CN101684768A - 往复式海浪发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种将低速无序的低品位机械能量用于发电的装置，尤其是往复式海浪发电装置，特征在于由漂浮采能装置、漂浮推杆、摆动杠杆、滑动齿条、棘轮齿轮、变速蓄能装置、蓄能飞轮和发电机组成；漂浮采能装置通过与其活动连接的漂浮推杆将能量传递给摆动杠杆，摆动杠杆与滑动齿条呈活动连接，棘轮齿轮分为顺转和逆转两种，均与滑动齿条啮合，棘轮齿轮带动变速蓄能装置和蓄能飞轮转动，蓄能飞轮带动发电机工作。本发明利用的能源为无污染能源，除用于发电外，还可作为制氢、淡化海水、食品及各种工农业品加工的能量。

Description

往复式海浪发电装置

技术领域

本发明涉及一种将海浪低速无序的低品位机械能量转换为高品位能量的装置，尤其是一种往复式海浪发电装置。

背景技术：

海洋面积占地球表面的70％以上，海浪能是海洋能源中最丰富、最普遍、取之不尽、用之不竭而又较好利用的最可靠资源。波浪能又是海洋能中所占比重较大的海洋能源。海水的波浪运动产生十分巨大的能量。据估算，世界海洋中较容易利用的波浪能达700亿千瓦以上，占全部海洋比较容易利用能量的94％以上。

波浪能是最清洁的可再生资源，它的开发利用，将从根本上缓解由于矿物能源逐渐枯竭的危机，改善由于燃烧矿物能源对环境造成的破坏。

以往，人们把海浪能看作是无序、分散、间断、不可控的低速、低品位机械能，认为不容易利用，要利用必须经过中间环节使之有序、集中、连续、可控，再变为高速后才可利用。

100多年来，世界各国科学家不懈努力，提出了数百种设想，发明了各种各样的波浪能发电装置。目前经研究开发，已比较成熟的波浪发电装置基本上有下列三类：

一是“波浪压缩空气型”，用一个容积固定的、与海水相通的容器装置，通过波浪产生的水面位置变化引起容器内的空气容积发生变化，压缩容器内的空气，用压缩空气驱动叶轮，带动发电装置发电；

二是“机械驱动液体型”，利用波浪的运动推动中间装置的活动机械部分——鸭体、筏体、浮子等，活动机械部分驱动油或水等中间介质，通过中间介质推动发电装置发电。

三是“海浪积蓄下流型”，利用收缩水道将涨潮时的海浪引入高位水库形成水位差(水头)，利用水头下流直接驱动水轮发电机组发电。

其它类型的机械能转换装置由于难以达到持续、稳定、集中、匀速可控的程度，利用起来较困难，应用较少。

这三种类型虽然各有优点，但它们共同的缺点是：1、海浪能转换成电能的中间环节多，设备复杂，效率低，不容易形成规模；2、只能部分的利用海浪机械能，不能把无序的、分散的、低密度的、不稳定的波浪能吸收起来，发电成本高；3、海浪能量转换装置及其构筑物承受灾害性海洋气候的能力差，不容易抵抗台风、海啸的破坏，安全隐患较大。这是当今海浪能开发利用的主要难题。

最近英国等西欧国家开发出了浮筒式海蛇技术，他们使用几个串接在一起的浮筒骑在海浪上，利用海浪的起伏坡角的变化来推动浮筒的活塞发电，这种方式的确可以使得系统的抗风浪性得以增强，但因为波浪的起伏本身其实很平缓，角度变化也很小，且它是垂直于波峰线的，所以一串浮筒只能对应很小宽度的波浪，效率并不理想，其抗台风、海啸的能力也不够，并没有克服上述难题。

