CN116988916B - 一种基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属海洋能利用领域，涉及一种基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，包括箱体、水位定深构件，所述箱体设置有直通式气室，在气室的上端设置有半密封式封堵片，所述水位定深构件设置在所述箱体上，在气室的上端设置有发电组件，所述发电组件包括基座发电元件、振动发电元件，所述基座发电元件设置在箱体上，所述振动发电元件设置在封堵片上。本发明将振动发电技术与振荡水柱波浪能技术进行结合，采用空气驱动的振动发电模式，利用海洋波浪由波峰至波谷之间的运动以使气室内外产生交换气流，驱动发电组件振动而发电，使其在各种海况下均可正常进行波浪能转换工作，极大提高了装置的工作窗口期和安全可靠性，结构简单，成本低。

Description

一种基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置

技术领域

本发明属于海洋能利用领域，涉及一种发电装置，具体是一种基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置。

背景技术

现今，在各种波浪能转换器设备中，振荡水柱式波浪能发电技术（OWC）在过去的几十年中得到广泛研究，并得到了一些应用。由于海洋尤其是远海区域极端天气频发，极端海况严重影响振荡水柱波浪能装置的结构安全，同时也会缩短OWC装置的工作窗口期，因此研发具有高可靠性和长工作窗口期的气动式波浪能转换装置对于推进波浪能工程商业化应用具有重要意义。

随着振动发电技术的快速发展，依据相关原理（如压电效应，电磁感应）利用相应元件（如，压电材料、磁性材料）将机械能转化为电能的技术不断成熟，为海洋能尤其是波浪能的利用提供一种有效途径。目前，结合压电技术的波浪能发电装置已有公开，专利CN114033605B公开了一种压电式波浪能发电机，包括机体，利用海浪波动直接作用于机体使其摇晃，使各摆轴摆动，迫使压电振子产生弯曲变形，从而将机械能转换成电能。专利CN106837670B公开了一种压电式波浪能发电装置，包括纵向波浪能发电组件、横向波浪能发电组件，利用波浪直接作用于横向波浪能发电组件、纵向波浪能发电组件，使压电悬臂梁产生运动或形变而发电。虽然现有结合压电技术的波浪能发电装置形式多样，但都是基于海浪波动直接作用于相应构件促使压电材料位移或形变而发电，不仅结构复杂，而且需要较强的波浪能才能推动压电材料位移或形变，应用场景要求高，适用范围小。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，利用海洋波浪由波峰至波谷之间的运动使箱体内外气体发生交换，驱动发电组件振动而发电，使其在各种海况下均可正常进行波浪能转换工作，极大提高了装置的工作窗口期和安全可靠性。

本发明所采用的技术方案：

一种基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，包括箱体、水位定深构件，所述箱体设置有直通式气室，气室的上下两端均与外界相通，在气室的上端设置有柔性半密封式封堵片以将气室的上端部分封闭，导致气室内外压强无法瞬时达到平衡，使封堵片随着气体交换而进行上下摆动；所述水位定深构件设置在所述箱体上，利用水位定深构件可以使箱体保持固定的吃水深度，使箱体不随波浪的变化而出现波动，在波浪由波峰到波谷（或由波谷到波峰）的运动中，由于箱体在海中已被定位，气室内的空气空间会出现变化，从而导致气室内外会产生压强差，致使气室内外发生气体交换；在气室的上端设置有发电组件，所述发电组件包括基座发电元件、振动发电元件，所述基座发电元件设置在箱体上，所述振动发电元件设置在封堵片上，当封堵片因气体交换而上下摆动时其将带动振动发电元件运动，与设置在箱体上的基座发电元件进行相对位移并产生电荷，通过电路输出电流，实现机械能转化为电能，达到对外供电的效果。

优选的，所述箱体设计为半潜型结构，有利于其在远洋环境下工作的安全性和稳定性。

优选的，所述箱体上设置有倾覆复位构件，在恶劣海况下箱体发生倾覆可以自动复位，提高装置的工作窗口期和安全可靠性。

优选的，所述封堵片的中心部位开设网格状泄压口，从而使封堵片构成半密封式结构，利用中心网格状结构作为泄压口，既能达到泄压的效果，又可以保证封堵片的整体性，增加封堵片的整体承载力，所述振动发电元件设计为环状结构，并设置在所述封堵片的中心部位，振动发电元件的中间圆口对应于泄压口，不会堵塞泄压口。

优选的，所述封堵片的面积略大于箱体气室的面积，在箱体气室内外发生气体交换时，封堵片更容易随着气体交换而进行上下摆动，提高对外供电的效果。

优选的，所述封堵片以及设置在其上的振动发电元件的外层包裹有防水薄膜，可防止海水浸湿封堵片（振动磁极）而影响其正常作业。

优选的，所述基座发电元件是基座压电片，所述振动发电元件是振动压电片。根据压电效应，基座压电片与振动压电片相对位移时产生电势差，通过电路输出电流，实现机械能转化为电能。

