CN101936249A

CN101936249A - 摇摆式海浪发电

Info

Publication number: CN101936249A
Application number: CN2010101869209A
Authority: CN
Inventors: 黄晋生; 黄晋德
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2011-01-05

Abstract

摇摆式海浪发电；适合在较深的海面上吸收海上的驻波。用若干个浮船相互链接，形成长长可以随着海浪起伏而上下运动的链状系统。将系统锚链在海面上。各浮船浮力和重力的相互作用下，在海面上不断地做上下起伏的运动产生位置变形。通过各浮船上的齿轮-棘轮-变速系统-飞轮等将齿轮的摇摆运动变为较稳定的圆周运动使发电机发电。(还可以通过液压缸-液压马达-发动机配合、压缩气囊-汽轮机-发动机配合)。利用海底电缆传送电能。优点；利用机械手段吸收-海浪能这种永久性绿色能源、浮船起伏运动都能做功、完全在常温下工作、没有转动部分在水下、可实现自动控制、系统可随时退出进行维护保养。每个浪的起伏都能做功，系统工作效率高同时有效工作时间长。

Description

摇摆式海浪发电

一、技术领域

本专利涉及机电技术领域

二、背景技术

目前我们使用的能源大都是太阳能量在地球上亿万年中长期积累的化石能源，是不可再生能源。由于分布不均、且储量有限，随着人类的进步和发展不断提高对能源的需求，产生对世界上这些不可再生的能源-化石能源的掠夺性开发。据学者估计按照目前的消费水平煤的储量只能够人类使用220年，天然气只够使用60年，而石油的储量只能够人类使用40年。因此人类将不可避免地面临能源危机。能源问题正将成为激化世界各国之间的政治、领土、宗教等各种矛盾并引起的纷争的最主要原因。另外人类在不断消耗化石能源的同时也不断地向大气排放燃烧废气CO₂、S₂O₃等温室气体造成环境污染。引起酸雨、天气变化无常使得有的地方干旱有的地方水灾等温室效应，森林植被的破坏引起生态严重的失衡，海平面上升和各种自然灾害泛滥。极大的影响了人类生活质量、身体健康等甚至直接威胁到人类生存的问题。化石能源将消耗殆尽，气候正在变坏，人类要生存和发展最终要寻找新的清洁能源。这是人类面临的两大难题问题有待解决。这也是世界各国大力探索研究的重要课题。

世界除利用不可再生的能源-化石能源发电外，还有少量的利用可再生的能源。例如风能、太阳能、水能、地热、及潮汐发电等。由于各地的地理地貌等条件不同和资源特殊性、资金、技术等原因而不能广泛使用。而地球的面积70％以上是海洋，海洋中的潮汐、海浪是大自然各种能量综合反映。包括太阳和月亮的引力对地球的作用，地球自转的作用、地球各地受太阳辐射的偏差上引起海水温差形成的暖流以及风等的作用(俗话说海上无风三尺浪等)。由于海水的密度很高，以海水作为能量传递介质要比空气做能量传递介质来说要大得多(约832倍)。作为能量载体海浪能的能量密度是可再生能源中最高的，海浪的量能一般是以每米中具有千瓦(KW/m)。(据资料在北大西洋近岸平均60kw/m的能量)。据世界能源署(IEA)估计，世界的波浪能功率资源为2TW(2*10¹²W)，约(1.75*10¹³KWh)电度相当于现在世界每年的用电量。海洋是世界上最大的能量转换器和存储器。仅海浪中就蕴藏了巨大的源源不断的可再生能源。

在人类生活中长时间的观察积累大量的经验，海浪、潮汐的大小基本上是可预见的，加上现代科技完全可以预测和跟踪气候的变化，因此风险大都可以防范。

世界上大多数国家都有很长的海岸线，因此利用海浪来发电，是非常有潜力的发电方法。好好的利用将会给各国带来永久性的绿色能源。利用海浪发电它不消耗任何其它不可再生的能源，也没有任何有害物质排放。广泛地应用会使我们大大的减少对化石能源的依赖和消耗，同时也会大大的减少向空中排放有害气体。因此很好的利用它人类将大大的受惠于此。

