一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统

1.本发明涉及新能源开发利用及海洋工程领域，特别涉及一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统。


背景技术：

2.目前，海洋能是海洋中所蕴藏的可再生能源，包括波浪能、潮汐能、温差能和盐差能等，其中波浪能是能量密度最大，分布最为广泛的一类海洋能。根据世界能源委员会的调查成果，全球可利用的波浪能达到20亿kw，因此目前世界各海洋大国都十分重视波浪能的利用研究。在波浪能开发利用领域，目前已出现多种波浪能利用装置，包括振荡水柱式、聚波越浪式和振荡体式等。然而，这些装置由于波浪能俘获效率不高，结构型式复杂且开发成本过高，难以应用于实际工程。为此，有必要提出一种结构简单、开发成本可控、发电效率较高且兼具较好的消浪防护能力的新型波浪能利用装置。


技术实现要素：

3.本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种既产生电能又兼具消浪防护能力的柔性薄膜垂荡波浪发电系统。
4.本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统，包括顶端封闭且底端开口的吸力桶，吸力桶贯入海床，每个吸力桶上设有一根立柱，每两个吸力桶上的立柱通过上、下横梁连接成矩形框架结构；在立柱外套接有套管，套管与立柱上下滑动配合；位于同一个矩形框架结构中的两个立柱上的套管通过连杆连接在一起，两两矩形框架结构相对平行设置并组成一组，一组矩形框架结构中的两个连杆之间连接有柔性薄膜；连杆与上、下横梁均通过弹簧连接；立柱与套管上对应设有线圈和磁体，线圈相对磁体随套管相对立柱上下滑动而上下运动；线圈相对磁体上下运动时，使穿过线圈的磁通变化，线圈产生电动势并输出。
5.进一步地，立柱与套管之间设有滑块或滑条。
6.进一步地，线圈固定套接在立柱外，磁体固接在套管上，套管的材质为不导磁材料。
7.进一步地，线圈固定套接在套管外，磁体包覆在立柱上。
8.进一步地，从线圈引出的导线绕成螺旋形。
9.进一步地，每个吸力桶上还设有多个沿吸力桶周向均布的斜柱，斜柱一端与吸力桶连接，斜柱另一端与立柱连接。
10.进一步地，套管与立柱的横截面均为圆形或方形。
11.进一步地，柔性薄膜厚度为10～30mm。
12.进一步地，线圈产生的电动势经过桥式整流器整流后输出。
13.进一步地，连接同一个柔性薄膜的两矩形框架结构间隔4m设置，矩形框架结构所构成的平面垂直于波浪传播方向。
14.本发明具有的优点和积极效果是：通过吸力桶将整个装置固定在海底，可抵抗波浪作用下柔性薄膜传递给固定支架的上浮力和下压力，保证结构的安全。
15.本发明迎浪面积较小，波浪作用下本发明主要受到浮力和下压力周期作用，而受到的水平荷载很小，因而对本发明中的框架结构的侧向支撑刚度要求不高。
16.立柱与套管上对应设有线圈和磁体，磁体的磁力线穿过线圈，当套管相对立柱上下滑动时，线圈相对磁体随之上下运动使穿过线圈的磁通变化，线圈产生电动势并输出，不需要利用传动结构将直线往复运动转换为回转运动来使发电机产生电动势，简化了整个装置，具有较强的实用性。
17.连杆设置在矩形框架结构内，两个相对的连杆之间连接有柔性薄膜；连杆与上、下横梁均通过弹簧连接，可通过连接不同刚度的弹簧来调整振动频率，使其接近波浪周期，进而发生共振来俘获更大的能量。
18.柔性薄膜成本相对于刚性平板成本低，且柔性薄膜对水质点的运动也有一定的阻碍作用，使波浪能量被反射和耗散，因而有一定的消波效果，将本发明沿波浪传播方向纵向连续阵列布置，可对任意波长的波浪都具有较好的消浪效果。
19.本发明结构简单，材料用量少，便于制造和施工，因而整体开发成本较低。
附图说明
20.图1是本发明的一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统的三维示意图；图2是本发明的一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统中的矩形框架结构的三维示意图；图3是本发明的一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统中的弹簧、套管、连杆及柔性薄膜连接所构成的结构三维示意图；图4是本发明的一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统中的套管与立柱的横截面结构图；图5是本发明的一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统的剖视图。
21.图中： 1、矩形框架结构；1-1、立柱；1-2、上横梁；1-3、下横梁；1-4、斜柱； 2、吸力桶； 3、套管； 4、柔性薄膜； 5、弹簧；6、连杆；7、线圈；8、滑条；9、永磁体。
实施方式
22.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
23.在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
24.请参见图1至图5，一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统，包括顶端封闭且底端开口的吸力桶2，吸力桶2贯入海床，每个吸力桶2上设有一根立柱1-1，每两个吸力桶2上的立柱1-1