由于各种各样的技术问题，海浪发电成本比热电高10倍左右且存在安全隐患。

科技不是越复杂越好，正相反，能用最简单的设备和方法解决人们一直认为不容易解决的问题就是高科技。要想提高海浪发电的实用化水平，必须解决现有技术存在的上述主要难题，摆脱现有观念的束缚，减少中间环节，利用简单方便的可靠装置，适应海浪运动的实际情况，实现海浪能量的转换。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述难题而提供的一种能量转换装置，尤其是一种机构简单、不用中间介质、中间环节少、运行安全、可将海浪无序的机械能比较充分地转换为电能的往复式海浪发电装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种将海浪无序低速的机械能量转换为电能的装置，尤其是往复式海浪发电装置，特征在于由漂浮采能装置、漂浮推杆、摆动杠杆、滑动齿条、棘轮齿轮、变速蓄能装置、蓄能飞轮和发电机组组成；漂浮采能装置通过与其活动连接的漂浮推杆将能量传递给摆动杠杆，摆动杠杆与滑动齿条呈活动连接，棘轮齿轮分为顺转和逆转两种，均与滑动齿条啮合，棘轮齿轮带动变速蓄能装置和蓄能飞轮转动，蓄能飞轮带动发电机工作。

漂浮采能装置为一种比重小于海水的固体漂浮物，其上可活动地连接漂浮推杆。

漂浮推杆为比重小于海水的能量传动杆，其一端与漂浮采能装置呈活动连接，另一端有推杆拨销，推杆拨销位于摆动杠杆的推杆滑孔内。

摆动杠杆为一可转动地固定在摆杆支座上的杠杆，其另一端有齿条滑孔，通过齿条拨销与齿条活动连接。

齿条可滑动地安装在齿条滑座上，棘轮齿轮分为顺转和逆转两种，均与齿条啮合。

变速蓄能装置和蓄能飞轮位于棘轮齿轮与发电机之间。

蓄能飞轮与测速发电机和发电机组相连，测速发电机与发电机组启动控制系统相连。

与漂浮采能装置两端相连的另一种能量转换装置为液压或气压活塞缸装置。

活塞缸装置的一端与漂浮采能装置的牵制绳相连，另一端可滑动地固定在侧壁上的活塞缸滑座内。

另外的能量利用装置为制氢、淡化海水、食品加工装置以及其它工业机械。

下面结合附图进一步说明：

图1为本发明的往复式海浪发电装置结构示意图；

图2为本发明的漂浮采能装置示意图；

图3为本发明的变速蓄能及发电控制示意图；

图4为本发明的海浪转向返流设施示意图；

图中：1、漂浮采能装置，2、漂浮推杆，3、摆动杠杆，4、滑动齿条，5、棘轮齿轮，6、发电机，7、活塞缸装置，8、海浪转向返流设施，101、牵制绳，201、推杆拨销，300、摆杆支座，301、推杆滑槽孔，302、齿条滑槽孔，401、齿条拨销，402、齿条滑动座，500、棘轮从动轮，501、变速蓄能装置，502、蓄能飞轮，6′测速电机，701、活塞缸滑动座，801海浪转向壁，802、海浪返流壁。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，

一种往复式海浪发电装置，特征在于由漂浮采能装置1、漂浮推杆2、摆动杠杆3、滑动齿条4、棘轮齿轮5、变速蓄能装置501、蓄能飞轮502和发电机组6组成；漂浮采能装置1通过与其活动连接的漂浮推杆2将能量传递给摆动杠杆3，摆动杠杆3与滑动齿条4呈活动连接，棘轮齿轮5分为顺转和逆转两种，均与滑动齿条4啮合，棘轮齿轮5带动变速蓄能装置501和蓄能飞轮502转动，蓄能飞轮502带动发电机6工作。

漂浮采能装置1为一种比重小于海水的固体漂浮物，比较优选的结构是截面呈“∏”字型或“T”字型的长条形漂浮物，使其漂浮在水面上，小部分露出水面为佳。水平漂浮面的制作材料可用多个废旧汽车轮胎连接组成；沿长条形水平漂浮物的长轴呈垂直连接(如倒挂的墙壁样)的海水推动受力面可以是一个面，也可以是两个平行的面，可由耐海水腐蚀的材料，如陶瓷、钢化玻璃、玻璃纤维、塑料、防腐金属、防腐木材等制作。漂浮采能装置1上可活动地连接漂浮推杆2。漂浮采能装置1的这种设计一方面是为了适应海水涨落变化，另一方面也是为了最大限度地采集能量。由于海浪具有向岸性，因此就将长条形的漂浮采能装置1沿着与海岸平行的方向设置，使浪潮的能量垂直作用于竖直的受力面，其离岸距离根据波动周期和波速而定。在海浪较小时，漂浮采能装置1的垂直受力面尽量大，以获取足够多的能量，当海浪过大时，可将部分垂直板变为水平板，避免设施破坏，以取得足够能量为准；当台风或海啸来临时，可将漂浮采能装置1沉入海底或拆散后搬至岸上，灾害天气过后继续工作。

