CN114623037B - 一种多自由度惯性驱动海浪发电装置和发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度惯性驱动海浪发电装置和发电方法，可从多个空间方向对波浪能进行吸收，对波浪能进行充分利用，由垂荡、纵摇、横摇及其结合的多个自由度对波浪能进行捕获，各个自由度上往复的波浪能并通过运动转化装置、发电电机转化为电能，具有较高的效益最大效率的提取波浪能，蓄能装置能够对波浪能进行储存并逐渐释放，使发电装置的发电过程更连续。本发明总体结构简单，发电装置生产组装方便，适于小型、中型以及大型等多个尺寸的产品生产，应用范围广，并且通过两级的能量传递即可完成波浪能到电能的转化，能量损耗小，波浪能利用率高。

Description

一种多自由度惯性驱动海浪发电装置和发电方法

技术领域

本发明涉及新能源装备技术领域，特别是涉及一种多自由度惯性驱动海浪发电装置和发电方法。

背景技术

在现有的发电技术中，尤其是海上发电诸如游艇、渔船、交通艇之类的船舶长期航行于海上，需要随船携带发电装置组以满足日常用电的需要，即便在锚泊的时候也需要电源以提供照明、通讯和一些生活用电及小功率生产用电。

实际上，在江河湖海中奔涌不息的波浪中蕴含巨大的能量，目前也有一些岸滩发电站采用海浪发电，但其机构相对复杂、难以做到体积和重量小型化、设计工作条件苛刻、成本高，所以难以移植应用到小型船舶和常设漂浮装置上。

而且，目前的波浪能的发电装置功能只有获取波浪能，将波浪能转换成电能的单一功能，而波浪能具有不持续性，由波峰到下一个波峰之间之间存在一定时长的空白期，在空白期内，现有的发电装置并不能在此阶段获取能量，使发电效果无法持续，不具有将波浪能进行储存的能力，其发电效率低。

此外，就波浪能的性质来说，其来源方向通常不止是单一方向，而目前的波浪能发电装置受结构限制，仅能接收一个方向的波浪动能，因此使能源接收利用率降低。

发明内容

本申请的一些实施例中，为解决上述技术问题，提供了一种多自由度惯性驱动海浪发电装置和发电方法，解决了现有技术中的发电装置，尤其是波浪能发电装置的发电效果不稳定以及发电效率低的问题。

目前波浪能发电装置构对于不同海况的波浪转换率受结构所限，应用面比较局限，接收波浪能方向比较的单一，而本申请的多自由度惯性驱动海浪发电装置可从多个空间方向对波浪能进行吸收，对波浪能进行充分利用。

其结构简单，发电装置生产组装方便，适于小型、中型以及大型等多个尺寸的产品生产，应用范围广，并且通过两级的能量传递即可完成波浪能到电能的转化，能量损耗小，波浪能利用率高

此外，本发明通过在直线运动副组件对应位置加设蓄能装置，蓄能装置用于将直线运动副组件在运动方向上的机械能转化为势能进行储存以及将储存的势能转化为机械能进行释放，即，蓄能装置用于将波浪能进行存储，其主要针对于波浪能的不持续性，在两股波浪之间的空白期发电装置获取不到外界的能量时，依靠蓄能装置对波浪能的储存和释放，使发电过程连续，发电效果持续。

在直线运动副组件的运动过程中，蓄能装置被压缩的距离不同，进而可以储存大小的势能，产生在波浪运动幅度比较大的时候，导致蓄能装置被压缩的幅度比较大，其内部斥力增加，储存的势能大，所以可储存高等级海况的能量，反之储存低等级海况的能量，本结构用于实现同种机构对收集能量的范围更广，对不同海况的海浪利用率更高的情景。

本申请的一些实施例中，公开了一种多自由度惯性驱动海浪发电装置，对发电装置的组成结构进行了改进，其包括：辅助支架、质量块、运动转化装置、发电电机和蓄能装置；

辅助支架形成发电装置外部的框架结构，质量块可活动地连接有传动结构，并通过传动结构悬挂于辅助支架内部，质量块在传动结构的悬挂作用下可进行垂荡、纵摇、横摇或其结合的运动，运动转化装置连接于传动结构，运动转化装置用于将质量块的多自由度运动转化为发电电机发电所需的驱动运动，发电电机固定安装在辅助支架上，且发电电机的电机轴通过传动轴固定于运动转化装置，发电电机用于将所述驱动运动的机械能转化为电能，蓄能装置安装于运动转化装置上，用于将运动转化装置的机械能转化为势能进行储存以及将储存的势能转化为机械能进行释放传递给运动转化装置。

本发明所公开的发电装置具有较高的效益，能够从多个方向最大效率的提取波浪能。

发电电机的输出端通过整流电路和充电电池与电气负载连接，整流电路为半波整流电路或全波整流电路中的一种。

蓄能装置能够对波浪能进行储存并逐渐释放，使发电装置的发电过程更连续。

本申请的一些实施例中，蓄能装置包括磁力弹簧，磁力弹簧包括固定部、沿固定部的轴向方向均匀阵列排布的磁力装置、以及固定在磁力装置一端的活动部，固定部固定在辅助支架上，磁力装置包括多个同磁极相对的永磁铁，相邻的两个永磁铁之间产生磁力斥力。

