CN116906255A - 一种基于空压浮子的波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于发电设备技术领域，具体涉及一种基于空压浮子的波浪能发电装置。波浪能发电装置包括：空压浮子、垂荡板、管道、以及至少一个涡流发电单元。该装置将波浪的势能转换为空压浮子内部气腔中的压缩空气，利用压缩空气产生的气流驱动涡流发电单元的中心叶轮单向旋转，进而产生电能。其中，空压浮子为一个呈套筒状的壳体，壳体内包括一条上下贯穿的内腔通道。垂荡板通过第一连杆固定悬挂在空压浮子下方。管道插接在空压浮子的内腔通道的上口处，涡流发电单元位于管道内部；涡流发电单元包括冲击式透平机构以及其上负载的摩擦发电组件和电磁发电组件。本发明可以克服传统发电装置对波浪能的能量捕集效率较低，捕获困难、成本较高的问题。

Description

一种基于空压浮子的波浪能发电装置

技术领域

本发明属于发电设备技术领域，具体涉及一种基于空压浮子的波浪能发电装置。

背景技术

海洋能是一种广泛地分布在海洋环境中新型清洁能源，包括海流能、波浪能、洋流能等多种形式。海洋能具有储量丰富、分布范围广、能量密度高、输出稳定等特点。随着环保理念的深入，如何对海洋能这种新兴的蓝色能源进行捕获已成为一个研究热点。

现有的海洋能的捕获大多仍采用电磁发电机(EMG)，这类发电设备利用波浪或洋流驱动叶轮转动，叶轮带动电磁发电机运转进而产生电能。但是，传统的电磁发电机由体积大而重的磁铁、金属线圈和涡轮机组成，难以自然漂浮在水面上，需要通过漂浮的平台来支撑或固定在海底，这些配套机构往往成本高昂，实现的技术难度较大，实用性和可行性较差。此外，电池发电机中的线圈和磁铁在使用过程中容易受到海水腐蚀，而涡轮机在海浪低频驱动下的能量转换效率很低。这些挑战使目前的海浪能收集装置大都存在能量收集效率不理想和成本高的缺陷。

摩擦纳米发电机(TENG)是一种新型的发电设备，这种发电设备比电磁发电机更适应不规则和随机的机械运动，因此非常适合收集水波能。最重要的是，在低频率下摩擦纳米发电机具有较高的能量转换效率。压电发电机(PENG)，电磁发电机，和摩擦纳米发电机被广泛用于收集波浪能。目前已经设计了多种TENG器件用于波浪能收集，并通过小型的TENG单元的来用于更大范围的低频下海洋能源收集。然而，海洋能的形式多样，并且非常不可控，这导致摩擦纳米发电机的输出极不稳定。此外摩擦纳米发电机还存在低电流和高内阻的局限，这些都阻碍了摩擦纳米发电机的进一步应用。

因此，如何设计出一种能够更好的吸收和转换海洋能的发电系统，正成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

为了解决现有技术中缺乏对海洋能进行高效利用和能源转换的机械系统的问题，本发明提供一种基于空压浮子的波浪能发电装置。

本发明采用以下技术方案实现：

一种基于空压浮子的波浪能发电装置，其包括：空压浮子、垂荡板、管道、以及至少一个涡流发电单元。该波浪能发电装置漂浮在水面上，并将波浪的势能转换为空压浮子内部气腔中的压缩空气，利用压缩空气产生的气流驱动涡流发电单元的中心叶轮单向旋转，进而产生电能。

其中，空压浮子为一个呈套筒状的壳体，壳体包括内壁、外壁以及位于内外壁之间的封闭的空心夹层，所述空心夹层用于产生使得整个装置漂浮在水面上的浮力。壳体的中心包括一条上下贯穿的内腔通道，内腔通道的顶部呈口径渐缩的台体状。内腔通道的两端分别为空压浮子上口和下口。

垂荡板通过第一连杆固定悬挂在空压浮子下方，垂荡板与内腔通道垂直布置。管道插接在空压浮子的上口处，并与内腔通道同轴连通。

涡流发电单元位于管道内部；涡流发电单元包括冲击式透平机构以及其上负载的摩擦发电组件和电磁发电组件。冲击式透平机构包括同轴布置的两个镜像对称的定子和位于另两个定子之间的转子，摩擦发电组件和电磁发电组件位于定子和转子之间。冲击式透平机构用于在管道内产生向上或向下的气流时，驱动转子单向转动。转子相对定子转动时驱动摩擦发电组件和电磁发电组件运转发电。