优选的，所述基座发电元件是基座磁极及缠绕在基座磁极内侧上的线圈，所述振动发电元件是振动磁极。根据电磁感应原理，基座磁极与振动磁极相对位移时磁场发生变化，缠绕在基座磁极的线圈切割磁感线产生感应电动势，通过电路输出电流，实现机械能转化为电能。

优选的，所述水位定深构件为水位定深软性构件或水位定深刚性构件。一般而言，在较深海区或者没有负载平台固定的情况下，采用水位定深软性构件对箱体进行锚定，比较符合实际应用，所述水位定深软性构件为锚链系统，包括链节和锚，根据水深设定链节的长度使沉底的锚与箱体（有一定的吃水深度）之间的链节呈现张紧或半张紧状，确保箱体在作业可接受范围内移动。对于在浅海区或者有负载平台（如钻井平台）固定的情况下，采用水位定深刚性构件对箱体进行固定，更有利于实现发电效果，所述水位定深刚性构件为固定支架，为了提高实用性和通用型，以提高装置在不同应用场景的适用性，所述固定支架设计为高度可调式结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、将振动发电技术与振荡水柱波浪能技术进行结合，采用空气驱动的振动发电模式，将气室进行半封闭处理，利用海洋波浪由波峰至波谷之间的运动以使气室内的空气空间出现变化，从而导致气室内外瞬时压强不等，进而发生气体交换，驱动发电组件振动而发电，使其在各种海况下均可正常进行波浪能转换工作，极大提高了装置的工作窗口期和安全可靠性，结构简单，成本低。

2、具有半密封性特点，使其即使在发生上浪后仍可正常工作，提高了结构的工作可靠性。

3、由于半封闭处理，保证了装置可以在极端海况条件下可避免气室压强过大，使其继续保持工作，增强装置的工作窗口期。

4、可以在近岸、离岸、负载平台等多方向应用，也可与防波堤搭配使用，应用场景多样，同时可以进行阵列排布，形成大功率的供电系统。

附图说明

图1是本发明的箱体的结构示意图。

图2是本发明的箱体的俯视结构示意图。

图3是本发明的箱体的主视结构剖面图。

图4是本发明的实施例一的结构示意图。

图5是本发明的实施例二的结构示意图。

图中：1、箱体；11、气室；2、封堵片；21、泄压口；3、振动发电元件；4、基座发电元件；5、链节；6、锚；7、固定支架；8、基座。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明所设计的基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，包括箱体、水位定深构件，其中水位定深构件设置在所述箱体上，可以将箱体固定在设定的吃水深度水位上（箱体的吃水深度应根据实际需要进行设定），使箱体不随波浪的变化而出现波动（基本定位，可以在设计允许的范围内移动）。

本申请所设计的箱体1，如图1、2、3所示，箱体1设计为半潜型浮式圆柱状结构，箱体上设置有倾覆复位构件，在发生倾覆时可以自动复位，箱体的中部中空为气室11，气室11的上下两端均与外界相通。在气室的上端设置有封堵片2和发电组件，其中封堵片2采用软性材料制作（如采用橡胶材料制作），使封堵片2可以随着气室内外气体交换而上下摆动，封堵片2的中心部位开设网格状泄压口21，使封堵片2呈半密封式结构。发电组件由常规发电材料制备而成，包括基座发电元件4、振动发电元件3，其中基座发电元件4设置在箱体上端，振动发电元件3设计为环状结构，设置在封堵片2的中心位置上。在波浪由波峰到波谷（或由波谷到波峰）的运动中，气室11内的空气空间（海水水面至封堵片之间的空间）会出现变化，在封堵片2的半封闭作用下气室11内外压强无法瞬时达到平衡而产生压强差，致使气室内外发生气体交换并使封堵片2上下摆动，带动振动发电元件3运动，从而使基座发电元件4与振动发电元件3之间产生相对位移并产生电荷，通过电路输出电流，达到发电目的。

本申请采用半密封式封堵片2可以保证气室11在极端海况条件下并不会产生过大的压强差，故其可以在极端海况条件下（较大波高）使装置继续保持工作，提高装置工作窗口期和作业安全性。

根据本发明的设计构思，为了应对倾覆、上浪而出现浸水、海水腐蚀等情况，在封堵片2（包括振动发电元件3）的外层包裹有防水薄膜，防止其受到腐蚀。

本申请中所述倾覆复位构件，在现有技术中有多种结构形式，如，在箱体下部增加配重，增加箱体上部浮力，使箱体的整体重心向下移位，等等，在这里就不一一论述。

实施例一

在较深海区或者没有负载平台固定的情况下，在箱体1的下方设置有锚链系统，用于对箱体进行锚定，如图4所示，其中链节5的一端连接箱体1的下端、另一端与锚6连接，链节5的长度需根据水深来确定，在箱体1处于工作水位时链节5呈张紧或半张紧状为宜，以保证箱体1在波浪的推动下只能小范围移动（横向移动或随波浪而上下波动），确保箱体气室11内的气压会随波浪运动（由波峰到波谷或由波谷到波峰）而随之变化，使封堵片2上下摆动，最终使振动发电元件3振动，与设置在箱体上的基座发电元件4产生相对位移而产生电荷，通过电路输出电流，实现机械能转化为电能，达到对外供电的效果。