磁力弹簧的寿命远远长于机械螺旋弹簧，使得设备长期处于免维护状态。

本申请的一些实施例中，发电电机上还设置有阻尼装置，阻尼装置设置于传动轴上，由运动转化装置输送的机械能经阻尼装置传输到发电电机的电机轴，以带动电机轴旋转。

传动轴上设置有单向轴承，单向轴承用于使发电电机进行单一方向的旋转发电

基于上述改进，本发明具体用于实现发电装置进行发电工作的具体结构具体包括以下两种实施方式：

实施例1

传动结构包括多根连杆，连杆的一端通过万向节或球形铰链可活动地连接于质量块；

运动转化装置包括：直线运动副组件和旋转运动副组件；

直线运动副组件连接于连杆的一端，直线运动副组件用于将质量块的多自由度的运动转化为直线运动，蓄能装置设置于直线运动副组件的行进方向上，旋转运动副组件连接于直线运动副组件的旋转运动活动端，用于将直线运动副组件的直线运动转化为旋转运动，直线运动副组件包括多个由滑轨和滑块组成的滑动系统，滑轨固定安装在辅助支架上，滑块作为直线运动副组件的直线运动活动端可滑动地设置于滑轨内部的，沿滑轨的延伸方向往复滑动，滑块铰接于连杆的一端，且蓄能装置的活动部与滑块固定连接。

直线运动副组件的作用在于：将质量块在接收到波浪能产生多自由度的运动转化为直线运动。

旋转运动副组件包括多个由齿条和齿轮组成的旋转系统，齿条与滑块固定连接，且齿条的沿滑块的行进方向布置，齿轮作为旋转运动副组件的旋转运动活动端可转动的与齿条相互啮合，在齿条的带动下绕其旋转中心进行转动，齿轮的旋转中心与传动轴固定连接，发电电机在齿轮旋转运动的带动下进行发电工作。

旋转运动副组件的作用在于：将直线运动副组件的直线运动转化为旋转运动，带动发电电机进行旋转发电。

实施例2

传动结构包括悬吊绳索，质量块上表面环形均匀阵列固定设置有多个悬挂部，悬吊绳索穿设并固定在悬吊部上，且相邻两个悬挂部之间的悬吊绳索绳段通过运动转化装置悬吊在辅助支架上，悬吊绳索的一端连接于传动轴，且蓄能装置的活动部与悬吊绳索的另一端固定连接。

运动转化装置包括滑轮，悬吊绳索设置在滑轮的滑轮槽内，悬吊绳索沿着滑轮的旋转限位方向将质量块的多自由度运动转化为驱动运动，发电电机在悬吊绳索的运动带动下进行发电工作。

在上述两种具体结构中，通过传动结构对质量块的悬挂，使质量块处于一个相对不稳定的状态，使其对波浪的运动接收更为敏感，而传动结构与质量块的连接具有高自由度，使其能够实现多个自由度的能量接收以及对相应能量的叠加利用。

基于上述实施例中的利用波浪能发电的发电装置结构部分的改进，本发明还公开了一种多自由度惯性驱动海浪发电方法，其包括：

发电装置安装就位并启用后，悬挂于辅助支架内部的质量块受到波浪能的驱动发生上下的垂荡、前后的纵摇、左右或绕质量块水平中心旋转的横摇以及其结合的运动；

质量块垂荡、纵摇、横摇及其结合的运动通过传动结构带动运动转化装置进行运动转化，运动转化装置将质量块的多自由度运动转化为驱动运动，驱动运动进而带动发电组件进行驱动发电；

其中，在运动转化装置的运动的过程中，蓄能装置不断地将运动转化装置的驱动运动的机械能转化为势能进行储存，进而再将其储存的势能转化为机械能进行释放，使运动转化装置的驱动运动运行稳定且持持续。

发明的发电装置是将辅助支架固定在船体上，随着船体随着波浪运动的作用下，悬挂于辅助支架内部的质量块受到惯性作用发生多个自由度的摆动，进而带动直线运动副组件-旋转运动副组件-发电电机进行发电，其结构简单，发电效率高，可以设置于船舶舱体内，随着船舶航行中的船体摇动，本发明的实施形式适用于船载但不仅限于船载使用，也可以应用于陆地交通，例如房车发电。

此外，在质量块摆动过程受惯性作用，摆动方向与船体晃动方向相反，而由于质量块具有一定的质量，因此能够在一定程度上减少载体的晃动，对载体晃动具有一定的减摇作用。

基于上述发电装置，本发明还公开了一种多自由度惯性驱动海浪发电方法，其包括：

S1：发电装置安装就位并启用后，悬挂于所述辅助支架内部的所述质量块受到波浪能的驱动发生上下的垂荡、前后的纵摇、左右或绕所述质量块水平中心旋转的横摇以及其结合的运动。

S2：质量块垂荡、纵摇、横摇及其结合的运动通过传动结构带动运动转化装置进行运动转化，运动转化装置将质量块的多自由度运动转化为所述驱动运动。

S3:驱动运动进而带动所述发电电机进行驱动发电。

其中，在所述运动转化装置的运动的过程中，所述蓄能装置不断地将所述运动转化装置的所述驱动运动的机械能转化为势能进行储存，进而再将其储存的势能转化为机械能进行释放，使所述运动转化装置的驱动运动运行稳定且持续。

