CN112065642A - 一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，包括外壳、发电区和控制区；所述外壳为一圆柱型金属壳体，所述发电区包括振动机构、发电机构和润滑机构；所述控制区包括控制机构；所述振动机构与发电机构镶嵌于发电区的上顶与下底之间，所述润滑机构固定于发电区的下底，所述发电区的下底覆盖一层润滑油；所述振动机构包括1个振子、3根立轴、6根压缩弹簧；所述发电机构包括1个定子和1个动子；所述发电区的上顶和下底与立轴和定子固定连接。本发明为浮式装备提供了一种低成本、高可靠性、安装维护便捷、可持续的自主供电模式，提升了浮式装备在海上的生存和作业能力。

Description

一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及一种波浪能发电装置，尤其涉及一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，属于波浪能发电技术领域。

背景技术

随着我国海洋强国战略的有序推进，海洋开发逐渐向深远海方向发展，无人船、深海潜器、水下航行器等各种新型的海洋设备也陆续进入人们的视野，并为我国的海洋开发做出了重要贡献。电能是支持浮式装备上的电子仪器设备工作进而保证其海上长期稳定运行的基础。浮式装备工作于远离陆地的海洋中，现有的供电方式将很难满足浮式装备的发展需求，因此，“海能海用，就地取能”是实现浮式装备系统能源供给的首选方案。波浪能是海洋能源中的一种，是可再生的清洁能源，具有储量大、分布广、获取简易等特点。利用波浪能为浮式装备供电方便快捷、绿色环保，不需要频繁从陆地运输燃料，具有非常重要的实用价值。

波浪能发电主要是通过一级能量转换机构将波浪能转化为机械能，再通过二级或三级能量转换机构将机械能转化为电能。波浪能发电装置一般具有一个载体，载体可以是波浪能装置的一部分，也可以是另外一个独立的结构物，波浪能装置的所有部件需要搭载于载体之上。浮式装备作为一种海上浮式结构物，如果以浮式装备作为载体，将波浪能装置搭载于装备之上，波浪能装置所产生的电能直接为装备上的电子设备供电，不用另外建造波浪能装置的载体，同时也不需要进行水下电力传输，极大地降低了利用波浪能发电的成本，提升了浮式装备的作业能力。

发明内容

本发明的目的是为了解决利用波浪能为浮式装备供电的问题而提供一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，包括外壳、发电区和控制区；所述外壳为一圆柱型金属壳体，所述发电区包括振动机构、发电机构和润滑机构；所述控制区包括控制机构；所述振动机构与发电机构镶嵌于发电区的上顶与下底之间，所述润滑机构固定于发电区的下底，所述发电区的下底覆盖一层润滑油；所述振动机构包括1个振子、3根立轴、6根压缩弹簧；所述发电机构包括1个定子和1个动子；所述发电区的上顶和下底与立轴和定子固定连接。

本发明还包括这样一些特征：

所述发电区的上顶和下底各开有3个圆孔，所述圆孔与立轴相配合，所述发电区的上顶和下底的圆心位置各有1六边形孔，所述六边形孔与发电机定子相配合；

所述振子为圆盘实心金属块，所述振子上设置有三个圆孔，所述立轴穿过圆孔；所述振子中心位置还设置有六边形孔，所述定子穿过六边形孔；所述6根压缩弹簧分别设置在3根立轴的上下两端；

所述润滑机构由3个压力泵和3根导管组成；所述压力泵固定在发电区的下底，所述导管与压力泵的出油口连接，三根导管的另一端沿外壳的壁面延伸至上顶的凹槽处，并将其固定；

所述控制机构包括1个阻尼控制器、1个逆变单元和1个蓄电池；所述逆变单元一端连接直线发电机，另一端连接蓄电池；所述阻尼控制器由PLC、可变电阻和加速度传感器组成，加速度传感器固定于振子上，通过线缆分别连接PLC和蓄电池，蓄电池为加速度传感器提供电源，加速度传感器的数据传输至PLC，PLC连接蓄电池，由蓄电池为其供电。

本发明一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，该装置以浮式装备为载体安装于装备内部，同时利用浮式装备作为吸波浮体，当浮式装备在波浪作用下运动时，装置内部的振动机构由于惯性与装备形成相对运动，对直线发电机做功将机械能转换为电能，发电装置所产生的电能通过导线与装备内部的电子设备连接为其供电。与传统的波浪能装置相比，本发明具有如下优点：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本专利发明的波浪能发电装置以浮式装备为载体，不需要另外建造专门的载体用于搭载波浪能装置，降低了波浪能发电装置的建造成本；

