CN202768230U

CN202768230U - 一种振动式海浪发电机

Info

Publication number: CN202768230U
Application number: CN2012205028940U
Authority: CN
Inventors: 孙哲
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2022-09-27

Abstract

本实用新型涉及一种振动式海浪发电机，包括能量采集装置与能量转换装置，所述能量采集装置，主要由浮球、左臂、右臂、左固定杆、右固定杆、驱动轴以及横杆组成，所述左、右固定杆分别固接在横杆上，所述驱动轴可滑动地穿接于右固定杆，所述左臂、右臂的一端分别与左固定杆、驱动杆活动连接，所述浮球通过与左臂、右臂的另一端活动连接可上下移动地支撑在横杆上方；所述能量转换装置与驱动轴连接。其有益效果为：成本低，绿色环保，经济效益高，能够充分地开发海浪能。

Description

一种振动式海浪发电机

技术领域

本实用新型涉及利用海浪发电装置，尤其涉及一种振动式海浪发电机。

背景技术

随着化石能源的日益消耗，能源问题成为人类发展的重要问题。波涛汹涌的海浪中储存着巨大的能量，于是人们设计了各种各样的海浪发电装置。但海浪发电处于刚起步的阶段，人们对海浪能的认识、利用与开发远未达到到成熟的地步。世界各地发明家们正在尝试各种方案来开发海浪能。

传统的浮子型海浪发电机，在能量采集方面常利用浮子的上下振动，通过复杂机械装置将竖直方向的振动转化为其它方向的振动或者其他方式转动；当浮子的振幅比较大时，还要考虑采用复杂的转换装置将振幅缩小来适应后续的能量转换装置，否者就会使能量转换装置的体积变得庞大、能量转换效率变得低下。而采用复杂的转换装置本身会增加能量传递长度，这样同样会使最终的能量转换率下降。尤其是当海浪振幅比较小时，采集来的能量几乎不能有效地转化为电能。以上缺陷正是传统模型本身的原理所难以克服的。目前来看尚无利用弦随海浪上下振动来采集能量的发电装置。而此种装置能有效地解决上述缺陷。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供绿色环保，经济效益高的振动式海浪发电机，其具体技术方案如下：

所述振动式海浪发电机，包括能量采集装置与能量转换装置，所述能量采集装置，主要由浮球、左臂、右臂、左固定杆、右固定杆、驱动轴以及横杆组成，所述左、右固定杆分别固接在横杆上，所述驱动轴可滑动地穿接于右固定杆，所述左臂、右臂的一端分别与左固定杆、驱动轴活动连接，所述浮球通过与左臂、右臂的另一端活动连接可上下移动地支撑在横杆上方；所述能量转换装置与驱动轴连接。

所述振动式海浪发电机的进一步设计在于，所述能量转换装置包括动子，定子以及机架，所述定子固接于所述机架上，所述驱动轴部分伸入定子中，驱动轴相对于定子一端固接有动子。

所述振动式海浪发电机的进一步设计在于，所述能量转换装置包括活塞式抽水机、集水箱、水力发电机以及机架，所述集水箱固定于机架上，所述驱动轴与活塞式抽水机的活塞连接，活塞式抽水机的出水口设于集水箱上方，所述水力发电机设于集水箱出水口的下方。

所述振动式海浪发电机的进一步设计在于，所述能量转换装置包括摇杆、齿轮组、机架以及发电机，所述齿轮组固定于机架上，所述驱动轴与摇杆转动连接，摇杆与齿轮组传动连接，齿轮组与发电机传动连接。

所述振动式海浪发电机的进一步设计在于，所述能量转换装置包括吊桶，软管，滑轮组，阀门，集水箱、机架以及水力发电机，所述滑轮组固定于机架上，所述驱动轴与吊桶的顶端通过分别连接滑轮组的两端传动连接，所述阀门设于吊桶的底端，所述软管一端与吊桶连接，另一端与集水箱连接，所述水力发电机设于集水箱出水口的下方。

