CN213981031U - 一种基于发动机形式的新型海浪发电装置 - Google Patents

一种基于发动机形式的新型海浪发电装置 Download PDF

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戴建国
王程
朱建辉
薛长健
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Abstract

本实用新型涉及海浪发电技术领域，公开了一种基于发动机形式的新型海浪发电装置，包括浮子，浮子上竖直固定有齿条杆，齿条杆的有齿一侧啮合有棘轮，棘轮中心轴通过传动组件连接有曲轴，曲轴上设有至少一个曲柄连杆机构，曲柄连杆机构一侧设有缸体，缸体内壁上设有永磁体磁环阵列，曲柄连杆机构上的连杆远离曲轴的一端绕有绕线组内芯，绕线组内芯位于所述缸体内作往复运动。与现有技术相比，本实用新型借鉴了多缸发动机的结构原理，采用多组直线发电装置并联，通过棘轮、传动组件及曲柄连杆机构将海浪的简谐运动转化为多个直线发电装置内芯的直线简谐运动，提高发电效率同时便于后期维护。

Description

一种基于发动机形式的新型海浪发电装置
技术领域
本实用新型涉及海浪发电技术领域，特别涉及一种基于发动机形式的新型海浪发电装置。
背景技术
能源及环境问题一直是经济全球化高速发展所面临的巨大难题。相较于传统的化石能源，电能无疑是现今主流的替代化石能源的清洁能源。我国目前主要的电能仍是源于火力发电，水电仅占有电源结构的百分之二十几，而我国有长达3.4万公里的海岸线，若是将以开发利用，利用海浪的振幅来发电，不仅可以解决能源问题，还可以解决火力发电带来的环境问题。
海浪产生的能源属于可再生的清洁能源。根据国际能源署的调查数据显示，我国的海浪能总储量高达7-17TW·h，在海浪能源的开发上具有相当大的开发潜力。目前主流的海浪能发电装置主要有液压式发电、涡轮式发电与直驱式直线发电三类，而液压式发电与涡轮式发电因应用领域较广，研究技术相对成熟。直驱式直线发电机利用海浪在垂直面的起伏运动推动发电机体作直线运动，将捕获的海浪能转化为电能。目前中国具有代表性的关于利用直线电机的海浪能发电的研究成果是吴必军团队在珠海大万山岛外投放的额定功率为10KW的哪吒一号。此外，东南大学胡敏强教授带领研究团队对永磁直线波浪能发电进行了长期研究。目前国内利用直线电机作海浪馈能装置的研究主要是增大直线电机个体并改变整体装置的能量获取形式，而相同结构尺寸比例下的直线电机发电效率是与其动子的运动速度有关，而与电机大小无关，所以大体积的直线电机式馈能方案并不能有效提高海浪馈能效率。且个体大的直线电机也有着灵活性差的缺点，由于海浪的能量是浮动的，具有不定性，故而使得个体直线电机在大部分工况下无法达到最优馈能效率，造成装置性能浪费。采用单体大型直线电机也会造成后期维护困难，进入维修时，装置馈能即中止，不能稳定持续馈能。
实用新型内容
实用新型目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于发动机形式的新型海浪发电装置，借鉴了多缸发动机的结构原理，采用多组直线发电装置并联，通过棘轮、传动组件及曲柄连杆机构将海浪的简谐运动转化为直线发电装置内芯的直线简谐运动，提高发电效率同时便于后期维护。
技术方案：本实用新型提供了一种基于发动机形式的新型海浪发电装置，包括浮子，所述浮子上竖直固定有齿条杆，所述齿条杆的有齿一侧啮合有棘轮，棘轮中心轴通过传动组件连接有曲轴，所述曲轴上设有至少一个曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构一侧设有缸体，所述缸体内壁上设有永磁体磁环阵列，所述曲柄连杆机构上的连杆远离所述曲轴的一端绕有绕线组内芯，所述绕线组内芯位于所述缸体内作往复运动。
进一步地，所述传动组件包括固定于所述棘轮中心轴的主动轮、固定于所述曲轴一端的从动轮，所述主动轮与所述从动轮通过皮带连接。
