CN112253366A - 一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置及发电方法 - Google Patents

一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置及发电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置及发电方法，发电装置包括直驱式电机，所述直驱式电机上设有连接轴，连接轴的一端与直驱式电机紧固连接，另一端紧固连接有沉浸式浮子，沉浸式浮子的下方设有阵列分布的浮子线缆，直驱式电机的下方设有阵列分布的固定柱；所述直驱式电机包括阻尼盘，阻尼盘上设有外定子，外定子内设有内动子；所述外定子包括定子轭部，定子轭部内设有内腔，内腔内连通设有凹槽，凹槽内紧固连接有定子线圈。本发明发电装置采用了沉浸式浮子，减少视觉污染，在海上极端情况下，保护装置免受机械性破坏，采用直驱式电机发电，减小波浪发电装置的体积，发电过程简化，降低运营维护和发电成本，提高商业竞争力。

Description

一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置及发电方法
技术领域
本发明涉及一种发电装置，具体是一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置及发电方法。
背景技术
地球表面三分之二的地方都是海洋，其中蕴藏这十分丰富的海洋能源，而波浪能是指海洋表面波浪做具有的动能和势能的总和，是海洋在风力、引力等作用下产生的波浪运动所具有的能量。波浪的能量与波高的平方、波浪运动周期以及迎面波的宽度成正比。据估计，整个海洋中约有3TW的波浪能，其中东亚地区波浪能总能达到了173GW，除去波浪能小于等于5KW/m和冰层覆盖不能开发的地区，波浪能储量也有157GW。如果充分利用起来，波浪能将会对世界能源供应做出巨大贡献。我国拥有漫长的海岸线和广阔的海域，其中海洋能占比在世界总储量的前列，利用沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为。但是由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风量较小的位置，实际的沿海波浪功率远不止于此。
与风能和太阳能相比，波浪能拥有许多优点，而这也吸引越来越多的社会注意力。在所有可再生能源中，波浪能的能量密度最高为，而风能的能量密度为，太阳能的能量密度仅为。并且波浪能集中分布在海面附近，95％以上的能量都集中在水面至水下四分之一波长水深之间，这十分有利于波浪能的利用开发。波浪可以传递十分遥远的距离，但是其能量损耗却十分小。
波浪能的理论能量捕获效率及实际效率都要高于其他能源。相比于太阳能理论最大转换效率的86.7％，实际效率的35％和风能理论最大转换效率的59％，实际效率的50％，波浪能理论上能量捕获效率可以达到100％，在实际的水槽实验中效率可以超过80％。波浪能量空间分布与人类社会能量需求的空间分布有很好的契合。经济社会沿大陆沿海地区分布，世界上大约有60％的人口生活在距离海岸100km的沿海地区，并且很多国家的工业地区也都在分布在沿海周围。
而波浪能广泛存在于海洋地区，除了内陆地区，几乎没有什么波浪能特别匮乏的地方，这也为电能的输送提供了便利条件。相比于风能和太阳能设备可以在20-30％的时间内生产能量，波浪能设备可以在高达90％时间内都有能量的产生。由于开发和利用波浪能的装置可以在海平面以下，或者在远离海岸线的地方，因此相对于巨大的风力发电装置和对占地面积很有要求的太阳能发电装置来说开发和利用波浪能对环境和对人类社会的影响很小，甚至可以忽略不计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置及发电方法，将波浪的动能和势能转换为沉浸式浮子的动能，传递给内动子，从而转换为电能输出，实现波浪能向电能的转换，装置对海面无视觉污染，直驱式电机内设有弹性件，有效的保护发电装置免遭极端应力的损伤，延长装置的使用寿命，直驱式电机发电，体积小，运营维护成本低，提高商业竞争力。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，发电装置包括直驱式电机，所述直驱式电机上设有连接轴，连接轴的一端与直驱式电机紧固连接，另一端紧固连接有沉浸式浮子，沉浸式浮子的下方设有阵列分布的浮子线缆，直驱式电机的下方设有阵列分布的固定柱。
