CN112814829A - 一种点吸收式波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋能开发与可再生能源利用技术领域，公开了一种点吸收式波浪能发电装置，其包括漂浮于海面上的浮体、固定于海床上的锚座以及连接二者的缆绳，浮体内设有摩擦纳米发电单元，锚座内设有线性发电单元。本发明提供的点吸收式波浪能发电装置能够同时收集浮体垂荡方向与横、纵摇方向的波浪能量，能够将低频的波浪能大量的持续的转化为电能并就地为海洋监测设备进行供电，其结构简单、成本低、长续航、波浪能转换效率高、可靠性强并且以浮体为载体可搭载多种传感器与仪器设备，能够实现水质、水文、气象一体化实时观测。
Description
技术领域
本发明涉及海洋能开发与可再生能源利用技术领域，特别是涉及一种点吸收式波浪能发电装置。
背景技术
大量水下航行器、航标灯、浮标、潜标等海洋监测设备为海洋运输、开发、管控与科学研究提供实时、准确的信息，是推进海洋强国战略及建设智慧海洋的重要基础。目前，海洋监测设备主要依靠电池供电，由于海洋环境复杂、电池容量有限，导致数量多、分布广的海洋监测设备面临巨大的供电挑战。
为了解决海洋监测设备的供电问题，利用海洋波浪能发电供给海洋监测设备已成为发电装置的发展方向。在现有技术中，存在一种基于电磁感应发电原理制成的发电装置，其将波浪的低频运动转换为机械结构的高速旋转运动，机械能量的损耗大，发电效率较低，在大风浪环境条件下还会存在发电装置损坏的情况，不利于长期的使用。因此，亟需研究一种多能互补、结构简单、成本低、长续航、波浪能转换效率高、可靠性强的新型点吸收式波浪能发电装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种点吸收式波浪能发电装置，其具有结构简单、成本低、长续航、波浪能转换效率高、可靠性强等优点。
基于此，本发明提供了一种点吸收式波浪能发电装置，其包括浮体、锚座以及连接二者的缆绳，所述浮体漂浮在水面上，所述浮体包括第一壳体以及设于所述第一壳体内的摩擦纳米发电单元，所述摩擦纳米发电单元包括第一支架以及设于所述第一支架上的电容器和摩擦纳米机组，所述锚座固定于海床上，所述锚座包括第二壳体以及设于所述第二壳体内线性发电单元，所述线性发电单元包括第二支架、金属线圈、活塞杆和磁铁，所述第二壳体的顶部设有通孔，所述活塞杆穿设于所述通孔中并可沿竖直方向往复运动，所述磁铁套设于所述活塞杆上并与所述活塞杆固定连接，所述第二支架围绕所述活塞杆设置并与所述第二壳体固定连接，所述金属线圈设于所述第二支架上并通过线缆与所述电容器相连接，所述缆绳分别与所述第一壳体和所述活塞杆相连接。
本申请的一些实施例中，所述摩擦纳米机组包括若干个嵌设于所述第一支架上的摩擦纳米发电机，各所述摩擦纳米发电机均与所述电容器并联连接，所述摩擦纳米发电机包括嵌设于所述第一支架上的发电组件，所述发电组件包括圆盘和惯性球，所述圆盘设有多层且各层所述圆盘相互平行，相邻两层所述圆盘之间形成间隙，所述惯性球装配于所述间隙内，所述圆盘和所述惯性球形成发电组件，所述发电组件所述圆盘的边缘设有用于封堵所述间隙的辅助杆，所述圆盘的两侧镀设有金属电极，各所述金属电极通过金属导线与所述电容器相连接。
本申请的一些实施例中，所述金属电极内存在空隙，将所述空隙的大小记为A，A满足以下条件：
A＝nd/1000w，其中n为所述惯性球的数量，d为所述惯性球的直径，w为所述金属电极的宽度。
本申请的一些实施例中，所述惯性球采用绝缘材料或驻极体材料制成。
本申请的一些实施例中，所述浮体的下方还设有与所述浮体固定连接的配重仓，所述缆绳远离所述锚座的一端与所述配重仓固定连接，所述配重仓内设有若干个配重块。
本申请的一些实施例中，所述第一壳体优选为圆柱体或球体，所述配重仓优选为圆锥体，所述圆锥体的顶角为90－140°。
本申请的一些实施例中，所述磁铁的上下两端设有限位弹簧，所述限位弹簧套设于所述活塞杆上。
本申请的一些实施例中，所述第一壳体内还设有与所述电容器和所述摩擦纳米发电机单元电连接的电源管理单元，所述电源管理单元位于所述第一支架的顶部。
