充气胶囊式海浪发电机及其海浪发电系统

摘要

本发明提供一种可充气橡胶气囊的海浪发动机及以此种海浪发电机的海浪发电网络系统。所述海浪发电机由波能捕获器（1）和感生电机组成。波能捕获器（1）是用可充气的橡胶胶囊制成，其璧内镶嵌了矽钢片加强骨架的。胶囊由上下两个半部组成，以内外气压差维持形状。感生电机由中心轴（3）、永磁体磁极（4）、滚动轴承（2）、摆锤（5）及发电线圈（6）组成。摆锤（5）可驱动中心轴（3）和发电线圈（6）产生相对旋转，产生电流。电流经整流后对蓄电池充电，形成输出稳定的直流电源。直流电变流后变为工频交流电。多个所述海浪发动机以绳缆与锚链约束，组建大功率海浪发电网络。所述的海浪发电机造价低、效率高，耐冲撞，适合大规模产业化。

说明书

技术领域

本发明属于海洋能源利用与可再生能源发电领域，涉及利用潮汐能与海浪波能发电的设备。 

背景技术

海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源，可分为波浪能、潮汐能、海流能、温差能和盐差能。其中波浪能、潮汐能、海流能属于流体机械能，海洋能发电是常见的海洋能利用过程。我国有大陆海岸线长达18000多千米，拥有6500多个大小岛屿，海岛岸线总长约14000多千米，海域面积470多万平方千米，海洋能资源十分丰富。波能发电是通过波浪能捕获装置将波浪能转换为往复机械能，再通过动力摄取系统转换为所需的电能。目前已有多种波能技术，实现波能转换。根据国际上最新的分类方式，波能技术分为振荡水柱技术、振荡浮子技术和越浪技术。 

波浪能转换过程是海洋能转换中最复杂的过程。按照传统的海浪发电技术，其主要科学问题在于：（1）波浪具有的随机性造成能流不稳定，设计者难以确定波浪能装置各级转换的设计点；（2）波浪的多向往复性运动，使设计者难以设计出合理的能量俘获系统和动力摄取系统；（3）波浪能装置工作在波浪最大的地方，波浪的随机性和不稳定性导致波浪能装置的各种突发性波浪载荷；恶劣的海洋环境造成的腐蚀、海生物附着又可能造成装置某些环节的失效。因此，提高波浪能装置的转换效率和可靠性是波浪能发电技术的难题。现有的波浪能技术有一个共同的特征：需要一个将随机的波浪能转换成稳定的往复机械能的中间环节，这个中间环节有机械摩擦，降低了波能发电的效率与波能发电机的可靠性，提高了系统的造价。由于未解决低效率、低可靠性问题，波浪能技术目前还处于摸索阶段，无法形成设备生产规模，并导致高昂的制造费用问题。低效率、低可靠性、高造价这三个问题是波浪能发电技术产业化的主要障碍。 

  

