CN101943104A

CN101943104A - 气囊式海浪发电

Info

Publication number: CN101943104A
Application number: CN2010101869815A
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: 2011-01-12

Abstract

气囊式海浪发电；适合在浅海的海滩上吸收海岸边的涌流。它是在陡峭的海岸边安装若干个气囊系统，在各气囊系统上安装带有易弯面浮板。各浮板与气囊一起固定在滑架上，使气囊系统可随滑架上下调整。利用浮板的作用使能量聚居气囊进、排气量大增。再将各气囊的压缩空气汇聚到一个大气包来推动汽轮机和发电机运行发电。可提高了工作效率和有效工作时间。本系统的优点是：利用机械手段吸收-海浪能这种永久的绿色能源、利用若干个气囊可以吸收一段海浪涌流的能量、可以减少海浪对海岸的侵蚀、发电设备完全在岸上不用建设大型的水利设施输变电方便、完全没有转动部分在水下、完全在常温下工作没有温度损失、系统各气囊部分随时退出进行维护保养。

Description

气囊式海浪发电

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，产生了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，天然气储量只够使用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、人类要生存要发展。急需寻找清洁能源。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。

目前世界主要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。

虽然海浪的波浪能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，但影响海浪发电发展主要原因是：1、能否足够大的吸收海浪能(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，基建投资大等原因，使得海浪发电目前还不能进入商业运营。我利用简单的机电原理构思一种方法可以直接吸收一段海浪能量，不用建造大型基建、可全天候工作、维护保养简单、可规避风暴，通过若干个气囊生产压缩空气并汇总推动汽轮机、发电机转动发电的方法。简称：气囊式海浪发电。

三、发明内容：

海洋中的波动是海水的重要运动形式之一。从海面到海洋内部处处都可能出现波动。波浪能可以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，不断的将海浪能向前传递。据我们观察海浪运动的表现形式有两种：波峰与波谷在固定点不断升降交替的驻波和一种波形不断向前传播的前进波。前进波；海滩由于海水变浅前方没有海水可以传递能量因此能量得以释放。波浪会使能量集中浪高变大、传递方向也改变，在很远的距离形成的涌流。前进波浪能流密度虽低，但其横向作用产生的能量密度很高，且沿海岸线分布，有利于开发大功率波力发电站。

全球的波能如能全部转换为电能，则每年可达23650亿kWh。当波高为2m，波浪起伏周期为2.5s时，发电功率为24kW。波高3m、周期11s时为130kW。由于波浪运动不规则，只能采用统计学来处理数据，可将波能E用下式表达(波浪横向长度为1m时的波能平均值)：

E＝0.5·(H1/3)2·(T1/3)， kW/m

式中H1/3和T1/3分别为波高H和波周期T的算术平均值，单位分别为m和s。

计算表明，日本近海的波能平均值为7kW/m，其岸线总长约5200km，日本波能总共约为3600万kW。而我国大陆岸线长就达1.8万km，还有岛岸线长1.4万km，波能总计约达22400万kW。

前进波它的特点是；有方向性的、是间歇性的、源源断地、近似有规律的进行周期大约8秒左右，且每次浪峰间的浪高是渐进变化的不会突变，因此更好控制。本专利就是针对海浪的前进波这种间歇涌流特点，设计了一款简单经济可靠的几乎可吸收整段海浪动能的发电系统。

它是在陡峭的海岸边安装若干个气囊，气囊在海浪的间歇冲击下自动进、排气产生压缩空气推动汽轮发电机系统旋转发电。可建设在没有开发的较深海水的海边悬崖边不用制作大型的基建因此占地不大，不会对环境和生态造成破坏。

在海岸边安装一组气囊系统如图1(每个气囊内加入一定量的水利用水的水压使气囊尽量打开)，气囊安放在一个滑架上可随卷扬设备上下移动。在气囊的外面有一个浮板，浮板的冲击面为弧面。弧面适应波浪能吸收。弧面成为整个面，与波浪接触，提高了波浪能的吸收面积使能量聚集，弧面的连续、不漏水，这在很大程度上避免了波浪能的流失转换效率高。浮板下面与滑架通过胶带连接，上面与气囊外皮层用胶带连接，因此浮板可随滑架一起联动。

在各气囊上安装若干个进排气口，尽可能保证空气的进出。各进气口、排气口上分别安装单向阀。浮板在浪涌的冲击下冲向气囊，使气囊产生弹性变形从而迅速减少其囊内的空间产生压缩空气。在气囊压力的作用下进气单向阀自动关闭、排气单向阀自动打开并向公共气包送气。当期气囊气压约等于公共汽包气压时排气单向阀自动关闭。如图2冲击过后海水退却、气囊内残余压力、气囊内水的重力作用、浪潮回涌时造成的高差使浮板向外翻转拉动气囊使气囊尽量扩张。气囊内与大气的压差使进气阀自动打开向气囊进气。由于气囊内海水及浮板的作用可使气囊尽量自动的开拉，提高了进气量。

在每个气囊如此往复做功下，产生的压缩空气输送到公共气包。并用公共气包的压缩空气推动汽轮机和发电机发电。

运行中根据汽包气压控制汽轮机的进气调整阀的开度，通过调整进气量控制汽轮机的转速及功率。由于将高压气体汇总并推动一台汽轮机实现总量控制可方便实现自动控制，同时气囊的气压相互补偿使其包气压相对稳定，提高了系统的可靠性、稳定性。本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。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3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。再逐步提高汽轮机进气量、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。(也可以利用准同步方式并网)

解列停机：正常停机通过控制液汽轮机进气量使减小负荷，在负荷减小到一个较小值时才使发动机系统解列。为防止突然甩负荷造成飞车。在突然跳闸脱网时应立即切断进气调气阀，取消原动力逐渐降低转速。(可以通过能耗制动加以抑制)

系统的优点；它是直接将海浪势能转换为电能。在常温下工作没有中间环节损失，也没有任何生产排泄物，因此绝对不会造成环境污染。且系统完全没有任何转动部件在水下大大的减少海水的腐蚀。而发变电系统安装在岸上方便维护保养输变电也较容易。各气囊可以任意退出检修，因此可吸收一段海浪的能量，气囊上下可以调整因此工作能力大有效工作时间长。同时大大的降低了风险。由于安装这套系统将大大的减少海浪对海岸的冲击，因此也有利于保护了海岸滩涂防止海浪的侵蚀。

用一个公共气包将每个气囊的能量汇聚，用一台汽轮发电机发电，因此可降低一次性投资成本。随着吸能气包的增加聚集的能量会大大的提高，气包的气压相对稳定，发电量和发电质量也会相应的提高。

三、附图说明：

图1海浪冲击时形态。

图2海浪冲击后形态。

图3系统并网图

四、具体实施方案：

本系统适合安装在具有陡峭山崖海水较深的岸边，在系统设计安装过程中要考虑海浪涌浪的行进速度、浪的周期、浪的周长、全年平均浪高和地质环境及起重设备等因素(工作时调整气囊的高度及在飓风到来前吊起气囊避风)，确定系统中发电机、气囊、吊车(卷扬)设备和浮板大小及气囊的个数和发电能力。在运行中通过控制好气囊的高度及气囊内水量，提高系统在运行的工作效率及有效工作时间。控制好发电系统的负荷，使系统运行平稳，最大程度的吸收海浪的能量，减少风险。

Claims

1.在各气囊系统上安装带有弧面浮板。利用浮板冲击气囊可增大冲击力度。同时利用浮板的自重拉开气囊。提高进气量大大的提高工作效率。

2.将各气囊的压缩空气汇聚并推动汽轮机旋转发电。