所述振动式海浪发电机的进一步设计在于，所述左、右臂为硬质杆或绳索。

所述振动式海浪发电机的进一步设计在于，所述驱动轴为硬质杆或绳索。

本实用新型提供的振动式海浪发电机优点如下：

第一，成本低，绿色环保，经济效益高，是缓解人类能源问题一种可行途径。第二，能应用于大、中、小型海浪场所，能有效地克服传统发电机力程转换装置复杂、能量转换率较低、对小浪不敏感等问题，故其更能充分地开发海浪能。第三，将该发电机排列成矩阵或环状结构，不仅可以大规模地开发海浪能，还可以在上面可以建造平台，便于人居住、维修、甚至升降飞机。第四，能根据具体海浪大小或海浪随季节或日变化，只需调节浮球的两臂长度就可实现输出力及力程大小的控制，便于与计算机结合，实现自动化控制，从而进一步提高能量采集力度及能量转化率。

附图说明

图1是能量采集装置的结构示意图。

图2是基于直线式发电机的发电机的结构示意图。

图3是基于活塞式抽水机的发电机的结构示意图。

图4是基于摇杆传动结构的发电机的结构示意图。

图5是基于吊桶结构的发电机的结构示意图。

图6是基于直线式发电机的发电机的长链式排列结构示意图。

图7是基于活塞式抽水机的发电机的长链式排列结构示意图。

图8是发电机长链式排列的矩阵结构示意图。

图9是发电机环状结构分布示意图。

图10是能量采集装置原理示意图。

图中，11-浮球，12-左臂，13-右臂，14-左固定杆，15-右固定杆，16-横杆，17-驱动轴，21-直线式发电机，211-动子，212-定子，31-活塞式抽水机，311-活塞， 32-集水箱，33-水力发电机，41-摇杆，42-齿轮组，43-发电机，51-阀门，52-吊桶，53-软管，54-滑轮组。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明：

该振动式海浪发电机，包括能量采集装置与能量转换装置，能量采集装置主要由浮球11左臂12、右臂13、左固定杆14、右固定杆15、驱动轴17以及横杆16组成，左固定杆14、右固定杆15分别固接在横杆16上，驱动轴17可滑动地穿接于右固定杆15，左臂12、右臂13的一端分别与左固定杆14、驱动轴17活动连接，浮球11通过与左臂12、右臂13的另一端活动连接可上下移动地支撑在横杆16上方；能量转换装置与驱动轴17连接。

能量采集装置的物理原理如下：

如图10，为简化分析，设浮子的两臂在平衡位置时的有效长度相等即AO=BO=L，浮子偏离平衡位置的位移为A，∠OAO’=θ，∠OBO’=φ,合外力对浮子的作用力为f，则浮子右臂端点B的张力为F，C点移动到C’产生的位移为CC’=△S。

①浮子在外力作用下偏离平衡位置，初始状态下A≈0，则θ≈0，φ≈0均为小量，此时AO’≈BO’，即S’ ≈S。对浮子进行受力分析可得：

作用力程缩小比率αβ=△S/A=2(A/sinθ-A/tanθ)/A=2（1-cosθ）sinθ=8sin(θ/2)^3*cos(θ/2)φ，f=2Tsinθ，F=Tcosθ。

可解得：F=f/(2tanθ)

由于初始状态下θ≈0，则F>>f，对应浮子的右臂将产生很大拉力来拉动C向C’移动。由此也可得出浮子在微弱的海浪扰动下也可有效地采集能量用于发电。

②浮子在外力作用下偏离平衡位置的振幅为A时，当L=βA，β较大时，θ≈φ，对此问题做近似处理，浮子的两臂仍可看做相等即AO’=BO’=S=L+△S/2，θ≈φ。可得：

