一种漂浮谐振式海浪发电模拟实验研究装置的方法

摘要

本发明公开了一种漂浮谐振式海浪发电的模拟实验研究发电装置的制作方法，其波能捕获器成为不倒翁式的漂浮物，波能捕获器部嵌装有可转动的永磁体磁极和发电线圈，当波能捕获器随波浪振动时，永磁体磁极的磁力线与发电线圈相互切割，产生感生电流，将随机的感生电流进行整流和升压，对电容充电转换为稳定的直流电，再使用负载电路与监测电路可监测感生电机的平均输出功率，同时用监测电路监测感生电流的频率，进而可研究漂浮谐振式海浪发电机的波能捕获效率与发电效率规律。波能捕获器用有机玻璃型材切割和粘接而成，可制作各种不同形状结构的外形波能捕获器，制作方便，无需开模具，可节省研究经费，缩短研究时间。

说明书

技术领域

本发明属于海洋波浪能源发电技术领域，尤其涉及一种漂浮谐振式海 浪发电模拟实验装置的制造或制作方法。

背景技术

海浪波浪能转换过程是海洋能转换中最复杂的过程，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 ，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的主要障碍。研发新的高 效率、高可靠性、低造价的海浪发电技术就需要制作实验装置，用实 验来探索和验证波浪能发电技术中波浪能发电技术中波能捕获 规律及能量转换效率的规律，一般研究方法需要制造模拟发电电机， 这就需要设计和制造模具，因而所需研究经费多，研发周期长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于漂浮谐振式海浪发电技术模拟实验研 究装置的制造或制作方法，旨在解决目前用于探索和验证波浪能发电 技术的实验装置，需要设计和制造模具，造价高，研发周期长的问题 。

本发明是这样实现的，一种漂浮谐振式海浪发电模拟实验装置的制备 方法，该制备方法包括：

将漂浮谐振式海浪发电模拟实验装置按结构与功能分为波能捕获器与 谐振式感生电机两部分，其中波能捕获器为所述海浪发电模拟实验装 置的外壳部分，起着漂浮于海面，随波振荡捕获波浪能量，并隔离海 水与发电机的作用，谐振式感生电机密封在波能捕获器内部，能在波 能捕获器振动的驱动下产生感生电流。

进一步，以有机玻璃管材和板材制作波能捕获器，根据研究的需要设 计漂浮谐振式海浪发电机的形状与结构，将有机玻璃的型材切割成需 要的部件形状，以溶剂胶三氯甲烷（CHCl3）或四氯化碳（CCl4）将有 机玻璃部件粘接以制作波能捕获器，即所述海浪发电机的外壳部分； 所述波能捕获器的外形可采用柱形、长方体形、棱锥形以及其他的几 何平面组合体型；

进一步，采用微分法制造，所述波能捕获器亦可设计和制作成曲面外 形，将波能捕获器从几何角度分割成小块，制作辅助性的金属网支架 维持预设的形状，在辅助性的金属网支架上将有机玻璃小块粘接成型 固化后，撤除辅助支架，将外表涂以溶剂胶，并打磨成曲面形状，如 球面形状。

谐振式感生电机的制作如下所述：

绕制发电线圈，绕制过程中防止摩擦与刮擦铜线，以免破坏线圈铜线 的绝缘漆表面，使得线圈短路；

组装永磁体磁极，按设计图纸要求将永磁体磁极安装在转轴上，并检 查永磁体磁极与轴的连接，确保永磁体磁极与轴连接牢固可靠；

将实验模型进行总装。

以固定在波能捕获器内部的两个滚动轴承支撑感生电机的转轴，将设 计选用的滚动轴承与感生电机的转轴、磁极及发电线圈等装配好，校 准支撑滚动轴承的有机玻璃波能捕获器外壳与感生电机的形位关系， 粘结牢固，连接电机的线圈以及监测电路，然后将波能捕获器外壳用 螺丝装配成一个整体。

