CN112696308A - 一种基于机械摆块的波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械摆块的波浪能发电装置，包括箱体、和设置在箱体内的波浪能捕获装置、输出装置；波浪能捕获装置包括第一机械摆块、第二机械摆块、主动轴、主动轴齿轮，第一机械摆块和第二机械摆块分别设置在主动轴两端，主动轴齿轮设置在主动轴上；输出装置包括电机、电机轴、电机轴齿轮，电机设置在电机轴上，电机轴设置；主动轴齿轮与电机轴齿轮传动连接；本发明通过海浪具有的动能和势能使发电机产生高度差而引起摆块的摆动，而当摆块摆动时，主动轴上的齿轮会带动两个电机的齿轮让三相内转子无刷电机的电机轴旋转，从而将摆块的机械能转化为电能，电机产生电能，完成能的转化。

Description

一种基于机械摆块的波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及波浪能发电机的研究领域，特别涉及一种基于机械摆块的波浪能发电装置。

背景技术

目前世界上的波浪能发电装置主要是大型化、大功率的波浪能发电装置，虽然可以得到持续的发展，但是小型化、封闭性且易移动的波浪能发电装置在市场上还是少见的。且现今波浪能发电装置大都有与海水直接接触的活动部件，易被侵蚀，维护成本高，寿命不长。而且对于一些远航目标的供电，这些大型化的装置也难于安装和不易移动。

现有技术中，“点头鸭”式的波浪能发电装置是由固定器、点头鸭、连接架、永磁体、套筒、线圈绕组构成，其特征是：点头鸭随波浪摆动，带动永磁体在套筒中的往复运动，从而使套筒外的线圈绕组切割磁感线、产生电流。这样做是基于电磁感应的发电装置，永磁体是必不可少的元件，使其装置成本很高，而且是大型化、大功率的发电装置，难以安装和不易移动。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于机械摆块的波浪能发电装置，采用的是全封闭包裹，双电机三相内转子无刷电机发电，并且采用区域布局的发电方式，避免了单个发电机可能会导致发电功率不足的问题。

本发明的主要目的通过以下的技术方案实现：

一种基于机械摆块的波浪能发电装置，其特征在于，包括箱体、和设置在箱体内的波浪能捕获装置、输出装置；波浪能捕获装置包括第一机械摆块、第二机械摆块、主动轴、主动轴齿轮，主动轴连接箱体内部两端；第一机械摆块和第二机械摆块分别设置在主动轴两端，主动轴齿轮设置在主动轴上；输出装置包括电机、电机轴、电机轴齿轮，电机设置在电机轴上，电机轴设置在主动轴上，所述电机包括第一电机、第二电机；主动轴齿轮与电机轴齿轮传动连接；电机通过波浪的上下的波动，让电机产生高度差而引起摆块的摆动，而当机械摆块摆动时，主动轴齿轮会带动第一电机、第二电机的电机轴齿轮让电机轴旋转，从而将机械摆块的机械能转化为电能，电机产生电能，完成能的转化。

在双电机的情况下，比单电机的发电效率更高，发电更稳定，更好的获取由摆块产生的机械能。

进一步地，所述第一机械摆块和第二机械摆块结构相同，机械摆块采用了不对称的、交错摆放的力学计算设计，能够让发电机的摆动幅度尽量最大；其中，第一机械摆块包括依次设置在主动轴上通过齿轮连接的摆轮、游丝、快慢针、防震器、活动外桩环、摆夹板；装置主动轴上下都安装了摆块，相比于单摆块的情况下，可以捕获更多由海浪产生的能量。同时，由于箱式结构以及摆块的设计方式，无论箱体正放倒放都不易于导致箱体翻滚。

进一步地，所述第一电机为三相内转子无刷电机，所述第二电机为三相内转子无刷电机，所述三相内转子无刷电机施加的电压为恒定的直流电压，输入的电流为直流电流，三相内转子无刷电机将获取到的能量输入到驱动器的是交流电；所述三相内转子无刷电机采用整流电路方式让电机轴正反转时产生的方向、大小时时在变的交流电，变为方向不变的直流电。