△S=2A（1/sinθ-1/tanθ）=2Atan（θ/2），定义该振动弦的纵向振幅与其所引起的横向振动振幅的比值称为纵横力程比率，用β表示，则β=△S /A= tan（θ/2），β随θ变化情况见表1：

表1

Figure 2012205028940100002DEST_PATH_IMAGE002

由此可见β随θ的变小，而急剧变小。A的值一般跟海浪的振幅有关，在同一片海域可看作定值，θ大小主要由L来决定，因而只需控制L大小就可有效地控制横向力程的长短，最终实现能量的高效转化。

综合上述讨论可以得出，θ越小（即L设计的越大）其所传送作用力越大，且其作用力程越短，由此可以设计出动力大而横向尺度小的大功率发电机。并且根据此原理及海浪情况既可以设计出大动率发电机又可以设计出小功率发电机，即微浪、巨浪均可用。

本实用新型采用的能量转换装置有四种可行方案：

1. 该能量转换装置基于直线式发电机，如图2，该直线式发电机21包括动子211，定子212以及机架（图中未画出），定子212固接在机架上，驱动轴17部分伸入定子212中，驱动轴17相对于定子212一端固接有动子211，其中左臂12、右臂13可为硬质杆或绳索，驱动轴17采用硬质杆。当能量采集装置中的左右臂很长时，根据前面的物理原理，可知其输出的力比较大，而且力程小，这样可以将直线发电机的横向尺度设计的小些，横向尺度小就意味着发电机轴短，这样这工程上讲其力学可靠性比较好，磨损比较小。这里推荐这样设计。需要说明的是，直线式发电机并不局限于图2中所画的形式。此种发电机结构简单、稳定性好、能量传递路程短而引起能量转化率高，更适用于建造大型发电机组。如图6方式进行排列能起到大规模开发海浪能的效果。

2. 该能量转换装置基于活塞式抽水机，如图3，包括活塞式抽水机31、集水箱32、水力发电机33以及机架（图中未画出），集水箱32固定于机架上，驱动轴17与活塞式抽水机31的活塞311连接，抽水机的出水口设于集水箱32上方，水力发电机33设于集水箱出水口的下方，其中左臂12、右臂13可为硬质杆或绳索，驱动轴17采用硬质杆。这里可以将该装置排成长链式（如图7）。长链式结构可以实现许多发电机共用一个集水箱32和水力发电机33，这样既节省了大量材料又保证了水力发电机33的稳定发电（在这里，当水力发电机额定功率一定的情况下，其实际发电功率取决于集水箱中水的高度，当集水箱比较大时，其水量的大小即高度，更易保持一个动态平衡点）。

该发电机组成矩阵后，能汇小流成大流，且活塞造价便宜，而水力发电机又是多个能量采集装置共用，更适用于中、小型海浪场所。

3. 该能量转换装置基于摇杆传动结构，如图4，包括摇杆41、齿轮组42、机架（图中未画出）以及发电机43，所述齿轮组固定于机架上，所述驱动轴17与摇杆41转动连接，摇杆41与齿轮组42传动连接，齿轮组与发电机传动连接，其中左臂、右臂可为硬质杆或绳索，驱动轴17采用硬质杆。由驱动轴17连接摇杆41来摇动齿轮组42，再通过齿轮组带动发电机43发电。由于海浪的周期并非严格稳定，在设计摇杆41与齿轮组42时，可以类比自行车的后轮驱动设计，即当摇杆41即将停下时，齿轮组42由于惯性继续向前而受摇杆41约束而停下。这里的齿轮组42可以去掉，由摇杆41直接连在发电机43的轴上。该种发电机由于一个能量采集装置对应一个发电机，造价较高，更适用于大中海浪场所的大动率发电机组。

