CN1871430A - 波浪发电装置 - Google Patents

Abstract

一种波浪发电装置，可以将波浪能高效率地转换为电能，由于结构简单故建设成本低，可以用低成本提供大容量的发电。所述波浪发电装置的结构如下：在浮动体(1)上的围壁(2)内将重物(3)用弹性部件即空气弹簧(4)弹性支承，在重物(3)和浮动体(1)之间设置电磁阻尼器的发电部件(7)。所述空气弹簧(4)的弹性系数通过事先在活塞(6)内和浮动体(1)内设置的辅助箱进行调整，以使空气弹簧的不衰减固有振动数在相互的振动数比ω/ω₀的规定范围内接近波浪的振动数或与其一致，并且使弹簧系统的振动与波浪共振，使发电部件(7)的相对移动最大，可以最大限度地提高发电效率而进行发电。

Description

波浪发电装置

技术领域

本发明涉及一种将波浪面的波浪能高效率地转换为电能的波浪发电装置。

背景技术

已经进行了各种利用波能进行发电的波浪发电的研究，根据非专利文献1，波浪发电方式作为一次转换机构，通过实验装置对属于下列任一种转换方式的波浪发电方式进行了尝试：1)转换为空气能的方式，2)转换为机械能的方式，3)转换为水的势能或水流能的方式。作为所述1)的转换为空气能方式的一个例子，提出了空气涡轮式波浪发电装置，已有报告称已经设置在浮动构造物“海明”上，进行了实验。

所述装置的原理的结构是：将一定截面积的空气室沉到规定深度的海面下，利用随着波浪海面的上下运动在空气室内产生空气流并且使空气涡轮旋转，通过联动的发电机获得电力。虽然也尝试了其它各种实验装置，进行了各种实验，但是人们认为：现有的这些波浪发电装置的发电量小，为30～350KW，所以单位建设成本高。

发电量小是因为转换为电能的效率低，不能够充分利用波浪能所致，因而建设成本必然变高，而且如果在作为大型发电设备建设的情况下，作为安全措施必须设置防波堤自身，防波堤固定型有很高比例成为海洋设施，从而逐渐增加了建设成本。此外还存在由于海啸、台风的影响损坏的情况下。因而，现有的波浪发电装置，仅仅能够作为无停电型浮标的标识灯用的电源的小发电装置而被利用。

作为这样的用波浪发电的小发电装置的一个例子，已知根据专利文献1“波浪发电方法和波浪发电浮标”。根据所述公告的波浪发电方法是，从在波浪面上浮游的浮动体的内部固定的弹簧构件将绳体下降到海水中，在其下端连接重锤，通过波浪面的上下运动，通过浮动体与海水中的重锤相对移动，驱动与绳体结合的发电部件，可以得到电能。构成适用于所述波浪发电方法的波浪发电浮标，以对在浮动体上设置的筒体上顶部的发光源提供利用所述发电方法得到的电力。

但是，在使用这样的波浪发电装置的浮标中，使用了轻的重物，以便使浮动体不沉没，而且由于没有利用重锤-弹簧的共振现象，磁铁伴随波浪上下运动所产生的动能小，因而被转换的电能也小，仅可以被应用于波浪发电浮标程度的小规模发电。

另一方面，从专利文献2公知，不是利用波浪能，而是可以高效地将携带时的振动或摆动的动能转换为电能的“便携式发电机”。所述便携式发电机在圆筒体内插入棒状永久磁铁，该棒状永久磁铁可以利用向轴向移动的弹簧保持，在圆筒体的外周上缠绕筒形的线圈形成发电部，利用整流器对携带时的振动或摆动而在线圈内产生的交流电压进行整流，对电池充电。

所述发电机不需要手动旋转操作等烦琐的操作，通过使永久磁铁的轴向的共振振动数与携带时的主要振动源的平均周期一致，以便利用共振而将携带时的振动或摆动的动能高效率地转换为电能。在这种情况下，人步行时的平均周期为1.9Hz左右，但是根据携带时的情况或携带者的不同，携带时的振动数或摆动的平均周期是变化的，因而希望具有调整永久磁铁的轴向的共振振动数的措施。

