一种具有波浪集能和压电减摇功能的水上房屋

技术领域

本发明专利属于水上建筑、工程结构和交通工具减摇技术领域，具体涉及一种具有波浪集能和压电减摇功能的水上房屋。

背景技术

实现可再生能源高质量跃升发展离不开建筑业的绿色转型，近海海域波浪能储量巨大，潜在可开发利用的资源规模可观。如何高效利用水面资源，综合利用波浪能等可再生能源为人们提供舒适绿色环保的水上活动空间、建筑和交通工具吸引了研究者们的关注。

目前波浪集能技术按照波能俘获方式分类，包括振荡水柱式、浮子式、摆式、鸭子式、筏式、蚌式以及收缩坡道式等；按照波浪能量转换方式分类，则有气动式、液压式和蓄水式等。

目前大部分的波能发电都具有三级结构，能量转化需经历三个过程：波浪能(动能+势能)—液体能量或气体能量及机械能等—电能。其主要缺点在于：1、能量转换效率不高。很多能量转换都要经过几级能量耦合和转换，每级的能量耦合和转换都有一定的能量损失；2、能量收集系统结构复杂、抗冲击能力差、建设成本高。

此外，水上设施的晃动和摇摆问题也需要得到重视和有效控制。水上房屋漂浮于水面之上为人们提供绿色环保的水上活动空间，但同时也不可避免受到波浪、室内活动等作用而产生摇摆。大幅的摇摆常带来许多负面影响，轻则造成室内人员身体不适，重则会影响房屋主体结构以及使用寿命。所以，如何有效地抑制水上房屋的大幅摇摆为使用者提供更舒适的环境成为关键问题。

目前水上减摇技术领域常用减摇装置主要有以下几种：舭龙骨、移动重物、减摇鳍及减摇水舱等。基本减摇原理如下：1、通过干扰流场产生增加横向阻尼或利用流场产生升力来减摇，如舭龙骨、减摇鳍装置；2、通过改变质量分布调整转动惯量，来减少摇动幅度。如移动重物、减摇水舱装置。以上这些减摇装置虽然能起到较好的减摇作用，但并未关注其中的能量转化以及能量的搜集与利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有波浪集能和压电减摇功能的水上房屋，结构简单、成本较低、便于维护，当水上房屋受到波浪的激荡、冲击和干扰时，螺旋转动式波浪集能设备可将波浪运动形成的机械能转换成电能并进行回收和存储，同时，利用自复位调谐减振原理和压电效应，弧底型压电减摇装置则既可以作为耗能装置来减弱房屋的振动，又可以利用材料特性收集能量。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具有波浪集能和压电减摇功能的水上房屋，包括房屋主体结构、若干个螺旋转动式波浪集能装置、弧底型压电减摇装置、集能器、若干个浮筒、停靠系统、驱动系统；

若干个螺旋转动式波浪集能装置，分布连接在房屋主体结构的底部浸入水中，可以收集房屋在波浪作用下运动所产生的能量；

弧底型压电减摇装置，连接在房屋主体结构底部重心位置处，在减弱房屋的振动和摇摆的同时又可以利用材料特性收集房屋摇摆时产生的能量；

集能器，设置在水上房屋内并与螺旋转动式波浪集能装置、弧底型压电减摇装置电连接，储存收集到的能量；

浮筒，设置在水上房屋底部的两侧，使水上房屋浮于水面上；

停靠系统，设置在房屋主体结构的一侧，保证水上房屋停靠的稳定性和安全性；

驱动系统，设置在房屋主体结构的另一侧，为水上房屋移动提供动力。

优选地，所述螺旋转动式波浪集能装置包括螺旋桨式滚动集能转动轴、密闭防护罩、永磁体、转子；转子固定连接在螺旋桨式滚动集能转动轴的上部并设置在密闭防护罩内；螺旋桨式滚动集能转动轴的上部转动连接密闭防护罩，下部自由延伸出密闭防护罩；永磁体沿密闭防护罩的内壁环形布置；

