CN102900592B - 浮动平台波浪能储能系统和波浪能发电系统 - Google Patents

Abstract

浮动平台波浪能储能系统和波浪能发电系统适合移动式波浪发电站建设，并可根据无人岛规模建设中小型波浪发电站，为开发无人岛、建设海岛哨所提供必要的电力和淡水资源。其包括浮动海面平台；在浮动海面平台上可转动地安装的主轴；以及系统单元。该系统单元包括安装在主轴上的棘轮，与主轴之间能单向传递扭矩；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；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；以及柔性导向机构，包括柔性导索，在浮动海面平台上沿竖直方向延伸布置，能横向弹性弯曲，与浮体储能组件关联，以使浮体储能组件能沿该柔性导向机构的延伸方向滑动。

Description

浮动平台波浪能储能系统和波浪能发电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种储能系统和发电系统，尤其涉及利用波浪能的储能系统和发电系 统。

背景技术

[0002] 波浪能是指海水起伏形成的水的动能，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。

[0003]目前已经研宄开发比较成熟的波浪发电装置基本上有三种类形：

[0004] (1)振荡水拄型：

[0005] 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；

[0006] (2)机械型：

[0007] 利用波浪的运动推动装置的活动部分一一鸭体、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。

[0008] (3)水流型：

[0009] 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。

[0010] (4)固定平台浮力一重力转化型

[0011] 前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。

[0012] 第四种方法的局限性在于必须建设海上固定平台，是一种永久性的建筑设施，投 资大、周期长，不适应海上移动电站和中小型电站的建设和应用。

[0013] 综观采用该第四种原理的各种发明和设计，基本有以下几种方式：

[0014] (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）；

[0015] (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。

[0016] (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。

发明内容

[0017] 本发明的目的在于：提出一种浮动平台波浪能储能系统和波浪能发电系统，适合 移动式波浪发电站建设，并可根据无人岛规模建设中小型波浪发电站，为开发无人岛、建设 海岛哨所提供必要的电力和淡水资源。

[0018] 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 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能量利用。发明提供的柔性导向机 构，使横向浪涌和平台晃动对储能组件产生的水平冲击力转化为导向索的纵向张力，缓解 了对导向系统的冲击载荷，使浮体储能组件在浮动平台上作垂直方向运动和正常运行成为 可能。

[0019] 一种浮动平台波浪能储能系统，其特征在于，包括浮动海面平台；在浮动海面平台 上可转动地安装的主轴；以及系统单元。系统单元包括安装在主轴上的棘轮，与主轴之间能 单向传递扭矩；绕在棘轮上的挠性件，可驱动棘轮；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；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；以及柔性导向机构，包括柔性导索，在浮动海面平台上沿竖直方向 延伸布置，能横向弹性弯曲，与浮体储能组件关联，以使浮体储能组件能沿该柔性导向机构 的延伸方向滑动。

[0020] 在本发明的实施例中，浮动海上平台包括上平台、下平台和浮体，浮体设置在上、 下平台之间，所述主轴安装在上平台上，所述柔性导向机构安装在上、下平台之间，所述浮 体储能组件位于并可活动于上、下平台之间。

[0021] 在本发明的实施例中，所述浮动海上平台安装在船体上或者单独配置锚链系统。

[0022] 在本发明的实施例中，所述柔性导索通过弹性件设置在上、下平台之间或者至少 部分为弹性导索。

[0023] 在本发明的实施例中，所述柔性导向机构还包括导向座，导向座设置在浮体储能 组件上或者为浮体储能组件的一部分，柔性导索穿过导向座上的导向孔，所述导向孔的孔 口边缘为圆弧状或者安装有成对的滑轮，该成对的滑轮供柔性导索穿过，并对柔性导索进 行导向。

[0024] 在本发明的实施例中，所述平衡组件包括平衡杆和平衡杆导管，平衡杆导管安装 在浮动平台上，平衡杆在平衡杆导管中可作定向上下运动，平衡杆的重量略重于连接储能 件的挠性件的重量，以使平衡杆的运动能与储能件的运动方向相反。

