CN102094746A - 单摆式波浪能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单摆式波浪能发电系统。本发明由单摆式发电装置、固定浮子、固定锚链、电源引出电缆、锚碇组成。本发明可以利用漂浮体内部的重锤在随波浪摆动时产生的机械能发电，达到节能减排的效果。由于所有发电装置完全密封，没有任何运动部件暴露于海水之中，使用寿命大大增加，维护成本也大大降低。鹰喙式端部浮体可以更加有效地捕获波浪能，正反转飞轮可以使转矩相互抵消保证发电装置平衡，并能够使发电输出更加平稳。飞轮电机使结构更加紧凑、不需要增速齿轮，降低了系统复杂程度，降低了成本，提高了可靠性。

Description

单摆式波浪能发电系统

技术领域

本发明涉及一种单摆式波浪能发电系统，特别涉及一种利用漂浮体内部的重锤在随波浪摆动时产生的机械能发电的装置，属于新能源应用领域。

背景技术

目前新能源技术，特别是风力发电技术日益受到人们的关注，然而地球被大面积的海洋所覆盖，在宽广的海洋中蕴藏了大量的能量，其中波浪能和潮汐能是取之不尽用之不竭的。波浪能是一种清洁的能源，通过新技术可以对海洋中的波量能加以利用，可以有效降低碳排放。

波浪能是一种密度低、不稳定、无污染、可再生、储量大、分布广、利用难的能源。目前已经研究开发比较成熟的波浪发电装置基本上有三种类型。一是振荡水柱型，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发电，压缩容器内的空气(中间介质)，用压缩空气驱动叶轮，带动发电装置发电；二是机械型，利用波浪的运动推动装置的活动部分——鸭体、筏体、浮子等，活动部分压缩(驱动)油、水等中间介质，通过中间介质推动转换发电装置发电；三是水流型，利用收缩水道将波浪引入高位水库形成水位差(水头)，利用水头直接驱动水轮发电机组发电。以上三种波浪能发电系统特点是：均有运动部件暴露在海水中，通过波浪推动运动部件运功，并将机械能转换为电能。

综上所述，目前现有的波浪能发电装置因为有运动部件暴露在海水当中，因此密封材料和工艺要求较高，使得装置成本较高，而且使用寿命受到限制，维护成本较高。装置中暴露在海水中的金属部件抗腐蚀能力较差，也会缩短装置的使用寿命。用于波浪的周期性作用，使得波浪直接驱动的发电装置发电也是间歇性的，所以发电输出不够平稳。

发明内容

本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种单摆式波浪能发电系统。主要目的就是通过单摆式驱动装置，利用波浪能进行发电，整个运动部分包藏于完全密封的玻璃钢外壳之中，不会受到海水的侵蚀，因此使用寿命大大增加，维护成本也大大降低，同时利用飞轮使发电输出更加平稳。

本发明的目的是这样实现的：

本发明由单摆式发电装置、固定浮子、固定锚链、电源引出电缆、锚碇组成。锚碇固定在海底，与锚碇相连的一条固定锚链与固定浮子相连，在固定浮子根部的锚链连接到单摆式发电装置底部的固定环，使得单摆式发电装置不会被海浪冲走。单摆式发电装置发出的电能通过绑扎在固定锚链上的电源引出电缆输送到岸上供给负载使用或者并入电网。

所述单摆式发电装置由外壳和内部发电装置两部分组成，所述外壳采用玻璃钢材料由鹰喙式端部浮体、背鳍、腹鳍、固定环、出线管组成。鹰喙式端部浮体提供浮力用以承担整个单摆式发电装置的重量，鹰喙式端部向内弯曲可以更好地吸收波浪能量，提高系统的发电效率。背鳍安装在鹰喙式端部浮体背部中央，在背鳍中安装了两个旋转方向相反的飞轮。腹鳍安装在鹰喙式端部浮体腹部中央，在腹鳍中安装了单摆，腹鳍还可以使单摆式发电装置能够正对海浪，从而提高波浪能的吸收。固定环安装在腹鳍底部用于连接固定锚链，防止单摆式发电装置被海浪冲走。出线管安装在鹰喙式端部浮体上部，用于将电源引出电缆引出到岸上，通过对出线管的密封可以使整个单摆式发电装置完全密封。