进一步，该制备方法还进一步包括以下步骤：

绕制发电线圈，绕制过程中防止摩擦与刮擦铜线，以免破坏线圈铜线 的绝缘漆表面，使得线圈短路

组装永磁体磁极，按设计图纸要求将永磁体磁极安装在转轴上，并检 查永磁体磁极与轴的连接，确保永磁体磁极与轴连接牢固可靠；

校准支撑滚动轴承的有机玻璃外壳部分的形状与外形，粘结牢 固，然后将设计选用的滚动轴承安装固定在有机玻璃外壳部件的指定 位置上，装配转轴与滚动轴承；

将实验模型进行总装。

进一步，线锯的制作过程如下：

选?0.8-1.5的碳素钢丝，拉直平铺并将两端固定在一块松木板上；

将錾头刀口进行淬火处理，提高其硬度，并将刀口磨锋利；

用錾头将固定在松木板上的碳素钢丝每隔6-12mm挫出一个0.3-0.5的缺 口，缺口朝上，分布在钢丝轴截面的同一方向；

用新砍下的小杉木的树干或竹片或其他具有相同挠度的小树树干，在 稍微烧烤加热下弯制成弓形，在弓的两端沿弓面方向在中心锯出两个 宽度为2mm深10mm左右的矩形锲口，用以固定钢丝，在弓柱的直径方向 垂直于锲口钻孔，用以穿钉固定钢丝；

将加工好的钢丝一端固定在弓上，另一端绕成小圈，用铁钉可以固定 在弓的另一端，如此线锯就制成。

进一步，有机玻璃部件的制作方法为：

将有机玻璃板材按零件图指定的形状进行切割，将有机玻璃管材按零 件图切割成圆柱，零件的粘接面应留有1-5毫米加工裕度，用来用锉刀 进行磨平与整形；若使用机械设备进行切割，则加工裕度可小一点， 约0.5毫米左右；

用锉刀或磨床对有机玻璃的粘接面进行锉削整形，使之符合图纸要求 ；若使用手工锉削整形，可以在加工面涂小量的溶剂胶，在溶剂 胶挥发与固化前快速锉削。

进一步，波能捕获器外壳粘接方法为：

用细砂纸对有机玻璃粘接面进行打磨，使其表面具有一定的粗糙度。 处理零部件时需戴干净的细纱手套，防止油污粘染表面；

将少量三氯甲烷倒在烧杯中，将有机玻璃部件粘接面喷涂上适量的三 氯甲烷，然后迅速合在一起，维持预设的形状，用胶头滴管或玻璃注 射器汲取适量的三氯甲烷沿粘合线逐渐滴入进行补粘，维持形状，直 至粘胶固化，接合面生长在一起；

依次将模型的整体部件粘接完毕，对于采用微分法设计的模型，需要 制作支撑部件，以便在粘接过程中维持预设的形状；

检查粘接面，如有粘接不完善之处或粘胶未渗透到的空隙，用三氯甲 烷溶解有机玻璃碎屑或边角余料，配制成有机玻璃三氯化碳溶液，对 粘接不完善之处进行补粘；

因为三氯化碳是有机溶剂，对皮肤有腐蚀作用，粘接操作时要戴手套 ，避免三氯化碳溅到皮肤上，若粘上应尽快用棉布或餐巾纸擦尽，并 用清水冲洗；

进一步，密封性检查：将粘接好的部件浮浸入中五分钟后，观测有无 渗水现象；

若有渗水现象，将所检测的部件用电吹风吹干，用有机玻璃三氯化碳 溶液进行补粘。

进一步，实验模型总装时根据所设计的形状结构的特点安排装配的步 骤与顺序；

波能捕获器的有机玻璃粘接每步都需待前一步粘接的部件固化后才能 进行下一步的粘接；

对于结构形状有形位公差要求的，确保形位符合要求。

进一步，操作规程：有机溶剂胶对皮肤有轻微的腐蚀作用，粘接有机 玻璃时应避免机溶剂胶沾染皮肤，更不能溅入眼睛；有机溶剂胶有挥 发性，在进行有机玻璃粘接时，要求工作环境通风良好，打开门窗， 避免长时间进行粘接操作，未用完的有机溶剂胶要用磨口玻璃瓶密封 保存；溶解了有机玻璃的溶剂不能用医用玻璃管注射器来注射，否则 溶剂胶挥发会是注射器针头堵塞，且不易逆转；粘接有机玻璃时应避 免粉尘和油污污染粘接口，否则会影响粘结牢固度。