作为本发明进一步的改进，空压浮子的周向均匀设置有多个稳定浮子；稳定浮子包括第二连杆、弹性件和浮球。第二连杆的一端固定连接在空压浮子外壁上，另一端与弹性件固定连接；弹性件沿连杆末端竖直朝下设置，弹性件的底端连接浮球。

作为本发明进一步的改进，每个稳定浮子中还包括一个限位板，限位板与第二连杆的延伸方向平行。限位板的一端固定连接在空压浮子的外壁上，另一端包括一个套环；浮球插入到限位板末端的套环内。

作为本发明进一步的改进，垂荡板为环形板；第一连杆数量为多根，并在垂荡板周向均匀排列。每根第一连杆一端连接在垂荡板的内侧边缘，另一端连接在空压浮子内壁的顶部。

作为本发明进一步的改进，冲击式透平机构包括两个定子、一个转子、两个陶瓷轴承以及一根中心轴。中心轴贯穿转子的中心并与转子键连接；转子的外周设有第一叶轮。陶瓷轴承分别嵌入到定子的中心；中心轴的两端连接在陶瓷轴承的内环上，以使得转子和定子同轴布置并可相对转动。定子的外周设有第二叶轮；第二叶轮的外径大于第一叶轮。

作为本发明进一步的改进，冲击式透平机构套设在管道内部，第二叶轮的外径与管道的内径相匹配，第二叶轮的扇叶的外侧边缘与管道内壁粘接固定。

且/或

两个定子的朝外的一端还分别套设有一个半椭球型的端帽；端帽的底部边缘恰好与第二叶轮中扇叶的内侧边缘相接。

且/或

相连的定子和转子界面间还设置有一个平面推力球轴承，平面推力球轴承用于降低转子和定子之间的摩擦阻力。

作为本发明进一步的改进，摩擦发电组件包括第一电极和第二电极。第一电极的数量为两片，分别贴敷于转子的两侧，第二电极的数量为两片，分别贴敷于两个定子的内侧与第一电极相对的位置。第一电极为一体式电极。第一电极呈轮毂状，包括内环、外环、以及位于内环和外环之间呈圆周阵列排布并相互分隔设置的扇形片。第二电极为分体式电极，包括内电极和外电极；第二电极与第一电极形状相似，其中，位于奇数位上的扇形片与外环相连作为外电极，位于偶数位的扇形片与内环相连作为内电极。

第一电极和第二电极中相靠近一侧的表面上分别设有存在电负性差异的第一起电层和第二起电层。第一电极和第二电极表面的起电层随转子转动而相互摩擦，并在内电极和外电极间产生电势差，进而实现摩擦发电。

作为本发明进一步的改进，第一电极和第二电极采用非铁磁性的金属材料或导电性非金属材料制备而成；第一电极表面的第一起电层选择尼龙；第二电极中内电极和外电极表面分别选择氟化异丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的任意一种或两种。

作为本发明进一步的改进，电磁发电组件包括至少一对线圈和至少一个永磁体，永磁体嵌入到转子内部；线圈分别安装在两个定子中；当所述线圈和永磁体数量为多个时，二者在定子和转子上呈圆周阵列排布。

线圈随转子转动时，切割永磁体产生的磁感线，并在线圈两端产生电势差，进而实现电磁发电。

作为本发明进一步的改进，管道的上口封闭或套接有一个可扩张的气囊。

本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

本发明提供的波浪能发电装置主要包括一个特殊设计的空压浮子和一个涡流发电单元，该空压浮子漂浮在水面上时部分浸没到水面以下，并可以随着水体中波浪而自由浮沉，进而在内腔通道内产生往复式的气流。而涡流发电单元则是发明人在冲击式透平的基础上设计出的一种融合电磁发电和摩擦纳米发电而设计出的新型发电单元。该发电单元在向上或向下的气流冲击下，均可以单向旋转，进而驱动内部的电磁发电组件和摩擦纳米发电组件运转发电。

本发明中利用新设计的空压浮子将波浪能中蕴含的势能转化为冲击气流，然后再驱动涡流发电单元单向旋转并发电。该结构可以非常完美地应用于波浪能发电领域，产品的硬件成本低，在高低频运动和不同等级波浪中均可以发挥良好的发电效果。是一种非常具有应用前景的新型清洁能源发电系统。

