CN115450823A - 六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置，包括装置本体和与装置本体相连的单点悬链线系泊系统，装置本体包括旋转捕能系统和碰撞式捕能系统，旋转捕能系统包括转子发电单元以及由内向外依次设置的旋转捕能壳、第一捕能环和第二捕能环，旋转捕能壳与第一捕能环相连，第一捕能环与第二捕能环相连；碰撞式捕能系统包括球形惯性质量块和若干个碰撞挤压执行件，球形惯性质量块设置于旋转捕能壳内部且与旋转捕能壳的内侧壁相隔一定距离，碰撞挤压执行件布设在球形惯性质量块上。该装置能够通过六个自由度运动全面吸收波浪的能量，使整体波浪能利用装置兼顾较高的获能效率和可靠性，能耗低且稳定性高，应用范围更广，具有优越的发展前景。

Description

六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置

技术领域

本发明属于海洋能源利用设备领域，涉及一种波浪能利用装置，具体涉及一种六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置。

背景技术

化石燃料的燃烧会产生大量的温室气体，为了减少温室气体排放，降低环境污染，迫切需要加强可再生能源的开发利用，可再生能源在人类社会长期可持续发展中将发挥关键作用。海浪能是一种可再生资源，具有可提前几天预测、昼夜一致、能量密度高、储量大等优点，高效便捷地利用这一可再生绿色清洁能源，对经济社会的进步与发展和环境生态的保护和建设有着非常积极的作用。

根据波浪能利用装置的工作原理，可将现有的波浪能利用装置分为振荡水柱式、聚波越浪式及点吸收振荡体式3种，根据波浪能利用装置的运动形式，可分为单自由度式和多自由度式。多自由度点吸收式振荡体波浪能利用装置因其波浪能吸收效率高、制作难度低、可靠性高、适应性好的特点，更适合向波浪能资源丰富的海域发展。但是，目前在针对波浪能的研究中，大部分波浪能发电装置都是以单自由度的形式存在的，且对于最大波能捕获控制的研究基本上是针对波能转换装置本体。而该类发电装置的效率和稳定性都还有待提高，因此，如何实现它们“系统”级的最大波能捕获控制是亟待解决的问题。

设计多自由度波浪能利用系统以克服目前单自由度波浪能利用系统效率低、稳定性差以及可控带宽等缺点，能够从“装置”级源头提高波浪能利用系统的波能捕获能力，进一步促进波浪能发电装置的实用化发展。然而，目前多自由度波浪能利用系统的实现仍存在许多困难，如何有效吸收波浪能利用装置六个自由度上捕获的波浪能是当前多自由度波浪能利用装置设计的难点和重点。因此，针对波浪能利用装置，设计一种可以捕获六个自由度上能量的多自由度波浪能利用装置，提高波浪能利用的可靠性，并使波浪能装置稳定高效获能，成为重要课题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置，该装置能够通过六个自由度运动全面吸收波浪的能量，使整体波浪能利用装置兼顾较高的获能效率和可靠性，能耗低且稳定性高。

本发明的技术方案是：

一种六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置，包括装置本体和与装置本体相连的单点悬链线系泊系统，所述装置本体包括旋转捕能系统和碰撞式捕能系统，所述旋转捕能系统包括转子发电单元以及由内向外依次设置的旋转捕能壳、第一捕能环和第二捕能环，所述旋转捕能壳与第一捕能环相连，所述第一捕能环与第二捕能环相连；所述碰撞式捕能系统包括球形惯性质量块和若干个碰撞挤压执行件，所述球形惯性质量块设置于所述旋转捕能壳内部且与旋转捕能壳的内侧壁相隔一定距离，所述碰撞挤压执行件布设在所述球形惯性质量块上。

本发明通过球形惯性质量块的惯性能够使旋转捕能系统发生转动，即能够使旋转捕能壳、第一捕能环和第二捕能环发生转动，从而将该波浪能利用装置在波浪运动作用下的横摇、纵摇、艏摇运动转变成线圈旋转运动，转子发电单元工作，将波浪能转换为电能；此外，碰撞式捕能系统设置于旋转捕能壳内部且独立于旋转捕能系统，能够将该波浪能利用装置在波浪运动作用下的横荡、纵荡、垂荡运动转化为传动弹簧的压缩和伸长运动，从而高效地带动齿轮转动进而实现转子发电单元发电工作。

