CN108626065B - 一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新型可再生能源技术和海洋装备领域，特别是涉及一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备。它包括弧线电磁发电装置、箱体、摆板、摆板轴座、摆板轴承、电力变换设备和发电装置平台。摆板通过摆板轴与弧线电磁发电装置的初级相连，当波浪推动摆板摆动时，摆板直接驱动弧线电磁发电装置的初级在有限角度内往复摆动，通过初级的绕组切割励磁磁场直接产生三相交流电，所产生的三相交流电通过电力变换设备，产生稳定的工频三相交流电，传输到电网中。本发明利用波浪波动所蕴含的能量，直接将机械能转变为电能，简化了发电***，提高了电能转化效率。摆板采用可活动的百叶式设计，降低恶劣波浪对发电设备的破坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种捕获波浪能的悬挂摆式发电装置，特别是弧形电磁发电装置和可活动的百叶式设计的摆板。
背景技术
随着社会和科学技术的不断发展，各国对能源的需求量不断增大。进入21世纪后，受到石油资源日趋枯竭、传统火电环境污染大等能源安全和环境问题的影响，人们开始深入对海洋中所蕴含的各种可再生能源的开发与利用。海洋能源主要包括潮汐能、波浪能、洋流能等，其中全球波浪能开采量估计为1～10亿kW，我国波浪能理论储量为7000kW左右，开采潜力很大。
目前，世界上有多种结构的波浪能发电装置，如振荡浮子波浪能发电装置、浮子涡轮波浪能发电装置和悬挂摆式波浪能发电装置。其中，悬挂摆式波浪能发电机多建设在岸基位置，一般采用与液压缸相连传动方式连接发电机进行发电。众所周知，悬挂摆式波浪能发电装置是波浪推动摆板，摆板在有限角度内沿弧线做往复运动。
传统的悬挂摆式波浪能发电机采用机械、油压、涡轮传动，这些发电装置虽然在台风等恶劣环境下可以保证设备的安全，但是传动结构复杂，发电效率较低，能源利用率低。如申请号CN205001117 U，名为“双摆式波浪能发电单元结构”，通过包括超越离合器在内的复杂机械结构。申请号CN 201520889237.X，名为“一种新型悬挂摆式波浪能发电装置”采用液压***，传递能量。申请号CN104405565 A，名为“一种重力摆式波浪能发电转置”采用钢缆连接发电设备，当钢缆过载时容易发生断裂。以上***均未采用直接驱动电能发生装置发电，结构复杂，可靠性低，易损坏。
发明内容
本发明的目的是：实现波浪能发电机的直驱发电，在缩小设备结构体积的同时，提高能源转化效率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，包括弧线电磁发电装置、箱体、摆板、摆板轴座、摆板轴承、电力变换设备，弧线电磁发电装置产生的电能经由电力变换设备送入电网，其特征在于：所述箱体由两个侧壁、一个后壁和一个底板组成，箱体的正面及顶面形成开口；所述弧线电磁发电装置固定在箱体外，包括用于产生磁场的次级部件及用于切割所述磁场产生电能的初级部件；所述箱体内设有摆板，波浪经由箱体的开口进入箱体后驱动摆板摆动，所述初级部件在摆板的带动下来回摆动切割所述磁场，从而生产电能；
所述摆板包括摆板面、摆板轴与摆板连杆，摆板轴的两端套设有摆板轴承，摆板轴承设于摆板轴座上，摆板轴座固定在所述箱体上，摆板轴上穿设有初级部件及摆板连杆的端部，摆板连杆上设有角度可调的摆板面，摆板面的状态在角度一至角度二之间调整，将摆板连杆所在方向定义为Z轴，将波浪的流动方向定义为X轴，与Z轴及X轴均垂直的方向为Y轴，则有：摆板面调整至角度一时，摆板面位于ZOY平面，摆板面调整至角度二时，摆板面位于ZOX平面。
优选地，所述电力变换设备包括依次相连的整流器、蓄电池及逆变器，逆变器接入电网，整流器与弧线电磁发电装置的初级部件相连。
优选地，所述初级部件夹在两个所述次级部件之间，所述初级部件及所述次级部件均呈弧形，且初级部件的弧形角度比所述次级部件的弧形角度小，所述初级部件与所述次级部件的弧形角度的差为所述初级部件摆动的行程。
优选地，所述弧线电磁发电装置及所述电力变换设备固定在发电装置平台上，发电装置平台则固定与所述箱体的两个侧壁的中部。