(2)本专利发明的波浪能发电装置产生的电能直接为浮式装备上的电子设备供电，不需要水下电缆进行电力传输，降低了电力传输成本；

(3)本专利发明的波浪能发电装置安装于浮式装备内部，装置的所有设备均不与海水直接接触，免于受到波浪的冲击和海水腐蚀，使得装置具有更高的可靠性和更长的使用寿命；

(4)本专利发明的波浪能发电装置具有自润滑功能，可保证装置在长期无人值守的状态下顺畅运行；

(5)本专利发明的波浪能发电装置具有阻尼调节功能，装置在不同海况下均能比较平稳的运行，避免极端海况下振子的高速运动对发电设备造成损坏；

(6)本专利发明的波浪能发电装置结构简单，体积小，安装和维护方便。

本发明要解决的利用波浪能为浮式装备供电的问题。本发明所述的一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置安装于浮式装备内部，能够将传播至浮式装备的波浪能转换为电能为浮式装备自主供电，波浪为其持续提供能源，不需要另外从陆地向其输送发电所需的原料。本专利所述的装置为一种圆筒形的整体结构，体积较小，安装的时候只需用螺栓将其固定于浮式装备的底座即可，安装维护方便。装置安装于浮式装备内部，不与海水接触，避免了受到海水的侵蚀，可靠性高。

综上所述，本发明为浮式装备提供了一种低成本、高可靠性、安装维护便捷、可持续的自主供电模式，提升了浮式装备在海上的生存和作业能力。

附图说明

图1为本发明专利总体示意图；

图2为本发明专利的振动机构示意图；

图3为本发明专利的发电机构示意图；

图4为本发明专利的润滑机构示意图；

图5为本发明专利的控制机构示意图；

图6为本发明专利的工作方式。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

浮式装备工作于远离陆地的海洋中，电能是支持装备上电子仪器设备工作进而保证其海上长期稳定运行的基础，“海能海用，就地取能”是实现浮式装备系统能源供给的一个非常便捷的方案。波浪能是海洋能源的一种，具有能量密度大、获取简易和可持续的特点，采用波浪能为浮式装备供电不需要从陆地频繁运输燃料，提升了浮式装备在深远海的作业能力。为了解决利用波浪能为浮式装备供电的问题，本发明采用如下技术方案：

一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，安装于浮式装备内部，当海洋波浪作用于浮式装备时使其发生运动，浮式装备的运动传播至发电装置，通过装置的能量转换机构将机械能转化为电能，为浮式装备上的电子设备供电。该装置具有自润滑功能，可保证海上长期无人值守状态下供电装置的运动部件持续顺畅运行。

所述的一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置主要包括外壳、振动机构、发电机构、控制机构和润滑机构。

所述的一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，其特征是：所述外壳为一圆柱型金属壳体，装置的所有部件安装于外壳内部，形成一个封闭的整体，装置通过外壳固定于浮式装备内部；所述振动机构为装置的运动部件，当浮式装备在波浪作用下运动时，浮式装备将能量传递给振动机构；所述发电机构为一低速直线电机，在振动机构的驱动下将机械能转化为电能；所述控制机构用于调节直线电机的阻尼，同时对电机产生的电能进行逆变处理；所述润滑机构用于对振动机构进行润滑，以保证装置在持续工作过程中顺畅运行。

所述的一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，其特征是：所述外壳的内部区域分为发电区和控制区两个区域，振动机构、发电机构和润滑机构都安装于发电区，控制机构安装于控制区；所述振动机构由1个振子、3根立轴、6根压缩弹簧组成；所述发电机构包括1个定子和1个动子；所述润滑机构由3个压力泵和3根导管组成；所述控制机构包括1个阻尼控制器、1个逆变单元和1个蓄电池。