进一步的，所述旋转捕能壳的形状为球形，所述第一捕能环的形状为环状，并且所述第一捕能环围绕所述旋转捕能壳；所述第一捕能环与旋转捕能壳通过旋转导向轴连接，其连接位置处设置所述转子发电单元。

进一步的，所述第二捕能环的形状为环状，所述第二捕能环与第一捕能环通过旋转导向轴连接，其连接位置处设置所述转子发电单元。

进一步的，所述转子发电单元设置于所述旋转导向轴内部，所述转子发电单元包括线圈，所述线圈与旋转导向轴固定连接并随着旋转导向轴的旋转而旋转。

进一步的，所述转子发电单元还包括北磁极、南磁极、集电环、电刷和负载电阻，所述线圈设置于所述北磁极和南磁极之间，所述线圈两端分别连接集电环，所述集电环依次连接电刷和负载电阻。

进一步的，若干个所述碰撞挤压执行件均匀布设在所述球形惯性质量块的外表面上，所述碰撞挤压执行件的一端与球形惯性质量块固定连接，另一端则朝向所述旋转捕能壳且与旋转捕能壳的内侧壁近乎接触。

进一步的，所述碰撞挤压执行件包括传动杆、传动齿轮、传动弹簧、碰撞板、以及固定安装于所述球形惯性质量块的固定支座，所述传动弹簧一端与固定支座相连接，另一端与碰撞板相连接，所述传动齿轮连接有转子发电单元，所述传动齿轮及与其连接的转子发电单元均设置于固定支座上，所述传动杆上设置有与传动齿轮相啮合的齿条，所述传动杆的一端端部与碰撞板相连。

进一步的，所述单点悬链线系泊系统的一端与装置本体固定连接，另一端则固定设置于海底。

进一步的，所述单点悬链线系泊系统为松弛型锚系，所述单点悬链线系泊系统的锚链处于自悬链状态且有卧链。

上述六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置的装置本体包括旋转捕能系统和碰撞式捕能系统，二者均设置于装置本体的内部。在海水波浪的驱动下，该波浪能利用装置产生相对位移和转动，也就是说该波浪能利用装置在波浪的推动下产生了动能，通过碰撞式捕能系统和旋转捕能系统捕捉这些动能，并将动能转化为电能，从而完成发电操作。现有技术中的多自由度波浪能利用装置的捕能方式仅能捕捉三个或四个自由度运动上的动能，受到能量转化率的影响，均不能达到对于波浪能的高效转化和高利用率。本发明将碰撞式捕能系统和旋转捕能系统同时利用，并且将两者同时放置于装置本体中，将一个装置本体的动能通过两种系统捕捉，尽可能的提高了动能的能量转化效率，从而提高发电功率。并且，常规的进行自由度的能量捕捉的多自由度波浪能利用装置，其结构极其复杂，设备成本高，且捕能系统常常暴露于海水和空气之中，容易锈蚀和受到水生生物的附着，维护成本极高。本申请将两种捕能系统密闭放置于波浪能利用装置的内部，在保证设备结构简单的前提下，具有较高的能量转化率和安全性，降低波浪能发电的成本。

本发明的有益效果：

(1)本发明所提供的六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置，将两种发电方式相组合，既能通过碰撞式捕能系统捕捉该波浪能利用装置三个平动自由度上的能量进行发电，又能通过旋转捕能系统捕捉该波浪能利用装置三个旋转自由度上的能量进行发电，高效地利用了海洋波浪能，实现了能量捕获，具有转化率高等优势；并且，两个捕能系统完全密闭设置于该波浪能利用装置的内部，具有成本低、维护简单、可靠性高、便于储能等优点，应用范围更广，发展前景更优越。

(2)本发明所采用的旋转捕能体系具有成本低、维护简单的优点，所采用的碰撞式捕能体系具有可靠性高、便于储能的优点，通过创造性地将两种传动捕能体系组合，保证了本发明的波浪能利用装置能够捕获能量并进行高效转化与利用，提高了捕能效率，将六个自由度上获取的能量都转化为电能，大大提高了能量的捕获率和转化率。