本发明将将TENG和EMG相结合，并通过巧妙的结构设计将发电单元内置到冲击式透平机构中，进而降低了发电过程的能量损耗，使得新型波浪能装置的发电效率大提升。本发明克服了传统发电机应用于波浪能发电时功率过低，稳定性不足等缺陷；实现了对海洋能源持续有效地收集，并且产生的电能的质量较高。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1中提供的一种基于空压浮子的波浪能发电装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1中空压浮子的结构示意图，其中左侧为空压浮子纵向剖面的结构示意图，右侧为整体外观的结构示意图。

图3为本发明实施例1中涡轮发电单元的装配体的结构示意图。

图4为本发明实施例1中涡轮发电单元的零件爆炸图。

图5为本发明实施例1的涡流发电单元中第一电极的结构示意图。

图6为本发明实施例1的涡流发电单元中第二电极的结构示意图。

图7为本发明实施例1中空压浮子在升降过程产生往复式气流的原理图。

图8为本发明实施例2中提供的包含稳定浮子的基于空压浮子的波浪能发电装置的结构示意图。

图9为本发明实施例2中采用包含限位板的稳定浮子的波浪能发电装置的结构示意图。

图10为本发明实施例2中可同时安装多个涡流发电单元的波浪能发电装置的结构示意图。

图11为本发明实施例2中顶部安装有的气囊的防水型波浪能发电装置的结构示意图。

图中标记为：

1、空压浮子；2、垂荡板；3、管道；4、涡流发电单元；5、稳定浮子；6、气囊；11、外壁；12、内壁；13、上口；14、下口；41、冲击式透平机构；51、第二连杆；52、弹性件；53、浮球；54、限位板；100、空心夹层；200、内腔通道；410、端帽；411、定子；412、转子；413、中心轴；421、第一电极；422、第二电极；423、第一起电层；424、第二起电层；431、线圈；432、永磁体；4221、外电极；4222、内电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例提供一种基于空压浮子1的波浪能发电装置，如图1所示，其包括：空压浮子1、垂荡板2、管道3、以及至少一个涡流发电单元4。该波浪能发电装置漂浮在水面上，可以吸收波浪的势能对浮子内部气腔中的空气做功，进而产生气流并驱动涡流发电单元4的中心叶轮单向旋转产生电能。

其中，如图2所示，空压浮子1为一个呈套筒状的壳体，壳体包括内壁12、外壁11以及位于内外壁11之间的封闭的空心夹层100，所述空心夹层100用于产生使得整个装置漂浮在水面上的浮力。壳体的中心包括一条上下贯穿的内腔通道200，内腔通道200的顶部呈口径渐缩的台体状。内腔通道200的两端分别为空压浮子1上口13和下口14。本实施例方案对对空压浮子1的外形不做限定，不过在较为优化的方案中，为了保证整个空压浮子1可以在水面稳定漂浮而不至于发生倾倒，空压浮子1可以采用较为粗壮的圆桶形，且为了实现内腔通道200顶部呈逐渐收缩的形态，空压浮子1的顶部还可以包括一段圆台形的结构。在其它方案中，空压浮子1也可以采用其他形态，只需要其内包含所需的内腔通道200，并可以稳定地漂浮在水面以上即可。在最优化的方案中，包含空压浮子1的整个波浪能发电装置的结构为一个以竖直方向为旋转轴的旋转对称的空间体。

垂荡板2通过第一连杆固定悬挂在空压浮子1下方，垂荡板2与内腔通道200垂直布置。在本实施例中，垂荡板2为环形板；第一连杆数量为多根，并在垂荡板2周向均匀排列。每根第一连杆一端连接在垂荡板2的内侧边缘，另一端连接在空压浮子1内壁12的顶部。垂荡板2在本实施例的主要包括两点，一是作为整个波浪能发电装置的底部配重，降低装置的重心位置，保证整个装置可以在水面上保持直立的形态，而不发生倾倒。二是提高该装置与水体的接触面积，增强装置对波浪能的吸收效果，使得其可以随波浪而上浮下潜。其中，本实施例利用第一连杆将一整块环形的垂荡板2悬挂在空压浮子1下方，以保证空压浮子1中内腔通道200的下口14开放。在其他实施例中，也可以将垂荡板2设计为多块分体式的板件，并安装在空压浮子1下方。垂荡板2的结构设计对最终的波浪能发电装置的发电效率存在一定程度的影响，垂荡板2的最优结构可以结合测试进行改良，本实施例中垂荡板2的结构形态不做限定。

