一种海上灯浮标波流耦合水下发电装置
阅读说明：本技术 一种海上灯浮标波流耦合水下发电装置 (Wave current coupling underwater power generation device for marine lamp buoy ) 是由 宋永欣 张子豪 韩小石 毛珑蒲 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种海上灯浮标波流耦合水下发电装置,包括：柔性串联的多个发电单元,且每个发电单元均通过固定件环扣在锚链环上；发电单元包括Halbach磁铁阵列、复位弹簧系统、整流滤波充电系统、两组线圈绕组阵列；整流滤波充电系统设置在两组线圈绕组阵列中间,并水平放置在发电单元的底部；两组线圈绕组阵列分别固定分布在Halbach磁铁阵列的两侧,复位弹簧系统设置在Halbach磁铁阵列与发电单元之间；在波浪和水流的作用下,锚链带动发电单元内部Halbach阵列左右往复摆动发出交流电,通过整流滤波,输出直流电。本发明可同时收集水面波浪能和水下潮流能,解决了传统灯浮标供能领域缺乏小型化的水下发电装置的难题。(The invention provides an offshore lamp buoy wave current coupling underwater power generation device, which comprises: the power generation units are flexibly connected in series, and each power generation unit is buckled on the anchor chain ring through a fixing piece ring; the power generation unit comprises a Halbach magnet array, a reset spring system, a rectification filtering charging system and two groups of coil winding arrays; the rectification and filtering charging system is arranged between the two groups of coil winding arrays and is horizontally arranged at the bottom of the power generation unit; the two groups of coil winding arrays are respectively and fixedly distributed on two sides of the Halbach magnet array, and the return spring system is arranged between the Halbach magnet array and the power generation unit; under the action of waves and water flow, the anchor chain drives the Halbach array in the power generation unit to swing left and right in a reciprocating mode to generate alternating current, and the alternating current is output through rectification and filtering. The invention can collect water surface wave energy and underwater tidal current energy at the same time, and solves the problem that the traditional buoy energy supply field lacks a miniaturized underwater power generation device.)
技术领域
本发明涉及波浪能发电技术领域，具体而言，尤其涉及一种海上灯浮标波流耦合水下发电装置。
背景技术
海上灯浮标是一种浮于水面的浮标，可引导船只，提示他们远离浅滩、暗礁，保证其安全便利的航行。作为一种目视水面助航标志，其在海上船舶安全航行中起到了举足若轻的作用。就灯浮标电力供应系统而言，现有灯浮标大多数采用传统太阳能发电、风能发电的供电方式，该供电方式虽有维护便利，安全可靠以及低成本等优点，但其存在如下几个严重的弊端：
(1)易受环境、季节影响