进一步地，所述主动轮的直径大于所述从动轮的直径。
进一步地，所述曲柄连杆机构包括套固于曲轴上的凸轮轴，所述凸轮轴上铰接有所述连杆。
进一步地，所述齿条杆受浮子向上的力时，带动所述棘轮作定向旋转；所述齿条杆受浮子向下的力时，所述棘轮不受力作用。
进一步地，所述永磁体磁环阵列采用Halbach阵列。
进一步地，所述绕线组内芯选用导磁材料的轻质钢，并采用漆包线绕制方法绕制成线圈绕组。
有益效果：
1、本申请相较于传统直线电机发电装置加入了传动机制，使单一周期的海浪起伏运动可转化为多周期的线圈绕组切割磁场的简谐运动，更大程度上提升了发电效率。后期本申请可在结合具体海域海浪能大小的基础上合理选配变速机制传动比、发电机组数量，以达到最优组合，应变灵活，易做到各区域海浪发电效率最优化。
2、本申请相较于传统的直线电机发电装置的单体发电，借鉴了多缸发动机的结构原理，选用多组直线电机发电装置并联，即可由一个浮子的简谐运动驱动多组直线电机协同发电。且在后期电机维护时可对问题电机进行维修，对其他电机继续馈能不构成影响。
3、本申请提出的发电装置在大规模使用情况下可进行多组装置联装搭建发电平台，是高效率的发电机组平台化、规模化，以达到更高的发电效益。
4、本申请相较于其他专利更具综合性，面对具有不固定性的海浪能量，可选用不同的传动组件去调整传动比亦或是调整工作的发电机组数，以便于在各种情况下的海浪能实现最佳馈能效率，可扩展性强。
附图说明
图1为本实用新型海浪发电装置整体结构示意图；
图2为本实用新型海浪发电装置侧视图一；
图3为本实用新型海浪发电装置侧视图二；
图4为本实用新型海浪发电装置中永磁体磁环阵列设计示意图。
其中，1-齿条杆，2-棘轮，3-主动轮，4-皮带，5-从动轮，6-曲轴，7-曲柄，8-连杆，9-绕线组内芯，10-永磁体磁环阵列，11-缸体。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细的介绍。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
本实用新型主要是为了解决现有技术中存在的大体积的直线电机式馈能方案并不能有效提高海浪馈能效率、个体大的直线电机也有着灵活性差的缺点，同时存在后期维护困难等问题，本实用新型公开了一种基于发动机形式的新型海浪发电装置，包括浮子，浮子上竖直固定有齿条杆1，齿条杆1的有齿一侧啮合有棘轮2，棘轮2中心轴通过传动组件连接有曲轴6，曲轴6上设有至少一个曲柄连杆机构，本实用新型中涉及的曲柄连杆机构为参考发电机原理的曲柄连杆机构。曲柄连杆机构包括套固于曲轴6上的凸轮轴7，凸轮轴7上铰接有连杆7。曲柄连杆机构一侧设有缸体11，缸体11内壁上设有永磁体磁环阵列10，永磁体磁环阵列10采用Halbach阵列，如图4所示。曲柄连杆机构上的连杆8远离曲轴6的一端绕有绕线组内芯9，绕线组内芯9位于所述缸体11内作往复运动。绕线组内芯9选用导磁材料的轻质钢，并采用漆包线绕制方法绕制成线圈绕组，为尽可能提高绕组的电流密度，线圈绕组应尽可能紧密。附图4中，磁场增强区即为缸体11内部绕线组内芯9移动的区间，而磁场减弱区即为缸体11的外面。其中箭头指向即为磁场走向。
本实施方式中，传动组件包括固定于棘轮2中心轴的主动轮3、固定于曲轴6一端的从动轮5，主动轮3与从动轮5通过皮带4连接。齿条杆1受浮子向上的力时，其向上直线运动，棘轮2与齿条杆1啮合，受向上的力，定向旋转，棘轮2旋转带动主动轮3转动，主动轮3转动通过皮带传动至从动轮5与曲轴6上。当齿条杆1受浮子向下的力时，棘轮2不受力作用，棘轮2为仅受单向作用力的齿轮。
本实施方式中，设置主动轮3的直径大于从动轮5的直径，这样的话，主动轮3上的转动速度传动至从动轮5上的速度就会加快。
若齿条杆1在受到浮子向上的力使其在时间t下产生位移为L，则棘轮2的线速度V2等于齿条杆1的速度V1，为：
Figure BDA0002757047930000041
再求得棘轮2的角速度为：