本实施例中的管道3插接在空压浮子1的上口13处，并与内腔通道200同轴连通。如图3所示，涡流发电单元4位于管道3内部，在同一条管道3中，可以沿管道3延伸方向一次布设多个涡流发电单元4。每个涡流发电单元4包括冲击式透平机构41以及其上负载的摩擦发电组件和电磁发电组件。管道3作为涡流发电单元4的安装载具，同时还可以起到聚风的作用，并和涡流发电单元4共同构成了可以驱动涡流发电单元4转动的气流腔道结构。

冲击式透平机构41包括同轴布置的两个镜像对称的定子411和位于另两个定子411之间的转子412，摩擦发电组件和电磁发电组件位于定子411和转子412之间。冲击式透平机构41用于在管道3内产生向上或向下的气流时，驱动转子412单向转动。转子412相对定子411转动时驱动摩擦发电组件和电磁发电组件运转发电。

具体地，如图4所示，冲击式透平机构41包括两个定子411、一个转子412、两个陶瓷轴承以及一根中心轴413。中心轴413贯穿转子412的中心并与转子412键连接；转子412的外周设有第一叶轮。陶瓷轴承分别嵌入到定子411的中心；中心轴413的两端连接在陶瓷轴承的内环上，以使得转子412和定子411同轴布置并可相对转动。定子411的外周设有第二叶轮；第二叶轮的外径大于第一叶轮。在本实施例的方案中，冲击式透平机构41套设在管道3内部，第二叶轮的外径与管道3的内径相匹配，第二叶轮的扇叶的外侧边缘与管道3内壁12粘接固定。

如图4所示的冲击式透平机构41是一种特殊的涡轮机，这种涡轮机两侧的定子411上的第二叶轮可以调整进入到内部气室中的气流的流向，转子412上的第一叶轮受到进入到两个定子411之间的气流的冲击而旋转，镜像布置的两个定子411上的叶轮可以使得无论气体从那一端进入到管道3内，气流都只能驱动中间的转子412进行单向旋转，转子412不会发生反向转动。

此外，在本实施例中，两个定子411的朝外的一端还分别套设有一个半椭球型的端帽410；端帽410的底部边缘恰好与第二叶轮中扇叶的内侧边缘相接。端帽410的作用是将气流引导至第二叶轮的扇叶之间，并进入到两个定子411之间的气室内。端帽410可以有效降低对风速的阻碍，最大化利用经过管道3的气流的势能。

在本实施例的冲击式透平机构41中，相连的定子411和转子412界面间还设置有一个平面推力球轴承，平面推力球轴承用于降低转子412和定子411之间的摩擦阻力，提高冲击式透平机构41在同等风力条件下的转速，进而增强波浪能发电装置的发电效率。

在本实施例中，摩擦发电组件包括第一电极421和第二电极422。如图4所示，第一电极421的数量为两片，分别贴敷于转子412的两侧，第二电极422的数量为两片，分别贴敷于两个定子411的内侧与第一电极421相对的位置。如图5所示，第一电极421为一体式电极。第一电极421呈轮毂状，包括内环、外环、以及位于内环和外环之间呈圆周阵列排布并相互分隔设置的扇形片。如图6所示，第二电极422为分体式电极，包括内电极4222和外电极4221；第二电极422与第一电极421形状相似，其中，位于奇数位上的扇形片与外环相连作为外电极4221，位于偶数位的扇形片与内环相连作为内电极4222。

本发明方案中的第一电极421和第二电极422采用非铁磁性的金属材料或导电性非金属材料制备而成。例如，本实施例中第一电极421和第二电极422可以采用铜、铝或者是金、银等电导率较高的金属材料。特别地，本实施例中第一电极421和第二电极422中相靠近一侧的表面上分别设有存在电负性差异的第一起电层423和第二起电层424。起电层主要分布在第一电极421和第二电极422中的扇形片上，起电层的材料需要采用电负性较好的材料。例如，在本实施例中，第一电极421表面覆盖的材料为尼龙，而第二电极422表面覆盖的材料为如含氟类材料，包括氟化异丙烯(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等。

在起点层材料和电极的装配过程中，可以选择将整张起电层的薄膜粘贴在包含镂空结构的第一电极421和第二电极422表面，然后对起电层薄膜进行局部裁剪，去除镂空部分多余的起电层材料。也可以预先将起电层材料裁剪成对应形状和尺寸，然后分别粘贴到第一电极421和第二电极422中的对应位置处。