但是，所述结构的携带型发电机因为将携带作为目的，作为重锤的磁铁的重量轻，由于被插入圆筒线圈中的构造的原因，大小有限制，是不可以将磁铁做大的构造，所以动能小，尽管利用了重锤-弹簧的共振现象，但是所述发电方式不可以适用于大发电量的发电方式。

非专利文献1：杂志《波力發電的現狀》(財)電力中央研究所有識者會議推進室編)

专利文献1：特开平2-230969号公报

专利文献2：特开2002-374661号公报

发明内容

注意到所述问题点，本发明要解决的技术问题是，提供一种波浪发电装置，以便可以高效率地将波浪能转换为电能，由于结构简单使建设成本低，可以用低成本供给大容量的发电。

本发明，作为解决所述课题的措施，在波面上漂浮的浮动体上用弹性部件弹性地支承重物，在浮动体和重物之间对于重物的移动产生减衰力，并且设置将所述移动能转换为电能的发电部件，设定弹性部件的弹性系数，以使弹性部件的不衰减固有振动数在相互的振动数比ω/ω₀在规定范围内接近加振浮动体的波的振动数或与其一致，是利用弹性部件和波浪的共振现象的波浪发电装置。

上述结构的波浪发电装置是使支承重物的弹性部件的振动与作用于浮动体的波浪的加振力的振动共振，利用所述共振状态可以得到大的发电量的发电装置。浮动体随着波浪上下运动而振动，在浮动体上设置的重物上也作用上下运动的加振力，但是由于重物被弹性部件支承，与浮动体的上下运动在时间上错开而上下运动。

因此，如果预先设定弹簧部件的弹性系数，以使弹性部件的不衰减固有振动数在相互的振动数比ω/ω₀的规定范围内接近加振浮动体的波的振动数或与其一致，所述重物的上下运动就以最大行程变动，可以通过利用直线方向的位置的变动的电磁阻尼器的发电部件高效率地获得最大容量的发电。在所述情况下，波浪的振动数，既便在相同的地点，也随着季节、日期、时间等而有差异，如果地点不同，会有更大的差异。因此，最好可以使弹性部件的弹性系数与波浪的振动数的变动一致而进行调整。

波浪发电可以利用的波浪的振动数设为短周期重力波(0.1～1秒)～普通重力波(1～30秒)，作为适合于此的弹性部件，空气弹簧是代表性的，通过利用辅助箱使内容积变化，可以调整而进行简单地变化使其不衰减固有振动数达到接近波浪的振动数的0.4～6.0Hz。对弹性部件来说，即使是其它的如圈簧、板簧等也可以利用，而不限制弹簧的种类。

浮动体其自身不自行移动，只要在波浪面上是可以浮动的筐体就可以，但是在其它情况下，形成被其它船舶可以拖曳或者浮动体作为新建或已有的船舶的船体而具有自行移动功能，也可以在所述船体上或船体内设置浮动体上的各种部件，作为整体构成波浪发电设备。

本发明的波浪发电装置，使重物和支承重物的弹性部件的系统的振动与波浪的振动共振，产生大的动能，通过电磁阻尼器的发电部件得到电能，所以用简单的结构以低成本可以实现大容量的发电量，通过使浮动体具有自行移动功能，可以避开海啸、台风，所以具有安全性高，并且在广阔的海域能够进行利用的优点。

