一种垂摆升频式波浪能收集装置及搭载设备

技术领域

本发明涉及波浪能收集技术领域，特别涉及一种垂摆升频式波浪能收集装置及搭载设备。

背景技术

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。海洋波浪的能量资源丰富，发掘利用波浪能为海洋装备续航有很大的应用空间。波浪能收集目前主要有两种类型：一种是能量收集装置直接与海水接触，通过运动的海水直接驱动能量转换装置；另一种是能量收集装置集成搭载平台内部，通过收集平台受到波浪作用产生的振动能量，间接收集波浪能。人类对于海水直接接触驱动的能量收集装置的研究相对较多，如直接机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气动传动等，但是大多都分布于沿海或近海地区，且装置体积巨大。间接收集波浪能的装置发展较晚，具有体积小、易于集成等优点。为了监测海洋环境和开发海洋资源，将间接收集波浪能的装置集成于海上观测平台，如海洋浮标、海上航行器等，可在非沿海近海地区进行能源收集，为这些设备平台中的传感器供电并延长设备的使用周期，对海洋的监测和开发具有重要意义。

目前，可集成在海上以及海中的设备平台内间接收集波浪能的装置或直接布置在海平面上下的波浪能收集装置相对较少。现有装置一般采用俘能结构与电磁发电、压电发电或摩擦发电等几种发电类型相结合的形式。电磁发电类型一般采用弹簧振子结构，以及齿轮增速升频机构。搭载平台在海浪作用下运动并带动固定在弹簧活动端的质量块产生受迫振动，进而由齿轮组驱动磁体或金属线圈转动，使能量收集器上的感应金属线圈产生感生电势并输出电能。由于海洋波浪振动具有频率极低、空间中振动波形复杂的特点，这种电磁发电能量收集装置的振动频率极低，齿轮组升频操作过程中能量损失较大，金属线圈磁通量的变化率小，发电输出功率不高。压电发电类型一般采用末端附带质量块的悬臂梁结构，在海浪作用以及惯性作用下由质量块带动自发振动，从而使压电材料的悬臂梁产生正负挠度变化，从而发生压电效应，产生能量输出。由于悬臂梁固有频率较高，与海洋波浪振动频率契合程度低、在前端没有相关升频机制的前提下，这种收集装置的海洋环境适应性差，难以满足需求。摩擦式发电类型是通过两种材料的表面相互接触和分离，根据摩擦生电和静电感应的耦合来实现电能输出。一般是在波浪振动产生的外力作用下，通过某种方式，如在平面上自由滚动小球相互撞击摩擦等，使两种不同的材料表面产生接触和分离，产生电能并输出。同样由于海洋中的波浪振动的频率较低、空间中振动波形复杂的原因，使得摩擦材料表面的接触和分离的频率较低，且相互间刚体撞击极大损失能量，摩擦使之寿命缩短，所以输出的电能较低使用寿命不长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可在波浪幅度极小、频率极低条件下实现高功率能量收集与高效率转化输出的垂摆升频式波浪能收集装置。

为了解决上述问题，本发明提供了一种垂摆升频式波浪能收集装置，其包括壳体，所述壳体内设有：

俘能系统，包括质量摆和俘能磁铁，所述质量摆的上端与所述壳体转动连接，所述俘能磁铁与所述质量摆连接；

电磁换能系统，设于所述质量摆的一侧，所述电磁换能系统包括固定座、旋转支架、金属线圈、换能磁铁，所述金属线圈套设在所述固定座上，所述旋转支架设于所述固定座内并与固定座转动连接，所述换能磁铁与所述旋转支架连接；

所述质量摆可带动所述俘能磁铁摆动，所述俘能磁铁在摆动时对所述换能磁铁施加不断变换的吸引力和排斥力，以驱动所述换能磁铁往复旋转，使所述金属线圈切割所述换能磁铁往复旋转时的磁感线，并产生交流电流。

