CN102192077B - 波浪与潮汐能储能系统、方法和发电方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波浪与潮汐能储能系统、方法和发电方法、系统，本发明在波浪上升和涨潮周期中，将浮体受浮力上升的势能转换为储能组件的重力势能；在波浪落下和退潮阶段时，使储能组件受重力下降的势能转换为储能组件的重力势能，该系统依据该方法执行，进行储能、发电，可提高波浪能和高潮汐能的利用率，以利于波浪能和潮汐能的产业化应用。

Description

波浪与潮汐能储能系统、方法和发电方法、系统

技术领域

本发明涉及一种同时利用波浪与潮汐能的方法和系统。

背景技术

波浪和潮汐能是一种清洁、不污染环境、不影响生态平衡的可再生能源。波浪起伏，分分秒秒永不平静，潮水每日涨落，周而复始，无穷无尽，所产生的能量取之不尽，用之不竭。波浪能是海洋能源中最丰富、最普遍、较难利用的资源之一，也是最清洁的可再生资源。据估算，世界海洋中的波浪能达700亿千瓦，占全部海洋能量的94％，是各种海洋能中的“首户”。椐有关资料估算。全世界沿海岸线可利用的波浪能潜力为10⁶MW。我国陆地海岸线长达一万八千多公里、大小岛屿6960多个。根据海洋观测资料统计，沿海海域年平均波高在2.0M左右，波浪周期平均6s左右，波浪能的密度可达5～8kW/m。波浪能资源十分丰富，总量约有5亿千瓦，可开发利用的约1亿千瓦，具有广阔的开发利用前景。

波浪能是指海水起伏形成的水的动能，潮汐能是指海水潮涨和潮落形成的水的势能。它们是一种相对稳定的可靠能源，很少受气候、水文等自然因素的影响，全年总发电量稳定，不存在丰、枯水年和丰、枯水期影响，不需淹没大量农田构成水库，不存在人口迁移、淹没农田等复杂问题。

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形：

(1)振荡水拄型：

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，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；

(2)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。

(3)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。

这三种类型各有优缺点，但有一个共同的问题是波浪能转换成电能的中间环节多，效率低，电力输出波动性大，这也是影响波浪发电大规模开发利用的主要原因之一。把分散的、低密度的、不稳定的波浪能吸收起来，集中、经济、高效地转化为有用的电能，装置及其构筑物能承受灾害性海洋气候的破坏，实现安全运行，是当今波浪能开发的难题和方向。

潮汐发电是利用海水涨潮的势能和动能，通过水轮发电机转化为电能。目前，最常见的、已有成功应用的是在海湾筑坝蓄水发电，但由于潮汐电站通常需建在港湾海口，水深坝长，施工、地基处理及防淤等问题较困难。土建和机电投资大，造价较高。同时，为实现全日连续发电，必须采用双水库的潮汐电站，造成工程量和投资的成倍增长，影响了潮汐发电站的发展，影响了潮汐能的利用。同时，并非所有的海面均适合筑坝围海发电，因此，潮汐资源的利用受到很大的限制。

潮汐能量利用的另一种方式是：利用“密闭空浮体”的浮力和“充水浮体”的重力，在涨潮和退潮过程中，浮体产生相当于潮差高度的垂直运动，将浮体的垂直运动传递出来发电，实现潮汐浮力发电。

综观采用该原理的各种发明和设计，基本有三种方式：

(1)浮体直接驱动气缸活塞把空气压入压力罐，从而将潮汐能量转变为压缩空气储存起来发电。由于大行程、大直径气缸受现有制造技术和制造成本的限制，该设计尚未见产业化应用(潮汐差为2～15米不等，通常为4～5米，而气缸行程大于2米、缸径大于0.4米的制造就非常困难，且价格高昂，不能适应产业化应用)；

(2)浮体直接驱动液压缸活塞把海水压至高位水库，从而将潮汐能量转变为高位水的势能储存起来发电。由于大行程、大直径液压缸受现有制造技术和制造成本的限制，且须进行高位水库施工，该设计也未见产业化应用。

(3)浮体驱动齿条、齿轮等机械机构运动，将潮汐能量实时转变为传动主轴的扭力，驱动增速箱发电。由于大行程齿轮齿条机械结构受现有制造技术和制造成本的限制，且该方案未设计能量储存机制，故该设计也未见产业化应用。

在海洋中，潮汐与波浪是同时存在的，同样蕴藏了大量的能量，但由于潮汐能量和波浪能量的产生机制不相同，故潮汐能量采集与波浪能量采集的方法和装置往往各不相同，迄今为止，尚未发现能够同时采集潮汐能量和波浪能量的方法与装置的报道。造成了海洋能源利用投资大、经济效益差、投资回收期长，束缚了海洋能的大规模商业化开发利用和发展。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种新的、能够同时完成波浪能和潮汐能的采集、发电的方法和装置，使波浪能和潮汐能的规模化产业化利用成为可能。