当冲击式透平机构41中的转子412受到气流的驱动而转动时，转子412和定子411表面的第一电极421和第二电极422也会相对滑动，此时，二者表面的起电层会随着转子412的转动而相互摩擦，起电层之间相互摩擦后发生电荷转移，进而在第二电极422中的内电极4222和外电极4221间产生电势差，即实现了摩擦发电。

在实际应用过程中，第一电极421和第二电极422中扇形片的数量，以及相邻扇形片的间隙夹角等参数均可能影响到最终的波浪能发电装置的发电效率，这些参数可以在产品设计过程进行实验测试，并确定最佳的参数取值。

此外，第一电极421，以及第二电极422中的内电极4222和外电极4221分别选择具有不同电负性的起电层材料时，也会对最终的波浪能发电装置的发电效率产生影响。各个电极表面的起电层究竟选择何种材料，可以根据测试实验的发电效能数据进行最终确认。

如图4所示，本实施例中的电磁发电组件包括至少一对线圈431和至少一个永磁体432，永磁体432嵌入到转子412内部；线圈431分别安装在两个定子411中。当线圈431和永磁体432数量为多个时，二者在定子411和转子412上呈圆周阵列排布。例如在本实施例中，转子412内部嵌入了8个永磁体432，而定子411内部则安装有8个线圈431。当冲击式透平机构41中的转子412受到气流的驱动而转动时，永磁体432随转子412转动时，定子411上的线圈431切割永磁体432产生的磁感线，并在线圈431两端产生电势差，进而实现电磁发电。

需要额外说明的是：本实施例中线圈431安装在定子411上，而永磁体432安装在转子412上，采用这种装配方式主要是为了便于将线圈431中产生的电流导出来。同时，在这种特殊的零件装配方式下，利用中间转子412上的同一组永磁体432的磁场，可以同时驱动两端的定子411上的线圈431发电，这也可以大幅提高涡流发电单元4的空间利用率和能源转换效率。

为了使得本实施例中提供的波浪能发电装置的工作元和性能优势更加明显，以下对该装置的安装和运行过程进行详细说明：

本实施例提供的波浪能发电装置中，空压浮子1的内壁12和外壁11间的夹层的空间大小是经过严格的理论设计的。该空间产的浮力可以低消整个波浪能发电装置中重力，进而使得波浪等发电装置中的垂荡板2完整浸没在水中，而空压浮子1仅底部的一小部分浸没在水中，其余部分均露出在水面以上。此外，通过对空压浮子1的外形结构进行优化设计，降低装置的重心位置，还可以保证波浪能发电装置放入到水中时可以保持直立，而不发生倾倒。

当本实施例设计的波浪能发电装置放入到水体中以后，水面会没过空压浮子1的下底，并对空压浮子1中的内腔通道200的下口14进行密封，仅保持口径较小的上口13与空气连通。在这种状态下，如果水面保持静稳状态，波浪能发电装置也会保持静止，此时，波浪能发电装置不会产生电能。但是当水面出现较大幅度的波浪时，水体就会晃动，波浪能发电装置也会随波发生“垂荡运动”。在波浪能装置在水面进行垂荡运动时，整个装置浸入到水面以下的深度会不断变化，表现为波浪能装置在不断地进行下潜和上浮。

如图7所示，在波浪能装置的浸水条件下，空压浮子1的内腔通道200从到水面以上到上口13中间的部分相当于是一个具有开放小口的“气囊6”。当波浪能装置循环进行下潜和上浮时，水体相当于是一个活塞，并对“气囊6”中的气体不断进行压缩和扩张。

具体地，当波浪能发电装置下沉时，“气囊6”的体积变小，因此内部的空气被压缩，并从口径较小的上口13出排出，产生一股朝上的流速较快的“射流”，这股射流会进入到管道3内，从管道3下方流入并经向管道3上方排出，进而带动涡流发电单元4中的转子412转动，同时驱动摩擦发电组件和电磁发电组件运转发电。

当波浪能发电装置到达最低水位后，又会重新上升，并重新达到最高水位处。其中，当波浪能发电装置上浮时，“气囊6”的体积变大并呈现低压状态，此时，空气会从管道3内流入，并经过上口13到达空压浮子1的内腔通道200中。在此过程，管道3内会出现由上至下的气流，这股气流在经过冲击冲击式透平机构41中定子411上的叶轮导流后，又会继续驱动转子412转动，并驱动涡流发电单元4中的摩擦发电组件和电磁发电组件运转发电。

