长等问题。为了解决吸收低频低幅值的波浪能的问题，现有的装置通常使用机械齿轮提高发电装置的运动频率，但机械齿轮存在摩擦力大、噪音大以及发热严重的问题。为解决机械齿轮存在的问题，磁齿轮被提出并且应用于波浪能驱动发电机构。但现有的磁齿轮发电装置通常是直线磁齿轮结构，该结构仅能提高发电机动子单向直线运动的速度，并不能够提高发电动子往复运动的频率，因此很难收集低频波浪能，而我国大部分的海域波浪能都是低频的，因此很难获得推广应用。

发明内容

为了提高低频波浪能的利用效率、波浪能发电装置波浪收集范围以及波浪能发电装置的运动频率，本发明提供了一种波浪能发电装置，并将其与灯浮标固定安装。

本发明采用的技术手段如下：

一种新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，所述新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置通过灯浮标连接机构连接灯浮标；所述新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置包括：液压行程放大单元、频率放大机构和发电单元；

所述液压行程放大单元包括设置在灯浮标外壁的浮体、主动活塞、直线输出活塞以及液压缸；所述浮体固定在所述主动活塞的活塞轴上；所述主动活塞设置在所述液压缸的顶部，所述直线输出活塞设置在所述液压缸的底部；

所述频率放大机构包括由低速输入转轴、高速输出转轴以及磁齿轮磁场调制环组成的磁齿轮结构、低速输入摇杆、高速输出摇杆、低速输入连杆以及高速输出连杆；所述低速输入摇杆的顶端连接所述直线输出活塞的活塞轴，所述低速输入摇杆的底端连接所述低速输入连杆的底端，所述低速输入连杆的顶端连接所述低速输入转轴；所述高速输出转轴连接所述高速输出连杆的顶端，所述高速输出连杆的底端连接所述高速输出摇杆的顶端，所述高速输出摇杆的底端连接动子磁铁；

所述发电单元包括定子线圈、定子磁轭、定子磁场调制环以及动子磁铁；所述定子线圈缠绕在所述定子磁场调制环外侧并且固定在所述定子磁轭内部；所述动子磁铁设置在所述定子磁轭中部，所述高速输出摇杆穿过所述定子磁轭且底端连接所述动子磁铁。

进一步地，所述浮体的中间开口，所述液压行程放大单元、频率放大机构和发电单元按照由上而下依次连接的顺序设置在所述浮体中间。

进一步地，所述液压行程放大单元还包括复位弹簧，复位弹簧的顶端固定在所述直线输出活塞的底部，复位弹簧的底端固定在一支撑板上，支撑板中部开设有一个用于穿过直线输出活塞的活塞轴的小孔。

进一步地，所述灯浮标连接结构由多个带有轨道的方管通过直角铁与螺栓连接而成，包括吊环连接机构和发电装置连接机构，所述吊环连接机构与灯浮标上的吊环通过骑马卡环连接，所述发电装置连接机构通过方管上的轨道与所述浮体外表面上的滑轨通过滑轮走珠连接。

进一步地，所述液压缸的顶部与底部的直径比为4:1，所能达到的行程放大比是16:1。

进一步地，所述低速输入转轴内部固定的磁铁极对数与所述高速输出转轴内部固定的磁铁极对数之比为1:4。

进一步地，所述磁齿轮磁场调制环为由导磁材料与非导磁材料环形间隔排列形成的筒形结构，且每个导磁材料和非导磁材料的尺寸相同，所述磁齿轮磁场调制环的硅钢铁心片数为所述低速输入转轴与高速输出转轴的磁极数之和。

进一步地，所述定子磁场调制环的总长度与所述定子线圈相同。

进一步地，所述定子线圈采用漆包线，所述定子磁轭采用硅钢片压制而成的硅钢，所述动子磁铁采用钕铁硼磁铁。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，通过设有液压行程放大单元，利用大面积的浮体吸收波浪能，将低幅值的波浪通过液压传动的方式转换成长行程直线运动。

2、本发明提供的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，使用磁齿轮装置，将获得的长行程直线运动，变成高频的直线运动，从而实现低频波浪能的有效利用。

3、本发明提供的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，使用磁场调制的方式，提高了传统直动发电机的输出电压。