优选地，所述次级部件由励磁线圈构成；所述初级部件包括三相绕组和初级铁心，三相绕组与所述电力变换设备相连。
优选地，所述箱体的侧壁内侧形成拼接的斜面一及斜面二，斜面一由箱体的开口开始向靠近摆板所在方向倾斜，直至摆板所在平面，斜面二由摆板所在平面开始向远离摆板所在方向倾斜，直至箱体的后壁。
和/或所述箱体底板内侧形成拼接的斜面三及斜面四，斜面三由箱体的开口开始向靠近摆板所在方向倾斜，直至摆板所在平面，斜面四由摆板所在平面开始向远离摆板所在方向倾斜，直至箱体的后壁。
优选地，在所述初级部件上设有用于检测所述初级部件摆动速度的加速度检测器，若所述初级部件摆动速度超过预先设定的阈值，则将所述摆板面向角度二调整，否则，将所述摆板面向角度一调整。
优选地，所述摆板还包括摆板面驱动装置、摆板驱动杆、摆板联动杆和摆板面连杆，摆板连杆上有多个孔，摆板面连杆穿过摆板连杆上的孔使摆板面与摆板连杆活动连接，使得多个摆板面形成整体；摆板连杆上还设有摆板面驱动装置，摆板面驱动装置驱动摆板驱动杆固定连接，摆板驱动杆与摆板联动杆活动连接，摆板联动杆与形成整体的摆板面活动连接，摆板面驱动装置通过摆板驱动杆及摆板联动杆驱动摆板面的状态在角度一至角度二之间调整。
优选地，所述摆板面为梯形结构。
优选地，所述摆板的最大摆动角度为45°。
本发明将采用基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，实现直驱发电的效果，在缩小设备结构体积的同时，可以提高能源转化效率。另外，摆板采用可活动的百叶式结构，可以在波浪较大时，有效降低波浪对发电设备的危害。
本发明可以有效利用海洋中的波浪能资源，采用基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备的设计，直接将波浪能转化为电能。所述发电设备结构简单可靠，转化效率较高，便于制造和安装。另外，由于摆板采用可活动的百叶式设计，提高了发电装备抵抗恶劣波浪的能力。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的右视图；
图4为本发明的剖面图；
图5为电力变换设备结构框图；
图6位摆板主视图；
图7为摆板左视图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
结合图1至7，本发明公开了一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，主要包括弧线电磁发电装置1、箱体2、摆板3、摆板轴座4、摆板轴承5、电力变换设备6、发电装置平台20。
箱体2采用混凝土材料，使得结构强度高，不易受到海水侵蚀。箱体2由两个侧壁、一个后壁和一个底板共四部分组成。从而在箱体2的正面及顶面形成开口。侧壁和底板均采用斜面设计，侧壁的斜面由斜面一及斜面二衔接而成，斜面一由箱体2的开口开始向箱体2内的摆板3所在方向倾斜，直至摆板3所在平面；斜面二由摆板3所在平面开始向远离摆板3所在方向倾斜，直至后壁。底板的斜面由斜面三及斜面四衔接而成，斜面三由箱体2的开口开始向靠近摆板3所在方向倾斜，直至摆板3所在平面，斜面四由摆板3所在平面开始向远离摆板3所在方向倾斜，直至箱体2的后壁。采用这种结果可以有效对波浪进行收拢，提高波浪能的利用率。
弧线电磁发电装置1为半圆状弧形结构，采用内初级外次级结构，其中初级部件13夹在两个次级部件14之间，初级部件13和次级部件14均为弧形结构，初级部件13比次级部件14的弧线角度小，两者之差是初级部件13摆动的行程。弧线电磁发电装置1的次级部件14两端具有限位挡板结构，次级部件14可以采用永磁体产生励磁磁场或者通过通电线圈产生励磁磁场。弧线电磁发电装置1的初级部件13由三相线圈和铁心构成，初级部件13在摆动过程中，切割次级部件14产生的磁场，从而产出电能。
本实施例中的摆板3采用强度较高、重量较轻的塑料材料制成，其由多个摆板面10、摆板轴11、摆板连杆12、摆板面驱动装置15、摆板驱动杆16、摆板联动杆17和摆板面连杆18组成。摆板面10为梯形结构，且采用百叶式设计。摆板轴座4设置在箱体2两个侧壁中部的上方，摆板轴座4上安装有摆板轴承5，摆板3通过摆板轴承5安装在摆板轴座4上，使得摆板3位于箱体2中部。摆板连杆12有一部分超出摆板轴承5，摆板轴11与弧线电磁发电装置1同轴，与初级部件13连接在一起。
