CN101963126A - 链条式海浪发电 - Google Patents

Abstract

链式海浪发电；适合在海滩上吸收岸边的涌流。在三个相距一定距离处建基础用于固定缆绳头和发电机系统平台。形成一个的锐角三角形，两条缆绳用链条连接，缆绳上面分别固定若干个装有挡水板的双体浮船用来吸收浪涌冲击。在海浪冲击下使得两段缆绳交替地张弛变化，带动链条来回的促动。通过链轮-棘轮-变速系统-飞轮等将链条的来回拉动变为较稳定的圆周运动使发电机发电。优点是：利用机械手段吸收-海浪能这种永久性绿色能源、系统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、完全是常温下工作完全没有温度损失、发电设备完全在岸上不用建设大型的水利设施一次性投资应该不会大、输变电方便、完全没有转动部分在水下、维护保养方便。

Description

链条式海浪发电

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，通过齿轮传动直接转化为动能并带动发电机转动发电的方法。简称：链式海浪发电。

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。而我国仅大陆的岸线长就达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、源源不断地、近似有规律的进行，周期大约8秒左右。每次浪峰间的高度是渐进变化的不会突变，因此会更好控制。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一段海浪动能的发电系统。

在相距一定距离的三个地点建基础。分别用于固定两条缆绳的两个头和用于安装发电机系统的基础平台如图1、2、3。基础的3个点形成一个锐角三角形。将两条缆绳的另外的两个头用一段金属链条连接起来，金属链条部分则挂接在发电机基础端的三个链轮上如图4。两条缆绳上分别挂接若干个双体浮船。在固定缆绳的固定点可以对缆绳进行调节，如前后、缆绳的长短及缆绳间的距等。防止浮船不会在退潮时搁浅使得系统工作平稳及提高工作效率，同时大大提高系统的有效工作时间。

如图4在浮船上我们采用双体流线型(类似潜水艇型)目的是减少水的阻力、稳定性好，双体船上方固定的一块挡水吸能板，受冲击面成为弧面。弧面适应波浪能吸收、转换效率高；弧形的整个面在与波浪接触时，弧面的连续、不漏水，这在很大程度上避免了波浪能的流失使能量聚集。在两个船体之间大约贴近水面的位置前后各安装一块与水平面形成一定角度流线型的固定板。可起到固定两条船体并形成两块水翼板的作用，使浮船在浪峰冲击时水翼板使船体适当的下沉。挡水板安装位置不在船体中心位置，(偏近船头)在海浪冲击时会使船头产生一定的下压。当挡水板底部触及到海水时浮船的浮力及挡水板底部的平面形成一个划水板时会产生一定量的向上升力，防止浮船被水覆盖，得以最大程度的吸收海浪能量。由于缆绳挂接在船的尾部，当船被缆绳拉回时船的水翼板作用使船体尾部上浮以减少阻力。因此最大的提高工作效率，同时提高浮船强度。在两个船体之间的水翼板上和船体底部位置安装两块舵板，并与船体也形成一定的角度，在浪峰冲击时缆绳变为弧形的过程中使得船体有利于向远离发电机方向偏摆，而被拉值的过程中船体运动方向正好有利于发电机方向运动偏摆。即在缆绳张弛的过程中使船体的运动方向有利于缆绳的传递从而使链条很好的来回拉动做功发电减少阻力提高工作效率。

当海浪冲击到第一道缆绳上的那排浮船时，在海浪的冲击推动下浮船随波逐流使得缆绳向前推进造成第一道的缆绳形成弧形如图1。由于缆绳和金属链条的总长是不变的因此造成第二道缆绳被拉直后而停下来。海浪继续推进到已被拉直的第二道缆绳时，第二道缆绳上的那排浮船在海浪的冲击推动下浮船随波逐流使得缆绳向前推进造成第二道的缆绳形成弧形如图2。同理由于缆绳和金属链条的总长是不变的因此造成第一道缆绳被拉直后而停下来。如此在海浪不间断的一波一波的冲击下造成两段缆绳来回张弛的变化使得金属链条来回拉动，在链条的来回拉动下使得链轮间歇的来回转动。并通过棘轮及齿轮系统把金属链条的来回转动转变为同一个方向的圆周运动如图5、6、7(由于链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系统检修)。再利用变速系统提高转速并带动异步发电机旋转发电。系统可通过一个大飞轮蓄能使得系统转速初步稳定。