附图说明

图1是实施例的波浪发电装置的主剖面图；

图2是上述装置的(a)模式图，和(b)隔膜模型化的模型图；

图3是表示振动数比ω/ω₀和z/x关系的图；

图4是第二实施例的波浪发电装置的重要部分扩大剖面图；

图5是其它变化的实施例的模式图。

符号说明

1浮动体；2围壁；3重物；4空气弹簧；5隔膜；6活塞；7发电部件；8永久磁铁；9线圈

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施例进行说明。图1是实施例的波浪发电装置的主剖面图。1为浮动体，作为具有即使搭载后述的发电装置也不会沉没程度的足够的浮力的浮体的结构，既可以作为可自行走移动的船体本身，也可以作为船体上或与船体内固定设置的台板或箱体一起整体作为浮体。在图示的实施例中仅简略表示了箱形状的截面。在所述浮动体1上在用围壁2_H、2_V完全密封地包围的房间内设置了发电单元。但是，在船体内设置的情况下，并不需要完全密封，只要不浸水就可以了。

如图所示，发电单元在浮动体1上将重物(重锤)3用空气弹簧4支承，在浮动体1和重物3之间，形成设置作为发电部件7的由基于电磁阻尼器的发电装置。重物3使用了将多个厚板重叠一体化的重锤。所述重物3的侧面在用空气弹簧支承的状态下，适当地设置了将基于波面上下运动的移动沿垂直壁面导向的辊子12。

空气弹簧4被设置为在多处(在图示的实施例中4处)，用于支承重物3。空气弹簧4通过使内部空气容量变化使不衰减固有振动数ω₀可变，作为对与波浪的振动数进行共振的优良的弹性部件的一个实施例。在所述空气弹簧4中，用振动膜5密封与活塞6的间隙，活塞内的室6b和浮动体1内的室1a作为辅助箱，通过开关开关(控制)阀6a使空气弹簧内部的空气容量变化。

但是，由于存在如下所述的各种方法：在活塞6内设置辅助箱，将辅助箱分割为细部，或使与在外部设置的箱连接等使空气容量的变化连续或者阶段增大地变化，所以采用其任一种都可以。此外，在水平围壁2_H的下面设置了限制重物3在一定范围内上升的挡块11。

发电部件7的结构如下：在框架或围壁7a内设置将永久磁铁8互相在水平方向上不同极性部分N和S对向地设置的多个永久磁铁对，该多个永久磁铁对在垂直方向并且互相相邻的永久磁铁对的磁极方向交替反转，在各对永久磁铁8之间以对应于各自永久磁铁对的间隔设置线圈9。这样，线圈9和永久磁铁8的半径方向间隙设定为规定的间隙量，在从多处芯棒7b的中间高度位置向下方延伸设置。各个线圈9相互串连或并联连接其导线，并且向外部导出。

在作为所述结构的波浪发电装置中，随着波浪力而产生的浮动体1的上下振动经空气弹簧4传递到重物3，预先调整空气弹簧内部的空气容量，通过其不衰减固有振动数ω₀与波浪的振动数在共振状态下使重物3振动，使空气弹簧4的伸缩变位最大，使与重物3联动的发电部件7的发电容量为最大而进行发电。

在这种情况下，一般适合波浪发电的波浪的振动数为短周期重力波浪(0.1～1秒)～普通重力波(也可以简称为重力波)(1～30秒)，所述空气弹簧可以在0.4～6.0Hz变动，另外设置振动探测传感器测定各自的波浪的振动数，调整开关阀内空气的容量，以使测定的波浪的振动数与ω₀的值接近或一致。永久磁铁8以包围永久磁铁8的框架7a作为磁轭，经所述磁轭构成磁回路，在其中使线圈9滑动，通过在垂直方向上切割磁回路而在线圈9内产生电动势e。

由所述波浪发电装置而产生发电的原理是基于下面的理论。图2的(a)图中图示了将所述波浪发电装置简化的模式图，在(b)图中图示了作为隔膜型的模型化图。在图中，设重物3的质量为m，空气弹簧4的弹性系数为k，通过电磁阻尼器的发电部件7的电动势e产生的减衰力为c，浮动体1的上下变位为x，重物3的上下变化为y。空气弹簧的弹性系数k预先设定为与所述波浪的振动数(0.4～6Hz)共振。