虽然海浪是大自然赐予我们的巨大财富，目前利用海浪发电的方法很多，影响海浪发电发展主要原因主要是：1、能否足够大尽量的吸收海浪能(有效有效长度)，2、能量转换率，3、有效工作时间，4、建造和运行成本，5、抗风险能力等因素。但由于目前设计方法的原因不可能做得很大和有效工作时间低，中间转换环节的原因造成能量转换率低，投资大等原因，使得海浪发电目前还不能投入商业运营。我利用简单的机电原理构思一种结构能正反都能吸收海浪能量可全天候工作并带动发电的方法。简称：摇摆式海浪发电。

三、发明内容：

海洋中的波动是海水的重要运动和能量传递形式之一。从海面到海洋内部处处都可能出现波动。波浪能总是以最小的能量消耗的方式从其形成区传播开去，因此主要反映在水面的运动。波动的特点是，在外力的作用下，水质点离开其平衡位置做周期性或准周期性的运动(作恢复平衡的运动)。由于流体的连续性，必然带动其临近的质点，导致其运动在空间传播，因此运动随时间与空间的周期性变化为波动的主要特征。实际上海洋中的波动是一种复杂的现象，严格说，它们都不是真正的周期变化。但是，作为最低近似可以把海洋波动看作是简谐波动(正弦波)或简谐波动的叠加。据我们观察海浪运动的表现形式有两种：一种波形不断向前传播的前进波(海滩由于海水变浅波浪能量就会集中浪高变大，同样波浪总是以最小的能量消耗的方式从其形成区传播开去，在很远的距离形成的涌流)。和在较深的海水中波峰与波谷在固定点不断升降交替的驻波。

驻波的波浪能量有垂直于波浪方向的每平米宽度所通过的能量速率(功率)来表征，单位1KW/m²，也称为波浪密度。由于太阳辐射，可以将波浪中大约为1KW/m²，他最终转化为波浪能的能量级为每米波峰宽度10～100KW，这在可再生能源领域几乎是最大的能量资源。理想的波浪功率P近似等于波高H(m)的平方乘以波周期T(s)，单位为KW/m，即

p＝H²T

严格表达式为

P = \frac{ρ g^{2} H^{2} T}{32 π}

试中，P微功率(w/m)；ρ为水的密度(kg/m²)；g为重力加速度(9.8m/s²)

再深水中，波浪运动不受海底影响，只有少量的由于水的粘性以及水与空气的摩擦(或湍流)引起的损失，因此波浪的能量基本保持不变。长而平滑的浪涌(能量密度大)可以持续几百公里远，但短促而陡峭的波浪(能量密度小)则很快地衰落。在深度d小于1/2波长的水中，靠近海底的水粒子的运动明显受阻，由于海底摩擦而损失掉。能量损失机理有多种因素造成。在较深海水中由于能量损失小波浪一旦形成，它们就沿着形成的方向传播，甚至当风停止以后波浪仍不停止。这一现象解释了为什么有时在平静的海面上会观察到长长的的浪涌。它们可能是几天前发生在远方的风暴的影响。(实际上海水是以浪的形式传递能量)

海浪的波峰高度是渐进变化得不会突变，因此更好控制，本专利就是针对在较深的海水中波峰与波谷在固定点不断升降交替的驻波特性，利用简单的机械原理设计了一款利用一组浮船分别用铰链连接，当浮船各自在海浪能和各浮船的自重的相互作用产生相对位置变形，将此位移利用机械传动系统转化为圆周运动直接带动发电机转动发电的海浪发电系统。

用若干个浮船(具有一定的宽度或双体)，在各船头尾平台上，利用相互对称的斜拉杆做成人字型的铰链。形成长长的相互间可以随着海浪起伏而上下运动变形的链状系统如图1、2、(每个浮船内是密闭内部可以加入一定量的配重)。每个浮船底部甚至船帮顺着船体平行固定几块铁板它起到了配重、稳定、舵的控制作用(可自动调整浮船系统的方向)。两船之间的船舷上(近垂直)安装蝴蝶状弧形护板，在大浪时以减小系统的摇摆同时在浪底时它可以减小船倾斜的速度提高安全性。

