一种近岸波浪能综合采收转化装置

本发明属于新能源技术应用领域，具体为一种近岸波浪能综合采收转化装置。

背景技术：

1、波浪能是指海洋表面波浪具有的动能和势能，这种能量主要源于风力等的推动以及潮汐能等等，这些力的共同作用促使海水表面呈现出一种在竖直方向上的规律性的往复运动，近岸则表现为海浪上冲和海浪进流。该运动产生的能量具有密度高、分布面广等优点，是一种取之不竭的可再生清洁能源。然而，波浪能并不稳定，而且难以捕获，给开发利用带来了一定的技术挑战。因此，在利用波浪能时，需要充分考虑其特点，并采取有效的技术手段进行捕获和转化。现有海上发电装置大多数为潮汐发电，单位时间发电总量尚可，但能量利用率较低，须在每日蓄满水后才可发电。而且通常要求所在位置具备较高的落差，对发电装置的安装位置、基建工程有很高的要求，工程量较大，耗费的建筑资金也较多。为了能充分利用波浪中携带的能量，本发明提出了一种近岸波浪能综合采收转化装置，将压电发电装置与发电机发电装置应用到波浪能量收集系统。

2、本发明采用压电发电与电机发电混合的方式捕获、存储利用波浪能量。压电发电是指某些材料在外力作用下能够产生机械形变，或者受到机械应力或压力时可以产生电荷或电压，具有高能量密度、低成本、低损耗、环境适应性强、设计调整灵活等优点。发电机发电是指转子在磁场中旋转切割磁感线，产生感应电动势，从而在闭合的导体回路中形成电流。该技术成熟度高、发电效率较高。

3、总体看，本发明安装方便、能源转换率高、成本低、体积小以及耐久性强，适用于小功率应用场景中。

4、

技术实现思路

1、传统的潮汐发电通常建在港湾海口，水深坝长，需要考虑施工、地基处理及防淤等问题，这些因素都导致了潮汐电站的投资大，造价较高。为了解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种近岸波浪能综合采收转化装置。

2、本发明提供如下技术方案：

3、一种近岸波浪能综合采收转化装置，其特征在于，漂浮在海面上的浮板，所述浮板上方设置有压电发电组件，所述压电发电组件包括压电发电板、弹簧、压板以及舵机开关，所述压板包括第一压板和第二压板，由舵机开关控制压板开合。各元件相互配合可将波浪重力方向上起伏的势能转换成电能。所述浮板下方设置有发电机发电组件，所述发电机发电组件的发电机设置在浮板之上，与压电发电板处于同一平面，能量收集结构设置在海面之下，用于收集海水流动产生的动能，整体装置的支撑结构为固定架杆，用于保持系统的稳定，本装置通过压电发电组件与发电机发电组件的共同作用，可实现将波浪动能和势能转换成电能。

4、固定架杆，所述固定架杆上方为套盖，下方安装有储能模块，下方紧邻安装有若干圆周卡环，所述圆周卡环为压板提供支撑作用，所述压板由第一压板和第二压板组成，中间段设有固定垫环。所述固定垫环上方设有减震装置，所述固定架杆后端设置有锚定柱体、连接杆、伸缩圆柱和圆筒，用于装置的固定。

5、压电发电组件，所述压电发电组件包括压板，所述压板开口处设有舵机开关，所述舵机开关连接有拉压力传感器，所述拉压力传感器下方设有弹簧，所述弹簧中间设有压电发电板，与压板之间留有空隙。

6、发电机发电组件，所述发电机发电组件包括蜗杆涡轮结构，所述涡轮与发电机主轴连接，所述蜗杆一端连接有第二齿轮，所述第二齿轮与第三齿轮啮合，所述第三齿轮外围设有齿条同步带，第三齿轮与旋转滚筒固定连接，可同步运动。可以根据当地实际海况，在设计时调整第二、三齿轮的齿数比，实现其对蜗杆的调速，发电机发电组件可以通过调整第二齿轮与第三齿轮的齿数比，实现对蜗杆的扭矩放大。

7、能量收集模块包括压电发电组件和发电机发电组件，两者将海水的波浪能转换成所需的机械能，其中，电力一旦产生之后，可以通过海底电缆直接连接到电网，也可以通过储能模块对电力进行存储。采用上述技术方案，通过能量收集模块和储能模块对海水的波浪能进行采集、存储，实现可再生资源的利用。这样，我们可以最大限度地利用收集到的波浪能量，为海洋基础设施建设以及新能源领域的发展做出巨大的贡献。

8、装置安装时，可在圆筒里浇灌混凝土或固定于近岸，使装置拥有足够的重量，保持稳定。装置工作时，使浮板与海面接触，且悬浮于海面。在波浪的推动下，活动浮板上下移动，引起弹簧间歇性的拉伸与缩回，不断挤压压电发电板，同时伴随水流冲击，槽轮滚筒旋转，驱使压电发电组件与发电机发电组件工作。当海浪向上波动时，即海平面上升时，在海平面浮力作用下，浮板向上压缩弹簧，使压电发电板与压板之间产生压力，压电材料中的离子会位移，改变正负电荷之间的相对位置，产生稳定电场。此电场会驱使压电材料两端出现电压，即产生可被收集的电能。当海浪向下波动时，即海平面下降时，压电材料中的离子恢复到平衡位置。如此为一个完整循环，周而复始，便会产生源源不断的电力。当海平面的波浪上下起伏剧烈时，会使压板受到较大间歇性的拉力和压力；当压板下方的拉压力传感器在感应到拉力达到所设置的极限时，便会开启舵机开关，压板则会向上移动，随后舵机开关关闭，压板恢复到固定状态。反之，当拉压力传感器在感应到压力达到所设置的极限时，便会开启舵机开关，压板则会向下移动，随后舵机开关关闭，压板恢复到固定状态。压电发电机组件以此过程规避过强冲击，始终处于动态平衡的过程。此外，浮板与固定垫环之间还设有四个均匀分布的减震装置，可以在波浪起伏较大，甚至瞬时超限时，保护发电装置。