发明内容

本发明的目的在于提供一种充气橡胶气囊式海浪发电机以及以此橡胶气囊式海浪发电机组成的发电网络系统，所述的橡胶气囊式海浪发电机由可充气的橡胶密封气囊构成波能捕获器，所述波能捕获器就是海浪发电机的与海浪直接接触并在海浪的作用下获取海浪波能的部分，在本发明中，波能捕获器也就是海浪发电机的外壳部分：橡胶胶囊。所述橡胶胶囊内部通过支撑机构组装由发电线圈以及滚动轴承、中心轴和安装在中心轴上的摆锤与永磁体磁极对等组成感生电机。所述橡胶胶囊漂浮在海面随波振动，则使所述摆锤摆动，从而驱动中心轴上的永磁体磁极与发电线圈产生相对旋转，产生感生电流，感生电流经桥式整流和升压电路对输出电压升压后对蓄电池充电，如此产生输出功率稳定的直流电源，直流电压经变流电路变流后可转变为工频交流电。以多个如此胶囊发电机构成海浪发电网络，可以产生大功率的电能输出。这种以波能直接激励发电线圈的发电方式无需中间环节，因而摩擦小，效率高、造价低。所述波能捕获器可以设计成圆柱体、长方体、球体、球锥体组合体、棱锥体或其他以基本几何形状为回转面的回转体。制造波能捕获器的材料中用尼龙丝绳网加强，使之具有接近于或类似于汽车轮胎的强度与弹性，并以内嵌矽钢片加强骨架的支撑波能捕获器。所述橡胶胶囊充气以内外气压差维持形状，因而具有较好的弹性，耐冲击和碰撞，并在橡胶胶囊朝向天空的一面喷涂不透明的塑料膜，防止阳光的照射使胶囊老化。发电机及整流电路、变流电路、充电电路、蓄电池等密封在胶囊内部，所产生的直流电通过导线引出。通过为胶囊电机配置合适的比重（小于海水的比重）和重心结构，使其能象不倒翁一样漂浮在海面上随波浪的作用而往复运动，从而使摆锤摆动并驱动磁极的磁力线与发电线圈相互切割发电。磁电切割运动有两种可选设计方案，其一是中心轴可旋转（即磁极可旋转）而发电线圈固定，其二是中心轴固定（即磁极固定）而发电线圈可旋转。如图1所示，在特定海域内，将单个的橡胶气囊发电机通过海底锚链和网架与缆索约束，组成网格，气囊发电机内部集成整流电路、升压充电电路和储能蓄电池。储能蓄电池的电能输给潜舱中的变流与汇流系统，发电网络的电流经过变流后转变为工频电流，经潜舱中的变压器变压后由海底电缆传输到陆地电网。所述胶囊式发电机抗腐蚀，耐冲撞，由于没有机械能换能的中间环节，制造成本低，摩擦小，发电效率高，波能捕获器起振容易，浪高比较小的海浪也能使发电机产生感生电流，因而适合于大规模的产业化。所述胶囊式发电机的运动系统只有滚动摩擦，橡胶胶囊有弹性，且耐海水腐蚀，易腐蚀部分密封在胶囊内，与海水隔离开了，因而使用寿命长。如本发明实施例采用的波能捕获器是一个下半面为半圆，上半面为等腰三角形的平面为回转面旋转而成的球锥组合体，这是可选形状中一种比较高效一种，但不只限于此。而内部发电部分的结构则基本相似。 

附图说明

图1 为本发明之海浪发电网络功能框图 

图2 为本发明实施例之波能捕获器下半部加强骨架主视图（中心剖）

图3 为本发明实施例之波能捕获器下半部加强骨架俯视图

图4 为本发明实施例之波能捕获器上半部加强骨架主视图（中心剖）

图5 为本发明实施例之波能捕获器上半部加强骨架俯视图

图6 为本发明实施例之发电机结构设计方案一主视图（中心剖）

图7 为本发明实施例之发电机结构设计方案一俯视图

图8 为本发明实施例之发电机结构设计方案一 ：A-A向剖视图

图9为本发明实施例之发电机结构设计方案二主视图（中心剖）

具体实施方式

本发明之实施例结合附图予以描述，本发明实施例所涉充气胶囊式海浪发电机按功能与结构分为两部分：波能捕获器与感生电机。所述波能捕获器由可充气的橡胶胶囊制成，并作为所述海浪发电机的外壳。为了便于对电机进行检修和更换劣化的零部件，所述橡胶胶囊由上下两个部分装配而成，其制成材料橡胶用内嵌纤维绳网的方法加强，除此之外，还为其设计了内嵌的加强骨架，加强骨架在橡胶胶囊浇铸时镶嵌于胶囊璧内，用以加强其机械强度。所述加强骨架用制造电机用的矽钢片（如武钢600）层压和焊接而成。如图2所示是波能捕获器下半部加强骨架主视图（中心剖），图3是 波能捕获器下半部加强骨架俯视图。如图4所示是波能捕获器上半部加强骨架主视图（中心剖），图5 所示为波能捕获器上半部加强骨架俯视图。图3与图5中设有波能捕获器上下两部分装配用的螺丝孔（10）。如图3、图4、图4、图5中13所示为感生电机中心轴的支撑架，用以安装时支撑感生电机，并承受感生电机运动中的作用力。波能捕获器上下两部分通过螺丝孔（10）用螺纹紧固件装配，然后可通过充气嘴（图中未画出）充气，使波能捕获器内部的气压大于外部大气压，从而维持波能捕获器的形状。 

