CN113217260B - 一种波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于发电装置技术领域，特指一种波浪能发电装置。包括壳体，其包括发电外壳和发电内壳，发电外壳和发电内壳之间形成腔室一，发电内壳的内部形成腔室二；转动球，转动设置在发电内壳的腔室二内；发电部件，设置在腔室一内，外端与发电外壳相连，内端靠近发电内壳；摇杆，其一端穿过发电外壳及发电内壳与转动球相连，另一端设有浮子，发电外壳及发电内壳上设有供摇杆摆动的摆动区域；转动球表面上嵌设有若干内磁铁，发电部件靠近发电内壳的一端设有外磁铁，发电部件上设有压电片，内磁铁和外磁铁的相互作用使得压电片变形并产生电能。本发明的目的是提供一种能够吸收多方向的波浪充分利用波浪来转化成电能的波浪能发电装置。

Description

一种波浪能发电装置

技术领域

本发明属于发电装置技术领域，特指一种波浪能发电装置。

背景技术

为了实现用于海上环境监测的无线传感器的自供电，国内外许多专家学者提出了多种波浪能收集技术，同时对这些技术进行应用，设计出各种各样的波浪能收集装置，例如振荡水柱式，振荡浮子式、推摆式、鸭式等。这些装置大多为波浪能发电装置，采用电磁感应或者压电效应的原理进行发电，此外这些发电装置多使用共振式的机械结构。以推摆式-电磁感应发电装置为例，波浪推动装置的摆体来回摆动，若磁铁与摆体进行一定的连接，即可实现磁铁的运动，从而产生感应电动势。这类共振式的波浪能发电装置必须在外部激励频率等于自身的固有频率时，才可以输出最大的发电功率。

目前采用共振式的波浪能发电装置，要求外部激励等于自身的固有频率，达到共振状态时才可以输出较大的功率。而由于大多数波浪能发电装置多为环境振动触发，故很难使外部激励等于自身的固有频率，从而无法产生较大的输出功率。这是由于根据理论公式，发电装置的输出功率与其工作频率的三次方成正比，所以当外部激励频率很低时，发电装置的输出功率就会很低，故而发电效率不高。若要降低发电装置的固有频率，必须增大发电装置的整体尺寸，这会导致成本的提高，输出功率密度(输出功率与其工作体积之比)大大降低。

此外目前的波浪能发电装置多数只能利用单方向的波浪，即利用一个方向的波浪，并结合自身发电装置结构的特点，实现该方向波浪的收集和转换。这类发电装置无法吸收其余方向的波浪，故而波浪利用率低；同时其余方向的波浪会对该发电装置的俘能机构造成冲击，会引起俘能机构的损坏，从而进一步影响发电装置的发电效率、稳定性、维修成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够吸收多方向的波浪，并通过压电效应充分利用波浪来转化成电能的波浪能发电装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种波浪能发电装置，包括

壳体，其包括发电外壳和发电内壳，发电外壳包覆发电内壳，发电外壳和发电内壳之间形成腔室一，发电内壳的内部形成腔室二；

转动球，其转动设置在所述发电内壳的腔室二内；

发电部件，其设置在所述腔室一内，发电部件外端与所述发电外壳相连，发电部件内端靠近所述发电内壳；

摇杆，其一端穿过所述发电外壳及发电内壳与所述转动球相连，另一端设有浮子，所述发电外壳及发电内壳上设有供所述摇杆摆动的摆动区域；

所述转动球表面上嵌设有若干内磁铁，所述发电部件靠近所述发电内壳的一端设有外磁铁，发电部件上设有压电片，内磁铁和外磁铁的相互作用使得压电片变形并产生电能。

进一步设置为，所述发电内壳朝向左下角方向开设有第一转动孔，所述发电外壳朝向左下角方向开设有第二转动孔，第一转动孔与第二转动孔同轴设置且两者之间形成所述摆动区域，摆动区域设有防水壳，防水壳一端连接于所述第一转动孔，另一端连接于所述第二转动孔。