所述内部发电装置有两种结构，其中一种是小功率结构，另外一种是大功率结构。小功率单摆式发电装置由重锤、摆杆、正向飞轮、正向飞轮支架、正向发电机、正向增速器、正向棘轮、正向电源变换器、反向飞轮、反向飞轮支架、反向棘轮、反向增速器、反向发电机、反向电源变换器组成。重锤通过摆杆与正向棘轮和反向棘轮的轴相连接，正向棘轮和反向棘轮的外部分别安装有正向飞轮和反向飞轮，正向飞轮和反向飞轮分别通过正向增速器和反向增速器与正向发电机和反向发电机相连接并将重锤和摆杆获取的波浪能传递给发电机使发电机发出电能，正向发电机和反向发电机所发电能分别经过正向电源变换器和反向电源变换器处理形成稳定电压的电能提供给负载。正向飞轮支架和反向飞轮支架安装在鹰喙式端部浮体上用于支撑整个内部发电装置的重量。

所述大功率单摆式发电装置由重锤、摆杆、正向飞轮、正向飞轮支架、正向棘轮、正向电源变换器、反向飞轮、反向飞轮支架、反向棘轮、反向电源变换器、正向飞轮定子、正向飞轮转子、反向飞轮定子、反向飞轮转子组成。重锤通过摆杆与正向棘轮和反向棘轮的轴相连接，正向棘轮和反向棘轮的外部分别安装有正向飞轮和反向飞轮，在正向飞轮的外缘安装有正向飞轮转子并与安装在背鳍上的正向飞轮定子组成正向飞轮发电机；在反向飞轮的外缘安装有反向飞轮转子并与安装在背鳍上的反向飞轮定子组成反向飞轮发电机。正向飞轮发电机和反向飞轮发电机所发电能分别经过正向电源变换器和反向电源变换器处理形成稳定电压的电能提供给负载。正向飞轮支架和反向飞轮支架安装在鹰喙式端部浮体上用于支撑整个内部发电装置的重量。

所述正向飞轮发电机和反向飞轮发电机可以是永磁发电机、异步发电机、同步发电机、开关磁阻发电机等多种形式。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

本发明的一个效果在于，所有发电装置完全密封，没有任何运动部件暴露于海水之中，因此不会受到海水的侵蚀，使用寿命大大增加，维护成本也大大降低。

本发明的另外一个效果在于，鹰喙式端部浮体可以更加有效地捕获波浪能，从而提高发电效率。

本发明的另外一个效果在于，安装在鹰喙式端部浮体腹部的腹鳍可以使发电装置正对波浪方向，提高发电效率。

本发明的另外一个效果在于，正、反转飞轮可以使转矩相互抵消保证发电装置平衡，并能够使发电输出更加平稳。

本发明的另外一个效果在于，正、反转飞轮电机使结构更加紧凑，不需要增速齿轮，降低了系统复杂程度，降低了成本，提高了可靠性。

附图说明

图1是本发明中单摆式波浪能发电系统示意图；

图2是单摆式波浪能发电装置外壳三视图；

图3是小功率单摆式波浪能发电装置内部结构框图；

图4是大功率单摆式波浪能发电装置内部结构框图；

图5是飞轮电机结构图。

具体实施方式

实施例：

一种单摆式波浪能发电系统，包括：

单摆式发电装置101、固定浮子102、固定锚链103、电源引出电缆104、锚碇105。

锚碇105固定在海底，与锚碇105相连的一条固定锚链103与固定浮子102相连，在固定浮子102根部的固定锚链103连接到单摆式发电装置101底部的固定环204，使得单摆式发电装置101不会被海浪冲走。单摆式发电装置101发出的电能通过绑扎在固定锚链103上的电源引出电缆104输送到岸上供给负载使用或者并入电网。

所述单摆式发电装置101由外壳和内部发电装置两部分组成，其中外壳采用玻璃钢材料由鹰喙式端部浮体201、背鳍202、腹鳍203、固定环204、出线管205组成。鹰喙式端部浮体201提供浮力用以承担整个单摆式发电装置101的重量，鹰喙式端部向内弯曲可以更好地吸收波浪能量，提高系统的发电效率。背鳍202安装在鹰喙式端部浮体201背部中央，在背鳍202中安装了两个旋转方向相反的飞轮。腹鳍203安装在鹰喙式端部浮体201腹部中央，在腹鳍203中安装了单摆，腹鳍203还可以使单摆式发电装置101能够正对海浪，从而提高波浪能的吸收。固定环204安装在腹鳍203底部用于连接固定锚链103，防止单摆式发电装置101被海浪冲走。出线管205安装在鹰喙式端部浮体201上部，用于将电源引出电缆104引出到岸上，通过对出线管205的密封可以使整个单摆式发电装置101完全密封。