作为本发明的进一步改进，所述壳体内还设有与所述质量摆配合限制质量摆摆动角度的行程弹簧。

作为本发明的进一步改进，所述行程弹簧的长度可调，通过调节所述行程弹簧的长度调节所述质量摆的最大摆动角度。

作为本发明的进一步改进，所述质量摆内设有容纳槽，所述俘能磁铁设于所述容纳槽内。

作为本发明的进一步改进，所述容纳槽内还设有夹持所述俘能磁铁的夹具，所述夹具将所述俘能磁铁固定于所述容纳槽内。

作为本发明的进一步改进，所述俘能系统还包括主轴，所述主轴的两端通过第一轴承与所述壳体连接，所述主轴的上端穿设于所述质量摆。

作为本发明的进一步改进，所述质量摆的两侧通过光轴紧固环与所述主轴连接。

作为本发明的进一步改进，所述旋转支架内设有装配孔，所述装配孔中间设有隔层并将所述装配孔分隔成两个对称的装配槽，两个装配槽内均设有换能磁铁并通过磁力吸附固定。

作为本发明的进一步改进，所述电磁换能系统的数量为二，两电磁换能系统对称设于所述质量摆的两侧。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种搭载设备，其搭载有上述任一所述的垂摆升频式波浪能收集装置。

本发明的有益效果：

本发明垂摆升频式波浪能收集装置针对海洋波浪运动频率极低的特点，运用质量摆带动俘能磁体往复运动，通过俘能磁铁激励换能磁铁高频率往复旋转，从而激发金属线圈中的磁通量极速变化产生感生电势，实现交流电输出，可实现在波浪幅度极小、频率极低条件下的高功率能量收集与高效率转化输出。其中，质量摆可收集多自由度运动超低频波浪能，并区别于传统齿轮传动结构，该装置可有效避免齿轮接触而产生的磨损现象，有效提高装置的使用寿命。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明优选实施例中垂摆升频式波浪能收集装置的结构分解示意图；

图2是本发明优选实施例中俘能系统和电磁换能系统的结构示意图；

图3是本发明优选实施例中俘能系统的结构分解示意图；

图4是本发明优选实施例中电磁换能系统的结构分解示意图；

图5是本发明优选实施例中垂摆升频式波浪能收集装置安置于浮标内的示意图。

标记说明：1、垂摆升频式波浪能收集装置；2、俘能系统；3、电磁换能系统；4、行程弹簧；11、中框；12、边框；121、第一轴承安装孔；21、质量摆；211、容纳槽；22、俘能磁铁；23、主轴；24、第一轴承；25、光轴紧固环；26、夹持块；31、固定座；311、支架安装孔；312、第二轴承安装孔；32、旋转支架；321、定位销；322、装配槽；33、金属线圈；34、换能磁铁；35、固定支架；36、第二轴承；40、浮标。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1-4所示，为本发明优选实施例中的垂摆升频式波浪能收集装置1，其包括壳体，所述壳体内设有俘能系统2和电磁换能系统3。

俘能系统2包括质量摆21和俘能磁铁22，所述质量摆21的上端与所述壳体转动连接，所述俘能磁铁22与所述质量摆21连接。

电磁换能系统3设于所述质量摆21的一侧，所述电磁换能系统3包括固定座31、旋转支架32、金属线圈33、换能磁铁34，所述金属线圈33套设在所述固定座31上，所述旋转支架32设于所述固定座31内并与固定座31转动连接，所述换能磁铁34与所述旋转支架32连接。可选的，金属线圈33为铜线圈。

所述质量摆21可带动所述俘能磁铁22摆动，所述俘能磁铁22在摆动时对所述换能磁铁34施加不断变换的吸引力和排斥力，以驱动所述换能磁铁34往复旋转，使所述金属线圈33切割所述换能磁铁34往复旋转时的磁感线，并产生交流电流。

如图3所示，在一些实施例中，所述质量摆21内设有容纳槽211，所述俘能磁铁22设于所述容纳槽211内。进一步的，所述容纳槽211内还设有夹持所述俘能磁铁22的夹具，所述夹具将所述俘能磁铁22固定于所述容纳槽211内。可选的，所述夹具包括两个夹持块26，两个夹持块26配合将俘能磁铁22夹持在中间，两个夹持块26过盈配合装配到所述容纳槽211中。

如图2所示，在一些实施例中，所述俘能系统2还包括主轴23，所述主轴23的两端通过第一轴承24与所述壳体连接，所述主轴23的上端穿设于所述质量摆21。进一步的，所述质量摆21的两侧通过光轴紧固环25与所述主轴23连接，实现夹紧。