摆板连杆12上有多个孔，摆板面连杆18穿过摆板连杆12上的孔使摆板面10与摆板连杆12活动连接。摆板连杆12上设置有摆板面驱动装置15，摆板面驱动装置15和摆板驱动杆16固定连接，摆板驱动杆16、摆板联动杆17和摆板面10活动连接。
当波浪推动摆板3摆动时，摆板3通过摆板杆12带动弧线电磁发电装置1的初级部件13沿弧线在有限角度内往复运动。
将摆板连杆12所在方向定义为Z轴，将波浪的流动方向定义为X轴，与Z轴及X轴均垂直的方向为Y轴，则有：弧线电磁发电装置1的初级部件13上有加速度检测器19，加速度检测器19用来检测初级部件13的加速度。当波浪较大时，波浪推动摆板3快速转动，加速度检测器19检测到较大加速度，给摆板面驱动装置15发送电信号，摆板面驱动装置15动作，驱动摆板驱动杆16、摆板联动杆17，带动摆板面10，使摆板面10调整至位于XOZ平面内，即垂直于摆板连杆12。此时摆板面10受力面积最小，波浪通过摆板面10间的空隙流过摆板3，降低波浪对摆板3的冲击，从而减小波浪对发电设备的损害。
当波浪较小时，摆板面驱动装置15动作，驱动摆板驱动杆16、摆板联动杆17，带动摆板面10，使摆板面10调整至位于YOZ平面内，即摆板面10垂直于水平面。此时摆板面10受力面积最大。
基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备的电力变换设备包括整流器7、蓄电池8、逆变器9。其中，整流器7和逆变器9由IGBT等各类开关管构成整流电路和逆变电路。
发电装置平台20安装在箱体2的中部，用来安放弧线电磁发电装置1、摆板轴座4、摆板轴承5、电力变换设备6。
当没有波浪作用时，摆板3位于垂直状态，保持静止。
当波浪作用到所述发电设备时，摆板3随水流摆动，摆板3通过摆板连杆12带动弧线电磁发电装置1的初级部件13做往复运动，产生电力。
以所述箱体2的开口在右侧为例，上升阶段的波浪从右侧进入本发明，波浪冲击摆板3向左运动，部分波浪通过摆板3进入箱体2。摆板3通过摆板连杆12直接带动弧线电磁发电装置1的初级部件13向右转动，初级部件13中的三相绕组切割励磁磁场，在绕组中形成电流。另外，进入箱体2的波浪碰撞箱体2的后壁，形成向右的反射波。此时向左的波浪进入下降阶段，与向右的反射波共同作用，使摆板3向右摆动。摆板3通过摆板连杆12直接带动弧线电磁发电装置1的初级部件13向左转动，这一运动特性与上一过程相反，初级部件13中的三相绕组切割励磁磁场，同样在绕组中形成电流。由于波浪不停的运动，使得摆板3连续摆动，不断的把波浪能转化为电能。
弧线电磁发电装置1在两个运动过程中产生的三相电的向序相反。其中，当所述弧线电磁发电装置1的初级部件13向右转动时，通过绕组切割励磁磁场产生的三相交流电为A、B、C相向序。当弧线电磁发电装置1的初级部件13向左转动时，绕组产生的三相交流电为A、C、B相向序。此时需要电力变换装置6中整流器7将其整流为直流电，将电能储存到蓄电池8中。并通过逆变器9将直流电逆变为工频交流电，接入电网。
尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方法，上述的具体实施方法仅仅是示意性的，并不是限制性的。
Claims (9)
1.一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，包括弧线电磁发电装置(1)、箱体(2)、摆板(3)、摆板轴座(4)、摆板轴承(5)、电力变换设备(6)，弧线电磁发电装置(1)产生的电能经由电力变换设备(6)送入电网，其特征在于：所述箱体(2)由两个侧壁、一个后壁和一个底板组成，箱体(2)的正面及顶面形成开口；所述弧线电磁发电装置(1)固定在箱体(2)外，包括用于产生磁场的次级部件(14)及用于切割所述磁场产生电能的初级部件(13)；所述箱体(2)内设有摆板(3)，波浪经由箱体(2)的开口进入箱体(2)后驱动摆板(3)摆动，所述初级部件(13)在摆板(3)的带动下来回摆动切割所述磁场，从而生产电能；