9、优选的，所述储能盖板为圆环状，与架杆竖轴顶端通过螺纹旋转连接。所述储能盖板下方设有插销口，所述储能模块为4个小型超级电容串联连接，带有稳压模块和保护电路，以保证电路的正常工作。所述超级电容末端设有插销凹槽，与储能盖板以插销连接的方式紧密固定，且围绕架杆轴心均匀分布。

10、优选的，所述架杆上方设有若干层圆周卡环，彼此等距排列，所述固定垫环与架杆竖轴通过螺栓固定连接，所述减震装置位于固定垫环上方，数量为4个，呈环形均匀分布，内部减震部件为螺旋弹簧，一端与减震装置底座固定连接，另一端与受压体固定连接。

11、优选的，所述第一压板与第二压板均为扇形，其中第二压板的一部分可嵌入第一压板，在第一压板和第二压板末端留有活动开口，舵机开关的主体部分则通过螺钉固定在第一压板末端边缘，确保连接的稳固与可靠。固定螺栓与第二压板通过槽口固定，压板的底部四边等距设置了卡槽，用于与弹簧进行连接，在弹簧与压板之间设有拉压力传感器，弹簧的另一端通过螺栓与浮板实现固定连接。所述弹簧内侧设有压电发电板，弹簧的上端抵接压板下端，下端抵接浮板上表面。

12、优选的，所述浮板右侧设有凹槽，发电机外壁与凹槽内壁紧密贴合，并通过螺栓固定，所述发电机旋转轴与涡轮通过轴承和支撑结构连接，所述涡轮所在处的浮板设有槽口。通过调节发电机的高度保证与发电机旋转轴连接的涡轮半沉入海面，与蜗杆配合，所述蜗杆通过固定机构与浮板连接，所述蜗杆一端与第二齿轮固定配合，所述第二齿轮与第三齿轮配合。

13、优选的，所述发电机发电组件的能量收集模块为对称结构，由两个旋转滚筒组成，两者槽口处的活动挡片与旋转滚筒轴夹角方向一致，保证两个旋转滚筒运动方向一致。所述旋转滚筒为6个槽轮构成，每个槽轮都设有3个开口，所述槽口下表面设有活动挡片，各个槽轮开口间隔夹角为60°，形成圆周闭环，所述滚动槽轮为一对并排设置在浮板下方两侧，所述旋转滚筒采用铝合金制成，铝合金具有质量轻和耐腐蚀的特性，可以防止旋转滚轮被海水侵蚀，延长装置的使用寿命。

14、优选的，所述发电机发电组件的能量收集模块为对称结构，由蜗杆涡轮机构和齿条同步带组成。

15、蜗杆涡轮结构运行平稳，减速比大，能保持发电机转子持续旋转，避免发电机出现停转现象。

16、蜗杆涡轮结构运行平稳，传动比大，能放大输入扭矩，维持发电机转子运转，避免出现波浪过于平缓时，发电机可能无法驱动，停转的问题，从而提高本装置的发电效率，扩大适用范围。

17、第一齿轮和第三齿轮为输入部件，第二齿轮为输出部件。旋转滚筒经过波浪起伏的推动，经由第一齿轮和第三齿轮带动齿条同步带运动，再带动第二齿轮旋转。第二齿轮中段部分为蜗杆，对应的蜗轮安装在发电机主轴上，组成完整传动链。

18、蜗轮蜗杆结构可放大第二齿轮的旋转扭矩，即增加蜗杆涡轮的输入扭矩，从而提高本装置的发电效率。

19、优选的，所述发电机与储能模块之间设置有稳压模块，使电容充电模块能得到平稳的电压，从而保护电路。所述储能模块为超级电容，能很好的储存收集到的电能。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

21、1.本发明安装方式简单，工程量小，可直接把固定架杆安装近岸，通过浇灌混凝土的圆筒保证装置的稳定。本发明的能量收集模块包括压电发电组件和发电机电机发电组件，两者将海水的波浪能转换成所需的机械能。融合了高效的压电发电组件与经典的发电机发电组件。这种混合发电模式具有压电材料可直接转换机械能为电能的独特优势，兼具传统发电机组的技术成熟和稳定可靠等特点，从而实现了能源转换效率与灵活性的双重提升。通过能量收集模块采集利用海水的波浪能，可最大限度地利用波浪能量，实现可再生资源的利用，为新能源领域的发展和海洋基础设施建设做出贡献。

22、2.本发明可以同时利用波浪起伏的势能和动能，波浪起伏时会推动浮板上下运动，使压电发电板与压板之间产生压力，引起压电材料中的离子发生位移，从而产生稳定电场，驱使材料两端出现电压；同时浮板下方流动水流推动两个旋转滚筒旋转，通过齿条同步带，带动蜗杆涡轮齿轮副旋转，最终驱使发电机主轴旋转。实现了将周期性波动的动能与势能转换为源源不断的机械能，成为压电发电组和发电机发电组的动力来源。

23、3.本发明的发电机发电组件可以根据当地实际海况，在适当范围内调整第二、三齿轮的齿数比。当齿数比大时，转速快，扭矩小，反之齿数比小时，扭矩大，转速低，发电量小。通过调整第二、三齿轮的齿数比，使蜗杆的转速和输出扭矩达到最佳平衡，实现波浪能转换可利用机械能的效率最大化。电能产出后，可通过海底电缆并网，变压稳压后直连电网，就近利用，也可以通过储能模块存储，再定期采集。

24、