本申请的一些实施例中，所述第一壳体的顶部设有风力发电单元和太阳能发电单元。
本发明实施例提供的一种点吸收式波浪能发电装置，与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明提供了一种点吸收式波浪能发电装置，其包括浮体、锚座和缆绳，浮体内设有摩擦纳米发电单元，锚座内设有线性发电单元，使用时将锚座固定在海床上，与锚座相连接的浮体漂浮在海面上，波浪作用于浮体上时，浮体受迫振动并通过缆绳带动活塞杆做垂荡运动，与活塞杆固定连接的磁铁作为动子在垂荡运动中切割磁感线进而在金属线圈中产生电流，金属线圈中的电流通过线缆流向电容器存贮，与此同时，浮体本身受到波浪拖曳力、惯性力、缆绳系泊力等的作用发生纵摇，浮体内的摩擦纳米机组基于摩擦纳米原理产生电流并将电流传输至电容器存贮，实现浮体与锚座的多结构同时发电。如此，该点吸收式波浪能发电装置能够同时收集浮体垂荡方向与纵摇方向的波浪能量，能够将低频的波浪能大量的持续的转化为电能并就地为海洋监测设备进行供电，其结构简单、成本低、长续航、波浪能转换效率高、可靠性强。
附图说明
图1为本发明实施例的点吸收式波浪能发电装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的浮体内部结构详图；
图3为本发明实施例的摩擦纳米发电机结构示意图；
图4为本发明实施例的锚座内部结构详图；
图5为本发明实施例的其他多能互补发电单元结构示意图；
图6为本发明实施例的波浪能发电装置与海洋传感节点的集成结构示意图。
图中，1、浮体；11、第一壳体；12、第一支架；121、顶盖；122、底座；13、电容器；14、电源管理单元；15、摩擦纳米发电机；151、圆盘；152、金属电极；153、惯性球；154、金属导线；16、配重仓；161、配重块；17、辅助杆；2、缆绳；3、锚座、31、第二壳体；32、防水盖；33、活塞杆；34、磁铁；35、保护壳；36、限位弹簧；37、第二支架；38、金属线圈；4、风力发电单元；5、太阳能发电单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
应当理解的是，本发明中采用术语“前”、“后”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区别开。例如，在不脱离本发明范围的情况下“前”信息也可以被称为“后”信息，“后”信息也可以被称为“前”信息。
如图1至图6所示，本发明提供了一种点吸收式波浪能发电装置，其包括漂浮在海面上的浮体1、固定在海床上的锚座3以及连接二者的缆绳2，浮体1包括圆球状的第一壳体11以及设于第一壳体11内的摩擦纳米发电单元，具体而言，摩擦纳米发电单元包括第一支架12、电容器13和摩擦纳米机组，电容器13设于第一支架12顶部的顶盖121上，摩擦纳米机组包括若干个嵌设于第一支架12上的摩擦纳米发电机15，各摩擦纳米发电机15均与电容器13并联连接，摩擦纳米发电机15包括设于第一支架12上发电组件，发电组件包括相互平行设置的多层圆盘151，相邻两层圆盘151之间形成间隙，间隙内设有可滚动的惯性球153，惯性球153设置于间隙中后随圆盘151一起装配在辅助杆17上，圆盘151的两侧贴设有金属电极152，各金属电极152通过金属导线154与电容器13相连接；锚座3包括第二壳体31以及设于第二壳体31内的线性发电单元，具体而言，线性发电单元包括第二壳体31、防水盖32、活塞杆33、磁铁34、第二支架37和金属线圈38，其中防水盖设于第二壳体31的顶部，防水盖32的中部设有通孔，活塞杆33穿设于通孔中并可沿竖直方向往复运动，磁铁34套设于活塞杆33上并与活塞杆33固定连接，第二支架37围绕活塞杆33设置并与第二壳体31固定连接，金属线圈38设于第二支架37上并通过线缆与电容器13相连接；缆绳2的一端连接在第一壳体11的底部，另一端连接在活塞杆33的顶部。