所述直驱式电机包括阻尼盘，阻尼盘上设有外定子，外定子内设有内动子。
进一步地，所述浮子线缆的一端与沉浸式浮子紧固连接，另一端与海床紧固连接，浮子线缆呈倾斜固定。
进一步地，所述沉浸式浮子安装在海平面下，沉浸式浮子的上表面和下表面之间的距离所产生压力差使沉浸式浮子处于平衡状态。
进一步地，所述固定柱的一端与阻尼盘紧固连接，另一端与海床紧固连接，固定柱呈倾斜固定。
进一步地，所述外定子包括定子轭部，定子轭部内设有内腔，内腔内连通设有凹槽，凹槽内紧固连接有定子线圈，内腔内设有第一弹性件，内腔内设有第二弹性件，第一弹性件套装于连接轴上。
进一步地，所述内动子包括动子轭部，动子轭部上包裹有永磁体，连接轴穿过直驱式电机的顶部与动子轭部紧固连接。
进一步地，所述动子轭部与定子轭部同轴，动子轭部位于内腔内沿轴线做往复运动。
进一步地，所述沉浸式浮子的上下表面压力差与沉浸式浮子、浮子线缆、连接轴、内动子的重力之和相等，沉浸式浮子受倾斜的浮子线缆的拉力作用做深沉运动。
进一步地，所述发电装置平衡状态时，沉浸式浮子悬浮在海面下，内动子也处于内腔的中心位置。
一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置的发电方法，所述发电装置的发电方法如下：
S1、波浪由平衡位置逐渐达到波峰位置的过程中，沉浸式浮子在压力作用下向下运动，带动连接轴向下运动，内动子受到连接轴的推力向下运动，永磁体与定子线圈相对运动，从而将内动子的动能转换成电能从定子线圈上输出；
S2、波浪接近波峰位置时，内动子与第二弹性件接触，并通过压缩第二弹性件将内动子的部分动能以弹性势能的形式存储，从而阻碍内动子的向下运动，保护波浪发电装置，此时内动子受到连接轴对其向下的推力和第二弹性件向上的弹性力和反向电磁力，此过程中，定子线圈与永磁体发生相对运动，将动能转换成电能从定子线圈上输出；
S3、波浪越过波峰，向波谷位置运动时，第二弹性件复位，在第二弹性件的弹性力和沉浸式浮子的拉力作用下，内动子向上运动，当内动子与第二弹性件脱离，内动子受到连接轴的拉力和反向电磁力继续向上运动，此过程中，定子线圈与永磁体相对运动，内动子的动能转换成电能从定子线圈上输出；
S4、波浪逐渐向波谷位置运动时，内动子与第一弹性件接触，并通过压缩第一弹性件将内动子的部分动能以弹性势能的形式存储，内动子受到连接轴向上的拉力、第一弹性件向下的弹性力和反向电磁力，在此过程中，定子线圈与永磁体相对运动，将内动子的动能转换成电能从定子线圈上输出；
S5、波浪越过波谷，向平衡点运动时，在第一弹性件的弹性力和沉浸式浮子的推力作用下，内动子向下运动，直至内动子与第一弹性件分离，弹性力消失，内动子只受到连接轴向下的推力和反向电磁力，在此过程中，定子线圈与永磁体发生相对运动，内动子的动能转换成电能从定子线圈上输出。
本发明的有益效果：
1、本发明发电装置采用了沉浸式浮子，减少视觉污染，在海上极端情况下，保护装置免受机械性破坏，采用直驱式电机发电，减小波浪发电装置的体积，发电过程简化，降低运营维护和发电成本，提高商业竞争力；
2、本发明发电装置的弹性件，为下一行程提供动力并储存内动子的部分动能，保护装置在极端环境中运行安全，倾斜式浮子线缆，限制沉浸式浮子运动方向，防止内动子偏心，降低装置损坏风险，提高使用寿命，保证输出电能的稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明发电装置结构示意图；
图2是本发明直驱式电机装置结构示意图；
图3是本发明图2中A处放大结构示意图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，发电装置包括直驱式电机5，如图1所示，直驱式电机5上设有连接轴4，连接轴4的一端与直驱式电机5紧固连接，另一端紧固连接有沉浸式浮子2，沉浸式浮子2的下方设有阵列分布的浮子线缆3，直驱式电机5的下方设有阵列分布的固定柱6，浮子线缆3的一端与沉浸式浮子2紧固连接，另一端与海床紧固连接，浮子线缆3呈倾斜固定，沉浸式浮子2安装在海平面下，沉浸式浮子2的上表面和下表面之间的距离所产生压力差使沉浸式浮子2处于平衡状态。