具体如下：三相内转子无刷电机将获取到的能量输入到驱动器的是交流电，但施加在电动机上的电压都是恒定不变的直流电压，输入到电动机的电流都是直流电流，作用在电枢(或定子)线圈上的电压极性和通过电枢(或定子)线圈上的电流方向都是交变的，电枢线圈内的感应电动势的波形基本上是相似的，方向都是交变的。因为采用的是三相内转子无刷电机，此电机产生的整流电路方式(电路图如附图3所示)，可以让电机轴正反转时产生的方向、大小时时在变的交流电，变为方向不变的直流电，使发电效率更好。

进一步地，所述第一电机和第二电机内都设有发条装置，所述发条装置设置在电机底部，通过齿轮与电机连接；发条装置用于正常工作状态下存储能，当波浪起伏导致电机转速不稳定时，释放储存的能量。即可以在正常工作的情况下储存能量，在微小的情况下可进行释放能量，保证了此海浪发电机在大部分情况下可以正常工作。

进一步地，所述箱体采用亚克力板全密封贴合；在全封闭贴合的情况下，可以有效的防止海水渗入腐蚀发电装置，使得发电装备使用寿命大幅度增长以及保持供电功率不会因为使用时间长而受到影响。

进一步地，所述箱体为圆弧柱型。

一种基于机械摆块的波浪能发电装置能采用模块化组合构成。

本发明的工作过程：

通过海浪具有的动能和势能使发电机产生高度差而引起摆块的摆动，而当摆块摆动时，主动轴上的齿轮会带动两个电机的齿轮让三相内转子无刷电机的电机轴旋转，从而将摆块的机械能转化为电能，电机产生电能，完成能的转化。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明摆式波浪转换装置在摆块上，装置主动轴上下都分别安装了摆块，可以捕获更多的能量；同时，无论箱体正放倒放都不易于导致箱体翻滚。

2、本发明箱内装有双发电机，能更加充分的将机械能转化为电能，提高装置的效率、使装置更加平稳。在电流上采用三相整流桥电路，使电机轴正反转时产生的方向、大小时时在变的交流电，变为方向不变的直流电，使得发电效率更好更稳定，且此产品具有频率响应范围宽、结构简单、易制造、可靠性高、建造费用相对较低等许多优点。

3、本发明是模块化的小型便携发电机，波浪发电机装置采用模块化组合化设计，装置在海里可以单个独立发电，也可以多个组合成一个大的发电区域进行区域化布局的发电，不但大大提高海上波浪区域发电效率，而且在装置移动和回收上也很便利；进一步满足用户们的需求；适用于海上应急、航标灯、军用浮标、潜标等军用和民用设施提供充足的电力等；因而具有较为广阔的运用前景。

4、本使发明摆式波浪发电机体型偏小，便于运输；用于孤岛居民、远海设施供电十分可观，便于安装和回收；利用于航标灯、军用浮标、潜标等小功率的军用和民用设施可以起到很好的效果，装置结构简单，材料便宜，造价成本低。

附图说明

图1为本发明所述一种基于机械摆块的波浪能发电装置结构图；

图2为本发明所述实施例中波浪能发电装置内部结构图；

图3为本发明所述实施例中第一机械摆块结构示意图；

图4为本发明所述实施例中主动轴齿轮结构示意图；

图5为本发明所述实施例中三相整流桥电路图。

附图中，1-箱体，2-波浪能捕获装置，201-第一机械摆块，20101-摆轮、20102- 游丝、20103-快慢针、20104-防震器、20105-活动外桩环、20106-摆夹板，202- 第二机械摆块，203-主动轴，204-主动轴齿轮，3-输出装置，301-电机，30101- 第一电机，30102-第二电机，302-电机轴，30201-第一电机轴，30202-第二电机轴，303-电机轴齿轮，30301-第一电机轴齿轮，30302-第二电机轴齿轮。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种基于机械摆块的波浪能发电装置，如图1所示，包括箱体1、和设置在箱体内的波浪能捕获装置2、输出装置3，内部结构图如图2所示；

波浪能捕获装置2包括第一机械摆块201、第二机械摆块202、主动轴203、主动轴齿轮204，第一机械摆块201和第二机械摆块202分别设置在主动轴203 两端，主动轴齿轮204设置在主动轴203上；所述第一机械摆块201和第二机械摆块202结构相同，其中，第一机械摆块201包括设置在主动轴203自上到下依次连接的摆轮20101、游丝20102、摆夹板20106、快慢针20103、活动外桩环20105、防震器20104，如图3所示；主动轴203上下都安装了摆块，相比于单摆块的情况下，可以捕获更多由海浪产生的能量。同时，由于箱式结构以及摆块的设计方式，无论箱体正放倒放都不易于导致箱体翻滚。主动轴齿轮与电机轴齿轮传动连接；电机通过波浪的上下的波动，让电机产生高度差而引起摆块的摆动，而当机械摆块摆动时，主动轴齿轮会带动第一电机、第二电机的电机轴齿轮让电机轴旋转，从而将机械摆块的机械能转化为电能，电机产生电能，完成能的转化。