基于上述结构，使用时将锚座3固定在海床上，与锚座3相连接的浮体1漂浮在海面上，波浪作用于浮体1上时，浮体1受迫发生振动，随着浮体1的振动，惯性球153发生滚动并与金属电极152发生摩擦，金属电极152表面感应摩擦产生电荷，随着波浪外力的激励作用，金属电极152由于惯性球153的运动位置而感应出不同数量的电荷并形成电势差，如此，金属电极152产生连续不断的电流并通过金属导线154输送至电容器13处；与此同时，浮体1的振动通过缆绳2带动活塞杆33做垂荡运动，与活塞杆33固定连接的磁铁34作为动子在垂荡运动中切割磁感线进而在金属线圈38中产生电流，金属线圈38中的电流通过线缆流向电容器13存贮，实现浮体1与锚座3的多结构同时发电。如此，该点吸收式波浪能发电装置能够固定在海上的某一个点上同时收集浮体1垂荡方向与纵摇方向的波浪能量，能够将低频的波浪能大量的持续的转化为电能并就地为海洋监测设备进行供电，其结构简单、成本低、长续航、波浪能转换效率高、可靠性强。
需要注意的是，为了保证摩擦纳米发电机15的正常运行，惯性球153采用绝缘体或驻极体材料制成，如硅胶、橡胶、尼龙、聚四氟乙烯、聚甲醛等；金属电极152则采用金属导电材料制成，具体而言，金属导电材料包括合金材料、复合金属或特殊功能的导电材料如铝铜合金、导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料等。
进一步的，金属电极152内存在一定的空隙(图未示)，具体而言，空隙的大小决定了摩擦纳米发电机的输出电压，当空隙增加时，两金属电极152之间的电容减小，相应的开路电压将会增大，同时最优负载值也会增加，但是当惯性球153的运动速度不变时，其运动周期也会变长，因此根据所得到的平均功率存在一个最优的空隙，通过反复的实验后发现，将空隙的大小记为A，最优选的空隙大小A满足以下条件：A＝nd/1000w，其中n为惯性球的数量，d为惯性球的直径，w为金属电极的宽度。
进一步的，本申请的一些实施例中，第一支架12的顶部还设电流管理单元14，用于对产生的电能进行调节与配置，其包括控制器和整流器，摩擦纳米发电机15单元和线性发电单元分别与整流器相连接，电流经过整流器调整后进入电容器13，控制器则负责输出反馈控制信号传递给用电单元。
可选的，为了保证浮体1的稳定，确保其能够更好的接受波浪能，在本申请的一些实施例中，浮体1的下方设有与浮体1固定连接的配重仓16，缆绳2连接浮体1的一端与配重仓16固定连接，配重仓16内设有若干个配重块161，配重块161能够有效平衡浮体1的受力，保证浮体1的稳定；进一步的，第一壳体11优选为圆柱体或球体，配重仓16优选为圆锥体，这种上球下锥的异形结构设计能够有效提高浮体1的垂荡、纵摇和横摇运动频率，在该波浪能发电装置的承受范围内进一步增大能量转换效率，具体而言，在本发明实施例中，第一壳体11优选为球体，圆锥体形的配重仓16顶角优选为90－140°。
进一步的，在本本申请的一些实施例中，磁铁34的上下两端设有限位弹簧36，限位弹簧36套设于活塞杆33上，如此，活塞杆33向上或向下运动时磁铁34首先与限位弹簧36相接触，避免磁铁34直接撞击第二壳体31，影响磁铁34和第二壳体31的使用寿命，更进一步的，为了保证磁铁34的正常使用，不受限位弹簧36的干扰，磁铁34外套设有保护壳35。
更进一步的，本发明提供的点吸收式波浪能发电装置还可以集成其他海洋可再生能源发电装置，具体而言，如图5所示，第一壳体11的顶部设置有风力发电单元4和太阳能发电单元5。面对极端天气以及恶劣海况等条件下，单一品种的能源收集方式并不能满足海洋监测设备的连续供电需求，利用风能和太阳能等多能互补的能源收集方式能够提升该波浪能发电装置的生存能力、可靠性和能量转换效率。
另外，由于海洋中的波浪是低频且无规律的，因此各发电单元产生的交流电及其不稳定，需要对产生的交流电进行处理以满足使用或存储需求。因此，如图6所示，本申请还提供了一种海洋传感器节点与波浪能发电装置集成结构，其包括以下三个模块：1、用于数据采集的海洋监测模块，其中包含多个探头和传感器；2、用于无线数据通信的无线传输模块，由RF收发器和天线组成，用于发送数据和接收来自接收节点的指令；3、能源供应的能量管理模块，包括能量收集系统(波浪能发电装置、其他发电装置)、能量管理系统和能量存储系统(可充电电池)。该集成结构下的波浪能发电装置可为海洋传感节点或监视设备供电，以实现海洋监测领域的原位供电和自驱动，并将能量收集集成到分布式海洋传感器的设计系统中，最终实现对海洋传感器网络的全面覆盖。