用所述弹簧系统支承的重物3，对应于随着波浪上下运动的浮动体的运动，经空气弹簧的大的伸缩运动而振动。所述重物的上下方向的运动方程式用下式表达。

my”＝-k(y-x)-c(y’-x’)…(1)

上式中的”、’表示二阶微分、一阶微分。

在这里，设浮动体1与重物3之间的伸缩量为z，则z＝y-x，把从浮动体1的波浪力受到的振动利用上下变位设定为x＝Xsinωt。由于y＝z+x，则y”＝z”+x”＝z”-ω²Xsinωt，因而(1)式可以变形为下式。

mz”+cz”+kz＝mω²Xsinωt…(2)

进而，如果设不衰减固有振动数ω₀＝(k/m)^1/2，衰减比ζ＝c/(2mω₀)，则z/x变成下式。

z/x＝(ω/ω₀)²/{[1-(ω/ω₀)²]²+(2ζω/ω₀)²}^1/2…(3)

在图3中表示了使所述减衰比ζ变化时的z/x与振动数比ω/ω₀的关系。从图3得知，振动数比ω/ω₀＝1，即在波浪力的强制振动数ω与无阻尼振动数ω₀相等的状态(共振状态)下伸缩变位z为最大。此外，所述振动数比ω/ω₀最好为1，实际上最好可以在0.1≤ω/ω₀≤2的范围内确定弹性部件的弹性系数，以使ω接近ω₀。

电动势e，其设置电磁阻尼器的发电部件7的线圈长度为L，横切线圈的磁通密度为B，线圈与磁通间的相对速度取v，由于用e＝BLv表示，所以在伸缩变位z为最大的共振时的相对速度v为最大，可以得到最大电动势emax(v＝z’)。此外，若设定线圈的电流为I，减衰力c用c＝BIL表示。因而具有如下的关系：由于电动势e增大，如果线圈长度L或磁通密度B变大，则减衰力c变大，但是由于随之减衰比ζ变大，所以z/x变小，相对速度v变小。即，有必要适当地设置减衰力c与质量m的平衡，以便使减衰比ζ不过大。

此外，尽管在图示中省略了，但是在电磁阻尼器的发电部件7中连接了供电线路，以经过电压调整器、逆流防止装置向蓄电池和电网供电。此外也可以构成将蓄电池作为重物的一部分利用。进而，可以在所述波浪发电装置中设置自行走功能或将船舶作为浮动体。可以用浮动体在水平方向上的运动使作用在浮动体上的波浪的强制振动数ω变化，调整自行走速度以便与不衰减固有振动数ω₀共振，可以获得大的发电量。可以利用新建或现有的任一船舶。如果使用现有的船舶作为浮动体，可以低成本化。

作为所述实施例的波浪发电装置的一个例子，构成了在浮动体上设置发电单元的波浪发电装置，该发电单元在重物＝200kg(质量20.4kg/(m/s²))、空气弹簧的整体弹性系数为7899N/m、线圈长度L1000米的条件下，设定电阻R＝10Ω，永久磁铁产生的磁通密度B为0.1T。如果在所述浮动体上作用1Hz的波浪，就产生1000N的减衰力。在这种情况下，设减衰比ζ＝0.39、振幅比z/x＝1.25，在浮动体的上下变位x＝0.4m、空气弹簧的伸缩量z＝0.5m、平均相对速度V_AV＝1.0m/s的条件下，产生电动势e＝BLv＝0.1T×1000m×1m/s＝100V，电流10A，并且得到电力1KW(I×V＝10A×100V＝1000W)。

此外，所述电磁阻尼器的发电部件7将磁铁部和线圈部分离而构成，只要是相对移动的结构就可以，在图4中表示了作为另一实例的第二实施例的波浪发电装置的重要部分的截面。在所述例子中，发电部件7包括：被设置为在框架或围壁7a的中心设置与周壁7a一体的柱形的中心芯体7c，沿着围壁7a的内面安装环形永久磁铁8，在中心芯体7c上具有间隙状地、升降自如地布置的环形线圈9。线圈9被连接到叉形的支承部件7b’的下端，支承部件7b’的上端被固定在重物(重锤)3的下端。