由此可见，只要水面存在波动，本实施例提供的波浪能发电装置就会发生下沉和上浮，并由空压浮子1对空气做功，在管道3内产生往复气流。往复气流会带动冲击式透平机构41中的转子412单向旋转，最终驱动摩擦发电组件和电磁发电组件运转发电。

在整个发电过程中，空压浮子1相当于是一个将波浪能转换为往复式冲击气流的“两冲程内燃机”；而涡流发电单元4则可以利用该往复式冲击气流驱动转子412单向旋转，涡流发电单元4中的冲击式透平机构41则相当于是内燃机中的“曲轴连杆结构”。在一个典型的柴油发电机中，内燃机将内能转换为机械能后，还需要连接一个电磁发电机来进行发电。而本实施例的涡流发电单元4内部直接集成了摩擦发电组件和电磁发电组件，因此实现了小型化，并降低了传动机构带来的能效损耗。本实施例中提供的涡流发电单元4，是一种可以直接将转子412的机械运动同时通过两种方式转换为电能的，全新的一体式发电机。

同时，考虑到电磁发电机和摩擦纳米发电机对不同频率的运动的能源转换效率不同，二者在场景适应性上的差异在本实施例提供的涡流发电单元4中恰好可以形成互补，进而使得该发电单元无论在波浪较小还是波浪较大的条件下，均可以产生电能输出。当波浪幅度较大时，管道3内的气流越强，转子412的转速越快，则涡流发电单元4的发电功率中电磁发电组件的占比较大。当波浪幅度较小时，管道3内的气流越弱，转子412的转速越慢，则涡流发电单元4的发电功率中摩擦发电组件的占比较大。

需要特别强调的是：本实施例中的涡流发电机的另外一个非常优秀的特性时，不论气流从涡流发电单元4的哪一次流入，其中的转子412部分总能保持单向旋转，在这种条件下，该发电单元产生的电能的相位不会发生太频繁的变化，因而发出的电能的质量更高，无需进行复杂的变换处理。

除了波浪能发电装置这个整体方案以外，本实施例中的涡流发电机实际上也是本发明提出的一项新的创新方案，该产品不仅可以利用在本实施例的空压浮子1上作为波浪能发电装置使用。也可以进行单独应用，例如，将其作为风力发电系统的基本单元，或者是作为车辆尾气能量回收系统的一部分，等等。

实施例2

本实施例提供一种基于空压浮子1的波浪能发电装置，该产品是在实施例1中方案基础上进一步优化的产品，本实施例与实施例1中方案的区别在于：

如图8所示，空压浮子1的周向均匀设置有多个稳定浮子5；稳定浮子5包括第二连杆51、弹性件52和浮球53。第二连杆51的一端固定连接在空压浮子1外壁11上，另一端与弹性件52固定连接；弹性件52沿连杆末端竖直朝下设置，弹性件52的底端连接浮球53。

本实施例中的稳定浮子5实际上就“绑”在空压浮子1周围的小浮子，这些稳定浮子5的功能是使得整个波浪能发电装置漂浮在水面的时候更加稳定。结合前文对波浪能发电装置原理的说明可知，本实施例中的波浪能发电装置主要利用整个装置在水面沿竖直方向上的垂荡运动进行发电，而对于波浪能发电装置横向的左右摇摆运动则利用较少。因此本实施例中的稳定浮子5的作用就是抑制波浪能发电装置在水面的横向摇摆，并从根本上杜绝波浪能发电装置在高风浪条件下发生倾覆的风险。

结合图8来看，各个稳定浮子5围绕在中心的空压浮子1周围，稳定浮子5中的每个浮球53均漂浮在水面上并与空压浮子1通过弹性件52连接，这里的弹性件52可以采用弹簧等可以进行压缩或拉升形变的零件。当中心的空压浮子1受波浪影响存在向右侧倾覆的趋势时，左侧的浮球53与空压浮子1间连接的弹簧会被拉伸变形，并向空压浮子1施加向左拉的作用力；与此同时，右侧的浮球53与空压浮子1间连接的弹簧会被压缩，并向空压浮子1施加向左推的作用力。因此，本实施例中新增安装的稳定浮子5可以和空压浮子1底部的垂荡板2结构共同保持装置的结构稳定，使得波浪能发电装置可以在强风浪条件下保持平稳运行，不会发生倾覆和失效。

在本实施例更加优化的方案中，如图9所示，每个稳定浮子5中还包括一个限位板54，限位板54与第二连杆51的延伸方向平行。限位板54的一端固定连接在空压浮子1的外壁11上，另一端包括一个套环；浮球53插入到限位板54末端的套环内。

