一种波浪能捕获及电能收集装置

摘要

本发明公开一种波浪能捕获及电能收集装置，属于波浪能发电技术领域。该波浪能捕获及电能收集装置包括立柱、回转架、升降座、摆动架、波浪发电机、拉杆、柔性电缆、主电缆及水底电缆；悬浮水面上的波浪发电机通过拉杆连接形成正六边形的阵列单元并依次沿风浪方向的纵向和横向扩展形成更大的波浪能捕获阵列。该捕获阵列通过摆动架、回转架、升降座与固定的立柱连接进行水上定位。所有波浪发电机通过柔性电缆连接主电缆收集电能输往水底电缆。本发明装置适用于波浪能丰富的海面、江面及湖面等，波浪能捕获阵列组成灵活，波浪能捕获密度大且效率高，安装维护简单，成本低，在清洁能源开发应用方面有很好的应用前景。

权利要求

1.一种波浪能捕获及电能收集装置，其特征在于该装置包括立柱(1)、回转架(2)、升降座(3)、摆动架(4)、波浪发电机(5)、斜拉杆(6)、横拉杆(7)、纵拉杆(8)、纵向电缆(9)、横向电缆(10)、竖电缆(11)、主电缆(13)、竖拉索(12)、伸缩电缆(14)及水下电缆(15)；所述立柱(1)是圆柱形的细长空心承载构件，垂直于水面并固定于水下基础，所述升降座(3)的内孔与所述立柱(1)的外圆柱面间隙配合且与所述立柱(1)的导向键间隙配合，所述回转架(2)位于所述升降座(3)的上部，所述回转架(2)的外圆柱面与所述升降座(3)间隙配合，所述回转架(2)的外圆柱面的轴线与所述升降座(3)的内孔轴线重合，所述回转架(2)设置导电的滑环，该滑环与所述升降座(3)设置的碳刷接触，所述摆动架(4)与所述回转架(2)铰接，铰接轴线与所述回转架(2)外圆轴线共面且相互垂直；所述波浪发电机(5)是球形外壳的浮体，球壳内设置传动机构、增速机构和发电机及控制系统，球壳外设置左圆环(A)、中圆环(C)、右圆环(B)和输出端(D)，所述左圆环(A)和所述右圆环(B)是能够相对于所述波浪发电机(5)球壳运动的活动耳环，所述中圆环(C)是固定于所述波浪发电机(5)球壳的固定耳环；

所述斜拉杆(6)是刚性的细长构件，所述斜拉杆(6)两端的耳环与所述波浪发电机(5)的活动耳环连接形成3自由度的运动副，所述纵拉杆(8)是刚性的细长构件，所述纵拉杆(8)两端的耳环只与所述波浪发电机(5)的固定耳环连接形成3自由度的运动副，六个所述波浪发电机(5)通过四根所述斜拉杆(6)和两根所述纵拉杆(8)连接形成正六边形的阵列单元；所述摆动架(4)首先与2个所述阵列单元中所述波浪发电机(5)的固定耳环连接，后续按正六边形规则横向递增阵列单元的数量并沿纵向扩展形成区域更大的波浪能捕获阵列；所述立柱(1)位于该捕获阵列的前部，所述立柱(1)的轴线位于所述捕获阵列的纵向对称铅锤面上，且所述捕获阵列的纵轴线平行于风浪前进方向；所述横拉杆(7)是刚性的细长构件，所述横拉杆(7)两端的耳环与所述纵拉杆(8)中部的耳环连接形成3自由度的运动副，每个正六边形的阵列单元通过所述横拉杆(7)限制该单元所述波浪发电机(5)的过度横向运动，在所述捕获阵列的尾部，所述横拉杆(7)两端的耳环直接连接相邻两个所述波浪发电机(5)的固定耳环；所述纵向电缆(9)是防水的柔性电缆，沿所述纵拉杆(8)平行设置，所述纵向电缆(9)两端分别与所述纵拉杆(8)连接的两个所述波浪发电机(5)的所述输出端(D)连通，所述纵向电缆(9)的中部与所述纵拉杆(8)的中部绑定，所述纵向电缆(9)收集前后两个所述波浪发电机(5)的电能；所述横向电缆(10)是防水的柔性电缆，沿所述横拉杆(7)平行设置，所述横向电缆(10)两端分别与所述阵列单元中的所述纵向电缆(9)的中部固接并保持连通，所述横向电缆(10)的中部与所述横拉杆(7)的中部绑定，位于所述捕获阵列首尾端的所述波浪发电机(5)的输出端直接与所述横向电缆(10)的两端连通；所述横向电缆(10)收集横向组合的所述阵列单元中所有所述波浪发电机(5)的电能；所述主电缆(13)是防水的柔性电缆，沿所述捕获阵列的纵轴线平行设置并位于该纵轴线下方，所述主电缆(13)的首端固定于所述回转架(2)并与所述回转架(2)的滑环连通，所述竖拉索(12)是柔性的防水绳，沿所述主电缆(13)均匀分布，所述竖拉索(12)的上端与所述主电缆(13)正上方的所述横拉杆(7)的中部固连，所述竖拉索(12)的下端与所述主电缆(13)固连；所述竖电缆(11)是防水的柔性电缆，沿所述捕获阵列的纵轴线均匀分布，所述竖电缆(11)的上端与所述横向电缆(10)固定并保持连通，所述竖电缆(11)的下端与所述主电缆(13)固定并保持连通；所述伸缩电缆(14)是沿所述立柱(1)轴线螺旋形布置的柔性电缆，所述伸缩电缆(14)上端与所述升降座(3)固连并与所述升降座(3)的碳刷连通，所述伸缩电缆(14)下端与所述水下电缆(15)连通，所述水下电缆(15)是埋设水底的固定电缆，沿所述立柱(1)分布路线设置，通往岸基变电站。