本发明基于上述发电装置和发电方法，其工作原理在于：

本发明所公开的发电装置和发电方法，对应垂荡、纵摇、横摇及其结合的多个自由度设置的悬吊式质量块，能捕获各个自由度上往复的波浪能并通过运动转化装置、发电电机转化为电能输出，将波浪能的相应能量的叠加利用，具有较高的效益。

本发明的有益效果在于：

1）发电装置采用惯性运动质量块悬吊的方式，且质量块能够进行多自由度运动，响应任意方向的波浪能激励，对能量捕获能力强。

2）蓄能装置采用磁力弹簧，蓄能过程中的蓄能装置内各个部件为非接触式，能量转化效率高，可以减少直线运动副组件端部的碰撞冲击力，减小能量损耗和碰撞损伤。

同时，蓄能装置又有助于质量块的回复运动，能够对波浪能进行储存并逐渐释放，使得在间断波浪作用下的质量块在每个自由度方向上的运动因简谐运动效应而更连续。

3）传动结构、运动转化装置和发电装置采用多个并联方式，获得了大负载、大行程的响应特性，实现相应能量的叠加利用，具有较高的效益。

4）海况适应性强，一方面本发明整体结构简单，方便组装和生产，可以设计成不同的尺寸大小以适应不同的运动载体、

5）在运动转化装置的运动强度由小变大，蓄能装置的势能储存的大小之间呈指数级提升，使其能够适应不同海况的波浪能发电，在高海情下发电装置依然能够稳定工作。

6）可用于减摇，在发电过程中质量块对辅助支架的反作用力可有助于减轻辅助支架振幅，质量块摆动过程受惯性作用，摆动方向与船体晃动方向相反，而由于质量块具有一定的质量，因此能够在一定程度上减少船体的晃动，对船体的晃动具有一定的减摇作用。

7）发电方式通过质量块悬挂摆动进行波浪能接收发电，发电装置的主要部件不需要与海水直接接触，避免由于高盐度的海水腐蚀造成发电装置结构部件的损坏，提高产品的耐久性和使用可靠性。

附图说明

图1是本发明的一些实施例中多自由度惯性驱动海浪发电装置的整体结构图；

图2是本发明的实施例1中多自由度惯性驱动海浪发电装置的整体结构图

图3是本发明的实施例1中发电装置主要结构的运动发电原理示意简图；

图4是本发明的实施例2中多自由度惯性驱动海浪发电装置的整体结构图

图5是本发明的实施例2中发电装置主要结构的运动发电原理示意简图；

图6是本发明的一些实施例中蓄能装置的结构示意图；

图7是本发明的一些实施例中发电装置的结构示意图。

附图标记：

包括：100、辅助支架；200、质量块；300、传动结构；310、连杆；311、球形铰链；320、悬吊绳索；321、悬吊部；400、运动转化装置；410、直线运动副组件；411、滑轨；412、滑块；420、旋转运动副组件；421、齿条；422、齿轮；430、滑轮；500、蓄能装置；510、磁力弹簧；511、固定部；512、永磁体；513、活动部；600、发电电机；611、电机轴；612、传动轴；613、单向轴承；700、阻尼装置。

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。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，本发明公开的多自由度惯性驱动海浪发电装置，其可以设置于船舶舱体内，随着船舶航行中的船体摇动，但本发明的实施形式适用于船载且不仅限于船载使用，也可以应用于陆地交通，例如房车发电，也可以用于飞艇的电力供应，基于本发明的基本技术构思，无论将本发明的发电装置应用于何种领域，其均属于本发明的保护范围。

为方便下述实施例的描述和理解，下文实施例均以船载多自由度惯性驱动海浪发电装置为例进行说明，

如图1、图2、图4所示，本发明公开了一种多自由度惯性驱动海浪发电装置，包括：辅助支架100、质量块200、运动转化装置400、发电电机600和蓄能装置500。

辅助支架100形成发电装置外部的框架结构。

质量块200可活动地连接有传动结构300，并通过传动结构300悬挂于辅助支架100内部，质量块200在传动结构300的悬挂作用下可进行垂荡、纵摇、横摇或其结合的运动。

运动转化装置400连接于传动结构，运动转化装置400用于将质量块200的多自由度运动转化为发电电机600发电所需的驱动运动。

发电电机600固定安装在辅助支架100上，且发电电机600的电机轴611通过传动轴612固定于运动转化装置400，发电电机600用于将所述驱动运动的机械能转化为电能，蓄能装置500安装于运动转化装置400上，用于将运动转化装置400的机械能转化为势能进行储存以及将储存的势能转化为机械能进行释放传递给运动转化装置400。

其中，在本发明的一种具体实施例中，为保证质量块200的稳定悬吊，传动结构300至少设置有两个。

需要说明的是，目前波浪能发电装置构对于不同海况的波浪转换率受结构所限，应用面比较局限，接收波浪能方向比较的单一，而本申请的多自由度惯性驱动海浪发电装置可从多个空间方向对波浪能进行吸收，对波浪能进行充分利用，由垂荡、纵摇、横摇及其结合的多个自由度对波浪能进行捕获，各个自由度上往复的波浪能并通过直线运动副组件410、旋转运动副组件420、发电电机600转化为电能，具有较高的效益最大效率的提取波浪能。