在飞轮和发电机之间再加一套滑差离合器。通过发电机转速反馈调整滑差离合器的转差率，实现进一步稳速。当发电机转速下降逐渐提高滑差离合器励磁电压，降低转差率。当发电机转速逐渐提高时降低离合器励磁电压，提高转差率。如此通过调整转差率从而稳定发电机转速。同时我们还需要控制发电机的励磁电压，可随着发电电压的变化适当加减励磁电压来稳定发电机发出的电压。更主要的是通过控制系统电量的输出控制发电机的反动势，使系统工作稳定并可最大程度地吸收海浪能。

本系统在机械方面；由于一排浪的推动下造成链条来回各拉动一次两个棘轮各自工作一次(都能做功)提高了做功频率加上飞轮储能。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；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。运行中控制好系统输出功率(调整发电机的反动势)，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，可以很方便的调速稳速。如图8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打开晶闸管导通角逐渐并网，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：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。

停机；跳闸脱网后滑差离合器失电，使发电机失去动力而停止工作，为防止飞车必要时可以接通Fz开关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。

由于系统结构采用浮船-链条-棘轮-滑差离合器-飞轮-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，系统可调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。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，因此使系统控制更加灵活同时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。故障时造成发电机飞车升速过高棘轮会脱扣不会对系统产生危害。

为了提高发电的质量还可以向蓄电池充电并用逆变器将直流电压变为交流电压再升压由于使用蓄电池的充放电(在发电电压高于蓄电池电压时向蓄电池充电，在发电电压低于蓄电池电压时通过蓄电池放电)因此可以保证并网电压、频率等供电的质量的可靠。或使用到对用电质量要求不太高的照明和电解水生产氢气等其他清洁能源。

本系统可根据海浪高低任意增减浮船的个数，因此它可以最大可能的吸收一段浪的能量提高工作效率。在飓风到来前可将浮船全部解除消除风险。

本系统的特点是；系统建在没有开发的浅海区，而发电机安装在海岸上占地不大不用制作大型的基建一次性投资应该不大。在一个浪涌的冲击过程中造成链条来回拉动，完全没有多余的动作，它是直接将海水的势能转换为电能。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。由于浮船的个数可以任意增减，缆绳长短及位置可以调整。因此可吸收一段海浪的能量，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。

为了提高发电能力减少基建投资可建两套发电系统共用中间的两个固定缆绳的基础，由于两套系统共用缆绳的基础，应用力的平衡原理同时提高中间基础抗拉能力，减少了基建投资降低了风险还可大大的提高发电能力。

三、附图说明：

图1、2、3是海浪冲击缆绳时造成缆绳变形的示意图。

1缆绳基础、2缆绳、3浮船、4金属链条、5链轮、6传动机构、7发电机。

图4是吸收海浪能量的双体船的示意图。

1浮船船体、2水翼板、3舵板、4档水吸能板(弧面)布置图。

图5是海浪发电机传动系统(立体位置示意图)。

图6是海浪发电机传动系统布置图。(正视位置示意图)

1、轴承座、2链轮、棘轮、3齿轮传动、4飞轮、5滑差离合器、6发电机。

图7是海浪发电机传动系统布置图。(俯视位置示意图)

1、轴承座、2链轮、棘轮、3齿轮传动、4飞轮、5滑差离合器、6发电机。

图8发电机软并网控制。

四、具体实施方案：

本方案适合于有较平坦海岸的海边(具有漏斗形的港湾内更佳)。在系统设计安装过程中要根据海浪涌流的行进速度、浪的周期、浪的频率、全年平均浪高和地里环境以及缆绳的强度、发电能力等因素，决定我们确定两个缆绳基础的位置和距离、悬挂浮船的多少。根据两根缆绳的基础到发电机基础的距离和缆绳形成的弧长考虑缆绳及金属链条的长度(两个缆绳头位置上可进行位置及缆绳长短的调整)。船体的大小、浮力、挡板的尺寸。为使系统能够提高有效工作时间，本系统运行中通过对两个缆绳头位置、缆绳长短及浮船个数的调整调整来实现。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。

在运行中根据浪峰的高度可随时调整双体浮船的个数的多少求得最大的发电能力和系统的安全。在飓风到来前可以减少甚至解除所有的浮船来消除飓风带来的危害。

Claims (4)

1.本设计是利用两条缆绳(钢丝绳)用链条串接形成两道吸能链。在缆绳上连接若干个带有挡水板的浮船，中间的链条跨接在发电机系统上的链轮上，使缆绳形成一个三角形。在海水冲击下由于浮船的挡水作用使得两条缆绳交替张弛变形。从而使链条来回促动拉动链轮，并通过链轮-棘轮-发电机系统将链条来回的促动变为一个方向的转动，带动发电机系统转动发电。

2.利用浮船上的吸能板吸收海浪动能。

3.利用棘轮将来回促动转换一个方向的圆周运动。

4.利用滑差离合器稳速。

Images