基于上述理由本发明可为海上灯浮标提供电力供应以及波浪能发电等领域广泛推广。

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明波浪能发电装置结构示意图。

图2为灯浮标连接机构示意图。

图3为本发明磁齿轮结构示意图。

图4为本发明波浪能发电装置与航标灯浮标连接示意图。

图中：1、浮体；2、主动活塞；3、液压缸；4、直线输出活塞；5、复位弹簧；6、支撑板；7、低速输入摇杆；8、磁齿轮结构；9、低速输入连杆；10、高速输出连杆；11、高速输出摇杆；12、动子磁铁；13、定子磁轭；14、定子线圈；15、定子磁场调制环；16、低速输入转轴；17、磁齿轮磁场调制环；18、高速输出转轴；19、灯浮标连接机构；19-1、发电装置连接机构；19-2、吊环连接机构；20、灯浮标。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-2所示，本发明提供了一种新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，通过灯浮标连接机构19连接灯浮标20；包括：液压行程放大单元、频率放大机构和发电单元；

液压行程放大单元包括设置在灯浮标20外壁的浮体1、主动活塞2、直线输出活塞4以及液压缸3；浮体1提供自身浮力和稳定性，使得装置能够漂浮于海面并且不会因为风浪而发生倾覆，浮体1固定在主动活塞2的活塞轴上；主动活塞2设置在液压缸3的顶部，直线输出活塞4设置在液压缸3的底部；液压行程放大单元还包括复位弹簧5，复位弹簧5的顶端固定在直线输出活塞4的底部，复位弹簧5的底端固定在一支撑板6上，支撑板6中部开设有一个用于穿过直线输出活塞4的活塞轴的小孔。

具体实施时，优选的，液压缸的顶部与底部的直径比为4:1，所能达到的行程放大比是16:1。浮体1的中间开口，液压行程放大单元、频率放大机构和发电单元按照由上而下依次连接的顺序设置在浮体1中间。

如图3所示，频率放大机构包括由低速输入转轴16、高速输出转轴18以及磁齿轮磁场调制环17组成的磁齿轮结构8、低速输入摇杆7、高速输出摇杆11、低速输入连杆9以及高速输出连杆10；低速输入摇杆1的顶端连接直线输出活塞4的活塞轴，低速输入摇杆7的底端连接低速输入连杆9的底端，低速输入连杆9的顶端连接低速输入转轴16；高速输出转轴18连接高速输出连杆10的顶端，高速输出连杆10的底端连接高速输出摇杆11的顶端，高速输出摇杆11的底端连接动子磁铁12；

具体实施时，优选的，低速输入转轴16与高速输出转轴18的磁极数之比为1:4。磁齿轮磁场调制环17为由导磁材料与非导磁材料环形间隔排列形成的筒形结构，且每个导磁材料和非导磁材料的尺寸相同，导磁材料为硅钢，磁齿轮磁场调制环17的硅钢铁心片数为低速输入转轴16与高速输出转轴18的磁极数之和。动子磁铁12采用钕铁硼磁铁。

发电单元包括定子线圈14、定子磁轭13、定子磁场调制环15以及动子磁铁12；定子线圈14缠绕在定子磁场调制环15外侧并且固定在定子磁轭13内部；动子磁铁12设置在定子磁轭13中部，高速输出摇杆11穿过定子磁轭13且底端连接动子磁铁12。并且动子磁铁12与定子磁场调制环15之间的气隙尽可能小。

具体实施时，优选的，定子磁场调制环15的总长度与定子线圈14相同。定子磁轭13采用硅钢片压制而成的硅钢。

具体实施时，优选的，如图4所示，灯浮标连接结构19由多个带有轨道的方管通过直角铁与螺栓连接而成，包括吊环连接机构19-2和发电装置连接机构19-1，吊环连接机构19-2与灯浮标20上的吊环通过骑马卡环连接，发电装置连接机构19-1通过方管上的轨道与浮体1外表面上的滑轨通过滑轮走珠连接。

本发明装置的工作原理如下：

当低品位的波浪向下运动时，带动浮子1和主动活塞2的活塞轴向下运动，主动活塞2会向下挤压液压缸3内的液压油，主动活塞2在液压缸3的顶部(大直径端)，直线输出活塞4在液压缸3的底部(小直径端)，单位时间内液压缸3内液压油变化的体积是相同的，因此直线输出活塞4在单位时间内的位移会远大于主动活塞2，实现装置的行程放大。同时直线输出活塞4在向下运动的过程当中也会挤压复位弹簧5，使其处于压缩状态。当低品位的波浪向上运动时，会带动浮子1和主动活塞2向上运动，此时直线输出活塞4不再受到向下的压力，复位弹簧5会进行复位，带动直线输出活塞4向上运动，将液压油向上挤压，从而使整个液压行程放大装置复位。