[0025] 在本发明的实施例中，在浮动平台上安装有可锁定挠性件或平衡杆的离合器，从 而使浮体储能件脱离波浪运动而停留在空中。

[0026] 在本发明的实施例中，浮体储能组件由分离的浮体和储能块构成，浮体内置于储 能块中，或者浮体储能组件由一体的浮体和储能块构成。

[0027] 在本发明的实施例中，多个系统单元安装在同一主轴上，各电磁离合器通过控制 系统相互关联以使该多个系统单元的浮体储能组件分时下落。

[0028] 一种波浪能发电系统，包括发电装置，其特点是，发电装置的转子与任一项所述的 浮动平台波浪能储能系统的主轴耦接从而能同步转动。

[0029] 当浮体储能件受到水平方向的潮流冲击，或浮动平台晃动时，浮体储能件将产生 横向运动的趋势，对导索产生水平方向的冲击力，柔性导索受力后将横向冲击力转化为张 力，通过螺栓、调节螺母和压板转化为弹簧的压力，弹簧受力压缩后柔性导向系统变形(伸 长)，从而使水平方向的冲击力得以缓解，并保证了浮体储能件在导向索的作用下保持垂直 方向的上、下运动。

[0030] 在本发明的实施例中，波浪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，将波浪能 量转化为电能或其他能量。

[0031] 在本发明的实施例中，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。

[0032] 在本发明的实施例中，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。

[0033] 在本发明的实施例中，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）。

[0034] 在本发明的实施例中，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。

[0035] 在本发明的实施例中，该系统单元还包括保持储能组件的柔性导向机构，导向机 构包括柔性导索和导向座，导向座安装在浮体储能件上，柔性导索的两端穿过导向座、分 别与上、下平台的弹性固定装置连接，弹性固定装置由吊环螺栓、弹簧、压板和调节螺母构 成，柔性导索穿过导向座与上下吊环螺栓连接，通过调节螺母、压板和弹簧，可调节柔性导 索的张紧力。当浮体储能件受到水平方向的潮流冲击，或浮动平台晃动时，浮体储能件将产 生横向运动的趋势，对导向索产生水平方向的冲击力，柔性导索受力后将横向冲击力转化 为张力，通过螺栓、调节螺母和压板转化为弹簧的压力，弹簧受力压缩后柔性导向系统变形 (伸长)，从而使水平方向的冲击力得以缓解，并保证了浮体储能件在导向索的作用下保持 垂直方向的上、下运动。由于储能组件是通过挠性件驱动棘轮，故允许导向座在导向机构中 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。

[0036] 在本发明的实施例中，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浮动平台上，该定位离合器 与储能组件相关联，可将储能组件保持在任意波峰高度，并且脱离波浪运动而将能量储存 起来。利用定位离合器将储能组件保持在任意波峰高度，并且脱离波浪运动的限制，分时释 放储能组件，藉此调节连续发电的稳定性。

[0037] 本发明的波浪能发电系统以简单的结构实现了波浪能的贮存，本发明的波浪能发 电系统可在平直海滩、浅海滩及海岛沿岸实现波浪发电，大大扩大了波浪资源的利用范围。

[0038] 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

[0039]图1为本发明的一实施例的浮动平台波浪能储能系统的主视图。

[0040] 图2是沿图1中的挠性件延伸方向的剖开的剖面图。

[0041]图3为本发明的另一实施例的浮动平台波浪能储能系统的主视图。

[0042]图4是沿图3中的挠性件延伸方向的剖开的剖面图，其中，支撑浮动平台浮在海面 的每个浮体为单一密封浮桶结构。

[0043]图5为本发明的又一实施例的浮动平台波浪能储能系统的主视图，其中多个系统 单元组合在浮动平台上工作。

[0044] 图6为沿图7中A-A方向的剖面图。

[0045] 图7为图5所示储能系统的俯视图。

[0046]图8为本发明的再一实施例的浮动平台波浪能储能系统的主视图，其中，多个系 统单元组合在船体结构上。

[0047] 图9为图8所示储能系统的侧向剖面图。

[0048]图10为本发明的另一实施例的浮动平台波浪能储能系统的主视图，其中多个系 统单元组合在浮动平台上工作，支撑浮动平台浮在海面的每个浮体为组合浮桶结构。

[0049]图11为本发明的又一实施例的浮动平台波浪能储能系统的主视图，其中浮动平 台在海面上通过锚链定位。

[0050] 图12为根据本发明的实施例的波能储存一释放原理图，其中（a)是波浪产生开始 的状态，（b)是波浪上升阶段的状态，（c)是达到波峰时的状态，（d)是波浪下降阶段浮体储 能组件脱离海水限制的状态，（e)是浮体储能组件脱离海水限制并开始下降的状态，（f)是 浮体储能组件脱离海水限制并进一步下降的状态，（g)是浮体储能组件再次没入海水的状 〇