2.根据权利要求1所述的一种波浪能捕获及电能收集装置，其特征在于所述立柱(1)高度大于水面的深度，采用耐水腐蚀的材料制造。

3.根据权利要求1所述的一种波浪能捕获及电能收集装置，其特征在于所述波浪发电机(5)的左圆环(A)、中圆环(C)和右圆环(B)的位置在水平面上的投影关于球心互成120°，所述波浪发电机(5)的输出端(D)和中圆环(C)位于球壳的同一侧。

4.根据权利要求1所述的一种波浪能捕获及电能收集装置，其特征在于所述纵向电缆(9)长度大于所述纵拉杆(8)长度，所述横向电缆(10)的长度大于所述横拉杆(7)的长度，以防所述波浪发电机(5)运动时损坏电缆。

说明书

一种波浪能捕获及电能收集装置

技术领域：

[0001] 本发明属于清洁能源设备技术领域，具体涉及一种波浪能捕获及电能收集装置。背景技术：

[0002] 波浪能是一种清洁的可再生能源，分布于江河湖海，能量储量巨大。波浪能以机械能的方式呈现，具有能量品位高、能流密度高的特点，尤其是风能丰富的海域，风大浪急，伴
随着潮汐能，能流密度更大。上世纪70年代以来，世界各国投入大量的人力、物力进行了波
浪能高效发电的研究，开发出了各种型式、不同规模的发电装置，如挪威建成的500kW振荡
水柱式波浪电站和350kW聚波水库式波浪电站，我国自主研发的50kW振荡水柱式波浪能独
立稳定发电系统等。现有波浪能发电主流技术以筏式、震荡水柱式等为主。筏式波浪发电装
置由筏体、铰接链、液压系统等组成，筏体随波浪运动获得机械能，进而通过液压系统驱动
发电机发电。其优点为装置结构简单，波浪能转化效率较高，缺点是波浪能利用率低。震荡
水柱式波浪发电装置由气室、涡轮机等组成，波浪作用使气室中的气压增大产生高速气流
驱动涡轮机发电。其优点为装置结构简单、工作可靠，缺点是波浪能利用率和转化效率偏
低。一种网状漂浮式波浪能发电装置(CN107143459B)采用发电单元浮舱组成的网状阵列，
可克服上述波浪能利用率低的不足，然而该装置组成复杂、连接件数量多、波浪能转化效率
偏低。
发明内容：