直驱式电机5包括阻尼盘14，如图1、图2所示，阻尼盘14上设有外定子1，外定子1内设有内动子7，固定柱6的一端与阻尼盘14紧固连接，另一端与海床紧固连接，固定柱6呈倾斜固定。
外定子1包括定子轭部9，如图2、图3所示，定子轭部9内设有内腔15，内腔15内连通设有凹槽，凹槽内紧固连接有定子线圈10，内腔15内设有第一弹性件8，内腔15内设有第二弹性件13，第一弹性件8套装于连接轴4上。
内动子7包括动子轭部11，如图2、图3所示，动子轭部11上包裹有永磁体12，动子轭部11与定子轭部9同轴，动子轭部11位于内腔15内沿轴线做往复运动，连接轴4穿过直驱式电机5的顶部与动子轭部11紧固连接。
沉浸式浮子2的上下表面压力差与沉浸式浮子2、浮子线缆3、连接轴4、内动子7的重力之和相等，沉浸式浮子2受倾斜的浮子线缆3的拉力作用，视为只做深沉运动，其他5个自由度的运动忽略，限定沉浸式浮子2的运动方向，避免由多方向的力造成的浮子运动行程不规律问题，进而将此运动传递给连接轴4和内动子7，避免局部应力过大而导致的装置部件的损坏。
平衡状态时，沉浸式浮子2悬浮在海面下，内动子7也处于内腔15的中心位置。
一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置的发电方法，发电装置的发电方法如下：
S1、波浪由平衡位置逐渐达到波峰位置的过程中，沉浸式浮子2在压力作用下向下运动，带动连接轴4向下运动，内动子7受到连接轴4的推力向下运动，永磁体12与定子线圈10相对运动，从而将内动子7的动能转换成电能从定子线圈10上输出；
S2、波浪接近波峰位置时，内动子7与第二弹性件13接触，并通过压缩第二弹性件13将内动子7的部分动能以弹性势能的形式存储，从而阻碍内动子7的向下运动，保护波浪发电装置，此时内动子7受到连接轴4对其向下的推力和第二弹性件向上的弹性力和反向电磁力，此过程中，定子线圈10与永磁体12发生相对运动，将动能转换成电能从定子线圈10上输出；
S3、波浪越过波峰，向波谷位置运动时，第二弹性件13复位，在第二弹性件13的弹性力和沉浸式浮子2的拉力作用下，内动子7向上运动，当内动子7与第二弹性件13脱离，内动子7受到连接轴4的拉力和反向电磁力继续向上运动，此过程中，定子线圈10与永磁体12相对运动，内动子7的动能转换成电能从定子线圈10上输出；
S4、波浪逐渐向波谷位置运动时，内动子7与第一弹性件8接触，并通过压缩第一弹性件8将内动子7的部分动能以弹性势能的形式存储，内动子7受到连接轴4向上的拉力、第一弹性件8向下的弹性力和反向电磁力，在此过程中，定子线圈10与永磁体12相对运动，将内动子7的动能转换成电能从定子线圈10上输出；
S5、波浪越过波谷，向平衡点运动时，在第一弹性件8的弹性力和沉浸式浮子2的推力作用下，内动子7向下运动，直至内动子7与第一弹性件8分离，弹性力消失，内动子7只受到连接轴4向下的推力和反向电磁力，在此过程中，定子线圈10与永磁体12发生相对运动，内动子7的动能转换成电能从定子线圈10上输出。
上述步骤周期循环，将波浪的动能和势能转换为沉浸式浮子2的动能，传递给内动子7，从而转换为电能输出，实现波浪能向电能的转换，本发明发电装置采用沉浸式浮子，工作装置对海面无视觉污染，直驱式电机内设有弹性件，有效的保护发电装置免遭极端应力的损伤，延长装置的使用寿命，直驱式电机发电，体积小，运营维护成本低，提高商业竞争力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，发电装置包括直驱式电机(5)，其特征在于，所述直驱式电机(5)上设有连接轴(4)，连接轴(4)的一端与直驱式电机(5)紧固连接，另一端紧固连接有沉浸式浮子(2)，沉浸式浮子(2)的下方设有阵列分布的浮子线缆(3)，直驱式电机(5)的下方设有阵列分布的固定柱(6)；
所述直驱式电机(5)包括阻尼盘(14)，阻尼盘(14)上设有外定子(1)，外定子(1)内设有内动子(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，其特征在于，所述浮子线缆(3)的一端与沉浸式浮子(2)紧固连接，另一端与海床紧固连接，浮子线缆(3)呈倾斜固定。