[0051]图13为本发明的再一实施例的浮动平台波浪能储能系统的主视图，其中多个系 统单元组合储能。

[0052]图14为本发明的另一实施例中的柔性导向机构的工作原理图，其中（a)是正常工 作状态：浮动平台处于水平位置，储能组件在水中未受水平方向潮流冲击力的工作状态，储 能组件作垂直上升的正常运动；（b)是浮动平台处于水平位置，储能组件在水中受水平方 向潮流冲击力的工作状态，储能件在柔性导索的导向作用下作垂直上升运动；（C)是浮动 平台处于倾斜位置，且储能组件在水中受水平方向潮流冲击力的工作状态，储能件在柔性 导索的导向作用下作垂直上升运动；（d)是浮动平台处于倾斜位置，且储能组件悬在空中 的工作状态，储能件在柔性导索的导向作用下作垂直下落运动；

[0053] 图15是本发明的一实施例中柔性导向机构的弹性固定连接装置的示意图。

[0054] 图16是本发明的一实施例中柔性导向机构的导向座和柔性导索相配合的示意 图。

[0055] 图17是本发明的一实施例中图16所示的组合的俯视图。

[0056] 图18是本发明的另一实施例中柔性导向机构的导向座和柔性导索相配合的示意 图。

[0057] 图19是图18所示的组合的俯视图。

[0058] 图20是图22所示的组合的半剖面图。

[0059] 图21是图20所示的组合的俯视图。

[0060] 图22是本发明的一实施例中挠性件和导向轮相配合的示意图，图21中的A向视 图。

具体实施方式

[0061] 在图1和图2所示的实施例中，波浪能储能系统或发电系统的一个系统单元由以 下部分构成。

[0062] 1、浮体储能组件部分：

[0063] 如图1和图2所示，浮体储能组件100包括浮体20、固态储能块21。

[0064] 浮体20、固态储能块21的排水量即等于浮体20、固态储能块21所产生的浮力。由 于浮体20的外壳是构成储能组件100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。图1和 图2的浮体20可以具有空腔。

[0065] 储能块21与浮体20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20 -起浸没在海水9中（增加排水量)，也可以安装在海面(平静的海面）之上，不浸没在 海水中。

[0066] 当储能块21浸没在水中时，其排水量也产生浮力，因此在较佳的实施例中，浮体 与储能块设计为连成一体。

[0067] 如图3和图4所示，当浮体20与储能块21活动连接时，由浮体20的下挡圈23与 固态储能块21连接构成笼架，浮体20可在笼架内浮动。

[0068] 浮体20与储能块21固定连接时，浮体20与储能块21可紧固连接，也可制成如图 1所示的空心储能块21，可简化结构，降低造价。

[0069] 绕过外圈的棘轮2的挠性件3通过吊环7与储能块21活动连接，使浮体储能组件 在波浪作用下作上、下运动。其重量也构成固态储能组件的一部分，因此也无减轻重量的要 求，其材料可以是链条、钢索、绳索等挠性物质。

[0070] 浮体储能组件100的作用在于储存波能量，其总重量与浮体的排水量相当，但需 略低于排水量，以保证储能件浮于海水表面。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。

[0071] 2、浮体储能组件的运动与能量传递部分

[0072] 如图1至图4所示，浮体储能组件100的运动与能量传递部分由挠性件(如链条等） 3、棘轮1、2和平衡杆17构成。浮体储能组件100通过浮力采集波浪能量，通过浮体储能组 件的浮力提升贮存能量，通过挠性件3和棘轮1、2的悬挂作用转化储存能量(将波浪能转 化为储能组件的重力势能)，储能组件20、21落下时，通过挠性件3和棘轮1、2驱动主轴18 旋转释放能量，将重力势能转化为电能。棘轮包括外圈的棘轮2 (内棘齿圈）和内圈的棘轮 1 (外棘齿圈)，棘轮1、2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)，挠性件3是绕在棘轮上，以驱动 棘轮进行转动。在本发明的其他实施例中内圈的棘轮1可以与一主轴固定或成一体连接， 挠性件3可以是绕在外圈的棘轮，在内圈的棘轮允许的情况下，也可以绕在内圈的棘轮(此 时，外圈的棘轮与主轴固定连接)。