输出装置3包括电机301、电机轴302、电机轴齿轮303，电机301设置在电机轴302上，电机轴302设置在主动轴203上；主动轴齿轮204与电机轴齿轮303传动连接，如图4所示，其中，主动轴齿轮204为大齿轮，电机轴齿轮 303为小齿轮。

蓄电方面：转子转动时会在电机的线圈上产生交流电动势，电机产生的三相电通过三相整流滤波后形成直流电，再将这个直流电通过dc自动升将压模块整成稳定的直流电，这个稳定的直流电。一部分给led发亮。另外一部分，通过充电模块给电池充电。

所述电机301包括第一电机30101、第二电机30102；在双电机的情况下，比单电机的发电效率更高，发电更稳定，更好的获取由摆块产生的机械能。提高装置的效率、使装置更加平稳。在电流上采用三相整流桥电路，如图5所示，左侧为电驱绕组T，右侧为整流二极管，包含第一二极管VT1、第二二极管VT2、第三二极管VT3、第四二极管VT4、第五二极管VT5、第六二极管VT6；使电机轴正反转时产生的方向、大小时时在变的交流电，变为方向不变的直流电，使得发电效率更好更稳定，且此产品具有频率响应范围宽、结构简单、易制造、可靠性高、建造费用相对较低等许多优点。

所述第一电机30101为三相内转子无刷电机，所述第二电机30102为三相内转子无刷电机；三相内转子无刷电机将获取到的能量输入到驱动器的是交流电，但施加在电动机上的电压都是恒定不变的直流电压，输入到电动机的电流都是直流电流，作用在电枢(或定子)线圈上的电压极性和通过电枢(或定子) 线圈上的电流方向都是交变的，电枢线圈内的感应电动势的波形基本上是相似的，方向都是交变的。因为采用的是三相内转子无刷电机，此电机产生的整流电路方式，可以让电机轴正反转时产生的方向、大小时时在变的交流电，变为方向不变的直流电，使发电效率更好。

所述第一电机30101和第二电机30102内都设有发条装置，用于正常工作状态下存储能。可以在正常工作的情况下储存能量，在微小的情况下可进行释放能量，保证了此海浪发电机在大部分情况下可以正常工作。

所述箱体1采用亚克力板全密封贴合；在全封闭贴合的情况下，可以有效的防止海水渗入腐蚀发电装置，使得发电装备使用寿命大幅度增长以及保持供电功率不会因为使用时间长而受到影响。所述箱体为圆弧柱型。

该发电装置运行时，主动轴受到摆块的扭矩Tt和波浪能转换装置的总阻尼 Td，所受合力矩为：

ΣT＝Tt-Td

Tt和ΣT关于摆动角度α(t)和倾角θ(t)的函数表示为：

Tt＝mglsinθ(t)cosα(t)-μmglcosθ(t)

ΣT＝J(t)

J＝ml2

波浪能转换装置的总阻尼Td与发电机输出扭矩Tm和二级能量转换效率η2)有关，可表示为：

Td＝iTm/η2

式中：m为摆块的质量kg；g为重力加速度m/s²；μ为摆块与箱体的摩擦系数；l为摆块的长度m；J为摆块的转动惯量kg·m2；i为齿轮传动比i＝24.4。箱体晃动的倾角θ应为时间t的正弦函数，为简化模型，依据实际观测，取平均倾角θ＝15。把式代入式得关于摆动角度α(t)的微分方程：

(t)＝gsinθ/l*cosα(t)-μgcosθ/l-iTm/η2ml2

代入初值α(0)＝0，α(0)＝0解得：

α(t)＝ω(t)＝2gsinθlsinα(t)2μgcosθl+2iTmη2ml2 2 2α(t)

