CN115163390B - 一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置 - Google Patents

一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及波浪能发电装置技术领域，具体涉及一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，包括浮箱主体，浮箱主体的两侧对称开设有多个水槽，浮箱主体的中部开设有长条状通槽，通槽中设有多个振荡浮子波浪能发电单元，多个振荡浮子波浪能发电单元沿着通槽的长度方向呈啁啾阵列排布，浮箱主体上还连接有锚泊系统。本发明的振荡浮子波浪能发电单元呈啁啾阵列排布，会出现彩虹陷波效应，不同频率的入射波会在不同位置的振荡浮子波浪能发电单元处发生陷波，将不同频率的波浪限制在不同位置的振荡浮子波浪能发电单元处，使得振荡浮子波浪能发电单元处的波浪能量被显著放大，能够高效捕获波浪能，提高发电效率，还能够实现对较宽频带入射波能的吸收。

Description

一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及波浪能发电装置技术领域，具体涉及一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置。
背景技术
波浪能是优质的可再生能源，因其能量密度高、能量储备多、分布较广泛等特点，现已成为海上新能源研究的重点领域。波浪能的捕获主要依靠波浪能转换装置，在现有的波浪能转换装置中，振荡浮子式波能转换装置的转换效率相对较高，但是其能量不稳定、开发成本高、规模小、发电总量低等问题严重制约了高效波浪能转换装置的发展。
相较于单独的波浪能装置，阵列化、规模化将会是未来波浪能发展的趋势。阵列式波浪能装置的布置方案将会对波浪能的发电效率与总量产生极大影响。啁啾阵列广泛应用于声波和光波控制，但现阶段啁啾阵列在水波中的应用较少。其突出物理特性为利用“彩虹陷波”效应，将一定频段内的波“陷”在阵列内部，难以向阵列外传播。不同频率的波被控制在阵列不同位置，并且波的能量被显著放大。目前已通过理论和水槽试验研究证实了水波中的彩虹陷波现象，同时观测到波幅被放大若干倍。
因此，本发明以啁啾阵列为理论基础，提出了一种能够高效捕获波浪能的阵列式振荡浮子波浪能发电装置。利用啁啾阵列的彩虹陷波特性布置波浪能装置阵列，有望大幅提升发电效率。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，该装置利用啁啾阵列彩虹陷波效应，将不同频率的波浪陷在不同位置的振荡浮子波浪能发电单元处，使得振荡浮子波浪能发电单元处的波浪能量被显著放大，能够高效捕获波浪能，提高发电效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，包括浮箱主体，浮箱主体的两侧对称开设有多个水槽，浮箱主体的中部开设有长条状通槽，通槽中设有多个振荡浮子波浪能发电单元，多个振荡浮子波浪能发电单元沿着通槽的长度方向呈啁啾阵列排布，浮箱主体上还连接有锚泊系统。
进一步的，振荡浮子波浪能发电单元啁啾阵列排布的关系式为：
Figure BDA0003750634710000021
其中，a0为开始位置的振荡浮子波浪能发电单元的晶格常数，参数α＝0.002，yi,i∈(1,n)表示第i个振荡浮子波浪能发电单元的纵坐标，ai,i∈(0,n)表示第i个和第i+1个振荡浮子波浪能发电单元的间距。
进一步的，振荡浮子波浪能发电单元包括T型支架和滑块，滑块中部设有通孔，T型支架穿过滑块上的通孔并且可移动地连接在滑块上，T型支架的底部连接有发电系统，发电系统可在波浪作用下做垂荡运动，滑块上还设有限制T型支架和发电系统移动的第一限位弹簧。