3.根据权利要求1所述的一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，其特征在于，所述沉浸式浮子(2)安装在海平面下，沉浸式浮子(2)的上表面和下表面之间的间距所产生压力差使沉浸式浮子(2)处于平衡状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，其特征在于，所述固定柱(6)的一端与阻尼盘(14)紧固连接，另一端与海床紧固连接，固定柱(6)呈倾斜固定。
5.根据权利要求1所述的一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，其特征在于，所述外定子(1)包括定子轭部(9)，定子轭部(9)内设有内腔(15)，内腔(15)内连通设有凹槽，凹槽内紧固连接有定子线圈(10)，内腔(15)内设有第一弹性件(8)，内腔(15)内设有第二弹性件(13)，第一弹性件(8)套装于连接轴(4)上。
6.根据权利要求5所述的一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，其特征在于，所述内动子(7)包括动子轭部(11)，动子轭部(11)上包裹有永磁体(12)，连接轴(4)穿过直驱式电机(5)的顶部与动子轭部(11)紧固连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，其特征在于，所述动子轭部(11)与定子轭部(9)同轴，动子轭部(11)位于内腔(15)内沿轴线做往复运动。
8.根据权利要求1所述的一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，其特征在于，所述沉浸式浮子(2)的上下表面压力差与沉浸式浮子(2)、浮子线缆(3)、连接轴(4)、内动子(7)的重力之和相等，沉浸式浮子(2)受倾斜的浮子线缆(3)的拉力作用做深沉运动。
9.根据权利要求5所述的一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置，其特征在于，所述发电装置平衡状态时，沉浸式浮子(2)悬浮在海面下，内动子(7)也处于内腔(15)的中心位置。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种基于沉浸式浮子的直驱式波浪发电装置的发电方法，其特征在于，所述发电装置的发电方法如下：
S1、波浪由平衡位置逐渐达到波峰位置的过程中，沉浸式浮子(2)在压力作用下向下运动，带动连接轴(4)向下运动，内动子(7)受到连接轴(4)的推力向下运动，永磁体(12)与定子线圈(10)相对运动，从而将内动子(7)的动能转换成电能从定子线圈(10)上输出；
S2、波浪接近波峰位置时，内动子(7)与第二弹性件(13)接触，并通过压缩第二弹性件(13)将内动子(7)的部分动能以弹性势能的形式存储，从而阻碍内动子(7)的向下运动，保护波浪发电装置，此时内动子(7)受到连接轴(4)对其向下的推力和第二弹性件向上的弹性力和反向电磁力，此过程中，定子线圈(10)与永磁体(12)发生相对运动，将动能转换成电能从定子线圈(10)上输出；
S3、波浪越过波峰，向波谷位置运动时，第二弹性件(13)复位，在第二弹性件(13)的弹性力和沉浸式浮子(2)的拉力作用下，内动子(7)向上运动，当内动子(7)与第二弹性件(13)脱离，内动子(7)受到连接轴(4)的拉力和反向电磁力继续向上运动，此过程中，定子线圈(10)与永磁体(12)相对运动，内动子(7)的动能转换成电能从定子线圈(10)上输出；
S4、波浪逐渐向波谷位置运动时，内动子(7)与第一弹性件(8)接触，并通过压缩第一弹性件(8)将内动子(7)的部分动能以弹性势能的形式存储，内动子(7)受到连接轴(4)向上的拉力、第一弹性件(8)向下的弹性力和反向电磁力，在此过程中，定子线圈(10)与永磁体(12)相对运动，将内动子(7)的动能转换成电能从定子线圈(10)上输出；
S5、波浪越过波谷，向平衡点运动时，在第一弹性件(8)的弹性力和沉浸式浮子(2)的推力作用下，内动子(7)向下运动，直至内动子(7)与第一弹性件(8)分离，弹性力消失，内动子(7)只受到连接轴(4)向下的推力和反向电磁力，在此过程中，定子线圈(10)与永磁体(12)发生相对运动，内动子(7)的动能转换成电能从定子线圈(10)上输出。
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