CN115199462A - 面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，包括能量收集平台和减摇水舱；减摇水舱固定于能量收集平台内，减摇水舱内设置有纳米摩擦发电机；能量收集平台包括平台框架、动杆、并排线圈和弹簧模组，平台框架为正方体框架，平台框架的6个框架面分别设置有一根动杆，动杆的两端设置有N‑S极磁铁，N‑S极磁铁嵌入对应的框架静杆上设置的滑槽内，滑槽内设置并排线圈和两组弹簧模组；动杆受到来自波和流的激励在滑槽内来回移动，滑槽内的并排线圈切割N‑S极磁铁的磁感线，收集电能；本发明能够实现波‑流联合能量收集，通过设置减摇水舱配合纳米摩擦发电机，在增加平台稳定性的同时，将晃动的机械能转化为电能。
Description
技术领域
本发明涉及波浪振动发电装置技术领域，特别是涉及一种面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台。
背景技术
波浪能量收集装置属于波浪振动发电装置技术领域，涉及一种漂浮式全方向波浪能收集装置及方法，漂浮式全方向波浪收集装置包括重力锚、浮漂板、激励结构以及能量收集机构，漂浮板与激励机构转动式连接，激励结构与能量收集机构转动式连接；它包括能量收集壳体以及位于能量收集壳体内的磁铁与磁致伸缩悬梁臂；磁致伸缩悬梁臂包括磁致伸缩片与缠绕在磁致伸缩片外的感应线圈；激励结构包括波浪能转换体和伸入至能量收集壳体内的激励体。可将任意方向的波浪能转化为激励体的旋转并使激励体于磁致伸缩片表面运动，使磁致伸缩片产生弯曲变形。压电振动能量收集装置可实现对较低频率和不同环境振动方向条件下一定频率范围内振动能量的有效收集。
目前，波浪能的收集主要是电磁感应发电机，但其应用在这一领域有诸多不便。首先，基于法拉第电磁感应原理的发电机输出功率与频率的平方呈正比，而波浪的低频(<3Hz)和杂乱无序性使其无法高效收集波浪能；其次，电磁感应发电机需要一系列复杂的设备将海浪的机械能转化为电能，导致其体积大，造价高昂，不利于应对海洋上多变极端的气候环境。
综上，目前波浪能量收集装置存在无法高效收集波浪能，且造价高昂，不利于应对海洋上多变极端的气候环境的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现波-流联合能量收集，动杆受到波浪和流的激励产生流致振动和波激振动切割磁感线，既能吸收波的能量，又能同时吸收流的能量，还能够通过设置减摇水舱并在减摇水舱内设置纳米摩擦发电机，在增加平台稳定性的同时，将晃动的机械能转化为电能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，包括能量收集平台和减摇水舱；
所述减摇水舱固定于所述能量收集平台内，所述减摇水舱内设置阻尼板，所述阻尼板上设置有纳米摩擦发电机；
所述能量收集平台包括平台框架、动杆、并排线圈和弹簧模组，所述平台框架由12根框架静杆构成的正方体框架，所述平台框架的6个框架面分别设置有一根所述动杆，每根所述动杆的两端均设置有N-S极磁铁，每根所述动杆端部的N-S极磁铁嵌入对应的所述框架静杆上设置的滑槽内，所述滑槽沿着所述框架静杆的轴向设置，所述滑槽内设置所述并排线圈，所述滑槽内还设置有两组所述弹簧模组，两组所述弹簧模组的外端连接所述滑槽的两端内壁，两组所述弹簧模组的内端相对且留有放置所述N-S极磁铁的间隙；所述动杆受到来自波和流的激励在所述滑槽内来回移动，所述滑槽内的所述并排线圈切割所述N-S极磁铁的磁感线，收集电能。
优选地，所述减摇水舱为由两个U形舱相对拼接而成的回形舱体结构；每个所述U形舱包括2块U形侧面板、2块外侧板、2块内侧板、1块上盖板和一块底板，两块所述U形侧面板的两端通过两块所述外侧板连接，两块所述U形侧面板的底部通过所述底板连接，两块所述U形侧面板的顶部凹槽处通过所述上盖板连接，所述上盖板两侧的两块所述U形侧面板之间分别通过两块所述内侧板连接。