[0003] 本发明针对现有清洁能源设备存在的技术问题，提供一种波浪能捕获及电能收集装置。该装置能够满足江河湖海水面波浪能的大面积捕获要求，具有波浪能捕获效率高，结
构简单，适应环境能力强，安装维护简单，成本低等特点。

[0004] 本发明提供的一种波浪能捕获及电能收集装置包括立柱1、回转架2、升降座3、摆动架4、波浪发电机5、斜拉杆6、横拉杆7、纵拉杆8、纵向电缆9、横向电缆10、竖电缆11、主电
缆13、竖拉索12、伸缩电缆14及水下电缆15。

[0005] 所述立柱1是圆柱形的细长空心承载构件，垂直于水面并固定于水下基础，所述升降座3空套在立柱1上并与所述立柱1的导向键间隙配合，所述回转架2位于所述升降座3的
上部，回转架2的外圆柱面与所述升降座3间隙配合且轴线与升降座3的内孔轴线重合，回转
架2设置导电的滑环，该滑环与所述升降座3设置的碳刷接触，所述摆动架4与所述回转架2
铰接，铰接轴线与回转架2外圆轴线共面且相互垂直。

[0006] 所述波浪发电机5是球形外壳的浮体，球壳内设置传动机构、增速机构和发电机及控制系统，球壳外设置左圆环A、中圆环C、右圆环B和输出端D，所述左圆环A和右圆环B是能
够相对于波浪发电机5球壳运动的活动耳环，中圆环C是固定于波浪发电机5球壳的固定耳
环。

[0007] 所述斜拉杆6是刚性的细长构件，斜拉杆6两端的耳环与波浪发电机5的活动耳环连接形成3自由度的运动副，所述纵拉杆8是刚性的细长构件，纵拉杆8两端的耳环只与波浪
发电机5的固定耳环连接形成3自由度的运动副，六个波浪发电机5通过四根斜拉杆6和两根
纵拉杆8连接形成正六边形的阵列单元；所述摆动架4首先与2个所述阵列单元中波浪发电
机5的固定耳环连接，后续按正六边形规则横向递增阵列单元的数量并沿纵向扩展形成区
域更大的波浪能捕获阵列；所述立柱1位于该捕获阵列的前部，所述捕获阵列是关于立柱1
轴线对称的，且捕获阵列的纵轴线平行于风浪前进方向。

[0008] 所述横拉杆7是刚性的细长构件，横拉杆7两端的耳环与所述纵拉杆8中部的耳环连接形成3自由度的运动副，每个正六边形的阵列单元通过所述横拉杆7限制该单元波浪发
电机5的过度横向运动，在所述捕获阵列的尾部，横拉杆7两端的耳环直接连接相邻两个波
浪发电机5的固定耳环。

[0009] 所述纵向电缆9是防水的柔性电缆，沿纵拉杆8平行设置，纵向电缆9两端分别与纵拉杆8连接的两个波浪发电机5的输出端D连通，纵向电缆9的中部与纵拉杆8的中部绑定，纵
向电缆9收集前后两个波浪发电机5的电能。

[0010] 所述横向电缆10是防水的柔性电缆，沿横拉杆7平行设置，横向电缆10两端分别与所述阵列单元中的纵向电缆9的中部固接并保持连通，横向电缆10的中部与横拉杆7的中部
绑定，位于所述捕获阵列首尾端的所述波浪发电机5的输出端直接与横向电缆10的两端连
通；横向电缆10收集横向组合的所述阵列单元中所有波浪发电机5的电能。

[0011] 所述主电缆13是防水的柔性电缆，沿所述捕获阵列的纵轴线平行设置并位于该纵轴线下方，主电缆13的首端固定于所述回转架2并与回转架2的滑环连通，所述竖拉索12是
柔性的防水绳，沿所述主电缆13均匀分布，竖拉索12的上端与主电缆13正上方的横拉杆7的
中部固连，竖拉索12的下端与主电缆13固连。

[0012] 所述竖电缆11是防水的柔性电缆，沿所述捕获阵列的纵轴线均匀分布，竖电缆11的上端与横向电缆10固定并保持连通，竖电缆11的下端与主电缆13固定并保持连通。