通过上、下横梁连接成矩形框架结构1；在立柱1-1外套接有套管3，套管3与立柱1-1上下滑动配合；位于同一个矩形框架结构1中的两个立柱1-1上的套管3通过连杆6连接在一起，两两矩形框架结构1相对平行设置并组成一组，一组矩形框架结构1中的两个连杆6之间连接有柔性薄膜4；连杆6与上、下横梁1-3均通过弹簧5连接；立柱1-1与套管3上对应设有线圈7和磁体，线圈7相对磁体随套管3相对立柱1-1上下滑动而上下运动；线圈7相对磁体上下运动时，磁体外部的磁力线穿过线圈7并使穿过线圈7的磁通变化，线圈7产生电动势并输出。
25.线圈7可采用环氧树脂等绝缘抗腐蚀材料封装。引出的导线采用耐腐蚀绝缘材料包覆。
26.立柱1-1与套管3之间可设有滑块或滑条8。比如套管3内周固接滑块，或者立柱1-1外侧固接滑条8，减小立柱1-1与套管3之间相对上下滑动时的摩擦阻力。滑块表面可设弧形凸起，滑条8表面可设截面为圆弧形的条形凸起。
27.立柱1-1与套管3上对应设有线圈7和磁体，比如线圈7设置在立柱1-1上，磁体设置在套管3上；或线圈7设置在套管3上，磁体设置在立柱1-1上，这样线圈7相对磁体，随套管3相对立柱1-1上下滑动而上下运动。线圈7与立柱1-1或套管3，磁体与立柱1-1或套管3，都可以采用环氧树脂浇筑密封的方式固接在一起。
28.选择线圈7设置在立柱1-1上，磁体设置在套管3上时，线圈7可固定套接在立柱1-1外，磁体可固接在套管3上，套管3的材质为不导磁材料。磁体可嵌入在套管3上或者包覆在套管3上。磁体和套管3可以采用粘贴或嵌入的方式粘贴在一起。线圈7和立柱1-1也可以采用粘贴或嵌入的方式粘贴在一起。
29.线圈7外可设有竖向滑条8；滑条8可沿线圈7周向均布。套管3可与滑条8上下滑动配合。
30.选择线圈7设置在套管3上，磁体设置在立柱1-1上时，线圈7既可以套接在套管3外，线圈7也可以套接在套管3内，磁体可包覆在立柱1-1上。
31.从线圈7引出的导线可绕成螺旋形。这样从线圈7引出的导线便于随套管3上下移动而伸缩。
32.优选地，每个吸力桶2上还可设有多个沿吸力桶2周向均布的斜柱1-4，斜柱1-4一端与吸力桶2连接，斜柱1-4另一端与立柱1-1连接。周向均布的斜柱1-4使矩形框架结构1更稳定，能承受侧向力。
33.优选地，柔性薄膜4厚度可为5～30mm。柔性薄膜4优选10mm塑料薄膜或橡胶薄膜等。
34.优选地，套管3与立柱1-1的横截面可均为圆形或方形。
35.优选地，磁体可为永磁体9，磁体可为永磁铁或其他永磁体9。
36.优选地，线圈7产生的电动势可经过桥式整流器整流后输出。这样线圈产生的正反电动势均可经过桥式整流器整流后变成直流电，输入储能装置进行储能。提高了发电效率。
37.优选地，连接同一个柔性薄膜4的两矩形框架结构1可间隔4m设置，矩形框架结构1所构成的平面可垂直于波浪传播方向。两矩形框架结构1可间隔4m设置可更好地聚集波浪能。
38.连杆6与上下横梁均可对应设有连接弹簧5的吊环或拉环，弹簧5通过拉环连接连杆与上、下横梁，弹簧5与吊环或拉环可拆卸连接，方便拆装，并且可通过连接不同刚度的弹
簧5来调整振动频率，使弹簧5的振动频率接近波浪频率，进而发生共振来俘获更大的能量。
39.下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明工作原理：一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统由矩形框架结构1、吸力桶2、套管3、柔性薄膜4和弹簧5组成。矩形框架结构1包括立柱1-1、上横梁1-2、下横梁1-3。立柱1-1、上横梁1-2、下横梁1-3、斜柱1-4均为截面边长为0.1m
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0.1m，厚度10mm的方形空心钢管，立柱1-1高4.5m，每两个立柱1-1为一组，垂直于波浪传播方向间隔4m布置，并在立柱1-1顶部和底部通过上、下横梁连接形成矩形框架，用于连接套管3的连杆6截面尺寸可与立柱1-1相同，连杆6安装于矩形框架结构1的上横梁1-2、下横梁1-3之间；上横梁1-2下面和下横梁1-3上面，以及连杆6的上下两面，分别均匀布置有6个吊环，用于悬挂弹簧5；立柱1-1的底部与吸力桶2相连，吸力桶2直径1m，高度1.5m，为使立柱1-1与吸力桶2间的连接更稳固，吸力桶2与立柱1-1下部底部还通过斜柱1-4相连；套管3和立柱1-1之间可设有滑块或滑条8，便于在波浪作用下套管3沿立柱1-1轴线方向上下滑动时减少摩擦力，两两矩形框架结构1相对平行间隔4m设置并组成一组，沿波浪传播方向布置，在一组矩形框架结构1中的两个连杆6之间连接有一块4m
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4m的柔性薄膜4，柔性薄膜4的厚度为20mm，在波浪作用下，柔性薄膜4受力产生变形的同时，将竖向力传递给连杆6，连杆6带动套管3相对立柱1-1上下滑动，在立柱1-1外固定套接线圈7，在套管3外表面沿周向固定有永磁体9，永磁体9随套管3上下运动，使通过线圈7的磁通量发生变化，从而产生电动势，实现波浪能转换为电能。可将本发明沿波浪传播方向纵向连续阵列布置，在利用波浪能发电的同时可对任意波长的波浪都具有较好的消浪效果。
40.本实施例适用海况：水深5～8m，适用波浪的有效波高为0.5～3.5m，普峰周期不超过7s。
41.以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