太阳能发电系统的能量收集主要是靠太阳光直接照射充电板，其受环境影响较大，连续的多云天、雾霾天、雨雪天都会对太阳能发电效率起到很大的干扰，在这种环境下太阳能电池只能输出微弱的电流，很难对大容量蓄电池进行充电；风能发电系统主要利用风力带动风车叶片旋转，从而使发电机发电，其受季节影响较大，连续的无风天或者大风天会使风力发电机无法正常工作，而灯浮标的无法工作将会给航道安全带来重大隐患。
(2)供电效率低
在太阳能发电系统中，对太阳能电池板材料的选取对于该发电方式是一个很大的约束，在实际情况下必须提前了解太阳光能量分布情况。从目前太阳能发电发展来看，在光电效应中，即使选取非常高效的电池材料，整个系统的发电效率仍然非常低，光电转化效率突破11％这个较低的水准，依然是世界无法解决的难题；风能发电系统受到风能本身能量密度低、不稳定，同时还有地区差异大以及广域分散性等的影响，风能的转化效率依然得不到较大的突破。
近些年来，随着对人类对能源需求量的增大，波浪能、海流能等作为海洋中一种很常见的能量，其能量密度高且不受环境、季节以及昼夜等的影响，灯浮标采用以波浪能发电的供电方式开始得到研究，目前已有的波浪能采集装置大多为齿轮式传动结构，其具有输出功率高、输出信号稳定等优点，但其也存在着如下弊端：
(1)齿轮传动效率有待提高
齿轮传动式的波浪能发电装置，其内部一般有为多级齿轮，齿轮传动之间会因摩擦而引起能量损耗，在装置长时间工作后，内部齿轮结构难免会发生偏离、生锈等情况，会导致齿轮之间的传动效率降低。
(2)结构复杂，维修困难
齿轮传动式的波浪能发电装置，其内部机械结构过多，如若内部某一部件发生故障，则可能在后续维修时，需要将整套发电装置进行拆卸，其所耗费的人力物力较大；若面对海上恶劣坏境，内部的刚性结构出现故障的风险较大。
在未来灯浮标还可能将为水下无人巡航器、水下无线通讯等这些高功率设备进行供能，而利用太阳能、风能发电系统这种低功率电源系统几乎不可能完成这项任务。齿轮传动式的波浪能采集装置虽说完全有可能完成这项艰巨的任务，但是其受限于自身内部的问题，其可行性仍待商榷。
不难看出，发展面向海上灯浮标的结构简单、高效波浪能发电装置仍有迫切的需求。
发明内容
根据上述提出的技术问题，提供一种海上灯浮标波流耦合水下发电装置。本发明装置同时具备高可靠性、低成本、易安装维护、能量收集效率高等优点，且本发明能够实现将水面波浪能和水下潮流能进行同时收集。
本发明采用的技术手段如下：
一种海上灯浮标波流耦合水下发电装置，包括：柔性串联的多个发电单元，且每个发电单元均通过固定件环扣在锚链环上；
发电单元包括Halbach磁铁阵列、复位弹簧系统、整流滤波充电系统、第一线圈绕组阵列、第二线圈绕组阵列；其中，整流滤波充电系统设置在第一线圈绕组阵列和第二线圈绕组阵列中间，并水平放置在发电单元的底部；第一线圈绕组阵列和第二线圈绕组阵列固定分布在Halbach磁铁阵列的两侧，复位弹簧系统设置在Halbach磁铁阵列与发电单元之间；
使用时，Halbach磁铁阵列受到锚链、自身惯性以及复位弹簧系统中弹簧的作用，在整个发电单元内部不断往复左右摆动，通过线圈切割磁感线，输出交流电，最终由整流滤波充电系统将线圈输出的电信号进行收集储存。
进一步地，所述Halbach磁铁阵列包括25块动子磁铁，25块动子磁铁以5×5阵列排布。
进一步地，所述Halbach磁铁阵列中，其中一列的5块动子磁铁的充磁方向从上至下依次为向下、向右、向上、向左、向下，剩余4块动子磁铁的充磁方向均与该列动子磁铁的充磁方向一致。
进一步地，所述Halbach磁铁阵列的外部表面完全覆盖有一层厚度为0.2mm的硅胶层，所述Halbach磁铁阵列的长度为5cm，宽度为5cm，高度为1cm。
进一步地，所述复位弹簧系统包括硅锰弹簧钢、支承构件、固定底座，硅锰弹簧钢设置在支承构件的内部，所述发电单元的底部设置在固定底座上。
进一步地，所述第一线圈绕组阵列和第二线圈绕组阵列均包括16个小线圈，每个小线圈绕组之间均以串联方式连接，每组线圈绕组阵列内部的16个小线圈旋向保持一致，第一线圈绕组阵列的线圈绕组与第二线圈绕组阵列的线圈绕组整体旋向相反。
进一步地，每个所述发电单元的上下两侧均设置有柔性软管接口，多个所述发电单元通过柔性复合软管连接柔性软管接口进行串联，柔性复合软管的内部装设有发电单元引出的导线，柔性复合软管的材质为橡胶。
进一步地，所述固定件设置在每个所述发电单元的外部，且每个锚链环上固定一个所述发电单元。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的海上灯浮标波流耦合水下发电装置，能够实现对波浪能和潮流能的同时收集，由于灯浮标受到海上波浪作用，会带动下方锚链在水下晃动；且锚链自身在水下也会受到海流冲击作用，所以当锚链在水下做不规律晃动时，连接在锚链上的发电单元，其内部的Halbach磁铁阵列通过自身惯性力以及其下方的复位弹簧系统不停的左右往复摆动，使得两侧的线圈绕组阵列切割磁感线，发出交流电，再通过整流滤波，输出直流电，从而实现对波浪能和潮流能的同时收集。