进一步设置为，所述摇杆的轴线与所述转动球的中心水平面之间的夹角为45°，所述摆动区域的角度范围为35°～55°。

进一步设置为，所述转动球上开设有T型卡槽，所述摇杆一端设有T型连接端，T型连接端卡设在T型卡槽内以实现摇杆与转动球的连接。

进一步设置为，所述转动球表面上开设有若干安装槽，安装槽内固定有所述内磁铁；所述发电外壳内壁设有若干卡槽，所述发电部件的一端卡设在卡槽内以实现发电部件与发电外壳相连。

进一步设置为，所述转动球以其中心水平面为基准，在纬度为0°的纬线圈上分布有10个所述安装槽；在纬度为30°的纬线圈上均匀分布有12个所述安装槽；在纬度为60°的纬线圈上均匀分布有6个所述安装槽；

所述发电外壳以其中心水平面为基准，在纬度为0°的纬线圈上分布有10个所述发电部件；在纬度为30°的纬线圈上均匀分布有8个所述发电部件；在纬度为60°的纬线圈上均匀分布有4或6个所述发电部件。

进一步设置为，每个所述发电部件均包括悬臂梁、所述压电片以及所述外磁铁，所述悬臂梁一端与所述发电外壳相连，另一端设有所述外磁铁，所述压电片固定在悬臂梁的中部。

进一步设置为，所述压电片与外磁铁均设有两片，分别固定在所述悬臂梁的上下表面。

进一步设置为，所述发电内壳与发电外壳之间通过连接柱相连，连接柱包括成型于发电内壳外壁的内连接柱和成型于发电外壳内壁的外连接柱，内连接柱和外连接柱上分别设有相互配合的卡槽和卡条；所述发电外壳的底部通过立柱固定在底座上。

进一步设置为，所述发电外壳为球体，包括相互连接的左外壳和右外壳；

所述发电内壳为球体，包括相互连接的左内壳和右内壳；

所述转动球为球体，包括相互连接的左半球和右半球；

所述左外壳和右外壳之间、左内壳和右内壳之间以及左半球和右半球之间均通过螺栓相连，且所述左外壳和右外壳之间连接处设有防水结构。

本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：

1、本发明在发电内壳内部设置了球体，球体具有多方向转动的结构特点，可以受外力推动进行任意角度的自由转动，球体通过摇杆连接浮子，浮子在波浪带动下进行摆动从而带动球体进行任意方向的转动，故本装置可吸收多方向的波浪，进而解决了多方向波浪如何收集的问题，提升波浪利用率；本发明能够发生压电效应，即发电部件上设置压电片，压电片会在内磁铁和外磁铁的相互作用下发生形变，引起内部的正负电荷分离，产生极化电压，通过自由电荷定向移动产生电能，压电片自身机电耦合系数高，灵敏度好。本发明高效地实现波浪能到电能的转化，为海上物联网的建立提供了巨大帮助。

2、本发明采用在球体上安装内磁铁，在发电外壳与发电内壳之间设置外磁铁来形成升频机构，由于转动球上内磁铁的移动，且发电内壳不阻断磁力的传导，故产生磁力的作用，引起发电部件上的外磁铁进行运动，同时促使悬臂梁发生弯曲。当内磁铁继续运动逐渐远离悬臂梁时，作用力减弱，悬臂梁被释放，被释放之后的悬臂梁会以其固有频率自由振动。摇杆摆动的频率是等于波浪运动的频率的，这个频率通常很低,但是在摇杆转动的过程中，悬臂梁每一次被外圈上的磁铁拨动以后，都会以其固有频率自由振动，这个固有频率远远高于波浪的频率，这就实现了频率的提升，最终能实现发电装置输出功率和能量转换效率的提升。

3、本发明将发电外壳、发电内壳以及内磁铁的载体(转动球)均设置成球体，使得发电部件能够尽可能多得分布在发电外壳内部，从而提升能量转换效率；而且转动球可以随意转动，故转动球上的内磁铁不仅仅作用于单个发电部件上的外磁铁，而是可以和多个发电部件上的外磁铁产生相互作用，故提高了相互作用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的内部结构示意图。