实施例二

在近岸浅海区的情况下，采用固定支架7作为水位定深构件对箱体1进行固定，如图5所示，在作业点设置基座8，固定支架7安装在基座8上，箱体1设置在固定支架7的顶部，固定支架7的高度应满足设计要求，使箱体1处于工作水位状态。

根据本发明的设计构思，所述固定支架7设计为高度可调式结构，可提高固定支架7的实用性和通用型，以提高装置在不同应用场景的适用性。

在实施本发明时，可以根据实际需要，依据不同的原理采用不同的发电模式和发电元件，如，根据压电效应采用压电式发电模式，相应地，发电元件为压电片，即基座发电元件为基座压电片，振动发电元件为振动压电片。根据电磁感应原理采用电磁式发电模式，相应地，发电元件为磁极，即基座发电元件为基座磁极及缠绕在基座磁极内侧上的线圈，振动发电元件为振动磁极。

在实施本发明时，应根据不同的应用场景采用相应的水位定深构件，以保证箱体1处于较为稳定的工作水位状态，确保箱体气室11内的气压会随波浪运动而变化，使振动发电元件3与基座发电元件4之间产生相对位移而产生电荷，并通过电路输出电流，实现机械能转化为电能。如，在深海有负载平台（如钻井平台）固定的情况下，以负载平台为基座，采用固定支架对箱体进行固定，使箱体1处于较为稳定的工作水位。

本发明的工作原理：

将箱体1置于水中，此时箱体1与静止水位在气室11内部形成了一个半密闭的气体空间。随着波浪由波峰到波谷（或由波谷到波峰）的运动，带动气体空间内的水位发生变化：

当波浪上升至波峰时，带动气室内的水体进行上涨，致使气室内的气体空间被大幅压缩，气室内气体向气室外进行流动，由于半密封式封堵片2的作用，气室内的气体不能及时排出，导致其压强大于气室外的大气压强，带动封堵片2向上运动，进而带动振动发电元件3向上运动；

当波浪由波峰向波谷进行回落，气室内的水体开始由最高处进行下降，此时气室内气体空间不断扩大，气室内的气体压强由大于气室外的大气压强不断减少最后到达小于气室外的大气压强。气压差的变化使气室外气体向气室内涌进，使封堵片2由向外弯曲逐渐恢复至正常状态进而变为向内弯曲状态，带动着振动发电元件3向下运动。

通过封堵片2的形变变化，不断带动振动发电元件3做上下振动运动。与安装在箱体1上的基座发电元件4产生相对位移，产生电荷并通过电路输出电流，达到将波浪能向机械能转化进而将其转化为电能，以实现对外供电的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，其特征在于：包括箱体、水位定深构件，所述箱体设置有直通式气室，气室的上下两端均与外界相通，在气室的上端设置有半密封式封堵片；所述水位定深构件设置在所述箱体上；在气室的上端设置有发电组件，所述发电组件包括基座发电元件、振动发电元件，所述基座发电元件设置在箱体上，所述振动发电元件设置在封堵片上。

2.根据权利要求1所述的基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，其特征在于：所述箱体设计为半潜型结构。

3.根据权利要求1所述的基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，其特征在于：所述箱体上设置有倾覆复位构件。

4.根据权利要求1所述的基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，其特征在于：所述封堵片的中心部位开设网格状泄压口，所述振动发电元件设计为环状结构，并设置在所述封堵片的中心部位，振动发电元件的中间圆口对应于泄压口。

5.根据权利要求1所述的基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，其特征在于：所述封堵片的面积略大于箱体气室的面积。

6.根据权利要求1所述的基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，其特征在于：所述封堵片以及设置在其上的振动发电元件的外层包裹有防水薄膜。

7.根据权利要求1所述的基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，其特征在于：所述基座发电元件是基座压电片，所述振动发电元件是振动压电片。

8.根据权利要求1所述的基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，其特征在于：所述基座发电元件是基座磁极及缠绕在基座磁极内侧上的线圈，所述振动发电元件是振动磁极。

9.根据权利要求1所述的基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，其特征在于：所述水位定深构件为水位定深软性构件或水位定深刚性构件，所述水位定深软性构件为锚链系统，包括链节和锚，所述水位定深刚性构件为固定支架。

10.根据权利要求9所述的基于空气驱动的振动发电式波浪能发电装置，其特征在于：所述固定支架设计为高度可调式结构。