[0073] 3、浮体储能组件的柔性导向机构

[0074] 海洋气候、水文情况十分复杂，海水不仅有垂直方向的波浪运动，还有水平方向的 潮流运动，以嵊山水域为例，流速可达流速2〜3节（1〜1. 5米/秒)，海面风力可达34米 /秒。同时本发明的各系统单元建造在浮动平台上，该浮动平台在波浪和潮流作用下也会发 生晃动，如图5所示，其中：

[0075] (1)如图5中的（b)部分所示，当浮体储能组件淹没在水中时，不仅受浮力作用有 向上运动的趋势，同时也有受水平方向的潮流作用而产生水平方向运动的趋势；

[0076] (2)如图5中的（c)部分所示，当浮体储能组件淹没在水中时，不仅受浮力作用有 向上运动的趋势，同时，受浮动平台晃动和水平方向的潮流作用而产生水平方向运动的趋 势；

[0077] (3)如图5中的（d)部分所示，当浮体储能组件悬挂中时，受浮动平台晃动和水平 方向风力作用而产生水平方向运动的趋势；

[0078] 储能组件在以上情况下均能产生水平方向的运动趋势，如没有导向机构将储能组 件的水平方向运动限制在一定范围之内，则相邻储能组件之间就会发生干扰、碰撞，同时， 牵引储能组件的挠性件(如链条等）也会因大幅度晃动脱离链轮甚至互相缠绕，导致系统单 元不能工作。

[0079] 如果导向机构为刚性导轨，则储能组件与刚性导轨之间将发生水平方向的直接冲 撞，导轨或储能组件容易因反复冲撞而变形损坏，同时，当倾斜角度过大时刚性导向机构还 可能产生储能组件卡死的现象。

[0080] 如图1、图2、图3、图4、图15至图19所示的柔性导向机构可避免前述问题，通过 柔性导索6将导向机构受到的横向冲击力转化为纵向张力，并通过弹簧42的变形对横向冲 击进行缓冲。

[0081] 储能组件的导向机构包括柔性导索6和导向座16,导向座16安装在浮体储能件 100上，柔性导索6穿过导向座16、分别与上平台5、下平台11的弹性固定装置4连接，弹性 固定装置4包括吊环螺栓45、弹簧42、上压板43、下垫板44和调节螺母41，弹簧42位于上 压板43和下垫板44之间，吊环螺栓45和调节螺母41螺纹连接，弹簧42、上压板43、下垫 板44套在吊环螺栓45上，调节螺母41压在上压板43上，上压板43进一步施加压力在弹 簧42上，弹簧42可进一步被压缩。柔性导索6穿过导向座16与上下吊环螺栓45连接，通 过调节螺母41和弹簧42可调节柔性导索6的张紧力。

[0082] 当浮体储能件21受到水平方向的潮流冲击，或浮动平台晃动时，浮体储能件21将 产生横向运动的趋势，对柔性导索6产生水平方向的冲击力，柔性导索6受力后将横向冲击 力转化为纵向张力，通过吊环螺栓45、上压板43、下垫板44和调节螺母41转化为弹簧42 的压力，弹簧42受力压缩后，柔性导索6可侧向弯曲，柔性导向机构变形(伸长)，从而使水 平方向的冲击力得以缓解，并保证了浮体储能件21在导向索6的导向作用下保持垂直方向 的上、下运动。适合在恶劣的海洋环境中运行和维护。

[0083] 如图16至图17所示的实施例中，导向座16的导向孔的孔口可以设置有滑轮结 构，柔性导索6穿过两相对设置的带槽的滑轮162。如图18和图19所示的实施例中，导向 座16的导向孔的孔口也可以是圆弧动结构。可根据储能件的重量选择不同的导向座结 构。