图3是本发明发电部件的结构示意图。

图4是本发明发电部件的结构爆炸图。

图5是本发明的截面图之一。

图6是本发明的截面图之二。

图7是本发明的截面图之三。

图8是本发明摇杆摆动范围计算原理图。

图9是本发明转动球的立体图。

图10是本发明转动球的俯视图。

图11是本发明右外壳的结构示意图。

图12是本发明磁铁相互作用原理图。

附图标记：1-发电外壳；11-第二转动孔；12-外连接柱；13-左外壳；14-右外壳；15-卡槽；2-发电内壳；21-第一转动孔；22-内连接柱；23-左内壳；24-右内壳；3-转动球；31-左半球；32-右半球；4-发电部件；41-悬臂梁；42-压电片；5-摇杆；51-T型连接端；6-浮子；71-内磁铁；72-外磁铁；8-防水壳；9-底座；91-立柱。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述，参见图1-图12，

如图1和图2所示，一种波浪能发电装置，包括壳体、转动球3、发电部件4、摇杆5以及浮子6，壳体包括发电外壳1和发电内壳2，发电内壳2相对固定设置在所述发电外壳1内部，发电外壳1与发电内壳2之间形成安装所述发电部件4的腔室一10，发电内壳2很薄，其内部形成腔室二20，且腔室二20内转动设有所述转动球3，转动球3与发电内壳2内壁间隙配合，使得转动球3能够在发电内壳2内进行转动；发电部件4外端与所述发电外壳1相连，发电部件4内端靠近所述发电内壳2；所述摇杆5的一端穿过所述发电外壳1及发电内壳2与所述转动球3相连，摇杆5另一端设有所述浮子6，所述发电外壳1及发电内壳2上设有供所述摇杆5摆动的摆动区域；所述转动球3表面上嵌设有若干内磁铁71，所述发电部件4靠近所述发电内壳2的一端设有外磁铁72，其中部设有压电片42。通过浮子6在波浪的各方向摆动下带动摇杆5和转动球3进行多方向的转动，从而驱使内磁铁71进行转动，由于发电内壳壁厚较薄，内磁铁71转动过程中会和外磁铁72发生相互作用，促使发电部件产生振动，根据压电片42的压电效应，压电片42在内磁铁和外磁铁的作用下发生形变产生电能，从而将波浪动能转化为电能。多个压电片进行串联或并联，再进行整流等步骤，可以获得所需的工作电压，该方法属于现有技术，故不再详述。

所述发电内壳2朝向左下角方向开设有第一转动孔21，所述发电外壳1朝向左下角方向开设有第二转动孔11，第一转动孔21与第二转动孔11同轴设置且两者之间形成所述摆动区域，摆动区域设有防水壳8，防水壳8一端连接于所述第一转动孔21，另一端连接于所述第二转动孔11。摇杆5一端穿过第二转动孔11和第一转动孔21伸入到转动球内部与转动球相连，使得摇杆5能够带动转动球进行转动。由于发电部件布置在发电内壳2和发电外壳1之间，为了避免其受到水分干扰，特在发电内壳2和发电外壳1的开口处设置防水壳8，防水壳8两端与第一转动孔21及第二转动孔11连接处还设有防水密封条，进一步增强防水。

如图6所示，所述转动球3上开设有T型卡槽，所述摇杆5一端设有T型连接端51，T型连接端51卡设在T型卡槽内以实现摇杆5与转动球3的连接。如图9所示，所述转动球3为球体，包括相互连接的左半球31和右半球32；将转动球3设计成球体，球体具有多个转动自由度，当浮子受到多个方向波浪的推动时，转动球可以很好的吸收波浪能，相比原先只能吸收单个方向波浪能的圆筒设计具有更好的波浪能吸收效果。在左半球31和右半球32的边界上，以上下左右四个方位均匀分布有四个半槽34，半槽34内设有连接块35，左半球31和右半球32的四个半槽及连接块一一对应，通过螺栓依次穿过两个连接块25将两个半球固定在一起形成转动球。