其中在垂直方向的垂荡运动与海浪运动接近共振状态，波浪能提取效率高，波浪能的轴向利用率更高。

蓄能装置500能够对波浪能进行储存并逐渐释放，使发电装置的发电过程更连续。

本发明总体结构简单，发电装置生产组装方便，适于小型、中型以及大型等多个尺寸的产品生产，应用范围广，并且通过两级的能量传递即可完成波浪能到电能的转化，能量损耗小，波浪能利用率高。

本发明所公开的发电装置具有较高的效益，能够从多个方向最大效率的提取波浪能。

发电电机600的输出端通过整流电路和充电电池与电气负载连接，整流电路为半波整流电路或全波整流电路中的一种。

蓄能装置500能够对波浪能进行储存并逐渐释放，使发电装置的发电过程更连续。

基于本发明上述结构的设计，在本发明的一些实施例中，如图6所示，蓄能装置500包括磁力弹簧510，磁力弹簧510包括固定部511、沿固定部511的轴向方向均匀阵列排布的磁力装置、以及固定在磁力装置一端的活动部513。

固定部511固定在辅助支架100上，磁力装置包括多个同磁极相对的永磁铁，相邻的两个永磁铁之间产生磁力斥力。

需要说明的是，蓄能装置500有助于质量块200的回复运动，能够对波浪能进行储存并逐渐释放，使得在间断波浪作用下的质量块200在每个自由度方向上的运动因简谐运动效应而更连续。

需要说明的是，本发明通过在运动转化装置400的对应位置加设蓄能装置500，蓄能装置500用于将运动转化装置400在运动方向上的机械能转化为势能进行储存以及将储存的势能转化为机械能进行释放，即，蓄能装置500用于将波浪能进行存储，其主要针对于波浪能的不持续性，在两股波浪之间的空白期发电装置获取不到外界的能量时，依靠蓄能装置500对波浪能的储存和释放，使发电过程连续，发电效果持续。

在运动转化装置400的运动过程中，蓄能装置500被压缩的距离不同，进而可以储存大小的势能，产生在波浪运动幅度比较大的时候，导致蓄能装置500被压缩的幅度比较大，其内部斥力增加，储存的势能大，所以可储存高等级海况的能量，反之储存低等级海况的能量，本结构用于实现同种机构对收集能量的范围更广，对不同海况的海浪利用率更高的情景。

本发明在上述实施例中，将蓄能装置500设置为磁力弹簧510的优点在于：

磁力弹簧510的寿命远远长于机械螺旋弹簧，使得设备长期处于免维护状态；

采用磁力斥力进行蓄能，其过程损耗小，蓄能装置500的蓄能过程为非接触式，能量转化效率高，可以减少运动转化装置400运动端的碰撞冲击力，减小运动转化过程的能量损耗和硬性碰撞损伤。

本申请的一些实施例中，如图7所示，发电电机600上还设置有阻尼装置700，阻尼装置700设置于传动轴612上，由运动转化装置400输送的机械能经阻尼装置700传输到发电电机600的电机轴611，以带动电机轴611旋转。

传动轴612上设置有单向轴承613，单向轴承613用于使发电电机600进行单一方向的旋转发电。

需要说明的是，阻尼装置700具体设置为齿轮422组调速装置，用于避免波浪能能量输入高，旋转运动副组件420的运动幅度往复速度、扭矩大，对发电电机600造成损坏。

单向轴承613的作用在于将旋转运动副组件420在顺、逆时针的两个方向转动择一输入到发电电机600中，使发电电机600始终保持单向旋转发电。

基于上述改进以及具体实施例，本发明具体用于实现发电装置进行发电工作的具体结构具体包括以下两种实施方式：

实施例1（如图2和图3所示）

传动结构300包括多根连杆310，连杆310的一端通过万向节或球形铰链311可活动地连接于质量块200；

运动转化装置400包括：直线运动副组件410和旋转运动副组件420；

直线运动副组件410连接于连杆310的一端。

直线运动副组件410用于将质量块200的多自由度的运动转化为直线运动，蓄能装置500设置于直线运动副组件410的行进方向上，旋转运动副组件420连接于直线运动副组件410的旋转运动活动端，用于将直线运动副组件410的直线运动转化为旋转运动，直线运动副组件410包括多个由滑轨411和滑块412组成的滑动系统，滑轨411固定安装在辅助支架100上，滑块412作为直线运动副组件410的直线运动活动端可滑动地设置于滑轨411内部的，沿滑轨411的延伸方向往复滑动，滑块412铰接于连杆310的一端，且蓄能装置500的活动部513与滑块412固定连接。

直线运动副组件410的作用在于：将质量块200在接收到波浪能产生多自由度的运动转化为直线运动。

旋转运动副组件420包括多个由齿条421和齿轮422组成的旋转系统，齿条421与滑块412固定连接，且齿条421的沿滑块412的行进方向布置，齿轮422作为旋转运动副组件420的旋转运动活动端可转动的与齿条421相互啮合，在齿条421的带动下绕其旋转中心进行转动，齿轮422的旋转中心与传动轴612固定连接，发电电机600在齿轮422旋转运动的带动下进行发电工作。