所述摆板(3)包括摆板面(10)、摆板轴(11)与摆板连杆(12)，摆板轴(11)的两端套设有摆板轴承(5)，摆板轴承(5)设于摆板轴座(4)上，摆板轴座(4)固定在所述箱体(2)上，摆板轴(11)上穿设有初级部件(13)及摆板连杆(12)的端部，摆板连杆(12)上设有角度可调的摆板面(10)，摆板面(10)的状态在角度一至角度二之间调整，将摆板连杆(12)所在方向定义为Z轴，将波浪的流动方向定义为X轴，与Z轴及X轴均垂直的方向为Y轴，则有：摆板面(10)调整至角度一时，摆板面(10)位于ZOY平面，摆板面(10)调整至角度二时，摆板面(10)位于ZOX平面；
所述摆板(3)还包括摆板面驱动装置(15)、摆板驱动杆(16)、摆板联动杆(17)和摆板面连杆(18)，摆板连杆(12)上有多个孔，摆板面连杆(18)穿过摆板连杆(12)上的孔使摆板面(10)与摆板连杆(12)活动连接，使得多个摆板面(10)形成整体；摆板连杆(12)上还设有摆板面驱动装置(15)，摆板面驱动装置(15)驱动摆板驱动杆(16)固定连接，摆板驱动杆(16)与摆板联动杆(17)活动连接，摆板联动杆(17)与形成整体的摆板面(10)活动连接，摆板面驱动装置(15)通过摆板驱动杆(16)及摆板联动杆(17)驱动摆板面(10)的状态在角度一至角度二之间调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，其特征在于：所述电力变换设备(6)包括依次相连的整流器(7)、蓄电池(8)及逆变器(9)，逆变器(9)接入电网，整流器(7)与弧线电磁发电装置(1)的初级部件(13)相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，其特征在于：所述初级部件(13)夹在两个所述次级部件(14)之间，所述初级部件(13)及所述次级部件(14)均呈弧形，且初级部件(13)的弧形角度比所述次级部件(14)的弧形角度小，所述初级部件(13)与所述次级部件(14)的弧形角度的差为所述初级部件(13)摆动的行程。
4.根据权利要求1所述的一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，其特征在于：所述弧线电磁发电装置(1)及所述电力变换设备(6)固定在发电装置平台(20)上，发电装置平台(20)则固定与所述箱体(2)的两个侧壁的中部。
5.根据权利要求1所述的一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，其特征在于：所述次级部件(14)由励磁线圈构成；所述初级部件(13)包括三相绕组和初级铁心，三相绕组与所述电力变换设备(6)相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，其特征在于：所述箱体(2)的侧壁内侧形成拼接的斜面一及斜面二，斜面一由箱体(2)的开口开始向靠近摆板(3)所在方向倾斜，直至摆板(3)所在平面，斜面二由摆板(3)所在平面开始向远离摆板(3)所在方向倾斜，直至箱体(2)的后壁；
和/或所述箱体(2)底板内侧形成拼接的斜面三及斜面四，斜面三由箱体(2)的开口开始向靠近摆板(3)所在方向倾斜，直至摆板(3)所在平面，斜面四由摆板(3)所在平面开始向远离摆板(3)所在方向倾斜，直至箱体(2)的后壁。
7.根据权利要求1所述的一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，其特征在于：在所述初级部件(13)上设有用于检测所述初级部件(13)摆动速度的加速度检测器(19)，若所述初级部件(13)摆动速度的超过预先设定的阈值，则将所述摆板面(10)向角度二调整，否则，将所述摆板面(10)向角度一调整。
8.根据权利要求1所述的一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，其特征在于：所述摆板面(10)为梯形结构。
9.根据权利要求1所述的一种基于弧线电磁发电装置的悬挂摆式波浪能发电设备，其特征在于：所述摆板(3)的最大摆动角度为45°。
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