优选地，所述阻尼板为L形阻尼板，所述U形舱的两个竖向内腔内均设置有两个阻尼板，两个所述阻尼板相对且分别固定于所述外侧板和所述内侧板上；所述U形舱的底部横向内腔内设置有格栅板。
优选地，所述纳米摩擦发电机粘贴于所述阻尼板上。
优选地，所述减摇水舱、所述阻尼板和所述格栅板的材质为亚力克。
优选地，所述平台框架的各框架角处为连接构成对应框架角的各所述框架静杆的三通管。
优选地，所述弹簧模组包括嵌套在一起的弹簧一和弹簧二，所述弹簧一的长度长于所述弹簧二，所述弹簧二嵌套于所述弹簧一内，所述弹簧一和所述弹簧二的外端同时连接一矩形底座，所述弹簧一的内端也连接有一矩形底座，所述弹簧一和所述弹簧二的内端通过所述矩形底座连接所述滑槽的两端侧壁。
优选地，连接有两个所述动杆的所述框架杆上设置有两个所述滑槽，连接有一个所述动杆的所述框架杆上设置有一个所述滑槽。
优选地，所述平台框架其中两个对角处的框架静杆上连接有两个拍型支撑板一和一个拍型支撑板二，两个所述拍型支撑板一设置于所述框架静杆的顶部和底部，所述拍型支撑板二设置于所述框架静杆的中部，两个所述拍型支撑板一的相对面上设置有限位槽，所述拍型支撑板二上设置有套接孔，所述减摇水舱的顶部和底部卡接在所述限位槽内，所述减摇水舱的舱体中部套接在所述套接孔内。
优选地，所述N-S极磁铁为由C型的N极磁铁和S极磁铁构成的柱形磁铁。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
1、本发明提供的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，能够实现波-流联合能量收集，动杆受到波浪和流的激励产生流致振动和波激振动切割磁感线，既能吸收波的能量，又能同时吸收流的能量。
2、在减摇水舱内设置纳米摩擦发电机，纳米摩擦发电机具有造价低，易于大规模铺展，材料选择面广泛及质量轻等优点，可以高效稳定地收集自然界中低频杂乱的机械能，并将其转变为电能。
3、减摇水舱可以减小正方体型能量收集平台的晃动，增加稳定性，提高装置的重复利用率，并将晃动的机械能转化为电能。
4、动杆本身收到来自波和流的激励，在槽内往复来回运动，在弹簧模组的约束下，N-S磁铁切割线圈产生感应电动势，实现收集振动能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台的结构示意图；
图2为本发明中减摇水舱的结构示意图；
图3为本发明中U形舱的结构示意图；
图4为本发明中U形舱的剖面图；
图5为本发明中阻尼板的结构示意图；
图6为本发明中格栅板的结构示意图；
图7为本发明中平台框架的结构示意图；
图8为本发明中的弹簧模组结构示意图；
图9为本发明中并排线圈的结构示意图；
图10为本发明中设置有一个滑槽的框架静杆的结构示意图；
图11为本发明中设置有两个滑槽的框架静杆的结构示意图；
图12为本发明中动杆的结构示意图；
图13为本发明中安装有拍型支撑板一和拍型支撑板二的平台框架的结构示意图；
图14为本发明中拍型支撑板一的结构示意图；
图15为本发明中拍型支撑板二的结构示意图；
图中：1-能量收集平台、11-平台框架、111-框架静杆、112-三通管、12-动杆、13-并排线圈、14-弹簧模组、141-弹簧一、142-弹簧二、143-矩形底座、15-N-S极磁铁、16-滑槽、17-拍型支撑板一、171-限位槽、18-拍型支撑板二、181-套接孔；
2-减摇水舱、21-阻尼板、22-格栅板、23-U形侧面板、24-外侧板、25-内侧板、26-上盖板、27-底板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，以解决现有技术存在的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，如图1-15所示，包括能量收集平台1和减摇水舱2；