旋转运动副组件420的作用在于：将直线运动副组件410的直线运动转化为旋转运动，带动发电电机600进行旋转发电。

在本实施例中，发电电机600固定安装在辅助支架100上，发电电机600的电机轴611通过传动轴612固定于齿轮422的旋转中心，在齿轮422旋转运动的带动下进行发电工作。

连杆310通过对质量块200的悬挂，使质量块200处于一个相对不稳定的状态，使其对波浪的运动接收更为敏感，而连杆310与质量块200的连接具有高自由度，使其能够实现多个自由度的能量接收以及对相应能量的叠加利用。

传动结构300、直线运动副组件410和旋转运动副组件420作为本发明的运动转换装置，质量块200由连杆310悬挂于辅助支架100内部，在不受外力作用的情况下，质量块200自身的重力和连杆310的对其的拉力二力平衡，质量块200保持静止，但质量块200的静止状态极不稳定，当辅助支架100受到外界力的作用下（即波浪能）发生运动，质量块200受到惯性作用相对于辅助支架100朝辅助支架100相反方向运动，辅助支架100受到力的来源是多个方向的，质量块200的运动方向与其相反，但也是可以多个方向运动，质量块200的运动具体可划分为：上下的垂荡、前后的纵摇、左右或绕所述质量块200水平中心旋转的横摇以及其结合的运动。

进一步的，质量块200带动连杆310拉动与连杆310另一端相连接的滑块412，滑块412在滑轨411的限位作用下，沿滑轨411内的限位方向滑动，将质量块200的多自由度运动转化为滑块412在滑轨411内的直线往复运动。

更进一步的，滑块412的运动带动与其相连的齿条421往复运动，齿条421与齿轮422相互啮合，齿轮422即可在齿条421的作用下进行转动，将将齿条421的直线运动转化为齿轮422的转动。

再进一步的，发电电机600的电机轴611通过传动轴612固定于齿轮422的旋转中心，齿轮422的旋转运动带动发电电机600的电机轴611转动发电。

其中，在直线运动副组件410的运动过程中，磁力弹簧510受到滑块412的压缩，进而可以将滑块412的运动机械能转化为势能进行储存，当机械能全部转化为磁力弹簧510的弹性势能后，磁力弹簧510进而将储存的势能释放，使质量块200持续运动，保证发电过程的运动稳定。

发电电机600的转动发电原理为常规的电磁感应发电原理，在此不做赘述。

实施例2（如图4和图5所示）

传动结构300包括悬吊绳索320，质量块200上表面环形均匀阵列固定设置有多个悬挂部，悬吊绳索320穿设并固定在悬吊部321上，且相邻两个悬挂部之间的悬吊绳索320绳段通过运动转化装置400悬吊在辅助支架100上，悬吊绳索320的一端连接于传动轴612，且蓄能装置500的活动部513与悬吊绳索320的另一端固定连接。

运动转化装置400包括滑轮430，悬吊绳索320设置在滑轮430的滑轮430槽内，悬吊绳索320沿着滑轮430的旋转限位方向将质量块200的多自由度运动转化为驱动运动，发电电机600在悬吊绳索320的运动带动下进行发电工作。

在本实施例中，发电电机600固定安装在辅助支架100上，发电电机600的电机轴611通过传动轴612固定于齿轮422的旋转中心，在齿轮422旋转运动的带动下进行发电工作。

悬吊绳索320通过对质量块200的悬挂，使质量块200处于一个相对不稳定的状态，使其对波浪的运动接收更为敏感，而连杆310与质量块200的连接具有高自由度，使其能够实现多个自由度的能量接收以及对相应能量的叠加利用。

滑轮430作为本发明的运动转换装置，质量块200由悬吊绳索320悬挂于辅助支架100内部，在不受外力作用的情况下，质量块200自身的重力和悬吊绳索320的对其的拉力二力平衡，质量块200保持静止，但质量块200的静止状态极不稳定，当辅助支架100受到外界力的作用下（即波浪能）发生运动，质量块200受到惯性作用相对于辅助支架100朝辅助支架100相反方向运动，辅助支架100受到力的来源是多个方向的，质量块200的运动方向与其相反，但也是可以多个方向运动，质量块200的运动具体可划分为：上下的垂荡、前后的纵摇、左右或绕所述质量块200水平中心旋转的横摇以及其结合的运动。

进一步的，质量块200带动悬吊绳索320拉动与悬吊绳索320另一端相连接的传动轴612旋转，悬吊绳索320在滑轮430的旋转限位的作用下，沿滑滑轮430的转动方向滑动，将质量块200的多自由度运动转化为传动轴612的往复转动运动。

再进一步的，传动轴612的转动带动发电电机600的电机轴611转动发电。

其中，在悬吊绳索320的运动过程中，磁力弹簧510受到悬吊绳索320的拉扯缩短，进而可以将悬吊绳索320的运动机械能转化为势能进行储存，当机械能全部转化为磁力弹簧510的弹性势能后，磁力弹簧510进而将储存的势能释放，使质量块200在悬吊绳索320反向拉动下持续运动，保证发电过程的运动稳定。