本发明的基本构思为：利用浮体的浮力提升储能组件(重物)，将波浪起伏的动能和潮汐升降的势能，以重力势能的形式贮存于储能组件之中；通过控制重物的有序下降，达到不间断、连续释放能量发电的目的，以简洁的装置和高的效率实现波浪和潮汐能量利用。

根据前述构思的波浪与潮汐能储能系统，其特点是，包括海面平台、在海面平台上可转动地安装的主轴以及安装在主轴上的系统单元，该系统单元包括安装在主轴上的棘轮、绕在棘轮上的挠性件、连接从棘轮第一侧延伸出来的挠性件并悬置的浮体储能组件以及连接从棘轮第二侧延伸出来的挠性件并悬置的平衡组件，该第一侧和该第二侧为相对侧，棘轮包括内棘齿圈和外棘齿圈，外棘齿圈固定地套在主轴上，内棘齿圈套在外棘齿圈上与外棘齿圈啮合，挠性件绕在内棘齿圈上。

所述的波浪与潮汐能储能系统，其进一步的特点是，系统单元还包括导向机构，导向机构包括导向杆和导向座，导向座安装在海面平台上，导向杆穿过导向座、海面平台并可在导向座、海面平台内移动，导向杆的下端活动连接浮体储能组件，导向座上安装有可固定住导向杆的电磁离合器。

所述的波浪与潮汐能储能系统，其进一步的特点是，平衡组件为平衡杆，平衡杆可穿过海面平台，海面平台上安装有可固定住平衡杆的电磁离合器。

所述的波浪与潮汐能储能系统，其进一步的特点是，浮体储能组件由分离的浮体和储能块构成，浮体为内置于储能块中的浮体。

所述的波浪与潮汐能储能系统，其进一步的特点是，浮体储能组件由一体的浮体和储能块构成。

所述的波浪与潮汐能储能系统，其进一步的特点是，多个系统单元安装在同一主轴上，各电磁离合器相互关联以使该多个系统单元的浮体储能组件分时下落。

根据前述构思的波浪与潮汐能发电系统，包括发电装置，其特点是，发电装置的转子与具有前述任一特点的波浪与潮汐能储能系统的主轴耦接从而能同步转动。

根据前述构思的波浪与潮汐能储能方法，其特点是，包括波浪能量采集步骤以及潮汐能量采集步骤，其中，波浪能量采集步骤包括：

波浪上升阶段：利用浮力的作用将浮体储能组件向上提升；

波峰阶段：波浪达到波顶时，停止浮体储能组件上升，此时提升高度约等于波浪高度；

波浪落下阶段：波浪落下时，利用挠性件将浮体储能组件悬挂在棘轮上，脱离海水，浮力消失，借助于棘轮对浮体储能组件的重力的传递对连接棘轮的主轴产生驱动作用，如果主轴尚未转动，则将浮体储能组件一直悬挂在棘轮外圈，对主轴产生持续的驱动作用，直至下一个波浪出现将浮体储能组件淹没，如果主轴转动，则浮体储能组件在持续对主轴施加驱动作用的同时逐渐落下，直至达到波谷水面，淹没在海水之中；

潮汐能量采集步骤包括：

涨潮阶段：利用浮力作用将浮体储能组件向上提升，将潮汐势能转换为浮体储能组件的重力势能，由于涨潮阶段仍有波浪起伏，利用浮体储能组件同时进行前述波浪能量采集步骤；

平潮阶段：停止浮体储能组件上升，完成潮汐能量的采集和贮存，同时进行前述波浪能量采集步骤；

退潮阶段：利用挠性件将浮体储能组件悬挂在棘轮上，脱离海水，浮力消失，浮体储能组件受重力作用下降，通过棘轮驱动主轴；

低潮阶段，浮体储能组件仅进行前述波浪能量采集步骤。

根据前述构思的波浪与潮汐能发电方法的特点是，利用所述波浪与潮汐能储能方法的主轴来驱动发电装置的转子。

根据前述构思的波浪与潮汐能储能系统，进一步地，波浪与潮汐能储能系统将密闭浮体与相当其排水量的固态重物组成一个在海面浮体储能组件，该储能组件通过挠性件(如链条等)悬挂在主轴上的棘轮上(主轴安装在海面平台上)，利用密闭浮体的浮力采集波浪和潮汐的能量，通过储能组件的提升贮存能量，储能组件在重力作用下落下时，通过棘轮驱动主轴旋转释放能量，将波浪和潮汐能量转化为电能或其他能量，该波浪与潮汐能储能系统的具体作用原理如下：