[0013] 所述伸缩电缆14是沿立柱1轴线螺旋形布置的柔性电缆，伸缩电缆14上端与所述升降座3固连并与升降座3的碳刷连通，伸缩电缆14下端与所述水下电缆15连通，水下电缆
15是埋设水底的固定电缆，沿立柱1分布路线设置，通往岸基变电站。

[0014] 所述立柱1高度大于水面的深度，采用耐水腐蚀的材料制造。所述波浪发电机5的左圆环A、中圆环C和右圆环B的位置在水平面上的投影关于球心互成120°，所述波浪发电机
5的输出端D和中圆环C位于球壳的同一侧。所述纵向电缆9长度大于所述纵拉杆8长度，所述
横向电缆10的长度大于所述横拉杆7的长度，以防所述波浪发电机5运动时损坏电缆。

[0015] 本发明工作原理如下：

[0016] 所有波浪发电机5悬浮于水面，在纵拉杆8、斜拉杆6和横拉杆7的作用下以正六边形阵列单元组成波浪能捕获阵列，立柱1限定了该捕获阵列的位置以防随风浪飘走，升降座
3沿立柱1上下滑动保证捕获阵列适应水面高度的变化，风浪方向改变时，回转架2相对于升
降座3转动允许捕获阵列整体在风浪作用下自动调整方向。水面静止时，波浪发电机5无电
能输出。水面有波浪时，在浮力和重力作用下，波浪发电机5主要随波浪上下运动，同时伴随
有左右或前后的摇摆运动，这些随机运动导致连接波浪发电机5的斜拉杆6产生拉力或压
力。斜拉杆6的拉力驱动波浪发电机5输出电能，同时增加波浪发电机的弹簧储能。斜拉杆6
拉力减小时或为压力时，弹簧储能转化为发电机的输入而继续输出电能。所有波浪发电机5
的输出电能通过纵向电缆9、横向电缆10、竖电缆11等聚集到主电缆13，经过碳刷和滑环导
入伸缩电缆14，由水下电缆15输往岸基变电站。

[0017] 本发明具有以下技术优点：

[0018] 1、六个波浪发电机组成的正六边形的阵列单元减少了波浪发电机之间的连接件数量，易于横向和纵向扩展成区域更大的波浪能捕获阵列，波浪能捕获密度大。波浪能捕获
阵列整体绕立柱自由转动能使其纵轴线自动适应风浪方向，适应环境能力强，波浪能捕获
效率高。

[0019] 2、每个阵列单元的纵拉杆和横拉杆避免了波浪发电机之间产生碰撞及纵向电缆和横向电缆之间的纠缠，波浪能捕获阵列及其电能收集的工作可靠性高。

[0020] 3、组成波浪能捕获阵列的基本组件包括波浪发电机、斜拉杆、纵拉杆、横拉杆、纵向电缆和横向电缆等，每一个组件只需一种结构和规格，可大大降低波浪能捕获及电能收
集装置的制造和维护成本。
附图说明：

[0021] 图1为本发明波浪能捕获及电能收集装置水平面布置示意图；

[0022] 图2为本发明波浪能捕获及电能收集装置纵向铅锤面布置示意图；

[0023] 图3为本发明中的波浪发电机的连接点布置示意图；

[0024] 图4为图3中k‑k向的波浪发电机的波浪能转换机构原理图。

[0025] 图中：1：立柱；2：回转架；3：升降座；4：摆动架；5：波浪发电机；6：斜拉杆；7：横拉杆；8：纵拉杆；9：纵向电缆；10：横向电缆；11：竖电缆；12：竖拉索；13：主电缆；14：伸缩电缆；
15：水下电缆；16：左摆杆；17：右摆杆；18：右弹簧；19：左弹簧；A：左圆环；B：右圆环；C：中圆
环；D：输出端。
具体实施方式：