发电电机600的转动发电原理为常规的电磁感应发电原理，在此不做赘述。

基于上述两种具体实施例，需要说明的是，通过传动结构300对质量块200的悬挂，使质量块200处于一个相对不稳定的状态，使其对波浪的运动接收更为敏感，而传动结构300与质量块200的连接具有高自由度，使其能够实现多个自由度的能量接收以及对相应能量的叠加利用。

由于辅助支架100受外力作用后的运动是持续的，因此质量块200的运动也是持续的，由于本发明的能量来源与波浪能，其主要针对于波浪能的不持续性，在两股波浪之间的空白期发电装置获取不到外界的能量时，依靠蓄能装置500对波浪能的储存和释放，使发电过程连续，发电效果持续，进而发电电机600的转动为持续过程，因此本发明的发电过程能够保证持续。

综上，即为本发明的发电装置整个发电过程，其能量传动和能量层级转化简单，能量损耗少。

本发明的整体结构简单，所有运动传动部件均为简单的机械运动件，方便组装和生产，因此发电装置可以设计成不同的尺寸大小以适应不同的运动载体。

此外，质量块200悬吊于辅助支架100内，在发电过程中质量块200对辅助支架100的反作用力可有助于减轻辅助支架100振幅，质量块200摆动过程受惯性作用，摆动方向与辅助支架100晃动方向相反，而由于质量块200具有一定的重量，因此能够在一定程度上减少辅助支架100的晃动，对其载体（即船体）的晃动具有一定的减摇作用。

基于本发明的技术方案实际将发电装置进行生产设计，以实施例1为例进行具体结构的说明，如图2所示，图2为基于本发明基本构思实际设计研发的一种多自由度惯性驱动海浪发电装置，其质量块200采用三根连杆310进行悬吊，对应的，直线运动副组件410的滑动系统，固定在直线运动副组件410的磁力弹簧510，旋转运动副组件420的旋转系统，以及与齿轮422固定连接的发电电机600都设置有三组。

质量块200与连杆310之间采用球形铰链311连接。

直线运动副组件410固定安装在辅助支架100的顶板上，其滑槽开设于顶板，滑块412穿设与滑槽，且顶部设置有限位部，限位部略宽与滑槽的宽度，避免滑块412脱落。

齿条421固定滑块412底部，齿轮422固定在辅助支架100顶板的底部，且齿轮422旋转中心与传动轴612一端固定，传动轴612穿设过辅助支架100的顶板，另一端与发电电机600的电机轴611固定。

单向轴承613和阻尼装置700均设置于传动轴612上。

发电电机600通过电机架固定在辅助支架100顶板的顶部。

具体发电过程如图3所示，质量块200受重力和弹性力处于平衡状态，当设备整体运动时，质量块200受惯性力与设备之间产生相对运动，通过连杆310和球形铰链311带动直线滑块412的运动，当直线滑块412偏离平衡位置后，通过齿条421的运动带动齿轮422旋转，进而带动发电电机600旋转发电。

在此滑块412运动的过程中，滑块412带动磁力弹簧510产生一定的压缩量，对直线运动的滑块412产生弹性势能（来源于相邻的永磁铁靠近所产生的的斥力），当势能达到最大时，滑块412停止运动，进一步的，势能释放，转化为滑块412反方向的机械能，使得滑块412恢复到平衡位置，滑块412通过连杆310反向带动质量块200的运动，质量块200的惯性较大，当滑块412恢复到平衡位置时，质量块200并不会停止运动，而是继续带动滑块412继续运动，磁力弹簧510再次产生势能，如此往复，使得发电电机600能够持续发电。

需要说明的是，在上述发电过程中，多自由度的设置意义在于，无论质量块200朝哪个自由度运动，都能带动滑块412进行直线的运动，能够接受多个方向的能量输入。

以实施例2为例进行具体结构的说明，如图4所示，图4为基于本发明基本构思实际设计研发的一种多自由度惯性驱动海浪发电装置，其质量块200采用一根悬吊绳索320进行悬吊，悬吊绳索320一端固定缠绕于传动轴612，另一端固定连接于磁力弹簧510的活动端。

滑轮430设置有四个，且分别固定在辅助支架100的四根支撑柱上，悬吊绳索320通过滑轮430将质量块200悬挂在辅助支架100内。

质量块200上表面环形均匀阵列固定设置有多个悬挂部，悬吊绳索320穿设并固定在悬吊部321上，且相邻两个悬挂部之间的悬吊绳索320绳段通过四个滑轮430悬吊在辅助支架100上。

发电电机600通过电机架固定在辅助支架100的一侧。

具体发电过程如图5所示，质量块200受重力和弹性力处于平衡状态，当设备整体运动时，质量块200受惯性力与设备之间产生相对运动，通过悬吊绳索320运动，拉动传动轴612带动电机轴611进行旋转发电。

在此悬吊绳索320运动的过程中，悬吊绳索320一端拉动磁力弹簧510缩短产生弹性势能（来源于相邻的永磁铁靠近所产生的的斥力），当势能达到最大时，悬吊绳索320停止运动，进一步的，势能释放，转化为悬吊绳索320反方向的机械能，使得悬吊绳索320恢复到平衡位置，悬吊绳索320反向带动质量块200的运动，质量块200的惯性较大，当悬吊绳索320恢复到平衡位置时，质量块200并不会停止运动，而是继续带动悬吊绳索320继续运动，磁力弹簧510再次产生势能，如此往复，使得发电电机600能够持续发电。