方案1；将本系统通过一个锚链固定在某处海面上，在浪涌或洋流的作用下以锚链为中心自动调节。因为洋流与浪涌的运动方向是一致的，所以它可以自动调整浮船系统使它始终顺着海浪方向防止系统侧面受到冲击，同时提高系统的稳定性并使得浮船间的偏摆动角度最大提高发电的能力。本系统在每一条船上都装一台发电机主要是考虑系统的平衡、和使系统的各浮船在上下摇摆运动双向都能做功。系统的每条船都对称及平衡，使得浮船系统在海水中运动幅度尽量一致，因此每条船的偏摆也一致最大程度地降低风险。

各浮船在海浪能和各浮船的重力的相互作用下，随着海浪各自在海面上不断地上下起伏的运动，使各个浮船间的位置的变形。使得半圆形的齿轮作摇摆运动(半圆形齿轮的一边与另一条船的支架固定)如图2、3。通过齿轮和两组棘轮系统的传递将船的摇摆运动转化为同一个方向的旋转运动，(由于棘轮是单方向工作的在链轮不受力时用离合器将链轮与系统脱离方便检修)并带动发电机旋转发电。为了使发电系统转速稳定的需要加装一个飞轮储能使系统相对稳定，同时还可以在发电机与飞轮之间加一套滑差离合器，根据转速反馈控制滑差离合器的励磁改变滑差率实现稳速。

本系统在机械方面；每条船的船头船尾分别都装有两组棘轮传动系统，使得船在摇摆中的上下运行时都能做功。同时由于船头船尾的棘轮传动系统可以分别交替的驱动同一台发电机发电(头尾出力可相互补偿)加上飞轮储能。不但可以最大程度地吸收海浪能，同时大大的减少发电机速度的变化。

电器方面；本系统将各台发电机并联运行。可相互补偿加上滑差离合器、负荷控制的配合运用将大大改善供电质量。同时参照风力发电系统通过半导体技术实现软并网及控制方式，控制好系统各项输出，就可以很好的控制发电机的转速，确保发电质量、实现集中自动控制。加上本系统工作在常温下、没有中间环节损耗且以齿轮直接传递能量(不会打滑)因此工作效率最高。

并网：由于系统各发电机都采用滑差离合器做软连接，因此系统的发电机可以逐一并网发电。如图4先选择一台发电机(例如F1)逐渐提高滑差离合器和发电机组的励磁电压(其他各台滑差离合器不通电-处于待命状态)，使发动机发出频率接近同步频率、电压接近工作电压的预置工作切入点。接通并网开关f1-开关F’-开关JF2-开关JF1，使调压变压器和晶闸管并网装置得电，此时调压变压器次级输出电压略低于线路电压。再继续通过调整滑差离合器、发电机励磁绕组电压和调压变压器的档位调频、调压，同时晶闸管并网装置通过逐渐调整晶闸管导通角并使晶闸管完全导通实现系统软并网。延时一段时间后接通系统并网开关F，将晶闸管并网系统旁路完成并网全过程关闭-开关JF2-开关JF1使晶闸管并网装置断电。

其他各台发电机逐一并网。同样通过逐渐提高滑差离合器和发电机组的励磁电压，使发动机发出频率接近同步频率、电压接近工作电压的预置工作切入点。接通-开关2jf2-开关2jf1使晶闸管并网装置得电，通过调整滑差离合器、发电机励磁绕组的电压调频调压，晶闸管并网装置通过逐渐调整晶闸管导通角并使晶闸管完全导通实现系统软并网。延时一段时间将并网开关f2导通，将晶闸管并网系统旁路完成并网全过程关闭-开关2jf2-开关2jf1使晶闸管并网装置断电。(其它发电机并网在发电机内部网母线上实现直至全部并网)。

控制：在并网及控制过程中系统通过对滑差离合器、异步发电机励磁及调压变压器的控制等多种控制手段进行控制。各控制量可使用PID方式并设置控制优先等级，就可以很平滑的对电压、频率、功率进行控制。功率因数可通过并接电容进行调节。

跳闸脱网时滑差离合器立即断电，使发电机失去动力而停止工作，(为防止飞车可同时接通发电机的能耗制动装置)。正常停机时可以通过滑差离合器与负荷控制系统的控制使负荷降到很低，再停并网开关防止飞车。

