一种多自由度波浪能发电装置及设备的制作方法

本发明涉及波浪能发电，尤其是指一种多自由度波浪能发电装置及设备。

背景技术：

1、波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。地球上70.8％的面积被海水所覆盖，海洋波浪的能量资源丰富。如今人类对能源的需求不断加大，非可再生能源的储量日益减少，各种可再生能源的利用工作受到越来越多的重视，发掘波浪能的潜力、利用海洋中波浪能进行发电这项研究还有很大的发展空间。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在搭载平台内部，通过收集平台受到波浪作用产生的振动能量，间接地收集波浪能。间接收集波浪能的装置发展较晚，现有的种类并不多，多以单一方向俘能、单一机制换能为主。目前，人类为了监测和开发海洋的需要，将这种间接收集波浪能的装置集成在海上监测装备中，在远海地区进行能源收集，为这些设备平台中耗能小的元件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。现有的装置一般采用电磁发电、摩擦发电或压电发电三种方式中的其中一种进行波浪能发电。由于海洋波浪振动具有频率低、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磁体振动频率低，且只能单一方向运动，使得磁通量的变化率较小，影响了发电输出。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。由于海洋中海浪振动具有频率极低的特点,一般小于5hz，甚至在1hz以下，且不同海域的差别极大，在空间中的振动波形复杂，使得摩擦材料表面的接触和分离的频率较低，且接触面小，相互间刚体撞击也极大损失了能量，所以输出的电能较低。压电发电由于自身压电材料的刚度原因，难以响应低频运动激励，导致了其在低频环境下输出能量较少。

2、现有技术的不足在于，采用单一类型的能量收集装置的输出功率很大程度上取决于振动频率的高低。在海浪的低频振动环境下，难以实现高功率密度输出和较高的能量转换效率，且因海洋波浪的振动频率单一，频带较窄，从而现有装置响应激励的自由度也受限。对于不同的海域，需要进行专门化设计。并且现有的单一类型的能量收集装置对于多维度激励，不能进行较为全面响应，导致对海洋波浪能的利用率也受到限制，无法实现对波浪能的充分收集与利用。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种多自由度波浪能发电装置及设备，通过对摇动俘能机制与垂荡俘能机制的复合设计，同时融合了电磁换能、压电换能、摩擦换能三种换能机制，实现对波浪能的高效率转换和收集。针对不同海域的特点可进行摇动俘能物理特性上的调节以及垂荡频率物理特性上的调节，较大程度地将波浪带来的势能转化机械能，并将机械能转化为电能并输出，实现了波浪能的高功率密度输出和高的能量转换效率，由此能够实现对波浪能的充分收集和利用。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种多自由度波浪能发电装置，包括，

3、框架单元，其包括底座、顶盖、以及多个连接柱，所述底座与所述顶盖通过多个所述连接柱相连；

4、第一能量收集单元，其包括壳体组件以及俘能组件，所述壳体组件与所述连接柱滑动连接，所述俘能组件设于所述壳体组件内；

5、第二能量收集单元，其包括第一摩擦换能件和第二摩擦换能件，所述第一摩擦换能件与所述第一能量收集单元的底部相连，所述第二摩擦换能件与所述底座之间弹性连接，所述第二能量收集单元还包括缓冲件，所述缓冲件设于所述连接柱，且所述缓冲件位于所述壳体组件与所述底座之间；

6、能量转换单元，其设于所述壳体组件内，所述能量转换单元包括电磁换能组件和压电换能组件，所述电磁换能组件及所述压电换能组件与所述俘能组件相配合；

7、通过所述第一能量收集单元和所述第二能量收集单元俘获的机械能传递至所述能量转换单元后转化为电能。

8、在本发明的一个实施例中，所述壳体组件包括相互连接的上壳体与下壳体，所述上壳体的内壁沿周向均匀凸设多个安装部，所述电磁换能组件包括多个电磁换能件，所述电磁换能件设置在所述安装部，所述电磁换能件的底部还设有齿轮，所述压电换能组件包括设于所述上壳体的十字悬臂梁，所述十字悬臂梁的末端设有磁性件。

9、在本发明的一个实施例中，所述俘能组件包括同轴设置的飞轮盘、行星轮组以及套摆组件，所述飞轮盘设于所述行星轮组下方，且所述飞轮盘与所述行星轮组内齿轮相连，所述套摆组件与所述行星轮组的中心齿轮同轴连接，所述行星轮组内齿轮设有多个激励磁铁，所述磁性件位于所述激励磁铁上方，所述齿轮与所述行星轮组内齿轮啮合。

10、在本发明的一个实施例中，所述套摆组件包括y型臂传动轴以及摆块组件，所述y型臂传动轴的一端与所述行星轮组的中心齿轮相连，所述y型臂传动轴的另一端装配至所述下壳体，所述摆块组件包括多个质量块，多个所述质量块装配在所述y型臂传动轴上。

11、在本发明的一个实施例中，所述第二能量收集单元还包括缓冲组件，所述缓冲组件设于所述底座，所述第二摩擦换能件通过所述缓冲组件与所述底座相连。

12、在本发明的一个实施例中，所述第一摩擦换能件包括第一活动板，所述第一活动板通过连接件与所述壳体组件相连，所述第二摩擦换能件包括第二活动板。

13、在本发明的一个实施例中，所述框架单元还包括设于所述连接柱的至少一个第一限位柱和至少一个第二限位柱，所述第一限位柱与所述顶盖相连，所述第二限位柱与所述底座相连。

14、在本发明的一个实施例中，所述第一限位柱内沿轴向设有能够容纳所述连接柱的第一通孔，所述连接柱的一端穿过所述第一限位柱与所述顶盖相连，所述第二限位柱内沿轴向设有能够容纳所述连接柱的第二通孔，所述连接柱的另一端穿过所述第二限位柱与所述底座相连。

15、在本发明的一个实施例中，所述缓冲件为缓冲弹簧，所述缓冲弹簧套设于所述连接柱上，且所述缓冲弹簧设置在所述第二限位柱与所述壳体组件之间。

16、在本发明的一个实施例中，所述壳体组件的外壁设有多个凸起部，所述凸起部上沿高度方向设有安装孔，所述壳体组件通过所述安装孔装配至所述连接柱，所述连接柱与所述安装孔之间还设有直线轴承。

17、本发明还提供了一种多自由度波浪能发电设备，包括搭载机构以及如前面所述的一种多自由度波浪能发电装置，所述多自由度波浪能发电装置安装于所述搭载机构。

18、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

19、本发明所述的多自由度波浪能发电装置，设有框架单元、第一能量收集单元、第二能量收集单元以及能量转换单元，通过第一能量单元的俘能组件能够收集自由摆动产生的能量，并能够实现摆体自由摆动到单方向旋转换能的有效调节，从而能够更好地响应多种海域海浪的激励频率，实现波浪能的高效收集。通过第二能量收集单元实现垂荡俘能，通过缓冲件与所述第一能量收集单元的配合，从而实现对垂荡及振荡产生的机械能的俘获。进一步地，通过与所述第一摩擦换能件与所述第二摩擦换能件的碰撞、以及所述缓冲件的往复升频冲击，从而实现摩擦电效应的高效能量收集与转化。本发明的多自由度波浪能发电装置具有较高的传动效率，并且能量损失较小，能够收集六个自由度上全方位运动的波浪能，在较大程度上将波浪带来的势能转化为机械能，并由机械能转化为电能并完成输出，从而实现了波浪能的高功率密度输出和高的能量转换效率，由此实现对波浪能的充分收集和利用。