一种多自由度直驱波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及领域，尤其是一种多自由度直驱波浪能发电装置

背景技术

全球经济高速发展必然带动能源需求日益激增，而今绝大部分能源消耗来自于传统化石能源，且这些能源有限、不可再生、环境污染、地质破坏、温室效应等问题。为实现低碳减排以及经济的可持续性发展，世界各国都将开发利用可再生新能源列入到科学研究的重要位置，这些可再生清洁能源主要包括有风能、太阳能和波浪能。波浪能作为海洋能的一种表现形式，与太阳能(0.1～0.2kW/m

波浪采集技术吸引了越来越多的研究者。从波浪能转换为电能，通常需要3级转换：第一级为吸收波浪动能的受波体；第二级是能够将第一级采集回来的不稳定能量转化为如液压能、蓄水势能等稳定能量的中间转换装置；第三级是将第二级提供的能量进行电能转换的传统发电装置。这种多级能量采集中间能量省失较大、整体效率低下，而且转换级数越多，故障点也越多，设备维护成本高。

为了提高效率、降低这种多级发电设备的成本，直驱发电受到欢迎，但处于初步应用阶段，还有很多问题急需解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种多自由度直驱波浪能发电装置，通过波浪能作用浮体发生运动，推动直线电机进行发电运行。具有结构简单、安全可靠、高效等特点，特别是能够在多个自由度下进行能量转换，适应不同波浪形状的能力强。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多自由度直驱波浪能发电装置，包括：至少一个装载有永磁体的第一电机次级7或第二电机次级13，至少一个装载有线圈的第一电机初级6或第二电机初级15，电机初级和电机次级通过圆形导轨与滑块配合在一起，双浮体驱动电机进行多种组合相对运动，其中一个浮体为固连一起的左浮体5和右浮体16，另一个相对浮体为中间浮体9；

第一电机初级6和第二电机初级15在前后方向各有一个凸起圆柱，圆柱与第一横板4和第二横板14的槽配合，左浮体5和右浮体16通过第一横板4和第二横板14固连在一起，以中心轴11为中心，随波浪运动，固连的左浮体5和右浮体16实现以中心轴11为中心的随波浪作用的在旋转自由度方向的相对运动，或实现随波浪上下的在垂直自由度方向的相对运动，或者随波浪同时在旋转、垂直两个自由度方向同时进行的相对运动；

第一电机次级7或第二电机次级13分别固连于中间浮体9的左右两侧，中间浮体的中心槽9-1与第一横板4和第二横板14的孔通过中心轴11相配合，中间浮体9与圆柱浸没浮体2通过轴3连接，圆柱浸没浮体2与水下阻尼盘1固连在一起，中间浮体9的中心槽9-1上方设置有中心轴止动端盖10，机电线圈的第一电机初级6和第二电机初级15设置有电能处理及储能装置，通过电缆向外网输电；

中间浮体9立于水中，有小幅运动或基本静止两种运动形式，与电机初级固连在一起的左右浮体5和16，相对于中间浮体9做组合自由度的相对运动形式。

优选的，中心轴11与中间浮体9的中心槽9-1配合后，能够在旋转、垂直、旋转同时垂直方向的自由度产生运动；中心轴11与第一横板4和第二横板14的孔配合后，能够在旋转方向自由度产生运动。

优选的，中间浮体9、第一电机次级7、第二电机次级13、轴3、圆柱浸没浮体2和阻尼盘1固连一起，几乎不随波浪运动，且立于水中。

优选的，左浮体5、右浮体16、第一横板4、第二横板14、中间浮体9、圆柱浸没浮体2和阻尼盘1设置有减重空腔。

优选的，第一电机次级7和第二电机次级13采用Halbach永磁阵列。

优选的，左浮体5、右浮体16、第一横板4、第二横板14所固连在一起的整体总长度设置为大于1/4波浪波长。

优选的，第一电机初级6和第二电机初级15、第一电机次级7或第二电机次级13分别采用双第一滑块导轨8和第二滑块导轨12来相适配，在垂直方向初级对次级做稳定间隙的相对运动。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种多自由度直驱波浪能发电装置，具有结构简单、安全可靠、环保高效、使用灵活等优点，能够适应不同的波浪形状，实现双浮体多种组合相对运动，特别是固连一起的左右浮体实现旋转、垂直自由度，或两种自由度同时运动，驱动电机进行能量采集，并进一步提高了能量转换效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中横板的结构示意图。