优点；系统所有发电机都是在同一个区域工作，海浪能、振幅、频率和周期基本上是一至的，浮船与发电机设备完全一样，负荷分配基本上是一样的。只需对各台发电机做少量的微调，系统较适合总量集中控制。实现自动控制对功率、功率因数的调整。由于系统采用；浮船-棘轮-滑差离合器-飞轮-异步发电机-发电机软并网系统-能耗制动等系统方式的连接与配合，使系统更加平稳可靠。并网时利用晶闸管并网装置可以控制发电机的电流减小并网时对电网的冲击，发电机升速过高棘轮会脱扣不会对浮船带来风险。由于系统使用调压变压器提高工作适应范围、供电质量同时提高有效工作时间。系统采用滑差离合器软连接，因此系统上任何发电机可随时退出进行检修。各晶闸管并网装置并网后退出减少故障提高可靠性。可以实现自动程序控制。

也可以将每一条船各发电机与蓄电池组并联可分别对各自的蓄电池组充电，再将系统中每条船的蓄电池串联运行如图5。可提高电压减少机械提速的繁琐及重量。当发电电压高于蓄电池电压时向蓄电池充电，当发电电压低于蓄电池电压时蓄电池放电使电压稳定，并用逆变器将直流电压变为交流电压再升压，通过海底电缆输送给电网来满足人们的需要。因此既保证系统的每一条船布局都是对称平衡的且重量相等，可以保证电压及频率保证了供电的质量及可靠性。由于系统直接将机械能转换为电能，每条船之间只需用两条导线连接，完全没有其它中间环节。

考虑浮船在海浪谷底向上浮起时，海浪要克服船的自重将船浮起时若发电机负荷太大可能有较大的倾覆风险。可增加一个充电电阻，利用水银开关发出信号控制时间继电器增大充电电阻来降低负荷，降低倾覆的风险。

水银开关要固定再浮船上如图5。当船在海浪中不断的上下摇摆时水银开关接通时间继电器ST1回路，由于两个水银开关都导通时两个船的连接铰链位置还没到达浪谷，时间继电器ST1动作开始计时当两船的铰链位置处在海浪的谷底时计时完成，接通时间继电器ST2使得ST2自保持ST1断电同时接触器动作接触器触点C断开使得充电电阻增大来降低充电负荷。当计时完成时间继电器延时断开触点ST2使得时间继电器ST2线圈和接触器C断电。接触器常闭触点闭合使得充电电阻减小，如此循环即可防范风险又可求的最大的效率。

优点；由于系统布局对称、平衡，且浮船上下运动的过程中都能做功，因此大大的提高工作效率。本系统将海浪造成浮船的位置变化直接转换机械能发电，用导线将各浮船发的电能汇聚，没有中间环节且没有转动部件在水下，完全不存在跑、冒、漏现象，发电机安装在船上，每台发电机可随时退出。因此方便维修保养且维修成本也会较低，并且将大大的提高运行有效时间、使得运行维护更简单，系统将更安全。

本方案可以利用海底电缆将电能输送到岸上并网运行。我们还可考虑将本装置安装在一定航速的远洋轮船的尾部如同拖一条尾巴。利用本系统发电提供轮船航行的动力，直接利用电动机提供轮船航行的动力。同时利用剩余电力为蓄电池充电储备能量，在大风浪时将发电系统用气囊加固并利用蓄电池提供能源摆脱风浪的风险。目前由于科技的进步我们完全能够观测跟踪风浪的形成和运行趋势甚至强度等发展情况，因此可以及时找到避风处或改变航向规避风险。

方法2；如图6本系统在各船头船尾的连接处分别安装连杆。各浮船在海浪和各浮船的重力的相互作用下，随着海浪各自在海面上不断地上下起伏的运动，使各个浮船间的位置的变形。在连杆推拉运动的过程中使得气囊变形(气囊内空间变化)通过控制气囊的进排气而产生压缩空气。将压缩空气打入密闭的船舱(作气包使用)，并将各船舱的压缩空气汇总。由于压缩空气汇总使得气包气压和流量有了保证，并通过恒压方式控制流量推动汽轮机带动发电机运转发电。每一条船前后都装一套气囊是考虑系统的平衡同时提高产气量。系统的每条船都对称及平衡，因此每条船的偏摆也一致最大程度地降低风险。