需要说明的是，本发明的上述两种实施形式适用于船载但不仅限于船载使用，也可以应用于陆地交通，例如房车发电。

此外，在质量块200摆动过程受惯性作用，摆动方向与载体晃动方向相反，而由于质量块200具有一定的质量，因此能够在一定程度上减少载体的晃动，对载体晃动具有一定的减摇作用。

基于上述发电装置，本发明还公开了一种多自由度惯性驱动海浪发电方法，其包括：

S1：发电装置安装就位并启用后，悬挂于所述辅助支架100内部的所述质量块200受到波浪能的驱动发生上下的垂荡、前后的纵摇、左右或绕所述质量块200水平中心旋转的横摇以及其结合的运动。

S2：质量块200垂荡、纵摇、横摇及其结合的运动通过传动结构300带动运动转化装置400进行运动转化，运动转化装置400将质量块200的多自由度运动转化为所述驱动运动。

S3:驱动运动进而带动所述发电电机600进行驱动发电。

其中，在所述运动转化装置400的运动的过程中，所述蓄能装置500不断地将所述运动转化装置400的所述驱动运动的机械能转化为势能进行储存，进而再将其储存的势能转化为机械能进行释放，使所述运动转化装置400的驱动运动运行稳定且持续。

基于上述发电方法可以看出，本发明的发电方法在于：悬挂于辅助支架100内部的质量块200受到惯性作用发生多个自由度的摆动，进而带动直线运动副组件410-旋转运动副组件420-发电电机600进行发电，其结构简单，发电效率高，可以设置于船舶舱体内，随着船舶航行中的船体摇动。

本发明基于上述发电方法，其工作原理在于：设置的悬吊式质量块200，能捕获对应垂荡、纵摇、横摇及其结合的多个自由度上往复的波浪能，并通过直线运动副组件410、旋转运动副组件420、发电电机600转化为电能。

本发明的有益效果在于：

1）发电装置采用惯性运动质量块悬吊的方式，且质量块能够进行多自由度运动，响应任意方向的波浪能激励，对能量捕获能力强。

2）蓄能装置采用磁力弹簧，蓄能过程中的蓄能装置内各个部件为非接触式，能量转化效率高，可以减少直线运动副组件端部的碰撞冲击力，减小能量损耗和碰撞损伤。

同时，蓄能装置又有助于质量块的回复运动，能够对波浪能进行储存并逐渐释放，使得在间断波浪作用下的质量块在每个自由度方向上的运动因简谐运动效应而更连续。

3）传动结构、运动转化装置和发电装置采用多个并联方式，获得了大负载、大行程的响应特性，实现相应能量的叠加利用，具有较高的效益。

4）海况适应性强，一方面本发明整体结构简单，方便组装和生产，可以设计成不同的尺寸大小以适应不同的运动载体、

5）在运动转化装置的运动强度由小变大，蓄能装置的势能储存的大小之间呈指数级提升，使其能够适应不同海况的波浪能发电，在高海情下发电装置依然能够稳定工作。

6）可用于减摇，在发电过程中质量块对辅助支架的反作用力可有助于减轻辅助支架振幅，质量块摆动过程受惯性作用，摆动方向与船体晃动方向相反，而由于质量块具有一定的质量，因此能够在一定程度上减少船体的晃动，对船体的晃动具有一定的减摇作用。

7）发电方式通过质量块悬挂摆动进行波浪能接收发电，发电装置的主要部件不需要与海水直接接触，避免由于高盐度的海水腐蚀造成发电装置结构部件的损坏，提高产品的耐久性和使用可靠性。

本申请的基本构思，设置的悬吊式质量块，能捕获对应垂荡、纵摇、横摇及其结合的多个自由度上往复的波浪能，并通过直线运动副组件、旋转运动副组件、发电电机转化为电能。

本申请的多自由度惯性驱动海浪发电装置可从多个空间方向对波浪能进行吸收，对波浪能进行充分利用，由垂荡、纵摇、横摇及其结合的多个自由度对波浪能进行捕获，并通过运动转化装置、发电电机转化为电能，具有较高的效益最大效率的提取波浪能，并且在垂直方向的垂荡运动与海浪运动接近共振状态，波浪能提取效率高，波浪能的轴向利用率更高。

蓄能装置能够对波浪能进行储存并逐渐释放，使发电装置的发电过程更连续，此外，本发明通过在直线运动副组件对应位置加设蓄能装置，蓄能装置用于将运动转化装置在运动方向上的机械能转化为势能进行储存以及将储存的势能转化为机械能进行释放，即，蓄能装置用于将波浪能进行存储，其主要针对于波浪能的不持续性，在两股波浪之间的空白期发电装置获取不到外界的能量时，依靠蓄能装置对波浪能的储存和释放，使发电过程连续，发电效果持续。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多自由度惯性驱动海浪发电装置，其特征在于，包括：