减摇水舱2固定于能量收集平台1内，减摇水舱2内设置阻尼板21，阻尼板21上设置有纳米摩擦发电机(图中未示出)；
能量收集平台1包括平台框架11、动杆12、并排线圈13和弹簧模组14，平台框架整体11为45#钢结构，并为由12根框架静杆111构成的正方体框架，平台框架11的6个框架面分别设置有一根动杆12，每根动杆12的两端均设置有N-S极磁铁15，每根动杆12端部的N-S极磁铁15嵌入对应的框架静杆111上设置的滑槽16内，滑槽16沿着框架静杆111的轴向设置，滑槽16内设置并排线圈13，并排线圈13嵌入滑槽16内并通过焊接固定，滑槽16内还设置有两组弹簧模组14，两组弹簧模组14的外端连接滑槽16的两端内壁，两组弹簧模组14的内端相对且留有放置N-S极磁铁15的间隙；动杆12受到来自波和流的激励在滑槽16内来回移动，滑槽16内的并排线圈13切割N-S极磁铁15的磁感线，收集电能。
本实施例中的减摇水舱是应用最广泛的船舶减横摇装置之一，特别适用于经常工作在零航速或低航速的船舶减摇，如车客轮渡、滚装船和科学考察船等。
减摇水舱的工作原理：水舱的作用是将水周期性地聚积于水舱一边，即舱内水的重心沿横轴往复振荡，通过水的重力作用，产生一个施加于船上的力矩，该力矩与船舶横摇角速度方向相反。意味着船舶横摇和水舱中的水连续振荡，水舱产生的与船舶横摇角速度方向相反的力矩实际上增加了船舶横摇阻尼，从而大大地减小了船舶横摇运动幅值。
纳米摩擦发电机的工作原理是基于摩擦起电和静电感应效应的耦合。即当两种不同的介质材料相互接触，两个接触表面的原子间距小于正常键长(通常为0.2nm)时，由于原子间的势垒降低，在排斥力范围内的两个原子之间的强电子云重叠，导致原子之间的电子跃迁，就会在两个介质表面产生等量的正负电荷，即所谓的摩擦起电。之后再将两种介质分离，由于静电感应效应就会在两种介质外侧的电极中感生出相应的电荷，从而产生电势差驱动电子在外电路中来回流动。
于本具体实施例中，减摇水舱2为由两个U形舱相对拼接而成的回形舱体结构；每个U形舱包括2块U形侧面板23、2块外侧板24、2块内侧板25、1块上盖板26和一块底板27，两块U形侧面板23的两端通过两块外侧板24连接，两块U形侧面板23的底部通过底板27连接，两块U形侧面板23的顶部凹槽处通过上盖板26连接，上盖板26两侧的两块U形侧面板23之间分别通过两块内侧板25连接；以上各板之间的连接方式可以为螺栓连接或通过粘结剂粘结。
于本具体实施例中，阻尼板21为L形阻尼板，U形舱的两个竖向内腔内均设置有两个阻尼板21，两个阻尼板21相对且分别固定于外侧板24和内侧板25上；U形舱的底部横向内腔内设置有格栅板22。阻尼板21由螺钉螺母钉在外侧板24和内侧板25上，用于减缓水流的冲击速度，缩短水流在水舱的往返行程周期，从而达到帮助达到减摇的效果。格栅板22同阻尼板21一样，也用于减缓水流的冲击速度。纳米摩擦发电机粘贴于阻尼板21上。
于本具体实施例中，减摇水舱2、阻尼板21和格栅板22的材质为亚力克；亚克力制成的亚克力板的耐磨性与铝材接近，稳定性好，耐多种化学品腐蚀，适用于海上船舱底部多种潮湿复杂场景。
于本具体实施例中，平台框架11的各框架角处为连接构成对应框架角的各框架静杆111的三通管112；三通管112共设置8个，使各个框架静杆111拼装成正方体框架结构。
于本具体实施例中，弹簧模组14包括嵌套在一起的弹簧一141和弹簧二142，弹簧一141的长度长于弹簧二142，弹簧二142嵌套于弹簧一141内，弹簧一141和弹簧二142的外端同时连接一矩形底座143，弹簧一141的内端也连接有一矩形底座143，弹簧一141和弹簧二142的内端通过矩形底座143通过螺栓固定在滑槽16的两端侧壁上。弹簧一141为非零常刚度弹簧，弹簧二142为近零刚度弹簧，两种类型弹簧的设置是为了保证全频域段的能量收集，近零刚度弹簧收集近零频域段的低频域能量，非零常刚度弹簧收集非零正频域段的低频域能量。