   所述感生电机用以跟随波能捕获器的随波往复运动，并驱动永磁体磁极（4）切割发电线圈（6），产生感生电压。感生电机由滚动轴承（2）、中心轴（3）、永磁体磁极（4）、摆锤（5）、发电线圈（6）等组成。感生电机的结构提供了两种可选设计方案。如图6，7，8所示是设计方案一，设计方案一中，感生电机的中心轴（3）通过滚动轴承（2）安装在波能捕获器（1）璧内的支撑部分（14），所述永磁体磁极（4）和摆锤（5）固定在中心轴（3）上，发电线圈（6）通过支撑条（9）固定在波能捕获器（1）内壁上。当波能捕获器（1）随波浪起伏振动，高度发生改变，由于摆锤（5）具有惯性，当波能捕获器（1）的重心位置发生改变时，摆锤（5）获得一定的重力势能，因而发生摆动，从而驱动中心轴（3）转动，使得永磁体磁极（4）的磁力线切割发电线圈（6）中的绕匝（7）产生感生电流。设计方案一适合于制造体积比较小的海浪发电机，因其只使用一个摆锤，适合于感生电机转动部分质量较小的条件。与设计方案一不同的是，设计方案二将中心轴（3）固定在波能捕获器（1）壁内的支撑部分（14），中心轴（3）与永磁体磁极不能转动。每组发电线圈（6）通过其两端各一个滚动轴承安装在中心轴（3）上，摆锤（5）固定在发电线圈（6）的外壁上。因而发电线圈（6）能绕中心轴旋转切割磁力线。图9为设计方案二所术发电机的结构的主视图，如图9中所述，使用了两组发电线圈（6）和两个摆锤，其他部件的结构与设计方案一相同，因而俯视图等也相同。设计方案二可以选用多组发电线圈（6）和多个摆锤（5），其数目视所需设计的充气胶囊式海浪发电机的体积大小和谐振要求而定。 

单个充气胶囊式海浪发电机通过其底部的耳环（11）用锚链系定在预定的海面，将多个充气胶囊式海浪发电机用缆绳通过波能捕获器（1）腰部的耳环（11）相互连接，可组成发电网格，形成一个大规模的海浪波能收割网。将充气胶囊式海浪发电机的线圈产生的感生电流用桥式整流电路整流，并用电荷泵电压升压电路升压后对蓄电池充电，可产生功率输出稳定的直流电源。所述整流电路及升压电路与蓄电池安装在胶囊璧内的底部（14），输出电流通过导线引出。所有充气胶囊式海浪发电机发出的电流输入一个潜于水下的封闭潜舱中，在潜舱中经过并流与变流转变为工频交流电，再经变压器变压可通过海底电缆传输到陆地电网。整流电路、升压电路、变流电路属于成熟的公知技术，因此本发明省去相关电路技术的阐述。 

本发明所述的海浪发电技术除去了将随机的波浪能转换成稳定的往复运动能的中间环节，用波浪振动直接驱动感生电机发电，用电路技术将不稳定的电功率输出转换为稳定的输出。发电所受的损耗仅为滚动摩擦和电路的耗能，因此功率损耗极小，发电效率高，且设备造价低，适合与大规模产业化。