综上所述，本发明提供了一种点吸收式波浪能发电装置，其包括漂浮于海面上的浮体、固定于海床上的锚座以及连接二者的缆绳，浮体内设有摩擦纳米发电单元，锚座内设有线性发电单元。与现有技术相比，该点吸收式波浪能发电装置能够同时收集浮体垂荡方向与纵摇方向的波浪能量，能够将低频的波浪能大量的持续的转化为电能并就地为海洋监测设备进行供电，其结构简单、成本低、长续航、波浪能转换效率高、可靠性强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，包括浮体、锚座以及连接二者的缆绳，所述浮体漂浮在水面上，所述浮体包括第一壳体以及设于所述第一壳体内的摩擦纳米发电单元，所述摩擦纳米发电单元包括第一支架以及设于所述第一支架上的电容器和摩擦纳米机组，所述锚座固定于海床上，所述锚座包括第二壳体以及设于所述第二壳体内线性发电单元，所述线性发电单元包括第二支架、金属线圈、活塞杆和磁铁，所述第二壳体的顶部设有通孔，所述活塞杆穿设于所述通孔中并可沿竖直方向往复运动，所述磁铁套设于所述活塞杆上并与所述活塞杆固定连接，所述第二支架围绕所述活塞杆设置并与所述第二壳体固定连接，所述金属线圈设于所述第二支架上并通过线缆与所述电容器相连接，所述缆绳分别与所述第一壳体和所述活塞杆相连接。
2.根据权利要求1所述的点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述摩擦纳米机组包括若干个嵌设于所述第一支架上的摩擦纳米发电机，各所述摩擦纳米发电机均与所述电容器并联连接，所述摩擦纳米发电机包括嵌设于所述第一支架上的发电组件，所述发电组件包括圆盘和惯性球，所述圆盘设有多层且各层所述圆盘相互平行，相邻两层所述圆盘之间形成间隙，所述惯性球装配于所述间隙内，所述圆盘和所述惯性球形成发电组件，所述发电组件所述圆盘的边缘设有用于封堵所述间隙的辅助杆，所述圆盘的两侧镀设有金属电极，各所述金属电极通过金属导线与所述电容器相连接。
3.根据权利要求2所述的点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述金属电极内存在空隙，将所述空隙的大小记为A，A满足以下条件：
A＝nd/1000w，其中n为所述惯性球的数量，d为所述惯性球的直径，w为所述金属电极的宽度。
4.根据权利要求2所述的点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述惯性球采用绝缘材料或驻极体材料制成。
5.根据权利要求1所述的点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述浮体的下方还设有与所述浮体固定连接的配重仓，所述缆绳远离所述锚座的一端与所述配重仓固定连接，所述配重仓内设有若干个配重块。
6.根据权利要求5所述的点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述第一壳体优选为圆柱体或球体，所述配重仓优选为圆锥体，所述圆锥体的顶角为90－140°。
7.根据权利要求1所述的点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述磁铁的上下两端设有限位弹簧，所述限位弹簧套设于所述活塞杆上。
8.根据权利要求1所述的点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述第一壳体内还设有与所述电容器和所述摩擦纳米发电机单元电连接的电源管理单元，所述电源管理单元位于所述第一支架的顶部。
9.根据权利要求1所述的点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述第一壳体的顶部设有风力发电单元和太阳能发电单元。
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