[0084] 如图16至图17所示的实施例中，滑轮结构的导向座16包括一对凹槽形滑轮 16-2、滑轮轴16-1和轴承座16-3,储能组件通过上下导向座16柔性导索。

[0085] 如图18和图19所示的实施例中，具有圆弧结构的导向座则无滑轮结构，导向索 6与导向座16是滑动摩擦，海水即为润滑剂。

[0086] 在本发明的其他实施例中，柔性导索6和弹性固定装置4可合为一体，例如柔性导 索6为弹性导索或者至少部分为弹性的。另外，弹性固定装置4可以在上、下平台中的一方 设置，而另一方无需设置。柔性导索6可进行横向的弹性弯曲，即弯曲后可复位成竖直状 〇

[0087] 4、平衡杆组件

[0088] 如图1所示，平衡杆组件包括平衡杆17、平衡杆导管15和挠性件6。平衡杆17的 上端与挠性件6连接。平衡杆导管15是一管状物体，其上端固定于上平台5,下端固定于下 平台11，当浮动平台晃动时，平衡杆导管15随之同步晃动，平衡杆17与平衡杆套管15之间 有足够的间隙，保证平衡杆17能够在套管15中自由的上下运动。

[0089] 5、挠性件导轮

[0090] 如图20至图22所示，挠性件导轮包括导向轮121、导向轮轴122和导向轮轴座 123。挠性件3绕过棘轮外圈2和导向轮121与储能组件21及平衡杆17连接，导向轮轴座 123安装在上平台5上，保证挠性件3在运动过程中不会脱离棘轮外圈2而保持正常的往复 运动。

[0091] 6、浮体储能组件的定位部分一离合器

[0092] 在浮动平台上安装有可锁定挠性件3的离合器124,从而使浮体储能件21脱离波 浪运动而停留在空中，达到储存波浪能量的目的，

[0093] 如图20至图22所示，浮体储能组件的定位部分包括安装在平台上的电磁离合器 124和导向轮轴122、导向轮121。但离合器12-4断电时导向轮轴122不受离合器作用而可 自由转动，挠性件3在导向轮121上作自由往复运动。当离合器124通电时，会自动锁定导 向轮轴122,使链轮结构的导向轮121停止转动，从而也就锁定了挠性件3停止运动，储能组 件100即被挠性件3拉住停留在空中，达到储存能量的目的。

[0094] 对于多个系统单元的组合，则由控制系统根据负载情况开启离合器，使释放能量 的储能件数量与主轴负载相匹配，即可保持主轴匀速持续旋转输出转矩，驱动发电机连续 发电。

[0095]另外，还可设置离合器来直接锁定挠性件，或者挠性件、棘轮、导向轮、平衡杆等整 个传动系中的任一传动部分，以达到锁定储能组件100的目的。

[0096] 7、主轴棘轮部分

[0097] 如图1、图2所示，或者图3和图4所示，主轴棘轮部分包括棘轮1、2，主轴18、主轴 轴承19构成，安装在上平台5上。波浪上涌时浮体储能组件100受浮力作用上升，通过挠 性件3、平衡杆17驱动外圈的棘轮2逆转，主轴18不受力；波浪下降时，浮体储能组件100 受重力作用落下，通过挠性件3驱动外圈的棘轮2正转，在棘轮机构的作用下，带动内圈的 棘轮1对主轴18产生驱动力矩，可发电或者进行海水淡化等其他作业。

[0098] 8、海面浮动平台部分

[0099] 海面平台的作用是支承整个系统单元，使之漂浮在海面上工作。浮动平台可有以 下结构：

[0100] (1)单浮筒结构的海上浮动平台

[0101] 如图5、图11所示，浮动平台包括由上平台5、下平台11和空浮筒8构成的框架结 构，浮筒8的排水量大于平台总体重量与储能件重量之和，并保证上平台5距离海面高度超 过最大波浪10的高度。主轴18和锚链定位系统32安装在上平台5上，柔性导索6的两端 分别与上平台5和下平台11的弹性固定装置4连接。浮动平台依靠浮筒8的浮力作用漂 浮在海面上，锚链系统32在抛锚状态时可将浮动平台定位于海面相对固定的位置，起锚后 可拖驳移动到任意海面。