本发明所得的漂浮谐振式海浪发电模拟实验研究装置，波能捕获器捕 获海浪波能，波能捕获器为由有机玻璃材料和溶剂胶粘结而成的壳体 ，无需、制造模具，既可用手工加工的方法制作，也可以用机床辅助 制造，强度高，成本低廉，谐振式感生电机通过滚动轴承设置在波能 捕获器的内部，并采用新的波能转换方式将波能捕获器所获得的波能 转换为电能，波能转换效率及工作可靠性高；该海浪发电模拟实验装 置可用于探索和验证波浪能发电技术中波浪能发电技术中波能捕获规 律及能量转换效率的规律，可行性强，造价低廉，研发周期短，既可 用于海浪发电的科研实验，也可以用于相关技术课程的实验教学。。

附图说明

图1 为本发明实施例提供的漂浮谐振式海浪发电模拟实验装置的主视 图；

图2 为本发明实施例提供的漂浮谐振式海浪发电模拟实验装置的俯视 图；

图3 为本发明实施例提供的漂浮谐振式海浪发电模拟实验装置的左视 图；

图4 为本发明实施例提供的图1中主视图的A-A向局部剖视图。

图中：1、波能捕获器；2、谐振式感生电机；21、滚动轴承；22、发 电线圈；23、线圈筒；24、转轴；25、磁极；26、摆锤。

图5为本发明实施例提供的漂浮谐振式海浪发电装置的制造工艺流程图 。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的 具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的漂浮谐振式海浪发电模拟实验装置的结 构。为了便于说明，仅仅示出了与本发明实施例相关的部分。

该海浪发电模拟实验装置包括：

用于捕获海浪波能的波能捕获器1；

设置在波能捕获器1中，用于将波能捕获器1所获得的波能转换为电能 的谐振式感生电机2。

如图2及图3所示，在本发明实施例中，波能捕获器1为由有机玻璃材料 和溶剂胶粘结而成的壳体。

在本发明实施例中，溶剂胶可采用三氯甲烷（CHCl3）、四氯化碳（C Cl4）。

如图4所示，在本发明实施例中，谐振式感生电机2包括：摆锤26、转 轴24、磁极25、线圈筒23、发电线圈22、滚动轴承21；

摆锤26设置在转轴24的中间，转轴24的两边设置有磁极25，转轴24的 柱面上设置有线圈筒23，线圈筒23上设置有发电线圈22，转轴24通过 滚动轴承21安装在波能捕获器1上。

在本发明实施例中，摆锤26设置在转轴24的重锤线方向上。

在本发明实施例中，谐振式感生电机2采用永磁体磁极。

在本发明实施例中，线圈筒23上设置有两组发电线圈22，发电线圈22 采用?1.1左右的绝缘漆包线，同时发电线圈22的表面绝缘电阻大于5 00MΩ。

在本发明实施例中，谐振式感生电机2产生的感生电流经过桥式整流及 滤波装置后对电容充电，转换成直流电进行输出。

在本发明实施例中，波能捕获器1的外形设计为棱锥形。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1、图2、图3及图4所示，本发明提供一种基于漂浮式的利用磁极 25谐振直接激励线圈发电的新型波浪能发电技术的模拟实验与研究装 置，该装置用有机玻璃材料和溶剂胶：三氯甲烷（CHCl3）或四氯化碳 （CCl4）粘结而成，无需模具就可以制造，也可以用手工 加工制作，因而制作简便，造价低廉，既可以用于海浪发电的科研实 验，也可以用于相关技术课程的实验教学。

该装置分为波能捕获器1与谐振式感生电机2，波能捕获器1是由按设计 的形状切割的有机玻璃型材采用溶剂胶粘结而成的壳体，谐振式感生 电机2通过滚动轴承21约束在波能捕获器1内部，由发电线圈22、转轴 24、摆锤26、磁极25组成，转轴24在水平方向通过固定在波能捕获器 1上的两个滚动轴承21支撑，转轴24的中间设计有重垂线方向的摆锤2 6，在摆锤26的两边，转轴24上装有永磁体磁极，并有两组分布在转轴 24柱面的发电线圈22，当波能捕获器1随波浪起伏震动时，摆锤26摆动 ，从而驱动转轴24转动，使得永磁体磁极的磁力线切割线圈，产生感 生电压，感生电流经过桥式整流及滤波以后对电容充电，变成直流电 ，经导线引出就可以通过负载电路测得其输出功率，以此实验方式可 以研究海浪发电技术的波能捕获效率与发电效率。