(1)波浪能量的采集：

●波浪上升阶段：由于浮力与重力的平衡，储能组件为海水淹没并浮在海面上。当波浪上涌时，储能组件因浮力的作用而随海水同步向上提升。

●到达波峰阶段：波浪达到波顶时，储能组件停止上升，此时提升高度约等于波浪高度。

●波浪落下阶段：波浪落下时，储能组件由于链条的作用而被悬挂在链轮外圈，脱离海水，浮力消失，重力对主轴产生驱动作用。

●如果主轴尚未转动，则储能组件一直悬挂在棘轮外圈，对主轴产生持续的驱动作用，直至下一个波浪出现将储能组件淹没(浮力抵消重力)。

●如果主轴运转，则储能组件在持续对主轴施加驱动作用的同时逐渐落下，直至达到波谷水面，淹没在海水之中(浮力抵消重力)。

●海面波浪分分秒秒均在动荡起伏，永无平息的时间。从上述描述可见：无论波浪高度如何(哪怕只有0.1米的波浪起伏)，其能量均能被储能装置有效吸收、转化、释放。，

(2)潮汐能量的采集：

●一个潮汐周期包括低潮阶段、涨潮阶段、平潮阶段以及退潮阶段。在低潮阶段，无潮汐能量，浮体储能组件仅采集波浪能量。

●涨潮阶段：储能组件受浮力作用上升，将潮汐势能转换为储能组件的重力势能，由于涨潮阶段仍有波浪起伏，储能组件同时进行波浪能量采集；

●平潮阶段：储能组件完成潮汐能量的采集和贮存，同时进行波浪能量采集

●退潮阶段：储能组件受重力作用下降，通过棘轮驱动主轴，将潮汐能量转化为电能。

●低潮阶段，储能组件仅采集波浪能量。

●潮汐一日两次，重复上述步骤。

(3)从上述描述可见，本浮体储能组件装置同时进行了波浪能和潮汐能的采集、贮存和转化，大幅度提高了效率。

(4)上述储能组件可组合工作，从而可脱离潮汐周期的限制，实现日夜连续发电，无需筑坝施工。

根据前述构思的波浪与潮汐能储能系统，进一步地，所述浮体是一个浸没在海水中的密闭容器，容器内部是空气，容器的外壳是构成储能组件的一部分，因此无减轻重量的要求，可以由塑料、钢铁或钢筋混凝土制成，其形状可设计为球形、圆柱形、倒锥形、方形、长方形、椭圆形等，浮体的排水量即等于浮体所产生的浮力。

根据前述构思的波浪与潮汐能储能系统，进一步地，所述储能组件为固态储能组件。固态储能组件的作用在于储存波浪潮汐能量，其总重量(包括浮体的重量)与浮体的排水量相当。其构成材料取决与整体结构对储能组件体积的要求，当总体结构要求储能组件体积较小时，可用金属、甚至重金属材料(钢铁、铅块、水银等)。当总体结构对储能组件体积无要求时，可采用混凝土、甚至是箱装的卵石、砂石、泥土或水等，以降低造价和投资。

储能组件与浮体的连接，根据需要可以是固定的，也可以是活动的，可以与浮体一起浸没在海水中，也可以安装在海面之上(不浸没在海水中)。

当储能块浸没在水中时，其排水量也产生浮力，因此一般情况下，设计为浮体与储能块连成一体，构成浮动的储能块组件。

根据前述构思的波浪与潮汐能储能系统，进一步地，该系统单元还包括保持储能组件的导向机构，导向机构由安装在储能组件上的导轨和固定在平台上的导向滑块(或滚轮)构成，保证储能块组件作垂直方向的运动。由于储能组件是通过挠性件驱动棘轮，故允许导轨在导向机构中的有较大的间隙和晃动，而不必如齿轮齿条结构或气缸、油缸结构的小间隙精密配合，适合在海洋环境中的运行。

根据前述构思的波浪与潮汐能储能系统，进一步地，该系统单元还包括保持储能组件的重力势能的保持装置，该保持装置为定位离合器，该定位离合器固定于该系统单元的基础上，该定位离合器与储能组件相关联，可将定位离合器保持在预定的高度，并且脱离潮汐周期的限制。利用定位离合器将储能组件保持在预定的高度，并且脱离潮汐周期的限制，分时释放储能组件，藉此调节连续发电的稳定性。

本发明的波浪潮汐能发电系统以简单的结构实现了波浪能和潮汐能的同步贮存，本发明的波浪潮汐能发电系统可在无法筑坝围海的平直海滩、浅海滩及海岛沿岸实现波浪潮汐发电，大大扩大了潮汐资源的利用范围。

本发明的前述目的、特征以及技术效果将在后面结合附图说明和具体实施方式进行详细的描述。

附图说明

图1显示了本发明的第一实施例：分体式浮体储能组件结构原理，其中(a)是(b)的右视图，(b)是沿通过(a)中的挠性件垂直面剖开的剖面图。

图2显示了本发明的第二实施例：整体式浮体储能组件结构原理，其中(a)是(b)的右视图，(b)是沿通过(a)中的挠性件垂直面剖开的剖面图。

图3显示了本发明的第二实施例的波能储存-释放原理，其中(a)是波浪产生开始的状态图，(b)是波浪上升阶段的状态图，(c)是达到波峰时的状态图，(d)是波浪下降阶段浮体储能组件脱离海水限制的状态图，(e)是浮体储能组件脱离海水限制并开始下降的状态图，(f)是浮体储能组件脱离海水限制并进一步下降的状态图，(g)是浮体储能组件再次没入海水的状态图。