气囊分别与推板、顶板连接，在拉的动作时气囊进气，可使气囊充分张开提高进气量。推板的上下都安装导轨防止偏移。

每个气囊设若干各进排气口。与大气之间连接为(进气)、气囊与船舱之间连接为(排气)，都安装一个单向阀。

当气囊变形的过程中气囊内与船舱排气管道之间气压差会排气单向阀自动开(闭)。而气囊内与大气之间的气压差会使进气单向阀自动开(闭)。也可以在排气阀确认关闭后利用电磁阀控制进气阀使其提早打开，当气囊开始压缩时关闭进电磁阀气阀。这样尽可能的提高进气量和产量。

运行中根据气包气压通过控制进气调整阀的进气量，控制汽轮机的转速及功率。由于利用气包将高压气体汇总并推动一台汽轮机或两台汽轮机旋转实现总量控制可实现自动控制，同时各船舱的气压相互补偿提高了系统的可靠性、稳定性。利用船舱做储气罐使得各船安全性大大提高。系统使用一台发电机发电一次性投资成本会有很大的降低。(为降低一次性投资成本除发电机的浮船可用强度适合的非金属材料制作但要另做储气罐)汽轮机做完功后的废气可直接对外排放不会对环境造成破坏。

并网：如图8通过控制汽轮机进气量使发动机发出频率接近同步频率、电压接近工作电压的预置工作切入点。接通发电机开关F1、开关JF1、JF2-使调压变压器和晶闸管并网装置得电，此时调压变压器次级输出电压略低于线路电压。再逐步控制汽轮机进气量、发电机励磁绕组电压和调压变压器的档位调频调压使发电机发出电电压趋于同步。同时晶闸管并网装置通过逐渐调整晶闸管导通角逐渐趋近同步，直至晶闸管完全导通实现系统软并网。并网完成后延时一段时间后接通系统并网开关，使晶闸管并网系统旁路完成并网全过程。断开开关F1、开关JF1、JF2晶闸管并网系统退出。

停机：正常停机通过控制液汽轮机进气量使减小负荷，当负荷减到一个较小数值时系统解列，防止突然甩负荷造成飞车。在突然跳闸解列时应立即切断进气调调整阀，取消原动力使发动机逐渐降低转速。(必要时可以通过能耗制动加以抑制)

优点；这个方案由于只用一台发电机(安装发电机的船可大些)其它的船的材质可用木材或塑料因此一次性投资较小。系统所有发电机都是在同一个区域工作，海浪能、振幅、频率和周期基本上是一至的，利用公共气包使得系统更加可靠稳定。系统采用总量集中控制可实现自动控制。对功率、功率因数的调整。由于系统采用；浮船-气囊-气包(高压气体汇总)-进气调整阀-汽轮机-异步发电机-发电机软并网系统-调压变压器-能耗制动等系统方式的连接与配合，系统可控手段很多使系统更加平稳可靠。并网时利用晶闸管并网装置可以控制发电机的电流减小并网时对电网的冲击，本方案可以利用海底电缆将电能输送到岸上并网运行。

方法3；如图6本系统在各船头船尾的连接处分别安装连杆。各浮船在海浪和各浮船的重力的相互作用下，随着海浪各自在海面上不断地上下起伏的运动，使各个浮船间的位置的变形。在连杆推拉运动的过程中使得液压缸来回推拉产生油压并推动液压马达旋转。形成；回油油缸-液压缸-高压储油罐-液压马达-回油缸的液压循环。液压缸来回运动将高压油打入高压储油罐，使得液压油加压并汇总，液压油推动液压马达运转并带动发电机运转。由于高压油的汇总可使压力稳定及流量有了保证。可通过恒压方式调整液压马达流量很方便的控制转速及功率。由于只控制一台发电机，在控制与稳定性方面由于将能量汇总相互补偿因此会较稳定更方便控制。

并网：如图8通过控制液压马达流量使发动机发出频率接近同步频率、电压接近工作电压的预置工作切入点。接通发电机开关F1、开关JF1、JF2-使调压变压器和晶闸管并网装置得电，此时调压变压器次级输出电压略低于线路电压。再逐步控制液压马达流量、发电机励磁绕组电压和调压变压器的档位调频调压使发电机发出电电压趋于同步。同时晶闸管并网装置通过逐渐调整晶闸管导通角逐渐趋近同步，直至晶闸管完全导通实现系统软并网。并网完成后延时一段时间后接通系统并网开关，使晶闸管并网系统旁路完成并网全过程。断开开关F1、开关JF1、JF2晶闸管并网系统退出。