进一步的，第一限位弹簧的数量为四个，其中两个第一限位弹簧设置在滑块上表面，用于限制T型支架的移动，另外两个第一限位弹簧设置在滑块下表面，用于限制发电系统的移动。
进一步的，T型支架通过支撑板可移动地连接在滑块上，T型支架上设有滑槽，支撑板位于滑槽中，支撑板的两端分别与滑块连接。
进一步的，通槽的两个侧面上设有滑轨，滑块滑动连接在滑轨上，当滑块移动到滑轨预设位置时，通过螺栓将滑块固定在滑轨上。
进一步的，锚泊系统包括四个吊环，四个吊环分别设置在浮箱主体的两个侧壁上，四个吊环上均连接有锚链，锚链上连接有锚块，锚块放置于海底。
进一步的，发电系统包括壳体、动子系统和定子系统，动子系统和定子系统均安装在壳体内，壳体内固定连接有两根支撑杆，动子系统滑动连接在两根支撑杆上，动子系统的上下两端分别通过支撑弹簧连接在壳体上，壳体上还设置有限制动子系统移动的第二限位弹簧，定子系统套装在动子系统外部，定子系统固定连接在两根支撑杆上。
进一步的，动子系统包括钕铁硼磁铁，钕铁硼磁铁的左右两侧设置有夹板，钕铁硼磁铁的上下两端设置有挡板，挡板的两端均安装有滑动轴承，两个滑动轴承分别套装在两根支撑杆上，挡板上连接有支撑弹簧，支撑弹簧与壳体连接。
进一步的，定子系统包括硅钢片和绕制在硅钢片上的线圈，硅钢片固定连接在两根支撑杆上。
总的说来，本发明具有如下优点：
一、本发明的振荡浮子波浪能发电单元呈啁啾阵列排布，会出现彩虹陷波效应，不同频率的入射波会在不同位置的振荡浮子波浪能发电单元处发生陷波，将不同频率的波浪限制在不同位置的振荡浮子波浪能发电单元处，使得振荡浮子波浪能发电单元处的波浪能量被显著放大，能够高效捕获波浪能，提高发电效率。
二、本发明不仅能够高效捕获波浪能，还能够实现对较宽频带入射波能的吸收。
三、本发明能够适应不同的波浪条件，可根据实际海况的条件，通过滑块与滑轨调整振荡浮子波浪能发电单元的间距使其形成啁啾阵列排布，具有较强的适应性。
四、本发明便于批量化生产以及安装，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的俯视结构示意图。
图3是本发明的侧面结构示意图。
图4是本发明的仰视结构示意图。
图5是本发明浮箱主体的结构示意图。
图6是本发明振荡浮子波浪能发电单元的结构示意图。
图7是本发明发电系统的结构示意图。
其中：1为浮箱主体，1-1为水槽，1-2为通槽，1-3为滑轨，2为振荡浮子波浪能发电单元，2-1为T型支架，2-2为滑块，2-3为发电系统，2-3-1为壳体，2-3-2为动子系统，2-3-2-1为钕铁硼磁铁，2-3-2-2为夹板，2-3-2-3为挡板，2-3-2-4为滑动轴承，2-3-3为定子系统，2-3-3-1为硅钢片，2-3-3-2为线圈，2-3-4为支撑杆，2-3-5为支撑弹簧，2-3-6为第二限位弹簧，2-4为第一限位弹簧，2-5支撑板，3为锚泊系统，3-1为吊环，3-2为锚链，3-3为锚块。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
如图1至图6所示，一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，包括浮箱主体，浮箱主体的两侧对称开设有多个水槽，浮箱主体的中部开设有长条状通槽，通槽中设有多个振荡浮子波浪能发电单元，多个振荡浮子波浪能发电单元沿着通槽的长度方向呈啁啾阵列排布，浮箱主体上还连接有锚泊系统。
振荡浮子波浪能发电单元啁啾阵列排布的关系式为：
Figure BDA0003750634710000041
其中，a0为开始位置的振荡浮子波浪能发电单元的晶格常数，a0会随着所处海域变化，参数α＝0.002，yi,i∈(1,n)表示第i个振荡浮子波浪能发电单元的纵坐标，ai,i∈(0,n)表示第i个和第i+1个振荡浮子波浪能发电单元的间距。振荡浮子波浪能发电单元啁啾阵列排布的坐标系如图4所示。