[0026] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0027] 图1为本发明波浪能捕获及电能收集装置水平面布置示意图；六个波浪发电机5通过四根斜拉杆6和两根纵拉杆8连接形成正六边形的阵列单元，首先横向扩展2个阵列单元，
然后沿纵向依次扩展3或4个阵列单元组成的波浪能捕获阵列(图示状态)，也可扩展更多阵
列单元组成的捕获阵列，无波浪时波浪发电机5位于正六边形的顶点，有波浪时波浪发电机
5在拉杆约束下随机运动，每根纵拉杆8平行设置一根纵向电缆9连接纵拉杆8两端的波浪发
电机5，每个阵列单元设置一根横拉杆7连接该单元的2根纵拉杆的中部以限制纵拉杆8的过
度横向运动并保护横向电缆10的安全，横向电缆10连通所有横向扩展阵列单元的纵向电缆
并通过竖电缆11连通主电缆13。立柱1位于波浪能捕获阵列的前部，摆动架4的耳环与2个分
属不同阵列单元的波浪发电机5的中圆环C连接，同时摆动架4与回转架2的耳轴铰接，升降
座3空套在立柱1中，回转架2装配在升降座3中可相对升降座3转动并随升降座3沿立柱1上
下移动。

[0028] 图2是本发明波浪能捕获及电能收集装置纵向铅锤面布置示意图；立柱1固定于水下基础，水下电缆15埋设水底并通过伸缩电缆14与升降座3的碳刷连通。波浪到来时，最前
端的波浪发电机5(图示)随波峰上升，通过摆动架4带动升降座3和回转架2向上移动，其它
波浪发电机5处于不同的波浪高度，由此在斜拉杆6中产生不同的受力状态。图示有标号的
斜拉杆6受拉力使与之连接的前后波浪发电机5输出电能，通过纵电缆和横向电缆10及竖电
缆11连通主电缆13，主电缆13位于波浪能捕获阵列的下方，竖拉索12两端分别固接于主电
缆13和纵拉杆8的中部以保持主电缆13的方位。

[0029] 图3是本发明的波浪发电机5的连接点布置图；波浪发电机5的对外连接点位于该发电机球壳的上半部表面，其中左圆环A、中圆环C和右圆环B的位置在水平面上的投影关于
球心互成120°，中圆环C固定于球壳，位于同一圆周上的左圆环A和右圆环B分别连接左摆杆
16和右摆杆17的耳环。左摆杆16和右摆杆17是平面摇杆，左摆杆16和右摆杆17的工作平面
位于通过球壳中心的径向断面k‑k上，两个工作平面的夹角为120°。波浪发电机5的输出端D
和中圆环C位于球壳的同一侧，有利于连接纵电缆。

[0030] 图4是本发明的波浪发电机5的波浪能转换机构原理图；左摆杆16的上端耳环与左圆环A连接形成多自由度的运动副，左摆杆16中部固接于波浪发电机5的第一输入轴，而左
摆杆16的下端与左弹簧19上端连接，左弹簧19的下端与球壳固接；右摆杆17的上端耳环与
右圆环B连接形成多自由度的运动副，右摆杆17中部固接于波浪发电机5的第二输入轴，而
右摆杆17的下端与右弹簧18上端连接，右弹簧18的下端与球壳固接。左摆杆16的中部与铰
接在O1点的波浪发电机5第一输入轴固接，波浪能经斜拉杆6和左摆杆16的连接拉动左摆杆
16绕该输入轴的轴线摆动以驱动发电机输出电能，同时与左摆杆16另一端连接的左弹簧19
储能增加，一旦斜拉杆6的拉力减小时，左弹簧19的储能释放继续驱动发电机输出电能并使
左摆杆16复位。右摆杆17的中部与铰接在O2点的波浪发电机5第二输入轴固接，波浪能经斜
拉杆6和右摆杆17的连接拉动右摆杆17绕该输入轴的轴线摆动以驱动发电机输出电能，同
时与右摆杆17另一端连接的右弹簧18储能增加，一旦斜拉杆6的拉力减小时，右弹簧18的储
能释放继续驱动发电机输出电能并使右摆杆17复位。左摆杆16和右摆杆17的最大摆动角θ
相同。由于波浪发电机5与斜拉杆6和纵拉杆8的连接是多自由度的运动副，捕获阵列中相互
连接的波浪发电机5随波浪的随机运动时而增加斜拉杆6的拉力，时而减小斜拉杆6的拉力，
波浪不息，波浪发电机5能随机捕获波浪能而连续产生电能。波浪越大，左摆杆16和右摆杆
17的摆动角度越大，产生的电能也越大。