图4显示了本发明的第二实施例的潮汐、波浪综合能量储存释放原理，其中(a)到(c)是一个波浪周期的原理图，(c)到(e)是另一个波浪周期的原理图，(e)到(j)是一个潮汐周期的原理图，并且(e)到(g)是潮汐周期中一个波浪周期的原理图，(g)到(j)是潮汐周期中另一个波浪周期的原理图。

图5显示了本发明的第三实施例：多个系统单元组合储能的工作原理。

图6显示了本发明的第四实施例：波浪潮汐、风力、太阳三维能源综合利用能场。

具体实施方式

在图1和图2所示的实施例中，波浪与潮汐能储能系统或发电系统的一个系统单元由以下部分构成

1、浮体储能组件部分：

如图1、图2所示，浮体储能组件由浮体3、固态储能块4构成。

浮体3的排水量即等于浮体3所产生的浮力。由于浮体3的容器的外壳是构成储能组件的一部分，因此无减轻重量的要求，可以由塑料、钢铁或钢筋混凝土制成，其形状可设计为球形、圆柱形、倒锥形、方形、长方形、椭圆形等。附图3可以具有空腔2。

储能块4与浮体3的连接，根据需要可以是固定的，也可以是活动的；可以与浮体3一起浸没在海水14中(增加排水量)，也可以安装在海面之上，不浸没在海水中。

当储能块4浸没在水中时，其排水量也产生浮力，因此一般情况下，设计为浮体与储能块连成一体。

当浮体3与储能块4活动连接时，由浮体3下挡圈1与固态储能块4连接构成笼架，浮体3可在笼架内浮动。

浮体3与储能块4固定连接时，浮体3与储能块4可紧固连接，也可制成如图2所示的空心储能块4，可简化结构，降低造价。

导向杆6通过连接销轴18与储能块4活动连接，保持浮体储能组件作垂直上下运动，其重量也构成固态储能组件的一部分。导向杆6也是构成储能组件的一部分，因此也无减轻重量的要求，其形状可以是圆柱形、方形或其他形状，可以是空心的，也可以是实心的。

浮体储能组件的作用在于储存波浪潮汐能量，其总重量与浮体的排水量相当。其构成材料取决与整体结构对储能组件体积的要求，当总体结构要求储能组件体积较小时，可用金属、甚至重金属材料(钢铁、铅块、水银等)。当总体结构对储能组件体积无要求时，可采用混凝土、甚至是箱装的卵石、砂石、水等，以降低造价和投资。

2、浮体储能组件的运动与能量传递部分

浮体储能组件的运动与能量传递部分由挠性件(如链条等)7、棘轮8、9和平衡杆11构成。浮体储能组件通过浮力采集波浪和潮汐的能量，通过浮体储能组件的浮力提升贮存能量，通过挠性件7和棘轮8的悬挂作用转化储存能量(将波浪潮汐能转化为储能组件的重力势能)，储能组件落下时，通过挠性件7和棘轮8、9驱动主轴16旋转释放能量，将重力势能转化为电能。棘轮包括棘轮外圈8(内棘齿圈)和棘轮内圈9(外棘齿圈)，外圈8和内圈9通过棘齿啮合，形成单向传动机构，其单向传动方向顺着浮体储能组件的下降方向(即浮体储能组件下降时，棘轮进行传动)。

3、浮体储能组件的导向机构

浮体储能组件的导向机构由安装在储能组件上的导向杆6和固定在平台13上的导轨座5构成，保证浮体储能组件作垂直方向的运动。由于浮体储能组件是通过挠性件7驱动棘轮8、9，故允许导向杆6在导向机构中的有较大的间隙和晃动，而不必如齿轮齿条结构或气缸、油缸结构的小间隙精密配合，适合在恶劣的海洋环境中运行和维护。如前所述，导向杆6其实也为浮体储能组件的一部分，通过上升起到储能的作用。

4、主轴部分

主轴棘轮部分由主轴16、主轴轴承17构成，安装在海面平台上。波浪上涌和涨潮时浮体储能组件受浮力作用上升，通过挠性件7、平衡杆11驱动棘轮外圈8逆转，主轴不受力；退潮或波浪下降时，浮体储能组件受重力作用落下，通过挠性件7驱动棘轮外圈8正转，对主轴16产生驱动力矩，可发电或者进行海水淡化等其他作业。

5、浮体储能组件的定位部分

浮体储能组件的定位部分由安装在平台上的电磁离合器10和导向杆6构成，当需要储能块需要保持在一定高度时，可闭合电磁离合器10，则离合器锁定导向杆，储能组件即停留在空中，如图5所示，对于多个系统单元的组合，则按时序开启离合器，储能组件即可按时序下落释放能量。