技术特征：
1.一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统，其特征在于，包括顶端封闭且底端开口的吸力桶，吸力桶贯入海床，每个吸力桶上设有一根立柱，每两个吸力桶上的立柱通过上、下横梁连接成矩形框架结构；在立柱外套接有套管，套管与立柱上下滑动配合；位于同一个矩形框架结构中的两个立柱上的套管通过连杆连接在一起，两两矩形框架结构相对平行设置并组成一组，一组矩形框架结构中的两个连杆之间连接有柔性薄膜；连杆与上、下横梁均通过弹簧连接；立柱与套管上对应设有线圈和磁体，线圈相对磁体随套管相对立柱上下滑动而上下运动；线圈相对磁体上下运动时，使穿过线圈的磁通变化，线圈产生电动势并输出。2.根据权利要求1所述的柔性薄膜垂荡波浪发电系统，其特征在于，立柱与套管之间设有滑块或滑条。3.根据权利要求1所述的柔性薄膜垂荡波浪发电系统，其特征在于，线圈固定套接在立柱外，磁体固接在套管上，套管的材质为不导磁材料。4.根据权利要求1所述的柔性薄膜垂荡波浪发电系统，其特征在于，线圈固定套接在套管外，磁体包覆在立柱上。5.根据权利要求4所述的柔性薄膜垂荡波浪发电系统，其特征在于，从线圈引出的导线绕成螺旋形。6.根据权利要求1所述的柔性薄膜垂荡波浪发电系统，其特征在于，每个吸力桶上还设有多个沿吸力桶周向均布的斜柱，斜柱一端与吸力桶连接，斜柱另一端与立柱连接。7.根据权利要求1所述的柔性薄膜垂荡波浪发电系统，其特征在于，套管与立柱的横截面均为圆形或方形。8.根据权利要求1所述的柔性薄膜垂荡波浪发电系统，其特征在于，柔性薄膜厚度为10～30mm。9.根据权利要求1所述的柔性薄膜垂荡波浪发电系统，其特征在于，线圈产生的电动势经过桥式整流器整流后输出。10.根据权利要求1所述的柔性薄膜垂荡波浪发电系统，其特征在于，连接同一个柔性薄膜的两矩形框架结构间隔4m设置，矩形框架结构所构成的平面垂直于波浪传播方向。

技术总结
本发明公开了一种柔性薄膜垂荡波浪发电系统，包括顶端封闭且底端开口的吸力桶，每个吸力桶上设有一根立柱，每两个吸力桶上的立柱通过上下横梁连接成矩形框架结构；在立柱外套接有滑动配合的套管；两个立柱上的套管通过连杆连接在一起，两两矩形框架结构相对平行设置并组成一组，一组矩形框架结构中的两个连杆之间连接有柔性薄膜；连杆与上下横梁均通过弹簧连接；立柱与套管上对应设有线圈和磁体，线圈相对磁体随套管相对立柱上下滑动而上下运动；线圈相对磁体上下运动时，磁体的磁力线穿过线圈并使穿过线圈的磁通变化，线圈产生电动势并输出。本发明不需将直线往复运动转换为回转运动来使发电机产生电动势，简化了整个装置，具有较强的实用性。有较强的实用性。有较强的实用性。


技术研发人员：王孝群 练继建 刘润 燕翔 邵楠
受保护的技术使用者：河北工程大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/5/14