于本具体实施例中，连接有两个动杆12的框架杆上设置有两个滑槽16，连接有一个动杆12的框架杆上设置有一个滑槽16。
为了实现减摇水舱2固定在平台框架11内，本实施例中，平台框架11的其中两个对角处的框架静杆111上还连接有两个拍型支撑板一17和一个拍型支撑板二18，两个拍型支撑板一17设置于框架静杆111的顶部和底部，拍型支撑板二18设置于框架静杆111的中部，两个拍型支撑板一17的相对面上设置有限位槽171，拍型支撑板二18上设置有套接孔181，减摇水舱2的顶部和底部卡接在限位槽171内，减摇水舱2的舱体中部套接在套接孔181内。
于本具体实施例中，N-S极磁铁15为由C型的N极磁铁和S极磁铁构成的柱形磁铁，N极磁铁和S极磁铁通过工业胶粘结在一起。
本实施例中的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台工作原理如下：
1.当海况较小时，正方体型能量收集平台1六个面的动杆12受到波浪和流的激励，产生流致振动和波激振动切割磁感线产生感应电动势，可收集电能，从而实现全频域地吸收海洋环境中的波流能量。
2.当海况较大时，减摇水舱2可以减小正方体型能量收集平台1的晃动，增加稳定性，提高装置的重复利用率，并将晃动的机械能转化为电能(通过固-液摩擦式TENG(纳米摩擦发电机)接触摩擦起电)。
3.能量收集平台1摇晃被抑制后，动杆12受到波浪和流的激励也可通过往复振动吸收海洋环境中的波流能量，此时，减摇水舱2和动杆12都可俘获海洋环境能量。
4.动杆12本身收到来自波和流的激励，在槽内往复来回运动，在弹簧模组14的约束下，N-S磁铁切割线圈产生感应电动势，收集振动能。
5.阻尼板21和格栅板22可以拆卸更换，可根据实际环境，调换阻尼板21的尺寸大小，会改变减摇水舱2中水摇晃的周期，实现最大程度的减摇效果，更好的增加能量收集平台1的稳定性。
6.固液纳米摩擦发电机由聚四氟乙烯(PTFE)，Cu(铜)片，聚酰亚胺(kapton)薄膜三层组成，聚四氟乙烯层在最外侧与水起摩擦作用，贴在阻尼板和格栅板上，聚四氟乙烯层具有良好疏水性和超强电负性。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，其特征在于：包括能量收集平台和减摇水舱；
所述减摇水舱固定于所述能量收集平台内，所述减摇水舱内设置阻尼板，所述阻尼板上设置有纳米摩擦发电机；
所述能量收集平台包括平台框架、动杆、并排线圈和弹簧模组，所述平台框架由12根框架静杆构成的正方体框架，所述平台框架的6个框架面分别设置有一根所述动杆，每根所述动杆的两端均设置有N-S极磁铁，每根所述动杆端部的N-S极磁铁嵌入对应的所述框架静杆上设置的滑槽内，所述滑槽沿着所述框架静杆的轴向设置，所述滑槽内设置所述并排线圈，所述滑槽内还设置有两组所述弹簧模组，两组所述弹簧模组的外端连接所述滑槽的两端内壁，两组所述弹簧模组的内端相对且留有放置所述N-S极磁铁的间隙；所述动杆受到来自波和流的激励在所述滑槽内来回移动，所述滑槽内的所述并排线圈切割所述N-S极磁铁的磁感线，收集电能。
2.根据权利要求1所述的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，其特征在于：所述减摇水舱为由两个U形舱相对拼接而成的回形舱体结构；每个所述U形舱包括2块U形侧面板、2块外侧板、2块内侧板、1块上盖板和一块底板，两块所述U形侧面板的两端通过两块所述外侧板连接，两块所述U形侧面板的底部通过所述底板连接，两块所述U形侧面板的顶部凹槽处通过所述上盖板连接，所述上盖板两侧的两块所述U形侧面板之间分别通过两块所述内侧板连接。