6、海面平台部分

海面平台部分由海面工作平台13和立柱15构成。

海面平台的作用是支承整个系统，但整个系统对该平台表面的面积使用较少，故平台的表面因此可设置成“太阳能采集场”(即安装太阳能发电装置、或太阳能加热装置等)，平台的上空可设置成“风力采集场”(即安装了风力发电装置等)，平台下方则用作“潮汐能量采集场”，从而形成了“三维能源综合利用立体空间”。不仅降低了潮汐发电系统的投资和运行成本，并解决了风力发电、太阳能发电占用土地资源和运营成本高的问题。

7、发电装置

主轴16获得的转动力矩通过传动轮传递给变速箱、飞轮和发电机，实现波浪潮汐能发电。

具体运行原理

同时结合图1到图5，波浪潮汐储能或发电方法包括多个步骤，该步骤将以波浪、潮汐周期为周期重复进行。

1、波浪、潮汐参数

波浪周期：

一个波浪周期包括：波浪上升阶段，波峰阶段、波浪下降阶段、波谷阶段。

构成波浪能量的要素有：

波浪高度(波峰-波谷的高度之差)

波浪频率(每小时出现波浪的次数)

潮汐周期：

一个潮汐周期包括初始阶段、涨潮阶段、平潮阶段以及退潮阶段。

构成潮汐能量的要素主要是潮差(低潮与平潮高度之差)

根据海洋观测资料统计，沿海海域年平均波高在2.0M左右，波浪周期平均6s左右，潮汐每天两次，平均潮差5米，在本发明的实施例的能量估算时，按以下参数计算：波高1米，波浪周期30秒，潮差5米。

2、运行步骤和能量采集转化原理

(1)浮体储能组件的运行步骤和储能原理

浮体储能组件的重量与其排水量相当，浮力与重力平衡，因此在初始状态下，储能组件浮于海面没于水中，并通过挠性件(如链条等)悬挂在主轴上的棘轮上。波浪上涌和涨潮时储能组件由于浮力作用上升，通过储能组件的提升以重力势能方式贮存能量，实现波能和潮汐能量的采集和储存。波浪下降和落潮时，储能组件落下，通过挠性件和棘轮驱动主轴旋转，重力势能释放，并转化为主轴动能能量，从而实现了波浪和潮汐能量向电能的转化。具体步骤和原理如下：

1)波浪能量的采集：

①初始阶段：在初始状态时，由于浮力与重力的平衡，储能组件为海水淹没并浮在海面上，如图3(a)所示。

②波浪上升阶段：当波浪上涌时，储能组件因浮力的作用而随海水同步向上提，如图3(b)所示升。

③到达波峰阶段：波浪达到波顶时，储能组件停止上升，此时提升高度约等于波浪高度，如图3(c)所示。

④波浪落下阶段：波浪落下时，储能组件由于链条的作用而被悬挂在链轮外圈，脱离海水，浮力消失，重力对主轴产生驱动作用，如图3(d)所示。

⑤如果主轴尚未转动，则储能组件一直悬挂在棘轮外圈，对主轴产生持续的驱动作用，直至下一个波浪出现将储能组件淹没(浮力抵消重力)，如图3(d)至图3(f)所示。

⑥如果主轴运转，则储能组件在持续对主轴施加驱动作用的同时逐渐落下，直至达到波谷水面，淹没在海水之中(浮力抵消重力)，如图3(d)至图3(f)所示。

⑦海面波浪分分秒秒均在动荡起伏，永无平息的时间。从上述描述可见：无论波浪高度如何(哪怕只有0.1米的波浪起伏)，其能量均能被储能装置有效吸收、转化、释放。

2)波浪潮汐能量的综合采集：

①一个潮汐周期包括低潮阶段、涨潮阶段、平潮阶段以及退潮阶段。在低潮阶段，无潮汐能量，浮体储能组件仅采集波浪能量，如图4(a)至图4(c)所示。

②涨潮阶段：浮体储能组件受浮力作用上升，将潮汐势能转换为浮体储能组件的重力势能，由于涨潮阶段仍有波浪起伏，浮体储能组件同时进行波浪能量采集，如图4(c)至图4(f)所示

③满潮阶段：海面上升到满潮高度，浮体储能组件完成潮汐能量的采集和贮存。由于满潮阶段仍有波浪起伏，浮体储能组件同时进行波浪能量采集，如图4(f)至图4(h)所示。

④退潮阶段：海水下降，储能组件悬挂在棘轮上，受重力作用下降，下降距离约等于潮差高度，并通过棘轮驱动主轴，将潮汐能量转化为动能，并可进一步转换为其他能量，如图4(h)至图4(j)所示。