由于直线输出活塞4与低速输入摇杆7是连接在一起的，所以当直线输出活塞4上下往复运动时也会带动低速输入摇杆7进行往复直线运动，带动低速输入连杆9转动，带动磁齿轮结构8当中低速输入转轴16转动，在磁齿轮磁场调制环17的作用下，带动磁齿轮结构8当中高速输出转轴18产生高速转动，带动高速输出连杆10转动，最终带动高速输出摇杆11和动子磁铁12产生高频率直线往复运动，让定子线圈14的绕组切割磁感线产生电能。

发电装置连接机构19-1与浮体1通过发电装置连接机构19-1方管上的轨道与浮体1外表面上的滑轨使用滑轮走珠连接在一起，吊环连接机构19-2与灯浮标20上的吊环通过骑马卡环固定在一起。当浮体1随着波浪直线往复运动的时候，浮体1上的滑轨通过滑轮走珠沿着发电装置连接机构19-1上的轨道进行直线往复运动。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，其特征在于，所述新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置通过灯浮标连接机构连接灯浮标；所述新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置包括：液压行程放大单元、频率放大机构和发电单元；

所述液压行程放大单元包括设置在灯浮标外壁的浮体、主动活塞、直线输出活塞以及液压缸；所述浮体固定在所述主动活塞的活塞轴上；所述主动活塞设置在所述液压缸的顶部，所述直线输出活塞设置在所述液压缸的底部；

所述频率放大机构包括由低速输入转轴、高速输出转轴以及磁齿轮磁场调制环组成的磁齿轮结构、低速输入摇杆、高速输出摇杆、低速输入连杆以及高速输出连杆；所述低速输入摇杆的顶端连接所述直线输出活塞的活塞轴，所述低速输入摇杆的底端连接所述低速输入连杆的底端，所述低速输入连杆的顶端连接所述低速输入转轴；所述高速输出转轴连接所述高速输出连杆的顶端，所述高速输出连杆的底端连接所述高速输出摇杆的顶端，所述高速输出摇杆的底端连接动子磁铁；

所述发电单元包括线圈、磁轭、磁场调制环以及动子磁铁；所述定子线圈缠绕在所述定子磁场调制环外侧并且固定在所述定子磁轭内部；所述动子磁铁设置在所述定子磁轭中部，所述高速输出摇杆穿过所述定子磁轭且底端连接所述动子磁铁。

2.根据权利要求1所述的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，其特征在于，所述浮体的中间开口，所述液压行程放大单元、频率放大机构和发电单元按照由上而下依次连接的顺序设置在所述浮体中间。

3.根据权利要求1所述的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，其特征在于，所述液压行程放大单元还包括复位弹簧，复位弹簧的顶端固定在所述直线输出活塞的底部，复位弹簧的底端固定在一支撑板上，支撑板中部开设有一个用于穿过直线输出活塞的活塞轴的小孔。

4.根据权利要求1所述的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，其特征在于，所述灯浮标连接结构由多个带有轨道的方管通过直角铁与螺栓连接而成，包括吊环连接机构和发电装置连接机构，所述吊环连接机构与灯浮标上的吊环通过骑马卡环连接，所述发电装置连接机构通过方管上的轨道与所述浮体外表面上的滑轨通过滑轮走珠连接。

5.根据权利要求1所述的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，其特征在于，所述液压缸的顶部与底部的直径比为4:1，所能达到的行程放大比是16:1。

6.根据权利要求1所述的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，其特征在于，所述低速输入转轴内部固定的磁铁极对数与所述高速输出转轴内部固定的磁铁极对数之比为1:4。

7.根据权利要求1所述的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，其特征在于，所述磁齿轮磁场调制环为由导磁材料与非导磁材料环形间隔排列形成的筒形结构，且每个导磁材料和非导磁材料的尺寸相同，所述磁齿轮磁场调制环的硅钢铁心片数为所述低速输入转轴与高速输出转轴的磁极数之和。

8.根据权利要求1所述的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，其特征在于，所述定子磁场调制环的总长度与所述定子线圈相同。

9.根据权利要求1所述的新型磁场调制灯浮标波浪能发电装置，其特征在于，所述定子线圈采用漆包线，所述定子磁轭采用硅钢片压制而成的硅钢，所述动子磁铁采用钕铁硼磁铁。

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