Figure BDA0002757047930000042
其中，r2是棘轮2的半径。
由于棘轮2与主动轮3同轴，则主动轮3的角速度为：
Figure BDA0002757047930000043
所以，主动轮3的线速度V3：
Figure BDA0002757047930000044
其中，r3为主动轮3的半径。
从动轮5与主动轮3通过皮带4连接，则从动轮5的线速度为：
Figure BDA0002757047930000045
从动轮5的角速度为
Figure BDA0002757047930000046
又因从动轮5、曲轴6、曲柄7同轴，则可知：
Figure BDA0002757047930000047
由曲柄角速度ω7和曲柄旋转半径R7可以求出，曲柄旋转线速度V7为：
Figure BDA0002757047930000048
设曲柄旋转k周，则可求出k为：
Figure BDA0002757047930000049
如图1与图2所示，曲柄7、连杆8和绕线组内芯9构成曲柄连杆机构，则绕线组内芯9在永磁体磁环阵列10内的移动行程S为两倍的曲柄7旋转半径，即S＝2r7。
则齿条杆1运动高度L带动曲柄旋转k圈，绕线组内芯9在永磁体阵列10中循环k个周期，由绕线组内芯9的行程S、k个循环结合时间t可知绕线组内芯9的运动速度V9为：
Figure BDA00027570479300000410
在此为本实用新型中的永磁体磁环阵列定义一个馈能电压系数Ke，Ke由不同作动装置通过仿真计算和数据比对获取的值，则有：
Figure BDA0002757047930000051
其中，U为馈能电压。
由电压与电量的关系可知，电量Q为：
Figure BDA0002757047930000052
设单组直线电机组有n个小型直线电机相连，且共有m组电机组相互平行(缸体11数量)且借由皮带4与从动轮5相连(附图中所示为单组4个电机情况)。假定时间t内齿条杆1运动高度L情况下单个小型直线电机发电量为Q，则有：
Figure BDA0002757047930000053
上述实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于发动机形式的新型海浪发电装置，包括浮子，其特征在于，所述浮子上竖直固定有齿条杆（1），所述齿条杆（1）的有齿一侧啮合有棘轮（2），棘轮（2）中心轴通过传动组件连接有曲轴（6），所述曲轴（6）上设有至少一个曲柄连杆机构，所述曲柄连杆机构一侧设有缸体（11），所述缸体（11）内壁上设有永磁体磁环阵列（10），所述曲柄连杆机构上的连杆（8）远离所述曲轴（6）的一端绕有绕线组内芯（9），所述绕线组内芯（9）位于所述缸体（11）内作往复运动。
2.根据权利要求1所述的基于发动机形式的新型海浪发电装置，其特征在于，所述传动组件包括固定于所述棘轮（2）中心轴的主动轮（3）、固定于所述曲轴（6）一端的从动轮（5），所述主动轮（3）与所述从动轮（5）通过皮带（4）连接。
3.根据权利要求2所述的基于发动机形式的新型海浪发电装置，其特征在于，所述主动轮（3）的直径大于所述从动轮（5）的直径。
4.根据权利要求1所述的基于发动机形式的新型海浪发电装置，其特征在于，所述曲柄连杆机构包括套固于曲轴（6）上的凸轮轴（7），所述凸轮轴（7）上铰接有所述连杆（8）。
5.根据权利要求1所述的基于发动机形式的新型海浪发电装置，其特征在于，所述齿条杆（1）受浮子向上的力时，带动所述棘轮（2）作定向旋转；所述齿条杆（1）受浮子向下的力时，所述棘轮（2）不受力作用。
6.根据权利要求1至5任一所述的基于发动机形式的新型海浪发电装置，其特征在于，所述永磁体磁环阵列（10）采用Halbach阵列。
7.根据权利要求1至5任一所述的基于发动机形式的新型海浪发电装置，其特征在于，所述绕线组内芯（9）选用导磁材料的轻质钢，并采用漆包线绕制方法绕制成线圈绕组。
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