本发明实施例提供的漂浮谐振式海浪发电模拟实验装置，波能捕获器 1捕获海浪波能，波能捕获器1为由有机玻璃材料和溶剂胶粘结而成的 壳体，无需设计及制造模具，强度高，成本低廉，谐振式感生电机2通 过滚动轴承21设置在波能捕获器1的内部，并采用新的波能转换方式将 波能捕获器1所获得的波能转换为电能，波能转换效率及工作可靠性高 ；该海浪发电模拟实验装置可用于探索和验证波浪能发电技术中波能 捕获规律及能量转换效率的规律，可行性强，造价低廉，研发周期短 ，既可用于海浪发电的科研实验，也可用于高校及普 通高中相关技术课程的实验教学，结构简单，实用性强，具有较强的 推广与应用价值。

图5是本发明所述模拟实验装置的工艺流程图，如图5所示，其制作方 法如下：

1、规划实验与研究的目的与要求，从而对实验装置的外形与结构进行 总体设计。

2、根据实验规划设计图纸，采购感生电机的部件及材料。绕制发电线 圈。

绕制发电线圈22：

绕制发电线圈22可以采用专用的绕线工具，也可以采用手工绕制。

采用手工绕制需戴细纱手套，绕制过程中防止摩擦与刮擦铜线，以免 破坏线圈铜线的绝缘漆表面，使得线圈短路。

发电线圈22采用?1.1左右的绝缘漆包线，要求表面绝缘电阻大于500 MΩ。

发电线圈22的匝数根据波能捕获体的体积而定，通过实验测得其最优 参数。

发电线圈22的匝数及线径决定着发电机的内阻，同时也影响着波能电 能的转换效率，因而相应的参数也是本模拟实验研究的内容。

组装永磁体磁极25：

按设计图纸要求将永磁体磁极25安装在转轴24上，并检查永磁体磁极 25与轴的连接，确保永磁体磁极25与轴连接牢固可靠；

校准支撑滚动轴承21的有机玻璃外壳部分的形状与位置，粘结牢固， 然后将设计选用的滚动轴承21安装固定在有机玻璃外壳部件的指定位 置上；

装配转轴24与滚动轴承21，转轴24与滚动轴承21连接好后再装波能捕 获器1的其他部分。

3、制作有机玻璃波能捕获器。

波能捕获器可手工制作，也可以使用铣床、钻床等机床设备进行辅助 制造，手工加工制作工艺说明如下：

所需工装设备及器具表

线锯是波能捕获器外壳之有机玻璃部件手工制备所必须的专用工具， 需自行制作，其制作过程如下：

选?0.8-1.5的碳素钢丝，拉直平铺并将两端固定在一块松木板上；

将錾头刀口进行淬火处理，提高其硬度，并将刀口磨锋利；

用錾头将固定在松木板上的碳素钢丝每隔6-12mm锉出一个0.3-0.5的缺 口，缺口朝上，分布在钢丝轴截面的同一方向；

用新砍下的小杉木的树干或竹片或其他具有相同挠度的小树树干，在 稍微烧烤加热下弯制成弓形，在弓的两端沿弓面方向在中心锯出两个 宽度为2mm深10mm左右的矩形锲口，用以固定钢丝，在弓柱的直径方向 垂直于锲口钻孔，用以穿钉固定钢丝；

将加工好的钢丝一端固定在弓上，另一端绕成小圈，用铁钉可以固定 在弓的另一端，如此线锯就制成。

波能捕获器1部件：有机玻璃部件的制作

将有机玻璃板材与管材按零件图指定的形状进行切割，对于有机玻璃 板材的手工切割，则需要在局部钻一小孔，用线锯进行切割，所得零 件的粘接面应留有1-5毫米加工裕度，以便用锉刀进行磨平与整形。若 使用机械设备进行切割，则加工裕度可小一点，约0.5毫米左右。加工 裕度视操作者的操作技巧而定，操作技能强的，则加工裕度可小；