一个波动周期内，摆锤往返一次，对外做功：

E＝2Td·α＝2iTm/η2·α＝287.5J

整机理论效率的计算：

整机理论效率的计算，波浪能装置整机理论效率应为三级能量转换效率的乘积，设整机理论效率为η，则有：

η＝η1+η2

式中：η1为一级能量捕获效率；η2为二级能量转换效率；

1一级能量捕获效率

波浪波动功率的计算波浪波动周期T＝3s，波高H＝0.5m。根据流体力学相关知识，结合线性波动中二维深水进行波的波动理论，得出单位波长水柱内的平均波动总能量为：

E0＝1/2ρgH2

式中：ρ为海水的密度kg/m3。在波浪运动中，单位波长液体平均总能量的一半随同波形的传播而转移，故实际有效能量为：

E＝1/4ρgH2

箱体半径R内总波动能量为：

Ei＝RE

箱体范围内波浪平均功率为：

Pi＝Ei T＝ρgRH2/4T

考虑发电装置的整体结构尺寸和波浪波动特性，把ρ＝1 025kg/m3，H＝0.5 m，R＝0.5m，g＝9.8m/s2代入式，可得Pi＝104.65W。2.1.2摆块功率的计算摆块滑动平均功率为

P＝E T＝95.8W

一级能量捕获效率的计算根据能量转换理论，一级能量捕获效率为：

η1＝P Pi＝91.6％

2二级能量转换效率，实测得输出装置中发电机效率为60.4％，即η 2＝64.4％。把η1，η2的值代入式，得到摆式波浪能发电装置的整机理论效率：

η＝48.6％。

本发明所述的一种基于机械摆块的波浪能发电装置是模块化的小型便携发电机，波浪发电机装置采用模块化组合化设计，形成一种基于机械摆块的波浪能发电系统，装置在海里可以单个独立发电，也可以多个组合成一个大的发电区域进行区域化布局的发电，不但大大提高海上波浪区域发电效率，而且在装置移动和回收上也是很便利的。进一步满足用户们的需求。适用于海上应急、航标灯、军用浮标、潜标等军用和民用设施提供充足的电力等。因而具有较为广阔的运用前景。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于机械摆块的波浪能发电装置，其特征在于，包括箱体、和设置在箱体内的波浪能捕获装置、输出装置；波浪能捕获装置包括第一机械摆块、第二机械摆块、主动轴、主动轴齿轮，主动轴连接箱体内部两端；第一机械摆块和第二机械摆块分别设置在主动轴两端，主动轴齿轮设置在主动轴上；输出装置包括电机、电机轴、电机轴齿轮，电机设置在电机轴上，电机轴设置在主动轴上，所述电机包括第一电机、第二电机；主动轴齿轮与电机轴齿轮传动连接；电机通过波浪的上下的波动，让电机产生高度差而引起摆块的摆动，而当机械摆块摆动时，主动轴齿轮会带动第一电机、第二电机的电机轴齿轮让电机轴旋转，从而将机械摆块的机械能转化为电能，电机产生电能，完成能的转化。

2.根据权利要求1所述的一种基于机械摆块的波浪能发电装置，其特征在于，所述第一机械摆块和第二机械摆块结构相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于机械摆块的波浪能发电装置，其特征在于，所述第一机械摆块包括依次设置在主动轴上通过齿轮连接的摆轮、游丝、快慢针、防震器、活动外桩环、摆夹板。

4.根据权利要求1所述的一种基于机械摆块的波浪能发电装置，其特征在于，所述第一电机为三相内转子无刷电机，所述第二电机为三相内转子无刷电机。

5.根据权利要求4所述的一种基于机械摆块的波浪能发电装置，其特征在于，所述三相内转子无刷电机施加的电压为恒定的直流电压，输入的电流为直流电流，三相内转子无刷电机将获取到的能量输入到驱动器的是交流电；所述三相内转子无刷电机采用整流电路方式让电机轴正反转时产生的方向、大小时时在变的交流电，变为方向不变的直流电。

6.根据权利要求5所述的一种基于机械摆块的波浪能发电装置，其特征在于，所述第一电机和第二电机内都设有发条装置，所述发条装置设置在电机底部，通过齿轮与电机连接；发条装置用于正常工作状态下存储能，当波浪起伏导致电机转速不稳定时，释放储存的能量。

7.根据权利要求1所述的一种基于机械摆块的波浪能发电装置，其特征在于，所述箱体采用亚克力板全密封贴合。

8.根据权利要求7所述的一种基于机械摆块的波浪能发电装置，其特征在于，所述箱体为圆弧柱型。

Images