4. 该能量转换装置基于吊桶结构，如图5，包括吊桶52，软管53，滑轮组54，阀门51，集水箱32、机架（图中未画出）以及水力发电机33，所述滑轮组54固定于机架上，所述驱动轴17与滑轮组54的较高一端连接，吊桶52与滑轮组54的较低一端连接，所述阀门51设于吊桶52的底端，所述软管53一端与吊桶连接，另一端与集水箱32连接，所述水力发电机33设于集水箱32出水口的下方，其中左臂、右臂可为硬质杆或绳索，驱动轴17采用硬质杆或绳索。驱动轴在浮球的右臂13的作用下，作上下往复运动，进而带动吊桶52作上下往复运动。当吊桶52向下运动沉入海水中时，吊桶52中的阀门51打开，使海水进入吊桶52，当吊桶52向上运动时，阀门51由于惯性不会立即随吊桶52向上运动，进而阀门51关闭，吊桶52中的水不会漏出。随着吊桶52的进一步上升，当吊桶52端的软管53口高于集水箱端的软管口时，吊桶52中海水会流入集水箱55。随后吊桶52又开始向下运动，以此往复地向集水箱55中抽水。集水箱55底部的水力发电机33在水力的作用下发电。在运行过程中，吊桶52会在海风或其他干扰下晃动，这样可以将吊桶52运行的区域外加一狭长的槽，防止其翻转。另外吊桶52所在区域被海浪卷入时，吊桶52上方的开口可直接收集海水。该种发电机的抽水高度及频率宜于所处海域的海浪保持相同，否则最终的发电效率会大打折扣。因而该种发电机更适用于海浪周期性和振幅稳定的场合。

对以上的发电机可以排列成矩阵（如图8）或环形结构（如图9），矩阵结构是长链式结构排列的进一步扩展，是对海浪能的最大利用化；而环形结构的优点是各发电机共用一个左固定杆14和右固定杆15，且右固定杆已变成环状，这样左固定杆14和右固定杆15上面可以塔建平台，这样上面可以建其他建筑，甚至可以供人居住。

Claims

1.一种振动式海浪发电机，其特征在于，包括能量采集装置与能量转换装置，所述能量采集装置，主要由浮球、左臂、右臂、左固定杆、右固定杆、驱动轴以及横杆组成，所述左、右固定杆分别固接在横杆上，所述驱动轴可滑动地穿接于右固定杆，所述左臂、右臂的一端分别与左固定杆、驱动轴活动连接，所述浮球通过与左臂、右臂的另一端活动连接可上下移动地支撑在横杆上方；所述能量转换装置与驱动轴连接。

2.根据权利要求1所述的振动式海浪发电机，其特征在于，所述能量转换装置包括动子，定子以及机架，所述定子固接于所述机架上，所述驱动轴部分伸入定子中，驱动轴相对于定子一端固接有动子。

3.根据权利要求1所述的振动式海浪发电机，其特征在于，所述能量转换装置包括活塞式抽水机、集水箱、水力发电机以及机架，所述集水箱固定于机架上，所述驱动轴与活塞式抽水机的活塞连接，活塞式抽水机的出水口设于集水箱上方，所述水力发电机设于集水箱出水口的下方。

4.根据权利要求1所述的振动式海浪发电机，其特征在于，所述能量转换装置包括摇杆、齿轮组、机架以及发电机，所述齿轮组固定于机架上，所述驱动轴与摇杆转动连接，摇杆与齿轮组传动连接，齿轮组与发电机传动连接。

5.根据权利要求1所述的振动式海浪发电机，其特征在于，所述能量转换装置包括吊桶，软管，滑轮组，阀门，集水箱、机架以及水力发电机，所述滑轮组固定于机架上，所述驱动轴与吊桶的顶端通过分别连接滑轮组的两端传动连接，所述阀门设于吊桶的底端，所述软管一端与吊桶连接，另一端与集水箱连接，所述水力发电机设于集水箱出水口的下方。

6.根据权利要求1所述的振动式海浪发电机，其特征在于，所述左、右臂为硬质杆或绳索。

7.根据权利要求1所述的振动式海浪发电机，其特征在于，所述驱动轴为硬质杆或绳索。