[0102] 浮筒8同时也是连接上平台5和下平台11构成浮动平台框架结构的结构件，因此 有足够的刚性和强度，可作为压力贮气罐之用。

[0103] 储能组件100采集波浪能驱动系统主轴18旋转输出扭矩，可以连接发电机组14 直接发电，也可连接空气压缩机产生压缩空气9 (储存在浮筒8中)，将波浪能以压缩空气的 形式贮存起来，该压缩空气可以驱动空气动力机组发电，同时也可为海水淡化装置13提供 压力源，实现反渗透法海水淡化处理，在获得电力的同时获得淡水资源。由于浮筒8具有足 够的强度，可设计为储存压缩空气的压力罐。

[0104] (2)组合浮筒结构的海上浮动平台

[0105] 在不采用浮筒作为压缩空气储存罐的应用实例中，可采用结构轻巧的组合浮筒结 构。

[0106] 如图10所示，浮动平台包括上平台5、下平台11和浮筒笼架30构成的框架结构， 组合浮筒31安装在浮筒笼架30之中，其排水量大于系统总体重量与储能件重量之和，并保 证上平台5距离海面高度超过最大波浪10的高度。主轴18和锚链定位系统32安装在上 平台5上，柔性导索6的两端分别与上平台5和下平台11的弹性固定装置4连接，形成柔 性导向机构。浮动平台依靠浮筒8的浮力作用漂浮在海面上，锚链系统32在抛锚状态时可 将浮动平台定位于海面相对固定的位置，起锚后可拖驳移动到任意海面。

[0107] 在该应用实例中，浮筒笼架30是连接上平台5和下平台11的结构件，具有足够的 强度和刚性，组合浮筒31安装在浮筒笼架30之中，不起结构件作用，对浮筒的强度要求较 小，可采用重量较轻的工程塑料制造，降低制造成本。同时组合浮筒还能起到分隔舱的作 用，个别浮筒损坏不会导致平台的颠覆。

[0108] (3)船体结构的海上浮动平台

[0109] 如图8和图9所示，浮动平台包括上平台5、下平台11和立柱24构成的框架结构， 主轴安装在上平台5上，导索的两端分别与上平台5和下平台1的弹性固定装置4连接，形 成柔性导向机构。整个浮动平台安装在船体60上，随船体漂浮在海面上，在船体抛锚状态 时浮动平台定位于海面相对固定的位置，起锚后可随船动到任意海面。

[0110] 如图5至图7所示，储能组件100采集波浪能驱动的系统主轴18旋转输出扭矩， 可以连接发电机组14直接发电，也可连接空气压缩机40产生压缩空气，将波浪能以压缩空 气的形式在高压储气罐41中贮存起来，该压缩空气可以驱动空气动力机组发电，同时也可 为海水淡化装置42提供压力源，实现海水淡化处理，在获得电力的同时获得淡水资源。在 该应用实例中，船体即为承载波浪能采集系统、发电系统、空气压缩机系统、海水淡化系统 的载体，形成一个通过采集波浪能发电和提供淡水的移动补给站，对无人岛的开发和海防 建设具有重要战略意义。

[0111] 9、压缩空气装置

[0112] 主轴18获得的转动力矩通过传动轮传递给压缩机组40,产生压缩空气储存于压 缩空气罐41中储存起来，该压缩空气可以驱动空气动力机组发电，同时也可为海水淡化装 置提供压力源，实现反渗透法海水淡化处理，在获得电力的同时获得淡水资源。

[0113] 10、海水淡化装置

[0114] 当以获得生活淡水为目标时，可采用海水淡化装置42,海水淡化装置所需要的压 力源由主轴18驱动压缩机组获得，也可由储气罐41获得。

[0115] 11、发电装置

[0116] 可采用两种储能发电装置：

[0117] (1)主轴18获得的转动力矩通过传动轮传递给变速箱和飞轮，直接驱动发电机发 电，采用蓄电池储存电能，并通过逆变控制系统提供稳定的电力。

[0118] (2)主轴18获得的转动力矩通过传动轮传递给变速箱和飞轮，驱动空气压缩机40 产生压缩空气，将波浪能以压缩空气的形式在高压储气罐41中贮存起来，该压缩空气可以 驱动空气动力机组发电，同时也可为海水淡化装置42提供压力源，实现海水淡化处理，在 获得电力的同时获得淡水资源。