辅助支架，所述辅助支架形成所述发电装置外部的框架结构；

质量块，所述质量块可活动地连接有传动结构，并通过所述传动结构悬挂于所述辅助支架内部，所述质量块在所述传动结构的悬挂作用下可进行垂荡、纵摇、横摇或其结合的运动；

运动转化装置和发电电机，所述运动转化装置连接于所述传动结构，所述运动转化装置用于将所述质量块的多自由度运动转化为所述发电电机发电所需的驱动运动；

所述发电电机固定安装在所述辅助支架上，且所述发电电机的电机轴通过传动轴固定于所述运动转化装置，所述发电电机用于将所述驱动运动的机械能转化为电能；

蓄能装置，所述蓄能装置安装于所述运动转化装置上，用于将所述运动转化装置的机械能转化为势能进行储存以及将储存的所述势能转化为机械能进行释放传递给所述运动转化装置；

其中，所述传动结构设置为多根连杆或悬吊绳索；

当所述传动结构为多根所述连杆时，多根所述连杆的一端通过万向节或球形铰链可活动地连接于所述质量块；

当所述传动结构为悬吊绳索时，所述质量块上表面环形均匀阵列固定设置有多个悬挂部，所述悬吊绳索穿设并固定在所述悬吊部上，且相邻两个悬挂部之间的所述悬吊绳索绳段通过所述运动转化装置悬吊在所述辅助支架上；

所述悬吊绳索的一端连接于所述传动轴，且所述蓄能装置与所述悬吊绳索的另一端固定连接。

2.如权利要求1所述的多自由度惯性驱动海浪发电装置，其特征在于，所述蓄能装置包括磁力弹簧；

所述磁力弹簧包括固定部、沿所述固定部的轴向方向均匀阵列排布的磁力装置、以及固定在所述磁力装置一端的活动部；

所述固定部固定在所述辅助支架上；

所述磁力装置包括多个同磁极相对的永磁铁，相邻的两个所述永磁铁之间产生磁力斥力。

3.如权利要求1所述的多自由度惯性驱动海浪发电装置，其特征在于，所述发电电机上还设置有阻尼装置；

所述阻尼装置设置于所述传动轴上，由所述运动转化装置输送的机械能经所述阻尼装置传输到所述发电电机的电机轴，以带动所述电机轴旋转。

4.如权利要求1所述的多自由度惯性驱动海浪发电装置，其特征在于，所述传动轴上设置有单向轴承；

所述单向轴承用于使所述发电电机进行单一方向的旋转发电。

5.如权利要求1所述的多自由度惯性驱动海浪发电装置，其特征在于，当所述传动结构为多根所述连杆时，所述运动转化装置包括：

直线运动副组件，所述直线运动副组件连接于所述连杆的一端，所述直线运动副组件用于将所述质量块的多自由度的运动转化为直线运动；

所述蓄能装置设置于所述直线运动副组件的行进方向上；

旋转运动副组件，所述旋转运动副组件连接于所述直线运动副组件的旋转运动活动端，用于将所述直线运动副组件的直线运动转化为旋转运动。

6.如权利要求5所述的多自由度惯性驱动海浪发电装置，其特征在于，所述直线运动副组件包括多个由滑轨和滑块组成的滑动系统；

所述滑轨固定安装在所述辅助支架上；

所述滑块作为所述直线运动副组件的直线运动活动端可滑动地设置于滑轨内部的，沿所述滑轨的延伸方向往复滑动；

所述滑块铰接于所述连杆的一端，且所述蓄能装置的所述活动部与所述滑块固定连接。

7.如权利要求6所述的多自由度惯性驱动海浪发电装置，其特征在于，所述旋转运动副组件包括多个由齿条和齿轮组成的旋转系统；

所述齿条与所述滑块固定连接，且所述齿条的沿所述滑块的行进方向布置；

所述齿轮作为所述旋转运动副组件的旋转运动活动端可转动的与所述齿条相互啮合，在所述齿条的带动下绕其旋转中心进行转动；

所述齿轮的旋转中心与所述传动轴固定连接，所述发电电机在所述齿轮旋转运动的带动下进行发电工作。

8.如权利要求1所述的多自由度惯性驱动海浪发电装置，其特征在于，当所述传动结构为悬吊绳索时，所述运动转化装置包括滑轮；

所述悬吊绳索设置在所述滑轮的滑轮槽内，所述悬吊绳索沿着所述滑轮的旋转限位方向将所述质量块的多自由度运动转化为所述驱动运动；

所述发电电机在所述悬吊绳索的运动带动下进行发电工作。

9.一种多自由度惯性驱动海浪发电方法，应用于如权利要求1所述的发电装置，其特征在于，包括：

发电装置安装就位并启用后，悬挂于所述辅助支架内部的所述质量块受到波浪能的驱动发生上下的垂荡、前后的纵摇、左右或绕所述质量块水平中心旋转的横摇以及其结合的运动；

所述质量块垂荡、纵摇、横摇及其结合的运动通过所述传动结构带动所述运动转化装置进行运动转化，所述运动转化装置将所述质量块的多自由度运动转化为所述驱动运动，所述驱动运动进而带动所述发电电机进行驱动发电；

其中，在所述运动转化装置的运动的过程中，所述蓄能装置不断地将所述运动转化装置的所述驱动运动的机械能转化为势能进行储存，进而再将其储存的势能转化为机械能进行释放，使所述运动转化装置的驱动运动运行稳定且持续。

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