控制：通过恒压控制液压马达流量的方式控制发电机的转速，系统较稳定可以保证发电质量。

停机：通过控制液压马达减小负荷，当负荷减小到一个较小数值时使系统解列，防止突然甩负荷造成飞车。在突然跳闸脱网应立即切断液压马达油路利用溢流阀维持油路取消原动力逐渐降低转速。(必要时可以通过能耗制动加以抑制)

优点；这个方案由于只用一台发电机(安装发电机的船可大些)其它的船的材质可用木材或塑料因此一次性投资较小。系统所有发电机都是在同一个区域工作，海浪能、振幅、频率和周期基本上是一至的，利用公共气包使得系统更加可靠稳定。系统采用总量集中控制可实现自动控制。对功率、功率因数的调整。由于系统采用；浮船-油缸-高压储油罐-调节阀-液压马达-异步发电机-发电机软并网系统-调压变压器-能耗制动等系统方式的连接与配合，系统可控手段很多使系统更加平稳可靠。并网时利用晶闸管并网装置可以控制发电机的电流减小并网时对电网的冲击，本方案可以利用海底电缆将电能输送到岸上并网运行。

三、附图说明：

图1系统在海浪的作用下运动的示意图。

图2系统中设备的布局图。

图3浮船运动时带动齿轮转动的示意图。

图4多台发电机系统软并网控制图。

图5发电机运行时充放电的原理图。

图6液压方式并网控制图。

图7液压方式结构示意图。

图8单台发电机系统软并网控制图。

四、具体实施方案：

本系统基本不需要太多太复杂的调整。设计时需要搞清当地海水深度地理地貌，由于理论上海水深度、海浪的振幅、周期和波长影响海浪每平米宽度所通过的能量速率(功率)。而船体长度、宽度、重量、浮力、形状发电能力是决定其工作能力、安全性的关键因素。在设计时应根据这些要素及功率要求设计；浮船的大小、浮力、形状、强度、铰链及支架的强度、锚链长度及浮船的个数。为了安全船体的长度最好要横跨两个波峰，宽度越宽发电能力和安全性越好，但可能影响强度。船体的重量和浮力决定发电能力。在运行中应主要控制好发电系统的输出负荷，使系统运行平稳，最大程度的吸收海浪的能量，减少风险。在输变电方面利用海底电缆将电源输送到陆地。在飓风到来前可以增加锚链的个数及在浮船的两侧增加浮筒或气囊(特别是铰链附近)增加船体的浮力防止船体倾覆。

Claims

1.在各船头尾平台上，利用相互对称的斜拉杆做成人字型的铰链。在水面链接各浮船形成长长的链状系统。铰链轴上安装半圆型齿轮，在海水浮力与船的自重相互作用下产生相对位移，通过齿轮将各浮船在海浪中能量传递产生的位置变化转换齿轮的摇摆运动。

a、用两套棘轮系统将链轮来回的促动变为圆周运动，带动发电机系统转动发电。

b、利用滑差离合器稳速及控制负荷。

c、用水银开关控制充电电阻调节充电电流保证安全。

2.在各船头尾平台上，利用相互对称的斜拉杆做成人字型的铰链。在水面链接各浮船形成长长的链状系统。船头船尾间的甲板上安装液压缸，在海水浮力与船的自重相互作用下产生相对位移，通过油缸产生高压油，将各浮船在海浪中能量传递到储罐，利用液压马达驱动发动机运转。

3.在各船头尾平台上，利用相互对称的斜拉杆做成人字型的铰链。在水面链接各浮船形成长长的链状系统。船头船尾间的甲板上安装连杆，在海水浮力与船的自重相互作用下产生相对位移，通过连杆的推拉压迫气囊产生压缩空气，将各浮船气囊产生的压缩空气打入各船舱，将空气汇总通过调门控制汽轮机及发动机运转。

4.利用晶闸管实现软并网，同时实现自动控制。