如图9和图10所示，所述转动球3表面上开设有若干安装槽33，每个安装槽33内通过胶水或其他固定方式均固定有所述内磁铁71；所述转动球3以其中心水平面为基准，在纬度为0°的纬线圈上分布有10个所述安装槽(由于左右两侧设置了所述半槽34占了位置，故只设置了10个安装槽33，每个半球上的安装槽33之间的角度为30°)；在纬度为30°的纬线圈上均匀分布有12个所述安装槽，每个安装槽33之间的角度为30°；在纬度为60°的纬线圈上均匀分布有6个所述安装槽，每个安装槽33之间的角度为60°。

所述发电外壳1为球体，包括相互连接的左外壳13和右外壳14，左外壳13和右外壳14内壁均设有若干卡槽15，左右壳13和右内壳14内的卡槽15数量相同，设置的位置也呈相互对称，所述发电部件4的一端卡设在卡槽15内以实现发电部件4与发电外壳1相连。如图11所示，所述发电内壳1以其中心水平面为基准，在纬度为0°的纬线圈上分布有10个所述发电部件4(图中为右外壳14，设置5个发电部件4)，在纬度为30°的纬线圈上均匀分布有8个所述发电部件4(图中为右外壳14，设置4个发电部件4)；在纬度为60°的纬线圈上均匀分布有4或6个所述发电部件4(当该纬度60°在上侧时，布置有6个发电部件4，图中右外壳14内布置3个；当该纬度60°在下侧时，由于开设了第二转动孔11，故布置4个发电部件4，图中右外壳14内布置2个)。此种布置方式能够与上述球体3上的内磁铁对应，并且此种布置方式依据实际磁铁的尺寸以及壳体、球体的尺寸计算出的一种优选方案，此种方案能够在不干涉的前提下最大限度地排布磁铁数量。

如图3和图4所示，每个所述发电部件4均包括悬臂梁41、压电片42以及所述外磁铁72，所述悬臂梁41一端与所述发电外壳1相连，即悬臂梁的右端插设在所述卡槽15内，可用胶水进行加固，悬臂梁41另一端设有所述外磁铁72，所述压电片42固定在悬臂梁41的中部。所述压电片42与外磁铁72均设有两片，分别固定在所述悬臂梁41的上下表面。当外磁铁72受到内磁铁71的影响后，悬臂梁41会产生形变，从而使粘贴在其表面上的压电片42也跟着发生形变，根据正压电效应，受压(或受拉)的压电片会将动能转化为电能。

具体频率提升原理如图12所示：转动球3上的内磁铁71会任意转动，以转动球3上的内磁铁71进行上下移动为例，由于转动球3上的内磁铁71上下移动，且发电内壳2不阻断磁力的传导，故内磁铁71产生磁力的作用(内磁铁71和外磁铁72相斥布置)，引起发电部件上的外磁铁72运动，同时悬臂梁41发生弯曲。当内磁铁71继续运动逐渐远离悬臂梁41时，作用力减弱，悬臂梁41被释放。被释放之后的悬臂梁41会以其固有频率自由振动。

摇杆5摆动的频率是等于波浪运动的频率的，这个频率通常很低(<5Hz),但是在摇杆5在转动的过程中，悬臂梁41每一次被外磁铁72拨动以后，都会以其固有频率自由振动，这个固有频率远远高于波浪的频率，能达到上百赫兹。这就实现了频率的提升，最终能实现发电装置输出功率和能量转换效率的提升。

所述发电内壳2与发电外壳1之间通过连接柱相连，连接柱包括成型于发电内壳2外壁的内连接柱22和成型于发电外壳1内壁的外连接柱12，内连接柱22和外连接柱12上分别设有相互配合的卡槽和卡条；所述发电外壳1的底部通过立柱91固定在底座9上。

所述发电内壳2为球体，包括相互连接的左内壳23和右内壳24，所述左外壳13和右外壳14之间、左内壳23和右内壳24之间以及左半球31和右半球32之间均通过螺栓相连，且所述左外壳13和右外壳14之间连接处设有防水结构，防水结构可以为密封圈等结构。