水的阻力作用于螺旋桨式滚动集能转动轴的下部使螺旋桨式滚动集能转动轴转动，螺旋桨式滚动集能转动轴带动转子切割永磁体产生的磁感线，将波浪的机械能转化为电能。

优选地，螺旋转动式波浪集能装置可竖向布置在房屋主体结构的底部，即螺旋桨式滚动集能转动轴竖向设置，收集水上房屋竖向运动时产生的能量；螺旋转动式波浪集能装置可横向布置在房屋主体结构的底部，即螺旋桨式滚动集能转动轴横向设置，收集水上房屋竖向运动时产生的能量。

优选地，所述螺旋桨式滚动集能转动轴延伸出密闭防护罩的部分为螺旋桨结构，密闭防护罩为密闭中空圆柱形结构，转子为绕线式转子，线圈紧密缠绕在转动环上。

优选地，所述弧底型压电减摇装置包括减摇定心铁球、压电材料和弧底型减摇容器，减摇定心铁球放置在压电材料上，压电材料布置在弧底型减摇容器内且减摇定心铁球可达到位置；在减振过程中，减摇定心铁球在在弧底型减摇容器内部不断运动，同过不断挤压压电材料将减摇定心铁球的机械能转化为电能。

优选地，所述弧底型减摇容器为碗形结构或部分中空球体结构，弧底型减摇容器的顶部直径大于或等于船体宽度的1/2，高度大于或等于顶部直径的1/4；减摇定心铁球的直径小于或等于弧底型减摇容器高度的3/4。

优选地，集能器包括充电控制器、蓄电池及逆变器；充电控制器用于控制螺旋转动式波浪集能装置和弧底型压电减摇装置对蓄电池的充电过程，监测和调节充电电流和电压，保护蓄电池免受过充电或过放电的损害；蓄电池用于储存来自螺旋转动式波浪集能装置和弧底型压电减摇装置的能量，逆变器将蓄电池的直流电转换为符合电网标准的交流电，以供电给家庭设备使用。

优选地，浮筒采用塑料外壳，内置橡胶内胆，通过金属框架将若干个浮筒制成一个浮力单元，房屋主体结构的底面两侧分别固定连接一个浮力单元。

优选地，在房屋主体结构的顶部还设有太阳能板发电装置，太阳能板发电装置与集能器电连接。

优选地，停靠系统包括缆绳停靠系统和锚停靠系统，水上房屋可以使用缆绳停靠系统与岸边或固定结构物连接，以确保停靠的稳定性和安全性；水上房屋也可以使用锚停靠系统来固定在水中的特定位置。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明中的螺旋转动式波浪集能装置采用直接式波能采集方式，其机理明确，结构简单，成本低，易于实现和维修。螺旋转动式波浪集能装置通过螺旋桨式集能轴俘获波浪能，波浪直接作用于外部的螺旋桨使得螺旋桨式滚动集能转动轴旋转产生机械能从而完成能量的收集。螺旋桨式滚动集能转动轴与转子连接，将俘获的能量直接传递给转子，从而避免了其他形式的能量转化，实现了直接式波能采集。动子相对定子运动，通过切割磁感线将机械能转化为电能。整体上没有第二级的中间能量传递环节，螺旋桨式滚动集能转动轴将能量直接传递给动子使得其构造相对简单，能量转换效率更高。

2、本发明中的弧底型压电减摇装置利用自复位调谐减摇原理和压电效应的耦合作用。自复位调谐减摇原理主要利用减摇定心铁球的惯性和重力来产生自复位减摇效果。在房屋摇摆时，减摇定心铁球在惯性的作用下倾向于保持绝对位置不变，此时与摇摆的弧底型减摇容器产生相对位移。受弧底型减摇容器的影响，减摇定心铁球在重力作用下，在斜面上产生垂直于斜面和平行于斜面的两个分力。垂直于斜面的力产生减摇力矩，平行于斜面的力用于自复位。减摇定心铁球的相对位移同时改变了水上房屋的质量分布，减弱其在波浪下的动力响应。同时，减摇定心铁球同过不断挤压压电材料将减摇定心铁球的机械能转化为电能。自复位调谐减摇原理结合压电效应，不仅能减少摇摆幅度还着眼于波浪能的收集和利用，提供更加绿色环保的解决方案。