漂浮推杆2为比重略小于海水的能量传动杆，漂在海面上，其一端与漂浮采能装置1呈活动连接，另一端有推杆拨销201，拨销201位于摆动杠杆3的推杆滑孔301内。

摆动杠杆3为一可转动地固定在摆杆支座300上的杠杆，其另一端有齿条滑孔302，通过齿条拨销401与齿条4呈活动连接。

推杆滑孔301和齿条滑孔302是位于摆动杠杆3两端的长条形滑孔，分别与推杆拨销201和齿条拨销401滑动连接。

齿条滑动座402固定在海岸上，齿条4可滑动地安装在齿条滑动座402上，棘轮齿轮5分为顺转和逆转两种，均与齿条4啮合。当齿条4随着漂浮推杆2的运动而往复运动时，分别带动棘轮齿轮5正转与反转。棘轮齿轮5带动棘轮从动轮500转动。棘轮从动轮500再带动变速蓄能装置501和蓄能飞轮502转动。

变速蓄能装置501和蓄能飞轮502位于棘轮齿轮4与发电机6之间。

当漂浮采能装置1随海浪的潮流往复运动时，就会通过摆动杠杆3使滑动齿条4作往复运动，棘轮齿轮5在滑动齿条的带动下根据棘轮的转动要求分别作顺转和逆转，同时带动棘轮从动轮500转动。变速蓄能装置501为一组将低速能转变为高速能的齿轮传动装置及飞轮蓄能装置，安装在海岸上，由棘轮齿轮的从动轮500带动。当然，变速蓄能装置501的功能也可由变速箱实现。但最终输出还是以蓄能飞轮502为好。

发电机6由若干个发电机组成，均由能量输出装置——蓄能飞轮502带动工作。在若干个发电机中有一个为测速发电机6′。

蓄能飞轮502与测速发电机6′相连，测速发电机6′与发电机组启动控制系统相连。

就发电而言，由于发电机要发出恒定频率与恒定电压的电，必须保证发电机转子的转速稳定，采用上述能量转换及变速蓄能，特别是利用惯性飞轮工作后，就可使海浪无序的机械能变为高速有序的可利用能源。在发电机6启动前，首先将漂浮采能装置1启动，漂浮推杆2带动滑动齿条4往复运动，带动棘轮齿轮5转动，再带动变速蓄能装置501和蓄能飞轮502转动，当惯性飞轮502的转速达到发电要求时，测速发电机6′即可通过相应控制机构启动部分发电机6工作。发电机工作的转速设定在一定的限度范围内，当转速达到上限时，测速发电机6′又可通过相应控制机构启动备用发电机6工作，增加负载；当转速降至下限时，测速发电机6′又可通过相应控制机构关闭相应的发电机6，减少负载；总之，蓄能飞轮502的转速，也就是发电机的转速一直保持恒定，这样就能发出恒定频率和恒定电压的电。当惯性飞轮的转速达到发电所需的速度时，海浪再提供的能量除克服摩擦力等消耗外，全部可用于发电。由于海浪潮流的能量时常变化，发出的电量也随之变化，发出电量的大小，取决于漂浮采能装置1所取得海浪能量的大小。因为海浪的能量足够大，只要漂浮采能装置取得的能量足够大，就可发出足够大的电量。

上述能量转换方式也可用于风力发电或其他低速无序能量的发电。上述所说的漂浮采能装置1可由其它能量采集装置代替，漂浮推杆2和摆动杠杆3由其它方式的能量传递装置代替，滑动齿条4和棘轮齿轮5以及变速蓄能等装置均可采用本发明的模式。