所述内部发电装置有两种结构，其中一种是小功率结构，另外一种是大功率结构。小功率单摆式发电装置101由重锤301、摆杆302、正向飞轮303、正向飞轮支架304、正向发电机305、正向增速器306、正向棘轮307、正向电源变换器308、反向飞轮309、反向飞轮支架310、反向棘轮311、反向增速器312、反向发电机313、反向电源变换器314组成。重锤301通过摆杆302与正向棘轮307和反向棘轮311的轴相连接，正向棘轮307和反向棘轮311的外部分别安装有正向飞轮303和反向飞轮309，正向飞轮303和反向飞轮309分别通过正向增速器306和反向增速器312与正向发电机305和反向发电机313相连接并将重锤301和摆杆302获取的波浪能传递给发电机使发电机发出电能，正向发电机305和反向发电机313所发电能分别经过正向电源变换器308和反向电源变换器314处理形成稳定电压的电能提供给负载。正向飞轮支架304和反向飞轮支架310安装在鹰喙式端部浮体201上用于支撑整个内部发电装置的重量。

所述大功率单摆式发电装置101由重锤301、摆杆302、正向飞轮303、正向飞轮支架304、正向棘轮307、正向电源变换器308、反向飞轮309、反向飞轮支架310、反向棘轮311、反向电源变换器314、正向飞轮定子315、正向飞轮转子316、反向飞轮定子317、反向飞轮转子318组成。重锤301通过摆杆302与正向棘轮307和反向棘轮311的轴相连接，正向棘轮307和反向棘轮311的外部分别安装有正向飞轮303和反向飞轮309，在正向飞轮303的外缘安装有正向飞轮转子316并与安装在背鳍202上的正向飞轮定子315组成正向飞轮发电机401；在反向飞轮309的外缘安装有反向飞轮转子318并与安装在背鳍202上的反向飞轮定子317组成反向飞轮发电机402。正向飞轮发电机401和反向飞轮发电机402所发电能分别经过正向电源变换器308和反向电源变换器314处理形成稳定电压的电能提供给负载。正向飞轮支架304和反向飞轮支架310安装在鹰喙式端部浮体201上用于支撑整个内部发电装置的重量。

所述正向飞轮发电机401和反向飞轮发电机402可以是永磁发电机、异步发电机、同步发电机、开关磁阻发电机等多种形式。

本实施例上述内容具体解释如下：

如图1所示，单摆式发电装置101被固定在海面上，随着波浪的起伏，单摆式发电装置101也会周期性摆动，因此可以带动重锤301、摆杆302周期性的左右摆动，见图3。当波浪起伏波动时，鹰喙式端部浮体201端部的下弯部分可以对波浪的波头运动起到阻碍作用，因此波头对鹰喙式端部浮体201的作用力得到加强，见图1。

当重锤301向左摆动时，摆杆302驱动正向棘轮307并带动正向飞轮303顺时针旋转，正向飞轮303通过正向增速器306使正向发电机305发电，所发电能通过正向电源变换器308变换成稳定电压的电能向负载供电。当重锤301向右摆动时，摆杆302驱动反向棘轮311并带动反向飞轮309逆时针旋转，反向飞轮309通过反向增速器312使反向发电机313发电，所发电能通过反向电源变换器314变换成稳定电压的电能向负载供电。正向飞轮303和反向飞轮309均保持单方向旋转，其输出转矩大致相同方向相反，因此可以相互抵消，不会对鹰喙式端部浮体201的运动方向产生影响，飞轮的旋转对鹰喙式端部浮体201起到了稳定作用，同时也使电能输出更加平稳。

上述结构比较适合较小功率的波浪能发电系统，通过正向增速器306和反向增速器312可以提高正向发电机305和反向发电机313的转速，从而降低发电机的体积和重量，提高发电效率。但是对于功率较大的波浪能发电系统，正向增速器306和反向增速器312受力较大，容易受到损坏，需要定期润滑和维护，从而增加了系统成本和使用成本，因此功率较大的波浪能发电系统可以采用飞轮发电机代替增速器和电动机，将发电机和飞轮融合为一体，见图4。

正向飞轮303和反向飞轮309分别作为正向飞轮发电机401和反向飞轮发电机402的转子支撑，在正向飞轮303和反向飞轮309安装发电机的转子部分，将发电机的定子部分直接安装在背鳍202和腹鳍203上，见图4。这样正向飞轮发电机401和反向飞轮发电机402的转子同时也起到了飞轮的作用，见图5。这样取消了增速器，降低了成本，提高了系统的可靠性。