3、螺旋转动式波浪集能装置具有良好的可扩展性。其可以根据需求进行扩展和组合，以适应不同规模和功率需求。螺旋转动式波浪集能装置的布置数量和布置方式可根据环境做不同的配置。其不仅可以竖向布置，收集房屋竖向运动时产生的能量，也可横向布置，收集房屋在波浪作用下水平运动所产生的能量。

附图说明

图1为水上房屋整体结构的主视结构示意图；

图2为水上房屋整体结构的左视结构示意图；

图3为螺旋转动式波浪集能装置的剖面结构示意图；

图4为螺旋转动式波浪集能装置的俯视结构示意图；

图5为弧底型压电减摇装置的剖面结构示意图；

图6为弧底型压电减摇装置的俯视结构示意图；；

图中：1、螺旋桨式滚动集能转动轴；2、密闭防护罩；3、永磁体；4、转子；5、减摇定心铁球，6、压电材料；7、弧底型减摇容器；8、太阳能板；9、充电控制器；10、蓄电池；11、逆变器；12、浮筒；13、缆绳停靠系统；14、锚停靠系统；15、驱动系统；16、连接钢梁；17、房屋主体结构。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-2所示，水上房屋包括螺旋桨式滚动集能转动轴1、密闭防护罩2、永磁体3、转子4、减摇定心铁球5，压电材料6、弧底型减摇容器7、太阳能板8、充电控制器9、蓄电池10、逆变器11、浮筒12、缆绳停靠系统13、锚停靠系统14、驱动系统15、连接钢梁16、房屋主体结构17。该水上房屋可以收集波浪能、房屋摇摆产生的能量及太阳能等不同类型的能量，且能够有效减少波浪和人员活动造成的房屋摇摆。同时水上房屋拥有停靠系统，并通过集能器的蓄电池10为螺旋桨推进装置供电以实现在水面上移动。

具体地，水上房屋主体结构宽8m，长10m，两层，每层层高3.3m。连接钢梁16作为房屋的基础可以根据整体结构的实际情况选择合适的规格并做好防腐处理，房屋的主体结构固定在连接钢梁16之上。

水上房屋的主体结构是一个钢结构框架，这种结构可以提供良好的承载能力和稳定性。框架结构的主要材料是高强度钢材，具有良好的耐腐蚀性、抗风能力和承载能力，可以有效应对水上环境的挑战。可以根据房屋的实际的整体结构和受力情况，情况确定柱和梁的尺寸和数量，并合理布置框架节点。

墙板采用纤维石膏空心板，屋顶采用彩钢板，地面使用防水木板。钢龙骨固定在框架上，纤维石膏空心板夹在两侧，屋顶采用轻型彩钢板覆盖。墙板和屋顶之间需要安装防水隔离层，保证房屋的防水性能。

如图3-4所示，螺旋转动式波浪集能装置由螺旋桨式滚动集能转动轴1、密闭防护罩2、永磁体3、转子4等组成固定在屋底浸入水中。密闭防护罩2采用金属材料，并在与螺旋桨式滚动集能转动轴1的连接处做好防水。转子4由铜线缠绕而成并与螺旋桨式滚动集能转动轴1成为整体一同转动。密闭防护罩呈圆柱形具有良好密闭性，直径为750mm高400mm，防护罩厚度为5mm。螺旋桨式滚动集能转动轴1采用304不锈钢材料，螺旋桨半径为400mm，叶片长度160mm，厚度3mm，叶片数为4，螺旋桨桨叶角为30°，螺杆外径80mm，内径60mm。永磁体3沿防护罩内壁环形布置，高度200mm，厚度5mm。转子4采用绕线式转子，转动环半径360mm。

当水上房屋受到波浪作用时，螺旋转动式波浪集能装置会跟随房屋一同上下浮动。在运动过程中，水的阻力作用于螺旋桨式滚动集能转动轴1上使其转动，转子切割磁感线，从而实现将波浪的机械能转化为电能。

螺旋转动式波浪集能装置同时具有良好的可扩展性。其可以根据需求进行扩展和组合，以适应不同规模和功率需求。集能设备的布置数量和布置方式可根据环境做不同的配置。其不仅可以竖向布置收集房屋竖向运动时产生的能量，也可横向布置收集房屋在波浪作用下水平运动所产生的能量。