⑤低潮阶段，恢复到初始状态，储能组件仅采集波浪能量，如图6(j)所示。

⑥潮汐一日两次，重复上述步骤，图6(a)至图6(j)所示。

3)从上述描述可见，如图1或图2所示的实施例同时进行了波浪能和潮汐能的采集、贮存和转化，大幅度提高了海洋能量采集转化的效率。

4)如图5所示，上述系统可组合群集运行，多个系统单元产生的能量集中驱动同一根主轴，故图5所示的系统可脱离潮汐周期的限制，实现日夜连续发电，实现了无需筑坝施工的海洋能量利用。

5)储能组件群集运行时，在退潮阶段大量储能组件同时下落，将造成能量的集中释放，不利均衡平稳运行，可通过电磁离合器控制储能组件的下落时序，使能量有控制的释放，实现均衡发电。

6)传动主轴可带动发电机组进行发电，也可直接驱动真空泵或压缩机，对海水蒸发罐和蒸汽压力罐工作，进行海水蒸发淡化处理，制取高压蒸汽，在驱动蒸汽透平机发电的同时获得淡水和海盐，实现能源综合利用。

波浪潮汐发电的能量计算实例

1、基本参数

(1)本发明的一实施例主要利用波浪对浮体储能组件的垂直向上浮力，并应避免波浪在水平方向对浮体储能组件的冲击，故浮体可设计为球形(也可设计为圆柱形、倒锥形、方形、长方形、椭圆形等)，并按浮力(即排水量)最小的球形计算波浪能量。

(2)根据海洋观测资料统计，沿海海域年平均波高在2米左右，考虑在波峰状态下浮体也应被完全淹没，则取浮体直径为0.8米。

(3)在该条件下，每单个浮体的占地面积设计为4平方米(2米×2米)。则该浮体在波浪作用下所产生的浮力(即排水量)为：

F(浮力)＝4/3πR³×1吨/米³＝4/3π(0.8)³×1吨/米³＝2.14吨

(4)每个基本单元由100个浮体构成，排水量为214吨，占海面面积400平方米

(5)储能块的重量的设计：

每个浮体对应一套储能块装置，将储能块的重量设计为约等于排水量、但略小于排水量，以使储能块的重量与浮体的浮力平衡，保证储能块能随波浪作同步运动，即：当波浪高度为1米时，储能块也能在浮力的作用下上升1米左右。考虑淹没效应，储能块的有效上升高度取0.8米。

本计算中，浮体排水量为2.14吨，故储能块重量设计为2吨，则每个基本单元的储能块重量为200吨。

(6)波浪参数的设定：

海面波浪分分秒秒均在动荡起伏，永无平息的时间。本发明的优势在于：无论波浪高度如何(哪怕只有0.1米的波浪起伏)，其能量均能被储能装置有效吸收、转化、释放。

根据海洋观测资料统计，沿海海域年平均波高在2米左右，波浪周期平均6s左右，考虑本发明主要应用于近海，波高和周期有所损耗，故按平均波高为1米、平均波浪周期为30秒的参数计算，即：每小时有120个高度为1米的波浪，储能块每小时有120次高度为0.8米的提升(浮体随波浪上升时有“淹没”现象，不能达到波顶，按上升高度损耗20％计算，储能块的上升高度为0.8米)

(7)潮汐参数的设定：

设潮差为5米，24小时有两次“涨潮-退潮”周期

2、储能块所储存的波浪能量计算

在本发明中，储能块的重量设计为约等于浮体储能组件的排水量

(1)每小时单浮体储存波浪能量计算：

2吨×0,8米/次×120次＝192吨米，

即：每小时储能块可储存波浪能量192吨米

(2)24小时单浮体储存波浪能量计算

每天(24小时)单浮体总能量＝192吨米×24＝4608吨米

(3)一个基本单元存储能量计算

每个基本单元由100个单独浮体构成，其储存能量为：

4608吨米×100＝460800吨米

3、浮体基本单元所存储的潮汐能量计算

整个基本浮体单元在受到波浪作用的同时还受到潮汐作用，涨潮时，在空浮体作用下储能块提升5米，退潮时落下释放能量，24小时内有两次潮汐过程，释放能量为：

200吨×5米×2＝2000吨米

波浪能量与潮汐能量之比为：460800吨米/2000吨米＝230.4

4、每个基本单元在24小时内输出的波浪、潮汐总能量为：

460800吨米+2000吨米＝462800吨米

5、波浪、潮汐发电功率计算

如上述计算结果，每个基本单元所占海面面积为400平方米，在24小时内可输出的波浪、潮汐能量总和为：

462800吨米×g＝462800000公斤米×9,8＝4.535×10⁹焦耳，

折合功率为：4.535×10⁹焦耳/24/3600＝52.5千瓦，

6、波浪、潮汐能场功率计算

按一个能场所占海面面积为1平方公里计算(即1000×1000＝1000000平方米)，可容纳的基本单元数量为：1000000平方米/400平方米＝2500个基本单元。