如图5和图6所示，振荡浮子波浪能发电单元包括T型支架和滑块，滑块中部设有通孔，T型支架穿过滑块上的通孔并且可移动地连接在滑块上，T型支架的底部连接有发电系统，发电系统可在波浪作用下做垂荡运动，滑块上还设有限制T型支架和发电系统移动的第一限位弹簧。通槽的两个侧面上设有滑轨，滑块滑动连接在滑轨上，当滑块移动到滑轨预设位置时，通过螺栓将滑块固定在滑轨上。滑动滑块，可以使振荡浮子波浪能发电单元沿着滑轨移动，能够根据实际海况调整振荡浮子波浪能发电单元的位置，当振荡浮子波浪能发电单元的位置确定好后，即滑块移动到滑轨预设位置时，可通过螺栓将滑块固定在滑轨上，即将振荡浮子波浪能发电单元固定在浮箱主体上，将振荡浮子波浪能发电单元的位置固定住。
如图6所示，在本实施方式中，T型支架通过支撑板可移动地连接在滑块上，T型支架上设有滑槽，支撑板位于滑槽中，支撑板的两端分别与滑块连接。支撑板可在滑槽中上下移动，使得T型支架相对于滑块上下移动，便于发电系统在波浪作用下做垂荡运动。
如图3和图6所示，在本实施方式中，第一限位弹簧的数量为四个，其中两个第一限位弹簧设置在滑块上表面，用于限制T型支架的移动，限制T型支架向下移动的范围；另外两个第一限位弹簧设置在滑块下表面，用于限制发电系统的移动，限制发电系统向上移动的范围。
如图1所示，锚泊系统包括四个吊环，四个吊环分别设置在浮箱主体的两个侧壁上，四个吊环上均连接有锚链，锚链上连接有锚块，锚块放置于海底。
吊环、锚链和锚块组成的锚泊系统能够限制浮箱主体的多自由度运动，同时安装拆卸简单，面对极端海况时，转移比较方便。
如图7所示，发电系统包括壳体、动子系统和定子系统，动子系统和定子系统均安装在壳体内，壳体内固定连接有两根支撑杆，动子系统滑动连接在两根支撑杆上，动子系统的上下两端分别通过支撑弹簧连接在壳体上，壳体上还设置有限制动子系统移动的第二限位弹簧，定子系统套装在动子系统外部，定子系统固定连接在两根支撑杆上。支撑弹簧能够对动子系统起到悬挂支撑的作用，第二限位弹簧能够限制动子系统的移动范围，防止动子系统移动过大。
如图7所示，动子系统包括钕铁硼磁铁，钕铁硼磁铁的左右两侧设置有夹板，钕铁硼磁铁的上下两端设置有挡板，挡板的两端均安装有滑动轴承，两个滑动轴承分别套装在两根支撑杆上，挡板上连接有支撑弹簧，支撑弹簧与壳体连接。
如图7所示，定子系统包括硅钢片和绕制在硅钢片上的线圈，硅钢片固定连接在两根支撑杆上。
在使用时，发电系统会在波浪的作用下做垂荡运动，发电系统做垂荡运动，会带动动子系统沿着支撑杆上下滑动，使得定子系统切割磁感线进行发电。
在使用本发明时，先将浮箱主体和锚泊系统放置好，使得入射波(波浪入射)的方向沿着浮箱主体的通槽的长度方向，即入射波(波浪入射)的方向沿着振荡浮子波浪能发电单元啁啾阵列排布的方向，然后往浮箱主体两侧的水槽中加水，来调整浮箱主体的浮态及吃水，使浮箱主体适应实际海况，然后根据实际海况和啁啾阵列排布关系式确定振荡浮子波浪能发电单元的位置和相邻两个振荡浮子波浪能发电单元之间的间距，可以通过滑动滑块来调整振荡浮子波浪能发电单元的位置，当振荡浮子波浪能发电单元的位置确定好后，可通过螺栓将滑块固定在滑轨上，将振荡浮子波浪能发电单元固定在浮箱主体上，将振荡浮子波浪能发电单元的位置固定住，确保振荡浮子波浪能发电单元沿着通槽的长度方向呈啁啾阵列排布。由于振荡浮子波浪能发电单元呈啁啾阵列排布，会出现彩虹陷波效应，不同频率的入射波会在不同位置的振荡浮子波浪能发电单元处发生陷波，将不同频率的波浪限制在不同位置的振荡浮子波浪能发电单元处，使得振荡浮子波浪能发电单元处的波浪能量被显著放大，能够高效捕获波浪能，提高发电效率。还能够实现对较宽频带入射波能的吸收。
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 (10)