由于转动球3可转动设置在发电内壳2内，两者为间隙配合的转动，转动球3在转动过程中会与发电内壳2内壁产生摩擦，所以在转动球外部与内球壳内壁之间均匀涂布有润滑脂，降低摩擦，从而减少磨损，延长使用寿命。

所述摇杆5摆动区域范围的设定如下：

如图7所示，所述摇杆5的轴线L1与所述发电内壳2的中心水平面L0之间的夹角为45°，所述摇杆5摆动区域范围为L2到L3之间，该范围角度为25°×2＝50°。该角度的设定由以下实验得出：

选用三组发电装置，标号为一号浮子、二号浮子及三号浮子，发电外壳为球体，选取直径500mm，壁厚10mm，根据浮子所受波浪的高度和方向计算发电外壳的开口角度，如表格1为海南省琼海市潭门镇石碗村东部域进行试验所得的有义波高H、谱峰周期T、平均浪向D。

表1试验所得的浮子波浪参数

根据上述表格数据，计算得到平均有义波高H为200mm～280mm，谱峰周期T约为6s，平均浪向D约为184°～190°。

定义球心与浮子中心的距离为OA＝600mm，波高为H，OA与重力杆(立柱)初始角度为45°，有义波高的下一半为BB'＝100～140mm，浮子中心处于波浪最低点为A',OA与OA'之间的夹角为α，有义波高的上一半为BB”＝100～140mm，浮子中心处于波浪最低点为A”，OA与OA”之间的夹角为β。

当波高为H选择最大值280mm时，

OB＝OA×sin45°＝600×√2/2≈424.3mm

OB’＝OB+BB'≈424.3+140＝564.3mm

cos∠B’OA≈564.3÷600≈0.94,∠B’OA＝arc cos(0.94)≈20°

α＝45°-20°＝25°

同理：

OB”＝424.3–140＝284.3mm

β＝arc cos(284.3÷600)-45°＝17°

故：H选择最大值280mm时,波浪上下摆动角度＝α+β＝42°；

当波高为H选择最小值200mm时，

OB＝OA×sin45°＝600×√2/2≈424.3mm

OB’＝OB+BB'≈424.3+100＝524.3mm

cos∠B’OA≈524.3÷600≈0.87,∠B’OA＝arc cos(0.94)≈29°

α＝45°-29°＝16°

同理：

OB”＝424.3–100＝324.3mm

β＝arc cos(324.3÷600)-45°＝12°

故：H选择最大值280mm时,波浪上下摆动角度＝α+β＝28°。

综上，波浪上下摆动角度范围为28°～42°，左右摆动角度＝190°-184°＝6°，为了保证浮子在波浪的任意摆动范围内都可以自由转动，摆动区域的角度范围定为35°～55°较为合适，本实施例将第一转动孔及第二转动孔的开口角度优选设计为50°，即如图7所示，以45°方位为对称轴，两边(第一转动孔及第二转动孔的边界角度)各25°。

本发明采用球包裹式结构设计使得能够吸收多方向的波浪，提升波浪利用率；本发明通过在转动球和发电部件上分别使用内磁铁和外磁铁，内外磁铁相互作用来实现低频的波浪能转换为高频的工作频率，从而使工作频率与本发明装置自身的固有频率相等，达到共振状态，输出较大的发电功率。最后，本发明采用了压电片，利用其发生形变引起内部的正负电荷分离的特点，产生极化电压，通过自由电荷定向移动产生电能。本发明能高效地实现波浪能-电能的转化，可以取代用于海洋环境监测的无线传感器的电池，避免了电池更换和再次充电的麻烦，为海上物联网的建立提供了巨大帮助。

以上显示和描述了本发明的基本原理和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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种波浪能发电装置，其特征在于：包括

壳体，其包括发电外壳(1)和发电内壳(2)，发电外壳(1)包覆发电内壳(2)，发电外壳(1)和发电内壳(2)之间形成腔室一(10)，发电内壳(2)的内部形成腔室二(20)；

