CN101782040A - 用于海洋波浪发电的发电单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于海洋波浪发电的发电单元，包括发电单元外壳，在发电单元外壳内设有导杆和沿着导杆上、下滑动的惯性质量体，在发电单元外壳内部的上、下两端相应地设有可使惯性质量体悬空的拉伸弹簧和压缩弹簧，在惯性质量体上设置有发电机，在发电单元外壳内设有齿杆，在惯性质量体上设有传动齿轮箱，传动齿轮箱输入端的齿轮与齿杆啮合，传动齿轮箱的输出端与发电机轴连接。本发明具有结构简单、吸收波浪能力强、费用低、可建成不同发电规模等特点，本发明应用于海洋波浪发电装置上。

Description

用于海洋波浪发电的发电单元

【技术领域】

本发明涉及一种发电单元，具体是涉及用于海洋波浪发电的发电单元。

【背景技术】

由于波浪发电具有无污染以及不必耗费燃料之优点，如何利用海水波浪所携带的能量来发电成为世界各国海洋工程研究人员研究的目的。我国大陆海岸线长达18000多千米，再加上各大小岛屿，海洋能源十分丰富。随着可再生能源日趋紧张，研究、创新海洋发电技术是一件意义深远的工作。

对于国内外波浪发电的研究十几年来，至今仍停留在探索阶段。先进国家着手研究较早，发电装置也各不相同，但是都很难进入推广应用阶段，因为都遇到共同的问题，即投资成本高而收回太慢甚至连管理费用也无法收回。

比较成功的国外波浪发电装置是“海鳗”，它在尽可能多地吸收波浪的能量方面做得很出色，但是遇到上述的“投资与收回”问题不好解决，近年来葡萄牙把这个装置成功接入电网，但是不意味着可以推广应用。另外，瑞典的哥本哈根成功解决了波浪发电的海上安全性，但是除了遇到成本与收回问题之外，还有发电能力不强的缺点。

【发明内容】

本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供一种结构简单、吸收波浪能力强、费用低、可建成不同规模的发电单元。

本发明是通过以下技术方案实现的；

用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于包括有发电单元外壳，在发电单元外壳内设有导杆和沿着导杆上、下滑动的惯性质量体，在发电单元外壳内部的上、下两端相应地设有可使惯性质量体悬空的拉伸弹簧和压缩弹簧，在惯性质量体上设置有发电机，在发电单元外壳内设有齿杆，在惯性质量体上设有传动齿轮箱，传动齿轮箱输入端的齿轮与齿杆啮合，传动齿轮箱的输出端与发电机轴连接。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于所述传动齿轮箱为加速齿轮箱。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于在惯性质量体内部设有可储存水并使其重量变化的空腔容器，在发电单元外壳内设有调节水泵，调节水泵连接有进水管和出水管，进水管和出水管的出口置于空腔容器内。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于在发电单元外壳内还设有变电控制箱，发电机的发电输出端电连接到变电控制箱内并由变电控制箱进行电力输出。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于所述拉伸弹簧、压缩弹簧与惯性质量体的波动频率与海浪的波动频率相同。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于所述拉伸弹簧、压缩弹簧与惯性质量体的振动频率符合公式： $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{m/k}},$ 其中m为惯性质量体的质量，k为拉伸弹簧和压缩弹簧的弹簧系数，π为圆周率。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于所述导杆有三根。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、本发明结构简易合理，吸收波浪的能力强；

2、本发明对海浪发电的选址要求不高，特别是可设在近岸；

3、本发明对建造工程费用和管理维护成本低；

4、本发明可适合建立规模大小不同的实用波浪发电站；

【附图说明】

图1是本发明切去一部分外壳的立体图；

图2是本发明切去一部分外壳和切去一部分惯性质量体的立体图；

图3是本发明的齿杆与传动齿轮箱连接关系的立体图；

图4是本发明的立体图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明进行详细说明：

用于海洋波浪发电的发电单元，其设置在浮标上，其包括有发电单元外壳1，在发电单元外壳1内设有导杆2和沿着导杆2上、下滑动的惯性质量体3，在本实施例中，导杆2的数量可以有3-4根左右，一般为3根。在惯性质量体3内部设有可储存水并使其重量变化的空腔容器31，将水注入空腔容器31中可以使惯性质量体3的重量发生变化。

在所述发电单元外壳1内部的上、下两端相应地设有可使惯性质量体3悬空的拉伸弹簧4和压缩弹簧5。拉伸弹簧4的下端连接到惯性质量体3的上表面，压缩弹簧5的上端连接到惯性质量体3的下表面。在拉伸弹簧4的拉引和压缩弹簧5的支撑作用下，使惯性质量体3悬空并在导杆2的导引作用下使其上、下滑动。

在发电单元外壳1内设有齿杆71，在惯性质量体3上设有传动齿轮箱72，传动齿轮箱72输入端的齿轮721与齿杆71啮合，传动齿轮箱72的输出端与发电机6轴连接。所述传动齿轮箱72为加速齿轮箱，加速齿轮箱使波浪起伏的慢速变为发电机6需要的快速。

在惯性质量体3内部设有可储存水并使其重量变化的空腔容器31，在发电单元外壳1内设有调节水泵101，调节水泵101连接有进水管102和出水管103，进水管102和出水管103的出口置于空腔容器31内。这样调节水泵101可通过进水管102和出水管103将水注入空腔容器31内或者将水抽出空腔容器31，从而使整个惯性质量体3的质量发生变化。