海浪除向岸和离岸往复运动外，还有上下左右运动及晃动，为了充分利用这些能量，也为了限制漂浮采能装置1离开工作位置和缓冲能量高峰，本发明还增加了下列装置：

与漂浮采能装置1两端相连的另一种能量转换装置为液压或气压活塞缸装置7。活塞缸装置7的一端与漂浮采能装置1的牵制绳101相连，另一端可滑动地固定在侧壁上的滑槽701内。当然，也可用其它弹性换能或蓄能装置取代活塞缸装置7。

下面参见图4：

为了加强海浪离岸的能量，可在离漂浮采能装置1的两端不远处设置海浪集中转向返流设施8，该工程设施为梯形壁，由转向壁801和返流壁802组成。当海浪向岸边方向运动时，正面的浪推动漂浮采能装置1向岸边方向运动，速度减慢，推动漂浮推杆做功；旁边的海浪速度不减，冲向转向壁801，再转向返流壁802，两边的转向海浪集中在一起，在返流壁802的阻挡作用下，海浪返流冲向漂浮采能装置1，使其向离岸方向运动。浪潮的每一个波动周期均可以使漂浮采能装置1在海浪的推动下作一次往复运动，如此不间断地往复运动即可不间断地进行发电。

本发明的往复式海浪发电装置具有结构简单可靠、能适应海浪的无序变化、中间环节少、能量转换率高、功率大、电压输出稳定、持久、能抗风险、成本低等特点。

最后所应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照上述实施方式对本发明进行了较详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，即使对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，只要不脱离本技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1、一种将低速无序的低品位机械能量用于发电的装置，尤其是一种往复式海浪发电装置，特征在于由漂浮采能装置1、漂浮推杆2、摆动杠杆3、滑动齿条4、棘轮齿轮5、变速蓄能装置501、蓄能飞轮502和发电机6组成；漂浮采能装置1通过与其活动连接的漂浮推杆2将能量传递给摆动杠杆3，摆动杠杆3与滑动齿条4呈活动连接，棘轮齿轮5分为顺转和逆转两种，均与滑动齿条4啮合，棘轮齿轮5带动变速蓄能装置501和蓄能飞轮502转动，蓄能飞轮502带动发电机6工作。

2、根据权利要求1所述的往复式海浪发电装置，其特征在于漂浮采能装置1为一种比重小于海水的固体漂浮物，其上可活动地连接漂浮推杆2。

3、根据权利要求1所述的往复式海浪发电装置，其特征在于漂浮推杆2为比重小于海水的能量传动杆，其一端与漂浮采能装置1呈活动连接，另一端有推杆拨销201，推杆拨销201位于摆动杠杆3的推杆滑孔301内。

4、根据权利要求1所述的往复式海浪发电装置，其特征在于摆动杠杆3为一可转动地固定在摆杆支座300上的杠杆，其另一端有齿条滑孔302，通过齿条拨销401与齿条4呈活动连接。

5、根据权利要求1所述的往复式海浪发电装置，其特征在于齿条4可滑动地安装在齿条滑座402上，棘轮齿轮5分为顺转和逆转两种，均与齿条4啮合。

6、根据权利要求1所述的往复式海浪发电装置，其特征在于变速蓄能装置501和蓄能飞轮502位于棘轮齿轮5与发电机6之间。

7、根据权利要求1所述的往复式海浪发电装置，其特征在于蓄能飞轮502与测速发电机6′相连，测速发电机6′与发电机启动控制系统相连。

8、根据权利要求1所述的往复式海浪发电装置，其特征在于与漂浮采能装置1长轴两端相连的另一种能量转换装置为液压或气压活塞缸装置7，活塞缸装置7的一端与漂浮采能装置1的牵制绳101相连，另一端可滑动地固定在侧壁上的滑槽701内。

9、根据权利要求1所述的往复式海浪发电装置，其特征在于离漂浮采能装置1的两端不远处设置海浪集中转向返流设施8，该工程设施为梯形壁，由转向壁801和返流壁802组成。

Images