(3)本发明的波浪能利用装置在设置时，可以根据实际海况调节球形惯性质量块的质量以调节其运动幅度，基于此，可以针对不同地区的海况特点调节该波浪能利用装置在波浪作用下的倾角以提高捕能效率。

附图说明

图1为本发明提供的装置本体的整体结构示意图；

图2为本发明提供的旋转捕能系统的结构示意图一；

图3为本发明提供的旋转捕能系统的结构示意图二；

图4为本发明提供的转子发电单元的结构示意图；

图5为本发明提供的碰撞式捕能系统整体结构示意图；

图6为图5中A部分的内部结构示意图；

图7为本发明提供的波浪能利用装置的整体结构示意图；

图8为本发明提供的第一捕能环的结构示意图；

图9为本发明提供的第二捕能环的结构示意图；

以上各图中，1、装置本体；101、旋转捕能壳；102、第一捕能环；103、第二捕能环；201、传动杆；202、传动齿轮；203、传动弹簧；204、碰撞板；205、球形惯性质量块；700、转子发电单元；701、北磁极；702、南磁极；703、线圈；704、集电环；705、电刷；706、负载电阻；2、单点悬链线系泊系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了进一步理解本发明，将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提供了一种六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置，包括浮于海面并随波浪运动的装置本体1，以及与装置本体1相连的、浸没于水中的单点悬链线系泊系统2，装置本体1由波浪驱动并产生三个自由度上的位移和三个自由度上的转动，装置本体1内部设置有捕能系统，包括旋转捕能系统和碰撞式捕能系统，能够捕捉装置本体1因位移和转动运动产生的能量并转化为电能。

如图1所示为装置本体1的结构示意图，图中将封闭的装置本体1的外壳(即浮子)线条化，从而将内部设置的旋转捕能系统清晰的展现出来。从图中可以看出旋转捕能系统与装置本体1的连接关系，即第二捕能环103与装置本体1的外壳通过旋转导向轴相连接，旋转导向轴沿其轴向与外壳相对转动。基于此，旋转捕能系统可以在装置本体1内部进行旋转或转动。装置本体1的外壳可采用不锈钢等耐腐蚀金属材质制成，本领域技术人员也可以采用其它材料，只要能够达到耐腐蚀等目的即可。

如图2和图3所示，均为旋转捕能系统的结构示意图，包括从内向外依次设置的旋转捕能壳101、第一捕能环102和第二捕能环103，旋转捕能壳101的形状为球形，第一捕能环102和第二捕能环103的形状为环状(见图8和图9)，并且第一捕能环102和第二捕能环103均呈环形围绕旋转捕能壳101。具体的，旋转捕能壳101与第一捕能环102通过其上设置的旋转导向轴相连，连接后的第一捕能环102与旋转捕能壳101可以发生相对旋转，连接位置处设置有转子发电单元700，转子发电单元700安装在旋转导向轴的内部，转子发电单元700与旋转导向轴同轴心设置。第一捕能壳与第二捕能壳同样通过旋转导向轴进行连接，连接后的第一捕能壳和第二捕能壳可以发生相对旋转，连接位置处也设置有转子发电单元700，转子发电单元700安装在该位置处旋转导向轴的内部并与旋转导向轴同轴心设置。

如图4所示为转子发电单元700的结构，转子发电单元700放置于旋转捕能壳101与第一捕能环102、第一捕能环102与第二捕能环103、第二捕能环103与装置本体1外壳连接位置处的旋转导向轴内部。转子发电单元700包括线圈703、北磁极701、南磁极702、集电环704、电刷705和负载电阻706，线圈703与旋转导向轴固定，跟随旋转导向轴的旋转而旋转，线圈703两端连接到两个集电环704，该转子发电单元700的磁场由北磁极701和南磁极702产生，线圈703设置在两磁极之间，线圈703两端分别连接集电环704，集电环704则依次连接电刷705和负载电阻706；当线圈703在磁场中旋转时会产生感应电势，电流由集电环704通过电刷705流向负载电阻706从而发电。即，转子发电单元700通过内部的线圈703旋转切割磁感线完成发电操作。