2、本发明提供的海上灯浮标波流耦合水下发电装置，由于Halbach磁铁阵列能削弱自身一侧的磁感线密度从而增强另一侧的磁感线密度，因此Halbach磁铁阵列磁感线密度增强侧的线圈绕组有很高的切割磁感线效率，该线圈输出的电信号与普通磁铁阵列-线圈系统相比，会有极大的增强效果。
3、本发明提供的海上灯浮标波流耦合水下发电装置，为保证对Halbach磁铁阵列磁感线充分利用，在Halbach磁铁阵列磁感线被削弱的那一侧也放置一组线圈绕组，保证能量回收效率的最大化。
4、本发明提供的海上灯浮标波流耦合水下发电装置，解决了传统波浪能、潮流能收集装置体积偏大，内部结构繁琐以及需要布设水下固定装置等问题。
基于上述理由本发明可在波浪能发电等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明海上灯浮标波流耦合水下发电装置中发电单元的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的Halbach阵列摆动轨迹示意简图
图3本发明海上灯浮标波流耦合水下发电装置中发电单元结构的侧视图。
图4为本发明海上灯浮标波流耦合水下发电装置中复位弹簧系统的内部结构图。
图中：1、充磁方向向下的动子磁铁；2、充磁方向向右的动子磁铁；3、充磁方向向上的动子磁铁；4、充磁方向向左的动子磁铁；5、充磁方向向下的动子磁铁；6、硅锰弹簧钢；7、支承构件；8、固定底座；9、柔性软管接口；10、整流滤波充电系统；11、固定件；12、第一线圈绕组阵列；13、第二线圈绕组阵列。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种海上灯浮标波流耦合水下发电装置，包括：柔性串联的多个发电单元，且每个发电单元均通过固定件11环扣在锚链环上；
发电单元包括Halbach磁铁阵列、复位弹簧系统、整流滤波充电系统10、第一线圈绕组阵列12、第二线圈绕组阵列13；其中，整流滤波充电系统10设置在第一线圈绕组阵列12和第二线圈绕组阵列13中间，并水平放置在发电单元的底部；第一线圈绕组阵列12和第二线圈绕组阵列13固定分布在Halbach磁铁阵列的两侧，复位弹簧系统设置在Halbach磁铁阵列与发电单元的底部之间；
使用时，Halbach磁铁阵列受到锚链、自身惯性以及复位弹簧系统中弹簧的作用，在整个发电单元内部不断往复左右摆动，通过线圈切割磁感线，输出交流电，最终由整流滤波充电系统10将线圈输出的电信号进行收集储存。如图2所示，为Halbach阵列摆动轨迹示意图。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述Halbach磁铁阵列包括25块动子磁铁，25块动子磁铁以5×5阵列排布。如图3所示，所述Halbach磁铁阵列中，其中一列的5块动子磁铁的充磁方向从上至下依次为向下、向右、向上、向左、向下，剩余4块动子磁铁的充磁方向均与该列动子磁铁的充磁方向一致。在本实施例中，5块动子磁铁分别为充磁方向向下的钕铁硼磁铁1、充磁方向向右的钕铁硼磁铁2、充磁方向向上的钕铁硼磁铁3、充磁方向向左的钕铁硼磁铁4、充磁方向向下的钕铁硼磁铁5。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述Halbach磁铁阵列的外部表面完全覆盖有一层厚度为0.2mm的硅胶层，所述Halbach磁铁阵列的长度为5cm，宽度为5cm，高度为1cm。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图4所示，所述复位弹簧系统包括硅锰弹簧钢6、支承构件7、固定底座8，硅锰弹簧钢6设置在支承构件7的内部，所述发电单元的底部设置在固定底座8上。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，每个所述发电单元的上下两侧均设置有柔性软管接口9，多个所述发电单元通过柔性复合软管连接柔性软管接口9进行串联，柔性复合软管的内部装设有发电单元引出的导线，柔性复合软管的材质为橡胶。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述固定件11设置在每个所述发电单元的外部，且每个锚链环上固定一个所述发电单元。
综上所述，当锚链在水下做不规律晃动时，本发明装置连接在锚链上的发电单元，其内部的Halbach磁铁阵列通过自身惯性力以及其下方的复位弹簧系统不停的左右往复摆动，使得两侧的线圈绕组阵列切割磁感线，发出交流电，再通过整流滤波，输出直流电，从而实现对波浪能和潮流能的同时收集。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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