正向飞轮发电机401和反向飞轮发电机402可以是永磁发电机、异步发电机、同步发电机、开关磁阻发电机等多种形式。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。故凡依本发明之精神实质、形状、原理所作的变化或修饰，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种单摆式波浪能发电系统，其特征在于，它由单摆式发电装置(101)、固定浮子(102)、固定锚链(103)、电源引出电缆(104)、锚碇(105)组成；锚碇(105)固定在海底，与锚碇(105)相连的一条固定锚链(103)与固定浮子(102)相连，在固定浮子(102)根部的固定锚链(103)连接到单摆式发电装置(101)底部的固定环(204)，使得单摆式发电装置(101)不会被海浪冲走，单摆式发电装置(101)发出的电能通过绑扎在固定锚链(103)上的电源引出电缆(104)输送到岸上供给负载使用或者并入电网。

2.如权利要求1所述的单摆式波浪能发电系统，其特征在于，单摆式发电装置(101)由外壳和内部发电装置两部分组成，其中外壳采用玻璃钢材料由鹰喙式端部浮体(201)、背鳍(202)、腹鳍(203)、固定环(204)、出线管(205)组成；鹰喙式端部浮体(201)提供浮力用以承担整个单摆式发电装置(101)的重量，鹰喙式端部向内弯曲可以更好地吸收波浪能量，提高系统的发电效率；背鳍(202)安装在鹰喙式端部浮体(201)背部中央，在背鳍(202)中安装了两个旋转方向相反的飞轮；腹鳍(203)安装在鹰喙式端部浮体(201)腹部中央，在腹鳍(203)中安装了单摆，腹鳍(203)还可以使单摆式发电装置(101)能够正对海浪，从而提高波浪能的吸收；固定环(204)安装在腹鳍(203)底部用于连接固定锚链(103)，防止单摆式发电装置(101)被海浪冲走；出线管(205)安装在鹰喙式端部浮体(201)上部，用于将电源引出电缆(104)引出到岸上，通过对出线管(205)的密封可以使整个单摆式发电装置(101)完全密封。

3.如权利要求1所述的单摆式波浪能发电系统，其特征在于，小功率单摆式发电装置(101)由重锤(301)、摆杆(302)、正向飞轮(303)、正向飞轮支架(304)、正向发电机(305)、正向增速器(306)、正向棘轮(307)、正向电源变换器(308)、反向飞轮(309)、反向飞轮支架(310)、反向棘轮(311)、反向增速器(312)、反向发电机(313)、反向电源变换器(314)组成；重锤(301)通过摆杆(302)与正向棘轮(307)和反向棘轮(311)的轴相连接，正向棘轮(307)和反向棘轮(311)的外部分别安装有正向飞轮(303)和反向飞轮(309)，正向飞轮(303)和反向飞轮(309)分别通过正向增速器(306)和反向增速器(312)与正向发电机(305)和反向发电机(313)相连接并将重锤(301)和摆杆(302)获取的波浪能传递给发电机使发电机发出电能，正向发电机(305)和反向发电机(313)所发电能分别经过正向电源变换器(308)和反向电源变换器(314)处理形成稳定电压的电能提供给负载；正向飞轮支架(304)和反向飞轮支架(310)安装在鹰喙式端部浮体(201)上用于支撑整个内部发电装置的重量。

4.如权利要求1所述的单摆式波浪能发电系统，其特征在于，大功率单摆式发电装置(101)由重锤(301)、摆杆(302)、正向飞轮(303)、正向飞轮支架(304)、正向棘轮(307)、正向电源变换器(308)、反向飞轮(309)、反向飞轮支架(310)、反向棘轮(311)、反向电源变换器(314)、正向飞轮定子(315)、正向飞轮转子(316)、反向飞轮定子(317)、反向飞轮转子(318)组成；重锤(301)通过摆杆(302)与正向棘轮(307)和反向棘轮(311)的轴相连接，正向棘轮(307)和反向棘轮(311)的外部分别安装有正向飞轮(303)和反向飞轮(309)，在正向飞轮(303)的外缘安装有正向飞轮转子(316)并与安装在背鳍(202)上的正向飞轮定子(315)组成正向飞轮发电机(401)；在反向飞轮(309)的外缘安装有反向飞轮转子(318)并与安装在背鳍(202)上的反向飞轮定子(317)组成反向飞轮发电机(402)；正向飞轮发电机(401)和反向飞轮发电机(402)所发电能分别经过正向电源变换器(308)和反向电源变换器(314)处理形成稳定电压的电能提供给负载；正向飞轮支架(304)和反向飞轮支架(310)安装在鹰喙式端部浮体(201)上用于支撑整个内部发电装置的重量。

5.如权利要求1所述的单摆式波浪能发电系统，其特征在于，所述正向飞轮发电机401和反向飞轮发电机402可以是永磁发电机、异步发电机、同步发电机、开关磁阻发电机等多种形式。

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