[0119] (3)主轴18同时驱动空气压缩机40和发电机14,所产生的压缩空气为海水淡化 装置42提供压力源，实现海水淡化处理，而发电机发出的电量则采用蓄电池储存，并通过 逆变控制系统提供稳定的电力。在获得电力的同时获得淡水资源。

[0120] 同时结合图1到图22,波浪储能或发电方法包括多个步骤，该步骤将以波浪运动 为周期重复进行。

[0121] 1、波浪参数

[0122] 波浪周期：

[0123] 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：

[0124] 波浪高度(波峰一波谷的高度之差）

[0125] 波浪频率(每小时出现波浪的次数）

[0126] 2、运行步骤和能量采集转化原理

[0127] (1)单个浮体储能件的运行步骤和储能原理

[0128] 浮体储能组件的重量与其排水量相当并略低于排水量，浮力与重力平衡，因此在 初始状态下，储能组件没于水中、浮于海面，并通过挠性件(如链条等）悬挂在主轴上的棘 轮上。波浪上涌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，从而实现了波浪能量向主轴旋转力 矩的转化，并以驱动发电机或压缩机等方式输出能量。具体步骤和原理如下：

[0129] 波浪能量的采集：

[0130] 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12中的（a)部分所示。

[0131] 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12中的（b)部分所示升。

[0132] 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12中的（c)部分所示。

[0133] ④波浪落下阶段：波浪落下时，储能件在重力作用下有自由落体运动的趋势，但由 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，如如 图12中的（d)部分所示。

[0134] 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12中的（e)部分至图12 中的（f)部分所示。

[0135] 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12中的（d)部分至图12中的（f)部 分所示。

[0136] 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(哪怕只有〇. 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。

[0137] ⑧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，制取高压 空气，在驱动空气动力机发电的同时获得淡水和海盐，实现能源综合利用。

[0138] (2)组合浮体储能件的运行步骤和储能原理

[0139] ①如图13所示，若干单浮体储能件通过棘轮并联在同一根主轴上，当任何一个浮 体储能件受波浪作用上升时，该储能件连接的外圈的棘轮逆向转动，不对主轴产生驱动作 用，也不产生阻力作用，不影响主轴的运动状态；

[0140] ②当任何一个浮体储能件上升到波峰高度后波浪落下，该储能件在重力作用下有 自由落体运动的趋势，但由于柔性件(例如链条）的作用而被悬挂在导向轮(例如链轮）外 圈，脱离海水，浮力消失，重力对主轴产生驱动作用，

[0141] ③当同时有若干储能件落下时，这些储能件在重力作用下都有自由落体运动的趋 势，但由于柔性件的作用而都悬挂在各导向轮的外圈，由于棘轮作用，主轴所受的驱动力矩 为各储能件的重力作用之和，

[0142] ④由于波浪此起彼伏，不可能同时升降，因此分布在不同地点的储能件也是此起 彼落，在不同时刻均有储能件对主轴产生驱动作用，与风能和太阳能相比，波浪能的连续性 和稳定性要好得多。

[0143] ⑤在本发明中，各储能件的下落均有电磁离合器控制，计算机根据负载情况开启 离合器，使释放能量的储能件数量与主轴负载相匹配，即可保持主轴匀速持续旋转输出转 矩，驱动发电机连续发电。

[0144] 波浪潮汐发电的能量计算实例

[0145] 根据海洋观测资料统计，我国沿海海域年平均波高在2. 0M左右，波浪周期平均5s 左右，本发明进行的波浪能计算结果，是根据嵊山海域的水文条件、按各级波浪出现的高度 和频度进行精算获得的。