在发电单元外壳1内还设有变电控制箱8，发电机6的发电输出端电连接到变电控制箱8内并由变电控制箱8进行电力输出。

本发明之所以能够高效地进行发电，其工作原理为：

当浮标在波浪中起伏运动时，固定在浮标中的发电单元也跟随上下运动。由于发电单元里的惯性质量体3仅由拉伸弹簧4和压缩弹簧5拉引和支撑，具有非常大的“惰性”，惯性质量体3并没有跟随浮标或发电单元外壳1运动而保持自己原有空间位置，结果发电单元内部的拉伸弹簧4和压缩弹簧5被“拉伸”和“压缩”变形，产生了弹簧的势能。可见，波浪起伏使弹簧吸收了波浪的“势能”。

这时，吸收了波浪势能的拉伸弹簧4和压缩弹簧5以相同方向的合力释放能量，推动惯性质量体运动，通过中间的齿杆71和加速齿轮箱72带动了发电机6发电。

在调节水泵帮助下，惯性质量体的总重量跟随波浪周期的改变而改变，使与两个弹簧构成的弹性系统的固有振动周期跟踪并保持波浪周期，处于谐振状态。

实际上波浪的起伏运动速度较慢，如果直接带动发电机6嫌转速太慢，发电效率很低；所以必须经过一个加速齿轮箱72把转速提高，就能获得理想的发电效果。

可见，上述原理反映的能量转换框图如下图所示：

能量转换效率分析：本发明的发电工作原理简单，能量转换的环节少，只要做好每一个部件的设计，能量转换的效率是高的。

上述框图中的A、B、C各能量转换条件，我们看到A点能量损耗甚小，它是拉伸弹簧4和压缩弹簧5变形时的“切变损耗”，因为损耗太小而暂时忽略。

B点的损耗出现在海浪周期起伏节奏与弹性系统固有周期节奏不相符的互相抵消。这是本发明中最重要的部分。完成这个计算的方法是：根据波浪发电的选址，了解当地海域的“常遇波周期”，设计弹性系统的固有周期符合这个常遇波周期，因为周期相同能产生“共振”，使发电单元获得很大的能量，这保证常年的正常发电。根据 $f=1/t=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{m/k}}$ 振动频率公式，m是惯性体质量，k是弹簧系数(刚度)，π为圆周率，振动周期t选择为波浪的波动周期，就能使它产生共振，使重块获得很大的振动幅度，极大地提升了吸收波浪能量供给发电的效果，如果当地海域的“常遇波周期”发生变化时，这时可以改变m的质量，即惯性质量体3的质量，通过调节水泵101将水注入空腔容器31内或者将水抽出空腔容器31即可实现。还有所述拉伸弹簧4、压缩弹簧5与惯性质量体3的振动频率与海浪的波动频率相同，使其产生共振效果。所述拉伸弹簧4、压缩弹簧5与惯性质量体3的振动频率符合工式： $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{m/k}}.$

C点的损耗是一般的机电效率问题，一般理解为80％以上。

以上分析，本波浪发电单元的效率是很高的，与国际上的波浪发电原理比较，明显地省掉一个“水轮机组”或其它能量转换的方法带来的能量损耗。从经济意义上讲，本发电方案也是节省的。

本发电单元也可以水平放置使用，这在近岸的波浪发电是很有特色的。

首先是波浪从远岸传递到近岸时出现所谓“破碎”现象，原因是海底对浪的传播有阻力，波浪的波形就发生向前倾斜：水面快，水下慢，直至波形发生很大变异而破碎。波浪破碎的结果使近岸波浪的能量以浪流的形式向岸边冲击，特别在台风情况下对沿海近岸破坏力很强。如果建立波浪发电站，经过恰当选址以及科学设计发电装置，是有不错的效果的。

简单地把发电单元水平放置，使发电单元由竖直放置改为水平放置，就可以吸收“水平”方向的波浪能量。但是为了更好地长期工作和发电效率高，要把本发电单元的外壳改为方型或者三角形，并且导轨应是滚珠轴承。这种改动是容易的，其工作原理不变。

Claims (7)

1.用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于包括有发电单元外壳(1)，在发电单元外壳(1)内设有导杆(2)和沿着导杆(2)上、下滑动的惯性质量体(3)，在发电单元外壳(1)内部的上、下两端相应地设有可使惯性质量体(3)悬空的拉伸弹簧(4)和压缩弹簧(5)，在惯性质量体(3)上设置有发电机(6)，在发电单元外壳(1)内设有齿杆(71)，在惯性质量体(3)上设有传动齿轮箱(72)，传动齿轮箱(72)输入端的齿轮(721)与齿杆(71)啮合，传动齿轮箱(72)的输出端与发电机(6)轴连接。

2.根据权利要求1所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于所述传动齿轮箱(72)为加速齿轮箱。

3.根据权利要求1或2所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于在惯性质量体(3)内部设有可储存水并使其重量变化的空腔容器(31)，在发电单元外壳(1)内设有调节水泵(101)，调节水泵(101)连接有进水管(102)和出水管(103)，进水管(102)和出水管(103)的出口置于空腔容器(31)内。

4.根据权利要求3所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于在发电单元外壳(1)内还设有变电控制箱(8)，发电机(6)的发电输出端电连接到变电控制箱(8)内并由变电控制箱(8)进行电力输出。

5.根据权利要求3所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于所述拉伸弹簧(4)、压缩弹簧(5)与惯性质量体(3)的波动频率与海浪的波动频率相同。

6.根据权利要求5所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于所述拉伸弹簧(4)、压缩弹簧(5)与惯性质量体(3)的振动频率符合公式： $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{m/k}},$ 其中m为惯性质量体的质量，k为拉伸弹簧和压缩弹簧的弹簧系数，π为圆周率。

7.根据权利要求3所述的用于海洋波浪发电的发电单元，其特征在于所述导杆(2)有三根。

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