可以理解的是，碰撞式捕能系统吸收装置平动的能量，如图5所示，碰撞式捕能系统包括球形惯性质量块205和若干个碰撞挤压执行件，球形惯性质量块205设置于旋转捕能壳101内部且与旋转捕能壳101的内侧壁相隔一定距离，碰撞挤压执行件布设在球形惯性质量块205上。球形惯性质量块205体积较大，为实心金属球，可以采用铅、铁等质量较大的金属制作球形惯性质量块205，从而使得球形惯性质量块205在波浪作用下具有较大的惯性。

在一具体实施例中，若干个碰撞挤压执行件均匀地布设在球形惯性质量块205的外表面上。该碰撞挤压执行件的一端与球形惯性质量块205外表面固定连接，另一端则朝向旋转捕能壳101且与旋转捕能壳101的内侧壁近乎接触，即碰撞挤压执行件的碰撞板204与旋转捕能壳101之间存在微小距离。碰撞挤压执行件与波浪能利用装置发生相对平动。

如图6所示为碰撞挤压执行件的结构，也就是图5中A部件的内部结构。碰撞挤压执行件包括传动杆201、传动齿轮202、传动弹簧203、碰撞板204和固定支座，固定支座是固定安装在球形惯性质量块205的外表面上，两个传动弹簧203一端与固定支座的顶端相连接，另一端与碰撞板204相连接，传动齿轮202连接有转子发电单元700，该转子发电单元700的结构与旋转捕能系统中的转子发电单元700相同，传动齿轮202及与其连接的转子发电单元700均设置于固定支座上，且传动齿轮202连接转子发电单元700中的线圈703并可带动线圈703转动。传动杆201上设置有齿条，该齿条与传动齿轮202啮合，传动杆201的一端端部与碰撞板204相连。当球形惯性质量块205在波浪作用下运动时，会使碰撞板204受到旋转捕能壳101的挤压，在该压力作用下产生运动，并带动传动杆201进行运动，传动杆201带动传动齿轮202的转动，传动齿轮202的转轴连接转子发电单元700，从而带动线圈703旋转切割磁感线运动，进而驱动转子发电单元700产生并获取电能。

上述波浪能利用装置中，如图7所示，单点悬链线系泊系统2处于自悬链状态，其一端与装置本体1的底部连接，另一端则固定设置于海底，起到锚固作用。单点悬链线系泊系统2包括一悬链线式锚链，装置本体1的底部连接该锚链，在波浪力的作用下将产生漂移，但由于锚索的系留作用，必处于某一静平衡状态，在此状态下，作用于波浪能利用装置上的力及力矩均达到平衡。可以理解的是，单点悬链线系泊系统2属于松弛型锚系，锚链处于自悬链状态，有卧链，因此波浪能利用装置的装置本体1回旋半径较大，运动幅度更大，有利于两个捕能系统捕获更多的能量。

本实施例提供的波浪能利用装置的发电方法及工作原理如下：

(1)旋转捕能系统的发电方法和原理：

装置安装就位后，根据具体海况，调整球形惯性质量块205配重，进而调节该波浪能利用装置的运动幅度，使其达到最佳捕能工作状态；在海面波浪的作用下，海浪拍打波浪能利用装置从而使其发生多自由度运动，当波浪能利用装置在波浪载荷的作用下运动时，内部的旋转捕能壳101、第一捕能环102和第二捕能环103会发生各自自由度的旋转运动，驱动转子发电单元700中的线圈703转动切割磁感线，产生电流，电流由集电环704通过电刷705流向负载电阻706从而发电，从而将吸收的艏摇，横摇，纵摇三个自由度上的动能转化为电能；

(2)碰撞式捕能系统的发电方法和原理：

装置安装就位后，漂浮在海面上的装置本体1在波浪作用下发生多自由度的运动，受到球形惯性质量块205惯性的作用，碰撞挤压执行件与旋转捕能壳101发生碰撞挤压作用，碰撞挤压执行件中的碰撞板204外表面与旋转捕能壳101内壁之间存在微小距离，通过发生碰撞挤压作用，在传动弹簧203的作用下，带动传动杆201进行往复运动，从而带动传动齿轮202转动，驱动转子发电单元700的运动获取电能。

本实施例所提供的六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置，用于吸收六个自由度上的波浪能运动的动能并将之转化为电能；在实际应用中，该波浪能利用装置还可以连接蓄电池、逆变器、储能装置等，待波浪能利用装置获取并发出电能时，将电能以直流电的形式先存储在蓄电池内，再通过逆变器将存储的直流电转化为交流电经电缆输送至储能装置中。