在图9所示的稳定浮子5机构内，每个浮子为都安装了一个限位板54。与空压浮子1可通过改变“吃水”深度进行上浮和下潜不同，本实施例中稳定浮子5中的浮球53是一个封闭的空心轻质浮球53。浮球53通常不会潜入到水体之中，出风收到较大非风浪冲击。而本实施例中额外增加的限位板54可以限制了浮子的摇摆和形变，使得其仅允许随着空压浮子1整体进行下潜和上浮，进一步提高波浪能发电装置的稳定性和抗强风浪能力。

在本实施例以及实施例1中提供的基于空压浮子1的波浪能发电装置中，只要在下部的空压浮子1可承载的范围内，管道3的长度可以尽量延长，并在其中同轴安装多个涡流发电单元4，进而提高单个装置的发电功率。如图10所示，在管道3延长的多涡流发电装置的方案中，波浪能发电装置中管道3顶部距离水体上表面的距离也被抬升，这还可以防止溅起的水花落入到管道3，提高整个装置的防水特性。当然，为了进一步提高整个装置的防水特性(主要是避免管道3上方进水，影响涡流发电单元4正常工作)，如图11所示，还可以将管道3的上口13直接封闭或套接有一个可扩张的气囊6。在这种方案中，管道3内部等同于形成可一个可以压缩的气腔。空压浮子1下潜时，内腔通道200产生向上的气流，且通道内部的气腔/气囊6中的空气被压缩。当空压浮子1上浮时，通道内部的气腔/气囊6中的空气逐渐恢复为常压，内腔通道200内产生向下的气流。

本发明提供的波浪能发电装置的应用非常广泛，在一些湖泊水库等小型低流动性水体中实际应用过程，本实施例以及实施例1中的波浪能发电装置可以直接放置在水体中，并随波运动发电。或者将该装置放置在一个围堰内部，防止该波浪能发电装置飘走。在海洋、河流等高流动性的水体中，本实施例以及实施例1中的波浪能发电装置也可以通过系绳的方式连接在岸边或其他固定的基台附近。该波浪能发电装置通常采用装置集群的方式进行部署安装，每个波浪能发电装置产生的电能可以通过线缆传输到集中的电能存储设备中进行收集，也可以为每个波浪能发电装置配置一个独立的蓄电设备，如锂电池等，并安装在空压浮子1下方。

除了将多个本实施例提供的基于空压浮子1的波浪能发电装置进行集群部署，进而产生规模发电效应之外。本实施例中的波浪能发电装置还可以应用在目前快速发展的海洋物联网领域，实现设备自供电等。

例如，在一些近海以及重点海域，海洋和气象部门可能会部署一些信标和海文数据采集设备，这些设备中的很多仪器或装置需要进行供电，在传统的方案中，这些装置可以安装蓄电池为设备发电，蓄电池的续航时间有限，因此需要维护人员定期进行电池更换，这产生了较大的设备维护成本。为了降低维护成本，技术人员也曾在相关设备附近安装太阳能发电浮体等装置，但是太阳能发电设备在海面上使用时发电得到稳定性不足。而本实施例中的波浪能发电装置则十分适合应用于这一场景。只要海洋的水体不会长期保持静稳状态，该装置总是能够产生充足的能量捕集效果。另外，为了进一步保障海洋物联网设备的稳定的电力供应，还可以将本实施例中的波浪能发电装置和常规方案中的太阳能发电装置等进行联合部署。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于空压浮子的波浪能发电装置，其特征在于，所述波浪能发电装置以直立状态漂浮在水面上，并在随着水体浮沉运动的过程吸收波浪能发电；其包括：

空压浮子，其为一个呈套筒状的壳体，所述壳体包括内壁、外壁以及位于内外壁之间的封闭的空心夹层，所述空心夹层用于产生浮力；所述壳体的中心包括一条上下贯穿的内腔通道，所述内腔通道的顶部呈口径渐缩的台体状；所述内腔通道的两端分别为所述空压浮子上口和下口；

垂荡板，其通过第一连杆固定悬挂在所述空压浮子下方，所述垂荡板与所述内腔通道垂直布置；

管道，其插接在所述空压浮子的上口处，并与所述内腔通道同轴连通；

至少一个涡流发电单元，其位于所述管道内部；所述涡流发电单元包括冲击式透平机构以及其上负载的摩擦发电组件和电磁发电组件；所述冲击式透平机构包括同轴布置的两个镜像对称的定子和位于另两个定子之间的转子，所述摩擦发电组件和电磁发电组件位于定子和转子之间；所述冲击式透平机构用于在管道内产生向上或向下的气流时，驱动所述转子单向转动；所述转子相对定子转动时驱动所述摩擦发电组件和电磁发电组件运转发电。