所述的一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，其特征是：所述发电区和控制区通过与外壳上顶和下底平行的隔板分隔开，外壳的上顶为发电区的上顶，隔板为发电区的下底，同时也是控制区的上顶，外壳的下底为控制区的下底；发电区的上顶和下底均有三个圆形孔，呈正三角形分布，用于固定立轴，上顶和下底的圆心位置各有1个六边形孔，用于固定发电机定子；发电区上顶由双层钢板构成，两层钢板之间具有一定间隙，下层钢板的上面设有凹槽连接3个圆孔；所述振子为一圆盘形实心金属块，振子的质量根据装置的功率确定，振子上有3个圆孔，每个圆孔内镶嵌1个轴承；所述3根立轴穿过振子的3个圆孔，振子可沿立轴上下滑动，3根立轴的上下两端分别嵌入上顶和下底的圆孔内部而固定住；所述6根弹簧分别3根立轴的上下两端，6根弹簧中3根较长，另外3根较短，3根较长的弹簧分别套在3根立轴的下端并固定，3根较短的弹簧分别套在3根立轴的上端并固定；所述定子由永磁铁组成正六边形主体；所述动子由6组线圈拼接成正六边环形柱体，动子镶嵌于振子的中心位置并套在定子外面，动子可沿定子上下滑动，动子引出的导线外壳内壁穿过隔板与控制机构连接；所述压力泵固定于做功区的下底；所述导管一端与压力泵的出口连接，沿壳体壁面延伸至发电区上顶的凹槽处；所述阻尼控制器用于在通过改变发电机的阻尼调节振子的速度；所述逆变单元用将发电机的输出电能进行交直流转换和稳压。

所述的一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，其特征是：所述发电区的下底覆盖一层润滑油，当振子向下运动时挤压压力泵，压力泵将润滑油沿导管泵至上顶，润滑油沿凹槽流至立轴，对立轴进行润滑；所述振子在浮式装备的作用下沿立轴上下往复运动，为使振子的运动与发电机的功率相匹配，振子的质量m(kg)与发电装置的额定功率P(kW)满足如下关系：

所述弹簧用于调节振动系统的刚度，对振子起到激振作用，振子的刚度系数K(N/m)与发电装置的额定功率P(kW)满足如下关系：

所述发电机的动子随振子上下往复运动，动子与定子之间相对运动，动子的线圈切割磁力线将机械能转化为电能；所述阻尼控制器具有速度检测和负载调节功能，当检测到动子速度高于设定的阈值时，自动调节负载，提高直线电机的阻尼，使动子速度低于设定阈值，以减小大波浪条件下振子对装置的冲击和破坏。

供电装置整体如图1所示，其包括外壳1、振动机构2、发电机构3、控制机构4和润滑机构5。外壳为一圆柱型金属壳体，装置的所有部件安装于外壳内部，形成一个封闭的整体，装置通过外壳固定于浮式装备内部；外壳通过通过隔板101和102分成发电区103和控制区104两个区域；振动机构、发电机构和润滑机构安装于发电区；控制机构安装于控制区；发电区的上顶105开有3个圆孔，发电区的下底也106开有三个圆孔，圆孔用于固定立轴，上顶和下底的圆心位置各有1六边形孔，六边形孔用于固定发电机定子；发电区上顶由双层钢板构成，两层钢板之间具有一定间隙，下层钢板的上面有3个凹槽连接3个圆孔；振动机构2与发电机构3镶嵌于发电区的上顶105和下底106之间；润滑机构5固定于发电区的下底105；发电区的下底106覆盖一层润滑油；控制机构4固定于控制区104。

振动机构如图2所示，其包括振子201、立轴202、立轴203、立轴204、下弹簧205、下弹簧206、下弹簧207、上弹簧208、上弹簧209和上弹簧210；振子为圆盘实心金属块，振子上有圆孔211、圆孔212、圆孔213，每个圆孔分别镶嵌轴承；立轴202、立轴203和立轴204分别穿过振子的圆孔211、圆孔212和圆孔213；上弹簧208、上弹簧209和上弹簧210分别套在立轴202、立轴203和立轴204的上端部，立轴上端部分别嵌入发电区上顶的圆孔，上弹簧固定于发电区上顶；下弹簧205、下弹簧206和下弹簧207分别套在3根立轴的下端部，立轴下端部分别嵌入发电区下底的三个圆孔，下弹簧固定于发电区下底；振子中心位置有一六边形孔214，用于放置直线发电机的动子。

发电机构如图3所示，其包括定子301和动子302；定子是由永磁铁组成的正六边形柱体；动子是由6组线圈拼接而成的环形柱体，动子镶嵌于振子中心位置的六边形孔214；动子穿过定子，动子的上端部嵌入发电区上顶的六边形孔，下端部嵌入发电区下底的六边形孔；303为定子与动子的局部放大。