综上，本发明的波浪能利用装置的发电方法为，通过旋转捕能系统，巧妙地通过装置本体1的外壳和旋转捕能壳101、第一捕能环102和第二捕能环103的稳定结构将装置本体1在波浪运动作用下横摇、纵摇、艏摇运动转化为转子发电单元700中的线圈703旋转切割磁感线运动，使转子发电单元700工作，即波浪能转换为旋转捕能壳101、第一捕能环102和第二捕能环103的动能，再通过转子发电单元700将动能转换为电能。同时，通过设置于装置本体1内部的球形惯性质量块205提供的惯性，和设置于旋转捕能壳101内部的碰撞挤压式捕能系统，将装置本体1在波浪运动作用下产生的横荡、纵荡、垂荡自由度上的运动转化为弹簧的伸缩运动，从而高效地带动齿轮转动进而实现转子发电单元700发电，即波浪能转换为碰撞式捕能系统中传动弹簧203的弹性势能，再通过转子发电单元700将弹性势能转换为电能。

上述说明仅为本发明的优选实施例，并非是对本发明的限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所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、改型等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种六自由度获能的点吸收式波浪能利用装置，其特征在于，包括装置本体和与装置本体相连的单点悬链线系泊系统，所述装置本体包括旋转捕能系统和碰撞式捕能系统，所述旋转捕能系统包括转子发电单元以及由内向外依次设置的旋转捕能壳、第一捕能环和第二捕能环，所述旋转捕能壳与第一捕能环相连，所述第一捕能环与第二捕能环相连；所述碰撞式捕能系统包括球形惯性质量块和若干个碰撞挤压执行件，所述球形惯性质量块设置于所述旋转捕能壳内部且与旋转捕能壳的内侧壁相隔一定距离，所述碰撞挤压执行件布设在所述球形惯性质量块上。

2.根据权利要求1所述的波浪能利用装置，其特征在于，所述旋转捕能壳的形状为球形，所述第一捕能环的形状为环状，并且所述第一捕能环围绕所述旋转捕能壳；所述第一捕能环与旋转捕能壳通过旋转导向轴连接，其连接位置处设置所述转子发电单元。

3.根据权利要求1所述的波浪能利用装置，其特征在于，所述第二捕能环的形状为环状，所述第二捕能环与第一捕能环通过旋转导向轴连接，其连接位置处设置所述转子发电单元。

4.根据权利要求2或3所述的波浪能利用装置，其特征在于，所述转子发电单元设置于所述旋转导向轴内部，所述转子发电单元包括线圈，所述线圈与旋转导向轴固定连接并随着旋转导向轴的旋转而旋转。

5.根据权利要求4所述的波浪能利用装置，其特征在于，所述转子发电单元还包括北磁极、南磁极、集电环、电刷和负载电阻，所述线圈设置于所述北磁极和南磁极之间，所述线圈两端分别连接集电环，所述集电环依次连接电刷和负载电阻。

6.根据权利要求1所述的波浪能利用装置，其特征在于，若干个所述碰撞挤压执行件均匀布设在所述球形惯性质量块的外表面上，所述碰撞挤压执行件的一端与球形惯性质量块固定连接，另一端则朝向所述旋转捕能壳且与旋转捕能壳的内侧壁近乎接触。

7.根据权利要求1所述的波浪能利用装置，其特征在于，所述碰撞挤压执行件包括传动杆、传动齿轮、传动弹簧、碰撞板、以及固定安装于所述球形惯性质量块的固定支座，所述传动弹簧一端与固定支座相连接，另一端与碰撞板相连接，所述传动齿轮连接有转子发电单元，所述传动齿轮及与其连接的转子发电单元均设置于固定支座上，所述传动杆上设置有与传动齿轮相啮合的齿条，所述传动杆的一端端部与碰撞板相连。

8.根据权利要求1所述的波浪能利用装置，其特征在于，所述单点悬链线系泊系统的一端与装置本体固定连接，另一端则固定设置于海底。

9.根据权利要求1所述的波浪能利用装置，其特征在于，所述单点悬链线系泊系统为松弛型锚系，所述单点悬链线系泊系统的锚链处于自悬链状态且有卧链。

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