用锉刀或磨床对有机玻璃的粘接面进行锉削整形，使之符合图纸要求 。若使用手工锉削整形，可以在加工面涂小量的溶剂胶，在溶剂胶挥 发与固化前快速锉削；

在一整块有机玻璃板材上切割零部件时，应进行优化布局设置，使之 用料最省。

波能捕获器1外壳粘接

用细砂纸对有机玻璃粘接面进行打磨，使其表面具有一定的粗糙度。 处理零部件时需戴干净的细纱手套，防止油污粘染表面；

将少量三氯甲烷倒在烧杯中，将有机玻璃部件粘接面喷涂上适量 的三氯甲烷，然后迅速合在一起，维持预设的形状，用胶头滴管或玻 璃注射器汲取适量的三氯甲烷沿粘合线逐渐滴入进行补粘，维持形状 ，直至粘胶固化，接合面生长在一起；

依次将模型的整体部件粘接完毕，对于采用微分法设计的模型，需要 制作辅助性的金属网支撑部件，以便在粘接过程中维持预设的形状；

检查粘接面，如有粘接不完善之处或粘胶未渗透到的空隙，用三氯甲 烷溶解有机玻璃碎屑或边角余料，配制成有机玻璃三氯化碳溶液，浓 度视所需填补的空隙而定，空隙越大，则浓度越大，反之则越低，对 粘接不完善之处进行补粘；

因为三氯化碳是有机溶剂，对皮肤有腐蚀作用，粘接操作时要戴手套 ，避免三氯化碳溅到皮肤上，若粘上应尽快用棉布或餐巾纸擦尽，并 用清水冲洗。

粘接好的有机玻璃部件需进行密封性检查，以防止波能捕获器沁水， 密封性检查方法如下：

检测方法：目测即可。抽样方式：全检。

将粘接好的部件浮浸入中五分钟后，观测有无渗水现象。

若有渗水现象，将所检测的部件用电吹风吹干，用有机玻璃三氯化碳 溶液进行补粘。

4、实验模型总装：

根据所设计的形状结构的特点安排装配的步骤与顺序；

波能捕获器1的有机玻璃粘接每步都需待前一步粘接的部件固 化后才能进行下一步的粘接；

对于结构形状有形位公差要求的，需要采取适当的方法确保形位符合 要求

粘接操作规程：

有机溶剂胶对皮肤有轻微的腐蚀作用，粘接有机玻璃时应避免机溶剂 胶沾染皮肤，更不能溅入眼睛；

有机溶剂胶有挥发性，在进行有机玻璃粘接时，要求工作环境通风良 好，打开门窗，避免长时间进行粘接操作，未用完的有机溶剂胶要用 磨口玻璃瓶密封保存；

溶解了有机玻璃的溶剂不能用医用玻璃管注射器来注射，否则溶剂胶 挥发会是注射器针头堵塞，且不易逆转；

粘接有机玻璃时应避免粉尘和油污污染粘接口，否则会影响粘结牢固 度。

本发明实施例提供的漂浮谐振式海浪发电的装置及方法，以特定的形 状，并配以一定的比重（0.4－0.9克每立方厘米），使波能捕获器1成 为不倒翁式的漂浮物，漂浮在海面上，随着海浪震动，在波能捕获器 1内部通过嵌套的滚动轴承21环嵌装可转动的永磁体磁极25，在以永磁 体磁极25摆动轴为极轴，在垂直于永磁体磁极25摆动面的圆柱面内36 0度嵌装发电线圈22，当波能捕获器1随波浪振动时，波能捕获器1的动 能与势能不停地相互转换，永磁体磁极25的磁力线与发电线圈22相互 切割，产生感生电流，将随机的感生电流进行整流和升压，对电容充 电转换为稳定的直流电，以监测感生电流的频 率来监测永磁体磁极的摆动频率，以监测直流电源的平均输出功率来 监测感生电机的输出功率，进一步，通过分析研究漂浮谐振式海浪发 电的装置的波能捕获规律与发电效率规律。构成波能捕获器1的有机玻 璃型材有较好的强度和韧性，切削加工容易，可用溶剂胶牢固地粘接 ，不需复杂的加工设备，在进行海浪发电研究模拟实验时无需开模具 ，节省了研究经费，缩短了研究时间，实用性强，具有较强的推广与 应用价值。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。