2.如权利要求1所述的基于空压浮子的波浪能发电装置，其特征在于：所述空压浮子的周向均匀设置有多个稳定浮子；所述稳定浮子包括第二连杆、弹性件和浮球；所述第二连杆的一端固定连接在所述空压浮子外壁上，另一端与所述弹性件固定连接；所述弹性件沿连杆末端竖直朝下设置，所述弹性件的底端连接所述浮球。

3.如权利要求2所述的基于空压浮子的波浪能发电装置，其特征在于：每个所述稳定浮子中还包括一个限位板，所述限位板与所述第二连杆的延伸方向平行；所述限位板的一端固定连接在所述空压浮子的外壁上，另一端包括一个套环；所述插入到所述限位板末端的套环内。

4.如权利要求1所述的基于空压浮子的波浪能发电装置，其特征在于：所述垂荡板为环形板；所述第一连杆数量为多根，并在所述垂荡板周向均匀排列；每根所述第一连杆一端连接在所述垂荡板的内侧边缘，另一端连接在所述空压浮子内壁的顶部。

5.如权利要求1所述的基于空压浮子的波浪能发电装置，其特征在于：所述冲击式透平机构包括两个定子、一个转子、两个陶瓷轴承以及一根中心轴；所述中心轴贯穿所述转子的中心并与所述转子键连接；所述转子的外周设有第一叶轮；两个所述陶瓷轴承分别嵌入到所述定子的中心；所述中心轴的两端连接在所述陶瓷轴承的内环上，以使得所述转子和定子同轴布置并可相对转动；所述定子的外周设有第二叶轮；所述第二叶轮的外径大于所述第一叶轮。

6.如权利要求5所述的基于空压浮子的波浪能发电装置，其特征在于：所述冲击式透平机构套设在所述管道内部，所述第二叶轮的外径与所述管道的内径相匹配，所述第二叶轮的扇叶的外侧边缘与所述管道内壁粘接固定；

且/或

两个所述定子的朝外的一端还分别套设有一个半椭球型的端帽；端帽的底部边缘恰好与所述第二叶轮中扇叶的内侧边缘相接；

且/或

相连的定子和转子界面间还设置有一个平面推力球轴承，所述平面推力球轴承用于降低二者之间的摩擦阻力。

7.如权利要求5所述的基于空压浮子的波浪能发电装置，其特征在于：所述摩擦发电组件包括第一电极和第二电极；所述第一电极的数量为两片，分别贴敷于转子的两侧，所述第二电极的数量为两片，分别贴敷于两个定子的内侧与第一电极相对的位置；

所述第一电极为一体式电极；所述第一电极呈轮毂状，包括内环、外环、以及二者之间呈圆周阵列排布并分隔设置的扇形片；

所述第二电极为分体式电极，包括内电极和外电极；所述第二电极与第一电极形状相似，其中，位于奇数位上的扇形片与外环相连作为外电极，位于偶数位的扇形片与内环相连作为内电极；

所述第一电极和第二电极中相靠近一侧的表面上分别设有存在电负性差异的第一起电层和第二起电层；所述第一电极和第二电极表面的起电层随转子转动而相互摩擦，并在内电极和外电极间产生电势差，进而实现摩擦发电。

8.如权利要求7所述的基于空压浮子的波浪能发电装置，其特征在于：所述第一电极和第二电极采用非铁磁性的金属材料或导电性非金属材料制备而成；所述第一电极表面的第一起电层选择尼龙；所述第二电极中内电极和外电极表面分别选择氟化异丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的任意一种或两种。

9.如权利要求5所述的基于空压浮子的波浪能发电装置，其特征在于：所述电磁发电组件包括至少一对线圈和至少一个永磁体，所述永磁体嵌入到所述转子内部；所述线圈分别安装在两个定子中；当所述线圈和永磁体数量为多个时，二者在定子和转子上呈圆周阵列排布；

所述永磁体随转子转动时，定子上的线圈切割所述永磁体产生的磁感线，并在线圈两端产生电势差，进而实现电磁发电。

10.如权利要求1所述的基于空压浮子的波浪能发电装置，其特征在于：所述管道的上口封闭或套接有一个可扩张的气囊。