转动球(3)，其转动设置在所述发电内壳(2)的腔室二(20)内，所述发电内壳(2)和转动球(3)均为球体；

发电部件(4)，其设置在所述腔室一(10)内，发电部件(4)外端与所述发电外壳(1)相连，发电部件(4)内端靠近所述发电内壳(2)；

摇杆(5)，其一端穿过所述发电外壳(1)及发电内壳(2)与所述转动球(3)相连，另一端设有浮子(6)，所述发电外壳(1)及发电内壳(2)上设有供所述摇杆(5)摆动的摆动区域；所述浮子(6)在波浪的各方向摆动下，带动摇杆(5)和转动球(3)进行多方向的转动；

所述转动球(3)表面上嵌设有若干内磁铁(71)，所述发电部件(4)靠近所述发电内壳(2)的一端设有外磁铁(72)，发电部件(4)上设有压电片(42)，内磁铁(71)和外磁铁(72)的相互作用使得压电片(42)变形并产生电能；

所述内磁铁和靠近其布置的外磁铁相互排斥。

2.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述发电内壳(2)朝向左下角方向开设有第一转动孔(21)，所述发电外壳(1)朝向左下角方向开设有第二转动孔(11)，第一转动孔(21)与第二转动孔(11)同轴设置且两者之间形成所述摆动区域，摆动区域设有防水壳(8)，防水壳(8)一端连接于所述第一转动孔(21)，另一端连接于所述第二转动孔(11)。

3.根据权利要求2所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述摇杆(5)的轴线与所述转动球(3)的中心水平面之间的夹角为45°，所述摆动区域的角度范围为35°～55°。

4.根据权利要求2所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述转动球(3)上开设有T型卡槽，所述摇杆(5)一端设有T型连接端(51)，T型连接端(51)卡设在T型卡槽内以实现摇杆(5)与转动球(3)的连接。

5.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述转动球(3)表面上开设有若干安装槽(33)，安装槽(33)内固定有所述内磁铁(71)；所述发电外壳(1)内壁设有若干卡槽(15)，所述发电部件(4)的一端卡设在卡槽(15)内以实现发电部件(4)与发电外壳(1)相连。

6.根据权利要求5所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述转动球(3)以其中心水平面为基准，在纬度为0°的纬线圈上分布有10个所述安装槽(33)；在纬度为30°的纬线圈上均匀分布有12个所述安装槽(33)；在纬度为60°的纬线圈上均匀分布有6个所述安装槽(33)；

所述发电外壳(1)以其中心水平面为基准，在纬度为0°的纬线圈上分布有10个所述发电部件(4)；在纬度为30°的纬线圈上均匀分布有8个所述发电部件(4)；在纬度为60°的纬线圈上均匀分布有4或6个所述发电部件(4)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的波浪能发电装置，其特征在于：每个所述发电部件(4)均包括悬臂梁(41)、所述压电片(42)以及所述外磁铁(72)，所述悬臂梁(41)一端与所述发电外壳(1)相连，另一端设有所述外磁铁(72)，所述压电片(42)固定在悬臂梁(41)的中部；所述压电片(42)与外磁铁(72)均设有两片，分别固定在所述悬臂梁(41)的上下表面。

8.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述发电内壳(2)与发电外壳(1)之间通过连接柱相连，连接柱包括成型于发电内壳(2)外壁的内连接柱(22)和成型于发电外壳(1)内壁的外连接柱(12)，内连接柱(22)和外连接柱(12)上分别设有相互配合的卡槽和卡条；所述发电外壳(1)的底部通过立柱(91)固定在底座(9)上。

9.根据权利要求1或8所述的波浪能发电装置，其特征在于：所述发电外壳(1)为球体，包括相互连接的左外壳(13)和右外壳(14)；

所述发电内壳(2)包括相互连接的左内壳(23)和右内壳(24)；

所述转动球(3)包括相互连接的左半球(31)和右半球(32)；

所述左外壳(13)和右外壳(14)之间、左内壳(23)和右内壳(24)之间以及左半球(31)和右半球(32)之间均通过螺栓相连，且所述左外壳(13)和右外壳(14)之间连接处设有防水结构。

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