如图5-6所示，弧底型压电减摇装置由减摇定心铁球5、压电材料6和弧底型减摇容器7组成。压电材料可选择压电晶体、压电陶瓷、压电聚合物或复合压电材料等。压电陶瓷以其化学性质稳定，耐腐蚀性强的特点适合于水上房屋的工作环境。压电材料6布置在弧底型减摇容器7内减摇定心铁球5可达位置，通常为距弧底型减摇容器7的顶部距离大于减摇定心铁球5的直径的部分。该装置位于水上房屋底的重心处。当房屋受到扰动时，由于减摇定心铁球5的惯性和重力作用，减摇定心铁球5会给与弧底型减摇容器7方向相反的作用力，从而达到碰撞消能、调谐减振和保持平衡的作用。在减振的过程中，减摇定心铁球5在弧底型减摇容器7内部不断运动，通过不断挤压压电材料6将减摇定心铁球5的机械能转化为电能，进而收集利用达到节能效果。

具体地，弧底型减摇容器7高度1000mm，顶部半径2000mm。弧底型压电减摇装置可根据房屋底面尺寸调整大小，并保证容器底面弧度使得内部减摇定心铁球5可以充分运动。装置内壁铺有压电材料6收集减摇定心铁球5运动时产生的能量，可根据减摇定心铁球5实际运动范围确定压电材料6的覆盖面积。

为保证弧底型压电减摇装置的减摇效果，弧底型减摇容器7顶部直径不应小于船体宽度的1/2，高度不应小于顶部直径的1/4；减摇定心铁球5的直径不应大于弧底型减摇容器高度的3/4，从而保证减摇定心铁球5有足够的运动空间以实现调谐减摇和充分利用压电效应。

螺旋转动式波浪集能装置和弧底型压电减摇装置均固定于连接钢梁16之下，收集的能量通过电缆输送到房屋内部的集能器中以备使用。

水上房屋能量收集系统丰富多样且拓展性良好，除了螺旋转动式波浪集能装置和弧底型压电减摇装置以外，也可以与其他集能系统，如位于屋顶的太阳能板8等相结合，形成混合集能系统。作为一种辅助型的集能装置，太阳能板8可以多样化水上房屋的能量来源，提高能量的收集效率。这种可扩展性使得它具有更大的应用潜力和更灵活的实施方式以应对不同的环境。

位于屋内的集能器用来储存混合集能系统收集到的能量，如图1所示，集能器主要由充电控制器9，蓄电池10及逆变器11组成。充电控制器9用于控制混合集能系统对蓄电池的充电过程，可以监测和调节充电电流和电压，以保护蓄电池10免受过充电或过放电的损害。蓄电池10用于储存来自混合集能系统的能量。蓄电池10选用磷酸铁锂作为蓄能材料，其安全性高，循环寿命更长，制造成本更低，适合用作混合集能系统的储能介质。逆变器11可以将蓄电池10的直流电转换为符合电网标准的交流电，以供电给家庭设备使用。集能器通过电缆与各能量收集系统连接。

浮筒12为水上房屋提供浮力。浮筒12采用塑料外壳，内置橡胶内胆，浮筒延长边布置在水上房屋两侧，浮筒长1000mm，直径800mm。浮筒间通过外侧的框架连接，并与上侧连接钢梁紧密固定。水上房屋通过大量的体积中等的浮筒浮于水面。大量浮力单元可以有效遏制浮力损失扩散，为水上房屋提供足够的安全性。

水上房屋的停靠系统和驱动系统15也是重要的组成部分。停靠系统集成缆绳停靠系统13和锚停靠系统14两种停靠方式。水上房屋可以使用缆绳停靠系统13与岸边或固定结构物连接，以确保停靠的稳定性和安全性。缆绳停靠系统13需要具备足够的强度和耐久性，以承受水上房屋的惯性和外部环境的影响。水上房屋也可以使用锚停靠系统14来固定在水中的特定位置。锚停靠系统14通常由铸铁或高强度钢材构成，通过绳索或链条与水上房屋连接。锚的选择和大小取决于水上房屋的尺寸和重量。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。