按以上计算，该《浮力重力波浪发电系统》每平方公里海面的发电功率为：52.5千瓦×2500＝131250千瓦，即约13万千瓦，也即130兆瓦。

每年发电总量为：13万千瓦×365×24＝1.14×10⁹千瓦小时(度)

按风电并网中间价格每度电费0.8元计算，每年电费收入：

1.14×10⁹度×0.8＝9.12×10⁸元，即9.12亿元海洋、风力、太阳能三维能源综合应用实例

图6显示了本发明的综合利用实施例，其形成了波浪潮汐、风力、太阳三维能源综合利用能场。

传统的太阳能发电与风力发电进入规模建设时有以下弊端，导致电厂投资规模大、发电成本高，影响了太阳能和风力发电的发展速度：

1.风力采集场和太阳能采集场均必须占用很大的地面面积，不仅提高了建设和运营成本，从资源利用的角度而言，在利用风力资源和太阳资源的同时又产生了土地资源的浪费；

2.风力发电和太阳能发电均须采用庞大的电池组和逆变器装置，以保证连续供电和发电质量，不仅提高了发电成本，而且电池组的长期使用、维护还会产生化学物质，带来新的二次环境污染。

3、光伏太阳能的硅板是一种大量耗能和产生严重污染的物质，消耗大量能源制取硅板，再用硅板以极低的效率(低于12％)来采集太阳能的方法已为科学界所质疑。

相对于已有技术，图6所示的实施例在海面上搭建“海面平台”作支承波浪潮汐发电系统的设备之用，但波浪潮汐发电装置对该平台表面的面积使用较少，因此，平台的表面因此可设置成“太阳能采集场”(即安装太阳能发电装置、或太阳能加热装置等)，平台的上空可设置成“风力采集场”(即安装了风力发电装置等)，平台下方则用作“海洋能量采集场”，从而形成了“三维能源综合利用立体空间”。不仅降低了海洋能发电系统的投资和运行成本，并解决了风力发电、太阳能发电占用土地资源和运营成本高的问题。

由于风力发电、太阳能发电与波浪潮汐发电的联合运行，可使风能和太阳能的能量输出方式发生转变，即：不必采用风力电和太阳电独立输出的方式，改变为：风力发出的电能无需通过逆变装置而直接用于加热进入“海水蒸发塔”的海水、太阳能则无需转换为电力，直接通过加热器(如盘管加热器)将海水加热后输入“海水蒸发塔”，通过提高海水的蒸发速度产生高压蒸汽，驱动汽轮机工作，与波浪潮汐发电系统共同驱动发电机组，提高发电总量。三维能量的综合利用，将大幅度降低系统投资和运营成本，使真正清净的可再生自然能源资源综合利用产业化成为可能。

如图6所示，示意了一个单元的波浪、潮汐、风力、太阳三维能源综合利用能场。波浪潮汐浮力重力储能发电系统100，波浪潮汐浮力重力海水淡化处理系统200均固定在海面平台上，太阳能加热器91和风力发电机90也安装在海面平台之上。这些太阳能加热器91构成了太阳能加热器群，这些风力发电机90构成了风力发电机群。储能组件群92按照前述各个实施例的方式存储潮汐能，驱动同一根传动主轴93。传动主轴93由轴承座93a支承。传动主轴93的一端带动发电机组97进行发电。另一端同时驱动真空压力泵95，真空泵95对海水蒸发塔82抽真空，使得海水蒸发塔82内形成负压，被太阳能热水器91加热的海水由管道输送到海水蒸发塔82中，热的海水在负压作用下迅速蒸发，形成低压蒸汽，低压蒸汽被真空泵95吸走，低压蒸汽在真空泵95内增压后，形成高压蒸汽被输出，真空泵95的高压蒸汽输出端与蒸汽压力罐98通过管道相接，高压蒸汽因此被输送到蒸汽压力罐98中，蒸发塔82和蒸汽压力罐98中均配置有电加热器81，电加热器81的电力来自风力发电机90，电加热器81进一步对蒸汽压力罐98内的高压蒸汽加热，蒸汽压力罐98的蒸汽输出端与汽轮机99通过管道相接，蒸汽压力罐98内的高压蒸汽驱动汽轮机99转动，驱动发电机97发电。水蒸气驱动汽轮机后失去能量、降低温度，水蒸气即凝结为淡水，剩余的尾气可进入冷凝器，进一步回收淡水，如图所示，汽轮机99内高压蒸汽以淡水的形态被回收到淡水接收处83。海水蒸发塔82内的高浓度的盐水则进入到盐水接收处84。

从图6中可以看出，风力发电机90是安装在海面平台的立柱上的，从而可有效减少风力发电系统占用土地资源的弊病。

在图6所示的实施例中，可以在海水蒸发塔82中安装电加热器，风力发电机90发出的电力直接对电加热器供电，加热蒸发塔中的海水，可有效提高海水的蒸发速度，提高水蒸气的出率。在蒸汽压力罐98(也可称为储气罐)中也可安装电加热器81，风力发电90发出的电力直接对电热器供电，可提高储气罐中的蒸汽压力，驱动汽轮机99运动，由于电加热器对供电质量和供电连续性无要求，故无需通过蓄电池组和逆变器配电，可大大降低风力发电的成本，并提高电能的利用效率。