如图4所示，在一些实施例中，所述旋转支架32内设有装配孔，所述装配孔中间设有隔层并将所述装配孔分隔成两个对称的装配槽322，两个装配槽322内均设有换能磁铁34并通过磁力吸附固定。进一步的，换能磁铁34为圆形，换能磁铁34的直径与装配槽322的直径相匹配，避免换能磁铁34在装配槽322内发生相对位移。为保证受力平衡，两个装配槽322内的换能磁铁34的数量相同且厚度一致。

可选的，固定座31通过固定支架35与壳体连接，固定支架35上设有与固定座31匹配的卡槽，所述固定座31通过螺丝或螺栓与固定支架35连接，固定支架35通过螺丝或螺栓与壳体连接。

可选的，旋转支架32的中部对称设有两个定位销321，两个定位销321通过第二轴承36与固定座31连接。进一步的，固定座31上设有用于安装第二轴承36的第二轴承安装孔312，第二轴承36的外圈与第二轴承安装孔312过盈配合，第二轴承36的内圈与定位销321过盈配合。

在其中一实施例中，所述壳体包括中框11和两边框12，电磁换能系统3装配在边框12上，边框12可通过螺丝或螺栓等与中框11装配固定。进一步的，边框12上设有第一轴承安装孔121，第一轴承24的外圈与第一轴承安装孔121过盈配合，第一轴承24的内圈与主轴23过盈配合。

如图2所示，在一些实施例中，所述电磁换能系统3的数量为二，两电磁换能系统3对称设于所述质量摆21的两侧，提升能量收集效率。

本发明优选实施例还公开了一种搭载设备，其搭载有上述任一实施例所述的垂摆升频式波浪能收集装置1，可选的，所述搭载设备为浮标40、航行器等设备，参照图5。

当搭载设备静止时，质量摆21受到重力及主轴23的支持力，两部分扭矩平衡保证装置处于静止状态，在海浪波动激励下，搭载设备带动装置起伏晃动，质量摆21在惯性作用下与壳体产生相对运动，俘能系统2随着搭载设备的运动而发生起伏，从而存在势能。与此同时重力竖直方向上产生的力矩与主轴23的支持力产生的力矩不再相抵，从而俘能系统2产生往复式旋转运动。受磁铁之间的相互影响，假设当质量摆21摆动至一侧时，俘能系统2中的俘能磁铁22对电磁换能系统3中的换能磁铁34表现为吸引力，当质量摆21快速摆过中心时，原来受吸引力影响的换能磁铁34由于俘能磁铁22极性的改变迅速受到排斥力，于是与换能磁铁34相对固定的旋转支架32高速翻转并获得动能。质量摆21在摆动到一侧时会受惯性影响，在改变方向时速度降低并在一侧做短暂停留，此时换能磁铁34始终受到俘能磁铁22的吸引力。由于换能磁铁34本身已经具备动能并处于旋转状态，受吸引力影响，旋转支架32便会产生高频的往复旋转运动。金属线圈33切割换能磁铁34高频往复运动时的磁感应线，产生较高的电能输出，从而使装置实现低频波浪激励到高频交流电的转换，并可通过电源管理将电能稳压整流成匹配于负载的波形输出。

在一些实施例中，所述壳体内还设有与所述质量摆21配合限制质量摆21摆动角度的行程弹簧4。具体的，行程弹簧4的一端与壳体连接，另一端为用于与质量摆21抵接的自由端。进一步的，所述行程弹簧4的长度可调，通过调节所述行程弹簧4的长度调节所述质量摆21的最大摆动角度。也可以通过调整俘能磁铁22与换能磁铁34的数量，改变磁铁之间的相互受力大小，影响质量摆21越过势能最大点时搭载设备所需要的最大倾斜角度。从而调整出与应用海域波浪运动频率相近甚至相同的固有频率，使得在整个装置工作时能够积极响应该域波浪的激励，质量摆21轻松越过势陷，以非接触式激励升频的方式，达到高效收集并传递能量，实现电能输出的优化。

本发明垂摆升频式波浪能收集装置能够收集多自由度运动超低频波浪能，采用磁铁之间互相激励的方法，实现了波浪低频激励情况下的非接触式升频，无需额外的传动系统，产生高频交流电压输出，实现波浪能的高效转换。区别于传统齿轮传动结构，该装置可有效避免齿轮接触而产生的磨损现象，有效提高装置的使用寿命。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。