润滑机构如图4所示，其包括压力泵401、压力泵402、压力泵403和导管404、导管405、导管406；压力泵401、压力泵402、压力泵403固定于发电区的下底；压力泵401、压力泵402、压力泵403的活塞柄411、活塞柄421、活塞柄431处于振子的下方；3个压力泵的进油口处于压力泵的下端；导管404、导管405、导管406的分别于压力泵401、压力泵402、压力泵403的出油口连接，三根导管的另一端沿外壳的壁面延伸至上顶的凹槽处，并将其固定。

控制机构如图5所示，其包括1个逆变单元501、1个阻尼控制器502和1个蓄电池503；逆变单元一端连接直线发电机，将直线发电机的输出的电能进行交直流转换和稳压，另一端连接蓄电池；阻尼控制器由PLC、可变电阻和加速度传感器组成，加速度传感器固定于振子上，通过线缆分别连接PLC和蓄电池，蓄电池为加速度传感器提供电源，加速度传感器的数据传输至PLC；PLC连接蓄电池，由蓄电池为其供电。

所述一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置的工作方式如图6所示，供电装置固定于浮式装备内部，当波浪传播至浮式装备时，浮式装备在波浪作用下作六自由度运动，振子由于惯性与浮式装备作直线往复相对运动，根据直线发电机的安装方式，其定子随浮式装备运动，其动子随振子运动，由于振子与浮式装备的相对运动从而导致发电机董子与定子实现直线相对运动，动子的线圈切割定子的磁力线将机械能转化为电能。为了在大浪条件下保护发电机不被损坏，通过线位移感器采集动子与定子的相对运动数据，并传输给PLC，当二者的相对运动速度大于预先设定的速度阈值时，调节电阻以增加发电机的阻尼，从而减小二者的相对运动速度，使二者的相对运动保持相对平稳的状态；发电机输出的电能通过逆变单元进行交直流转换和稳压处理；振子向下运动时，挤压压力泵的活塞柄将覆盖在下低的润滑油沿导管泵至上顶的凹槽，润滑油沿凹槽流至立轴与上顶的连接处，通过链接处的缝隙顺着立轴向下流至下底，如此往复使立轴在长期无人值守的情况下保持润滑。

一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，安装于浮式装备内部。当海洋波浪作用于浮式装备时使其发生运动，浮式装备的运动传播至发电装置，通过装置的能量转换机构将机械能转化为电能，为浮式装备上的电子设备供电。该装置具有自润滑功能，可保证海上长期无人值守状态下供电装置的运动部件持续顺畅运行，主要包括外壳、振动机构、发电机构、控制机构和润滑机构。所述外壳为一圆柱型金属壳体，装置的所有部件安装于外壳内部，形成一个封闭的整体，装置通过外壳固定于浮式装备内部；所述振动机构为装置的运动部件，当浮式装备在波浪作用下运动时，浮式装备将能量传递给振动机构；所述发电机构为一低速直线电机，在振动机构的驱动下将机械能转化为电能；所述控制机构用于调节直线电机的阻尼，同时对电机产生的电能进行逆变处理；所述润滑机构用于对振动机构进行润滑，以保证装置在持续工作过程中顺畅运行；所述外壳的内部区域分为发电区和控制区两个区域，振动机构、发电机构和润滑机构都安装于发电区，控制机构安装于控制区；所述振动机构由1个振子、3根立轴、6根压缩弹簧组成；所述发电机构包括1个定子和1个动子；所述润滑机构由3个压力泵和3根导管组成；所述控制机构包括1个阻尼控制器、1个逆变单元和1个蓄电池；所述发电区和控制区通过与外壳上顶和下底平行的隔板分隔开，外壳的上顶为发电区的上顶，隔板为发电区的下底，同时也是控制区的上顶，外壳的下底为控制区的下底；发电区的上顶和下底均有三个圆形孔，呈正三角形分布，用于固定立轴，上顶和下底的圆心位置各有1个六边形孔，用于固定发电机定子；发电区上顶由双层钢板构成，两层钢板之间具有一定间隙，下层钢板的上面设有凹槽连接3个圆孔；所述振子为一圆盘形实心金属块，振子的质量根据装置的功率确定，振子上有3个圆孔，每个圆孔内镶嵌1个轴承；所述3根立轴穿过振子的3个圆孔，振子可沿立轴上下滑动，3根立轴的上下两端分别嵌入上顶和下底的圆孔内部而固定住；所述6根弹簧分别3根立轴的上下两端，6根弹簧中3根较长，另外3根较短，3根较长的弹簧分别套在3根立轴的下端并固定，3根较短的弹簧分别套在3根立轴的上端并固定；所述定子由永磁铁组成正六边形柱体；所述动子由6组线圈拼接成正六边环形柱体，动子镶嵌于振子的中心位置并套在定子外面，动子可沿定子上下滑动，动子引出的导线外壳内壁穿过隔板与控制机构连接；所述压力泵固定于做功区的下底；所述导管一端与压力泵的出口连接，沿壳体壁面延伸至发电区上顶的凹槽处；所述阻尼控制器用于在通过改变发电机的阻尼调节振子的速度；所述逆变单元用将发电机的输出电能进行交直流转换和稳压；所述发电区的下底覆盖一层润滑油，当振子向下运动时挤压压力泵，压力泵将润滑油沿导管泵至上顶，润滑油沿凹槽流至立轴，对立轴进行润滑；所述振子在浮式装备的作用下沿立轴上下往复运动，振子的质量m(kg)与发电装置的额定功率P(kW)满足如下关系：