在图6所示的实施例中，系统单元的“海面平台”上有大量面积可安装“太阳能热水器”，因此可有效减少太阳能采集板占用土地资源的弊病；在图中所示的实施例可采用廉价高效的“盘管式太阳能热水器”进行太阳能利用，海水直接由“太阳能热水器”加热，在海水蒸发塔的负压作用下加热的海水被吸入海水蒸发塔，高温海水可有效提高蒸发速度，提高水蒸气的出率。

三维能源综合运行从根本上解决了风力、太阳能发电必须采用庞大的电池组和逆变器的问题，并且，在发电的同时还产出了淡水和海盐。

Claims (9)

1.波浪与潮汐能储能系统，其特征在于，包括海面平台、在海面平台上可转动地安装的主轴以及安装在主轴上的系统单元，该系统单元包括安装在主轴上的棘轮、绕在棘轮上的挠性件、连接从棘轮第一侧延伸出来的挠性件并悬置的浮体储能组件以及连接从棘轮第二侧延伸出来的挠性件并悬置的平衡组件，该第一侧和该第二侧为相对侧，棘轮包括内棘齿圈和外棘齿圈，外棘齿圈固定地套在主轴上，内棘齿圈套在外棘齿圈上与外棘齿圈啮合，挠性件绕在内棘齿圈上；系统单元还包括导向机构，导向机构包括导向杆和导向座，导向座安装在海面平台上，导向杆穿过导向座、海面平台并可在导向座、海面平台内移动，导向杆的下端活动连接浮体储能组件以保证浮体储能组件作垂直方向的运动，并允许导向杆在导向机构中有间隙和晃动。

2.如权利要求1所述的波浪与潮汐能储能系统，其特征在于，导向座上安装有可固定住导向杆的电磁离合器。

3.如权利要求1所述的波浪与潮汐能储能系统，其特征在于，平衡组件为平衡杆，平衡杆可穿过海面平台，海面平台上安装有可固定住平衡杆的电磁离合器。

4.如权利要求1所述的波浪与潮汐能储能系统，其特征在于，浮体储能组件由分离的浮体和储能块构成，浮体为内置于储能块中的浮体。

5.如权利要求1所述的波浪与潮汐能储能系统，其特征在于，浮体储能组件由一体的浮体和储能块构成。

6.如权利要求2所述的波浪与潮汐能储能系统，其特征在于，多个系统单元安装在同一主轴上，各电磁离合器相互关联以使该多个系统单元的浮体储能组件分时下落。

7.波浪与潮汐能发电系统，包括发电装置，其特征在于，还包括权利要求1至6中任一项所述的波浪与潮汐能储能系统，发电装置的转子与所述的波浪与潮汐能储能系统的主轴耦接从而能同步转动。

8.采用权利要求1所述的波浪与潮汐能储能系统进行的波浪与潮汐能储能方法，其特征在于，包括波浪能量采集步骤以及潮汐能量采集步骤，其中，波浪能量采集步骤包括：

波浪上升阶段：利用浮力的作用将浮体储能组件向上提升；

波峰阶段：波浪达到波顶时，停止浮体储能组件上升，此时提升高度约等于波浪高度；

波浪落下阶段：波浪落下时，利用挠性件将浮体储能组件悬挂在棘轮上，脱离海水，浮力消失，借助于棘轮对浮体储能组件的重力的传递对连接棘轮的主轴产生驱动作用，如果主轴尚未转动，则将浮体储能组件一直悬挂在棘轮外圈，对主轴产生持续的驱动作用，直至下一个波浪出现将浮体储能组件淹没，如果主轴转动，则浮体储能组件在持续对主轴施加驱动作用的同时逐渐落下，直至达到波谷水面，淹没在海水之中；

潮汐能量采集步骤包括：

涨潮阶段：利用浮力作用将浮体储能组件向上提升，将潮汐势能转换为浮体储能组件的重力势能，由于涨潮阶段仍有波浪起伏，利用浮体储能组件同时进行前述波浪能量采集步骤；

平潮阶段：停止浮体储能组件上升，完成潮汐能量的采集和贮存，同时进行前述波浪能量采集步骤；

退潮阶段：利用挠性件将浮体储能组件悬挂在棘轮上，脱离海水，浮力消失，浮体储能组件受重力作用下降，通过棘轮驱动主轴；

低潮阶段，浮体储能组件仅进行前述波浪能量采集步骤。

9.波浪与潮汐能发电方法，其特征在于，包括如权利要求8所述的波浪与潮汐能储能方法，利用所述波浪与潮汐能储能方法进行储能，并利用所述主轴来驱动发电装置的转子。

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