1.一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，其特征在于：包括浮箱主体，浮箱主体的两侧对称开设有多个水槽，浮箱主体的中部开设有长条状通槽，通槽中设有多个振荡浮子波浪能发电单元，多个振荡浮子波浪能发电单元沿着通槽的长度方向呈啁啾阵列排布，浮箱主体上还连接有锚泊系统。
2.根据权利要求1所述的一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，其特征在于：振荡浮子波浪能发电单元啁啾阵列排布的关系式为：
ai＝a0eαyi+1，ai,i∈(0,n)
其中，a0为开始位置的振荡浮子波浪能发电单元的晶格常数，参数α＝0.002，以开始位置的振荡浮子波浪能发电单元为坐标原点，以振荡浮子波浪能发电单元排列的方向为y轴，与y轴垂直的方向为x轴，建立坐标系，yi,i∈(1,n)表示第i个振荡浮子波浪能发电单元的纵坐标，ai,i∈(0,n)表示第i个和第i+1个振荡浮子波浪能发电单元的间距。
3.根据权利要求1所述的一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，其特征在于：振荡浮子波浪能发电单元包括T型支架和滑块，滑块中部设有通孔，T型支架穿过滑块上的通孔并且可移动地连接在滑块上，T型支架的底部连接有发电系统，发电系统可在波浪作用下做垂荡运动，滑块上还设有限制T型支架和发电系统移动的第一限位弹簧。
4.根据权利要求3所述的一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，其特征在于：第一限位弹簧的数量为四个，其中两个第一限位弹簧设置在滑块上表面，用于限制T型支架的移动，另外两个第一限位弹簧设置在滑块下表面，用于限制发电系统的移动。
5.根据权利要求3所述的一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，其特征在于：T型支架通过支撑板可移动地连接在滑块上，T型支架上设有滑槽，支撑板位于滑槽中，支撑板的两端分别与滑块连接。
6.根据权利要求3所述的一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，其特征在于：通槽的两个侧面上设有滑轨，滑块滑动连接在滑轨上，当滑块移动到滑轨预设位置时，通过螺栓将滑块固定在滑轨上。
7.根据权利要求1所述的一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，其特征在于：锚泊系统包括四个吊环，四个吊环分别设置在浮箱主体的两个侧壁上，四个吊环上均连接有锚链，锚链上连接有锚块，锚块放置于海底。
8.根据权利要求3所述的一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，其特征在于：发电系统包括壳体、动子系统和定子系统，动子系统和定子系统均安装在壳体内，壳体内固定连接有两根支撑杆，动子系统滑动连接在两根支撑杆上，动子系统的上下两端分别通过支撑弹簧连接在壳体上，壳体上还设置有限制动子系统移动的第二限位弹簧，定子系统套装在动子系统外部，定子系统固定连接在两根支撑杆上。
9.根据权利要求8所述的一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，其特征在于：动子系统包括钕铁硼磁铁，钕铁硼磁铁的左右两侧设置有夹板，钕铁硼磁铁的上下两端设置有挡板，挡板的两端均安装有滑动轴承，两个滑动轴承分别套装在两根支撑杆上，挡板上连接有支撑弹簧，支撑弹簧与壳体连接。
10.根据权利要求8所述的一种阵列式振荡浮子波浪能发电装置，其特征在于：定子系统包括硅钢片和绕制在硅钢片上的线圈，硅钢片固定连接在两根支撑杆上。
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