3.根据权利要求2所述的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，其特征在于：所述阻尼板为L形阻尼板，所述U形舱的两个竖向内腔内均设置有两个阻尼板，两个所述阻尼板相对且分别固定于所述外侧板和所述内侧板上；所述U形舱的底部横向内腔内设置有格栅板。
4.根据权利要求3所述的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，其特征在于：所述纳米摩擦发电机粘贴于所述阻尼板上。
5.根据权利要求3所述的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，其特征在于：所述减摇水舱、所述阻尼板和所述格栅板的材质为亚力克。
6.根据权利要求1所述的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，其特征在于：所述平台框架的各框架角处为连接构成对应框架角的各所述框架静杆的三通管。
7.根据权利要求1所述的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，其特征在于：所述弹簧模组包括嵌套在一起的弹簧一和弹簧二，所述弹簧一的长度长于所述弹簧二，所述弹簧二嵌套于所述弹簧一内，所述弹簧一和所述弹簧二的外端同时连接一矩形底座，所述弹簧一的内端也连接有一矩形底座，所述弹簧一和所述弹簧二的内端通过所述矩形底座连接所述滑槽的两端侧壁。
8.根据权利要求1所述的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，其特征在于：连接有两个所述动杆的所述框架杆上设置有两个所述滑槽，连接有一个所述动杆的所述框架杆上设置有一个所述滑槽。
9.根据权利要求1所述的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，其特征在于：所述平台框架其中两个对角处的框架静杆上连接有两个拍型支撑板一和一个拍型支撑板二，两个所述拍型支撑板一设置于所述框架静杆的顶部和底部，所述拍型支撑板二设置于所述框架静杆的中部，两个所述拍型支撑板一的相对面上设置有限位槽，所述拍型支撑板二上设置有套接孔，所述减摇水舱的顶部和底部卡接在所述限位槽内，所述减摇水舱的舱体中部套接在所述套接孔内。
10.根据权利要求1所述的面向波流环境的振动和减摇水舱混合式海洋能量收集平台，其特征在于：所述N-S极磁铁为由C型的N极磁铁和S极磁铁构成的柱形磁铁。
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| CN116454516A (zh) * | 2023-06-19 | 2023-07-18 | 江苏珂亦新能源科技有限公司 | 一种波动能回收的模块化温控刀片电池箱 |
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2022
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| CN116454516B (zh) * | 2023-06-19 | 2023-08-11 | 江苏珂亦新能源科技有限公司 | 一种波动能回收的模块化温控刀片电池箱 |
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| Publication number | Publication date |
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