所述弹簧用于调节振动系统的刚度，对振子起到激振作用，振子的刚度系数K(N/m)与发电装置的额定功率P(kW)满足如下关系：

所述发电机的动子随振子上下往复运动，动子与定子之间相对运动，动子的线圈切割磁力线将机械能转化为电能；所述阻尼控制器具有速度检测和负载调节功能，当检测到动子速度高于设定的阈值时，自动调节负载，提高直线电机的阻尼，使动子速度低于设定阈值，以减小大波浪条件下振子对装置的冲击和破坏。

综上所述：本发明公开了一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，属于清洁新能源领域。该装置包括外壳、振动机构、发电机构、控制机构和润滑机构。外壳为圆柱型壳体，装置所有部件安装于外壳内；振动机构为能量传递的中间机构，其将作用于浮式装备的波浪能转化为机械能；发电机构为低速直线电机，在振动机构的驱动下将机械能转化为电能；控制机构用于调节电机阻尼以优化发电效率，对电机的输出电能进行逆变处理；润滑机构对振动机构进行润滑，以保证装置持续顺畅运行。该装置可安装于浮式装备内部为其设备供电。本发明安装简单，供电方式便捷、能量密度大、可靠性高、成本低、绿色无污染，可为远离陆地的浮式装备持续供电，提高其生存能力和作业水平。

Claims (5)

1.一种应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，其特征是，包括外壳、发电区和控制区；所述外壳为一圆柱型金属壳体，所述发电区包括振动机构、发电机构和润滑机构；所述控制区包括控制机构；所述振动机构与发电机构镶嵌于发电区的上顶与下底之间，所述润滑机构固定于发电区的下底，所述发电区的下底覆盖一层润滑油；所述振动机构包括1个振子、3根立轴、6根压缩弹簧；所述发电机构包括1个定子和1个动子；所述发电区的上顶和下底与立轴和定子固定连接。

2.根据权利要求1所述的应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，其特征是，所述发电区的上顶和下底各开有3个圆孔，所述圆孔与立轴相配合，所述发电区的上顶和下底的圆心位置各有1六边形孔，所述六边形孔与发电机定子相配合。

3.根据权利要求1所述的应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，其特征是，所述振子为圆盘实心金属块，所述振子上设置有三个圆孔，所述立轴穿过圆孔；所述振子中心位置还设置有六边形孔，所述定子穿过六边形孔；所述6根压缩弹簧分别设置在3根立轴的上下两端。

4.根据权利要求1所述的应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，其特征是，所述润滑机构由3个压力泵和3根导管组成；所述压力泵固定在发电区的下底，所述导管与压力泵的出油口连接，三根导管的另一端沿外壳的壁面延伸至上顶的凹槽处，并将其固定。

5.根据权利要求1所述的应用于浮式装备的随体式波浪能发电装置，其特征是，所述控制机构包括1个阻尼控制器、1个逆变单元和1个蓄电池；所述逆变单元一端连接直线发电机，另一端连接蓄电池；所述阻尼控制器由PLC、可变电阻和加速度传感器组成，加速度传感器固定于振子上，通过线缆分别连接PLC和蓄电池，蓄电池为加速度传感器提供电源，加速度传感器的数据传输至PLC，PLC连接蓄电池，由蓄电池为其供电。

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