图3为本发明中中间浮体的结构示意图。

其中，1、阻尼盘；2、圆柱浸没浮体；3、轴；4、第一横板；5、左浮体；6、第一电机初级；7、第一电机次级；8、第一滑块导轨；9、中间浮体；10、止动端盖；11、中心轴；12、第二滑块导轨；13、第二电机次级；14、第二横板；15、第二电机初级；16、右浮体；4-1、安装孔；4-2、减重空腔；4-3、槽；4-4、中心孔；9-1、中心槽；9-2、减重空腔；9-3、安装孔。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，一种多自由度直驱波浪能发电装置，包括：至少一个装载有永磁体的第一电机次级7或第二电机次级13，至少一个装载有线圈的第一电机初级6或第二电机初级15，电机初级和电机次级通过圆形导轨与滑块配合在一起，双浮体驱动电机进行多种组合相对运动。

左浮体5、右浮体16、第一横板4和第二横板14固连在一起，第一电机初级6和第二电机初级15通过其设置的凸轴与第一横板4和第二横板14的槽配合，并可在槽内滑动，左右浮体随波浪运动而带动第一电机初级6和第二电机初级15做相对运动；而阻尼盘1、圆柱浸没浮体2、中间浮体9及与之固连一起的直线电机第一电机次级7和第二电机次级13，几乎不随波浪运动；随波浪运动部分的横板孔4-3和静止部分的中心槽9-1通过中心轴11相适配，运动部分对于静止部分可以实现垂直方向相对运动、旋转相对运动、或垂直旋转两个自由度同时进行的相对运动。

圆柱浸没浮体2整体呈长圆柱状，垂直立于波浪中，在阻尼盘1的阻尼作用下，几乎不随波浪做垂直方向运动；阻尼盘1的下方可以设置铰链固定于海底，中间浮体9的顶端有止动端盖10，防止波浪过大对设备损坏。

中间浮体9设置有减重空腔9-2，第一横板4设置有减重空腔4-2，第二横板14、左浮体5、右浮体16、圆柱浸没浮体2、阻尼盘1均设置的减重空腔，保证一定的结构强度、可靠性的前提下，起到降低设备整体重量，提高设备在波浪中产生的浮力；第一电机初级6和第二电机初级15设置有空腔，空腔内电能处理及储能装置，可通过电缆向外网输电；所有空腔有密封胶密封，并涂有密封胶水。

中间浮体9的两侧至少有一侧安装有电机参与发电，最好采用双侧电机；而第一电机初级6和第二电机初级15分别与第一电机次级7和第二电机次级13采用双滑块导轨进行相配合，实现次级相对于初级的平稳且等气隙的相对运动。还可以采用初级安装在中级浮体的两侧、运动侧采用永磁阵列的这种形式。第一电机次级7和第二电机次级13的永磁体阵列采用Halbach永磁阵列，使其增强单边磁场，提高气隙磁通。

中间浮体9的中心槽9-1的高度，跟波浪发电设备投入地点的海浪高度有关；第一横板4的中心孔两边槽4-3的槽长度跟设备发电时旋转相对运动的角度有关，第二横板14的槽也是一样的；第一横板4和第二横板14的槽，也可以采用通槽形式。各固连部件之间有密封胶垫，涂密封胶水。

本发明的具体实施方式如下：

在工作过程中，波浪作用于左浮体5和右浮体16，驱动浮体运动，左右浮体通过第一横板4和第二横板14的槽带动第一电机初级6和第二电机初级15与中间浮体9的电机次级8和13，发生相对运动，初级中各线圈6和15的磁链发生变化，在线圈中感应出电动势，并接入电能处理及储能装置，然后输送到电网。

这里工作过程中的相对运动是双浮体组合相对运动，固连一起的左浮体5右浮体16有四种形式，中间浮体9有两种运动形式，这两者进行组合相对运动。固连一起的左浮体5右浮体16的四种形式为：第一种是固连左浮体5右浮体16的横板4和14垂直于电机永磁阵列8和13的次级平面，做垂直于两个横板4和14构成平面的垂直方向相对运动；第二种是固连左右浮体的横板4和14与第一电机次级7和第二电机次级13平面有一个固定交叉角度，在固定交叉角度的情况下做垂直方向的相对运动；第三种是固连左右浮体的第一横板4和第二横板14与第一电机次级7和第二电机次级13的次级平面有一个交叉角度，但这个交叉角度是随着运动变化而变化的，这种属于纯旋转相对运动；第四种是左右浮体5和16在垂直方向运动的同时伴随有角度变化的旋转运动。对于固连一起的左浮体5右浮体16的这四种形式的相对运动，本发明装置都能进行波浪机械能量转换为电能。其中，第一种和第二种有共同的点，故划归为一种，即左右浮体在垂直方向的相对运动，为一种自由度，其余各为一种自由度。中间浮体9立于水中，有两种运行形式，第一种为垂直方向小幅运动，第二种为基本静止形式。在波浪的驱动下双浮体作组合相对运动，驱动电机进行发电。