此外，随着重物3的升降运动，支承部件7b’的脚部在上下运动时并且在被插入的导向孔7_H内沿上下方向被导向。对于所述之外的空气弹簧4和重物3、围壁2、浮动体1，由于是与第一实施例相同的构件，所以省略了图示和说明。如图2所示，所述实施例也表示作为隔膜型的模式图。此外，用数值实例表示的波浪发电装置的具体实例对于第二实施例的波浪发电装置同样适用。

此外，对于所述各种波浪发电装置也可以设置多组电磁阻尼器发电部件7、弹性部件的空气弹簧4，其模式图如图5所示。图5的(a)图是在重物3的上下设置2组电磁阻尼器、弹性部件的实例，(b)图是上下设置2组电磁阻尼器、在水平方向设置2组弹性部件的实例。此外，(c)图表示分别在上下、左右设置4组电磁阻尼器、弹性部件，对于围壁，将浮动体1在其深度方向的中间位置或其附近设置的实例。

对于所述的各种发电装置的各实施例，如果在大型油轮大小的浮动体上支承10万吨的重物，由于可以利用按重量比例增加发电量，所以可以产生其50万倍即50万千瓦的发电量。但是，如果整体重量变重，则浮动体的振幅变小，平均相对速度v变小，所以在这种情况下在所述浮动体上设置的多组发电单元，使各自的上下运动不相互干涉地组合使用就可以。

通过所述各实施例的波浪发电装置，由于发电部件7是非接触形的，所以不易发生故障，对于维修仅需更换空气弹簧4的振动膜5即可，所以发电装置的维持管理费变得非常便宜。此外，由于采用通过围壁2将内部密封的结构，所以可以具有海啸、台风对于装置内部的影响小的优点。

本发明的波浪发电装置，可以作为发电装置广泛应用于各种用途，如无停电浮标的小发电装置，作为大容量的发电装置，或向电力供应困难的岛、海上游览装置、设施的电力供应，以及通过小型化用于救生艇发电等。

Claims (6)

1.一种波浪发电装置，其特征在于，利用弹性部件将重物弹性地支承在飘浮于波浪面的浮动体上，在浮动体和重物之间使相对于重物的移动产生减衰力，并且设置将其动能转换为电能的发电部件，设置弹性部件的弹性系数，以使弹性部件的不衰减固有振动数与加振浮动体的波浪的振动数在相互的振动数比ω/ω₀在规定范围内接近，并且利用弹性部件与波浪的共振现象。

2.一种波浪发电装置，其特征在于，利用弹性部件将重物弹性地支承在飘浮于波浪面的浮动体上，在浮动体和重物之间使相对于重物的移动产生衰减力，并且设置将重物的动能转换为电能的发电部件，设置弹性部件的弹性系数，以使弹性部件的不衰减固有振动数变成加振浮动体的波浪的振动数，从而利用弹性部件与波浪的共振现象。

3.如权利要求1或权利要求2所述的波浪发电装置，其特征在于，设定所述弹性部件的弹性系数为可变，并且根据波浪的振动数的变化，而灵活调整弹性部件的不衰减固有振动数。

4.如权利要求1至3任一项所述的波浪发电装置，其特征在于，所述弹性部件采用空气弹簧，构成在所述空气弹簧上连接辅助箱，并且可以使空气弹簧的内容积变化，由此，所述不衰减固有振动数根据波浪的振动数的变化而灵活调整。

5.如权利要求1至4任一项所述的波浪发电装置，其特征在于，设置所述发电部件为电磁阻尼器。

6.如权利要求1至5任一项所述的波浪发电装置，其特征在于，在所述浮动体上设置自行走功能，或者将船舶作为所述浮动体。

Images