[0146] 1、基本参数

[0147] 本发明所设计的"浮动平台波浪发电基本单元"由各"单浮体"构成，每一个基本 单元可自成系统采集海洋能量发电，面积可大可小。

[0148] 在本计算实例中，"单浮体"、"基本单元"的面积数量如下：

[0149] •"单浮体"：一个单浮体占海域面积为2. 5米X2. 5米=6. 25米2

[0150] •"基本单元"：一个基本单元由100个单浮体构成，占海域面积为625米2

[0151] (1)单浮体参数设计

[0152] •单浮筒的形状为：上部圆柱、下部圆锥体。直径2米，高度1米

[0153] •单浮筒的排水量为2. 35吨，重量2. 0〜2. 2吨，保证储能件浮于海面

[0154] (2)能场基本单元

[0155] •每个"能场基本单元"由100个"单浮筒"构成

[0156] • 1个"能场基本单元"占海域面积为625平方米

[0157]3、波浪发电装置主轴参数

[0158] •主轴输出转速：10转/分钟

[0159] •棘轮外缘线速度：V=0. 26米/秒

[0160] •储能件下落的额定速度V= 0. 26米/秒

[0161] •主轴棘轮外径：〇 0• 5m

[0162]4、储能件采集波浪能的能量计算

[0163] •储能件采集的波浪能与波高A、波数y及储能件重量P成正比。

[0164] 即：E=有效波高LX储能块有效重量PX波数y

[0165] •按《嵊山站各级波高（H1/10)频率图》进行精算，重量为2. 2吨的单浮体储能件 每小时采集的波浪能如下表所示：

[0166]

[0167] •即：单浮体储能件每小时向主轴传递的能量为1384吨米。

[0168] •单浮体储能件24小时输出的波浪能为：

[0169] E= 33216 吨米小时

[0170] 折合电量：E= 90. 24度电

[0171]折合功率:N= 3. 76kw

[0172] •-个基本单元可由100个单浮体组成，24小时输出的波浪能量为：

[0173]E= 3321600 吨米小时

[0174] 折合电量：E= 9024度电

[0175]折合功率：N= 376kw

[0176] 浮动平台波浪储能发电系统应用实例

[0177] 1、用作海上移动发电站和淡水供应站

[0178] 由于本发明所涉及的波浪能采集、储能系统是安装在浮动平台上的，因此它是一 种非固定的波浪能采集储存装置，可根据应用需要，通过抛锚等方式将其相对固定在海域 的某一位置工作，也可起锚后拖驳到其他位置工作，为海防哨所、海岛居民以及海上钻井平 台等工程提供波浪能产生的电力和淡水，为国防建设、无人岛开发、海上石油开采提供能源 和淡水资源；

[0179] 2、用作船舰的电力、淡水供应装置

[0180] 本发明所涉及的波浪能采集、储能系统也可安装在各种船舰之上，为远海航行的 军舰、轮船提供波浪能产生的淡水和部分电力，解决远海航行中的淡水供应和应急状态下 的电力供应，提高了船员的饮水质量和船舰的续航能力。

[0181] 3、用作海上亲水平台，发展无人岛开发

[0182]由于系统的浮体储能件在平台以下的海水中工作，棘轮主轴和发电机组部分仅占 平台上的很小面积，大部分面积可作为亲水平台之用，有利于无人岛开发旅游观光事业

[0183] 4、用作沉箱养殖的海上浮动平台，发展海洋养殖业

[0184] 由于系统的浮体储能组件在浮动平台的上、下框架平台之间运动，仅占用海平面 以下将近3米的海水深度，下平台以下的海域完全可以作为沉箱养殖之用，养殖沉箱可悬 挂在下平台上，凭藉浮动平台的浮力定位在海洋适当的深度，实现发电、淡水、养殖三位一 体的应用。

Claims (7)

1. 浮动平台波浪能储能系统，其特征在于，包括 浮动海面平台； 在浮动海面平台上可转动地安装的主轴；以及 系统单元，包括 安装在主轴上的棘轮，与主轴之间能单向传递扭矩； 绕在棘轮上的挠性件，可驱动棘轮； 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； 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 侦h以及 柔性导向机构，包括柔性导索，在浮动海面平台上沿竖直方向延伸布置，能横向弹性弯 曲，与浮体储能组件关联，以使浮体储能组件能沿该柔性导向机构的延伸方向滑动； 浮动海上平台包括上平台、下平台和浮体，浮体设置在上、下平台之间，所述主轴安装 在上平台上，所述柔性导向机构安装在上、下平台之间，所述浮体储能组件位于并可活动于 上、下平台之间； 所述柔性导索通过弹性件设置在上、下平台之间或者至少部分为弹性导索； 所述柔性导向机构还包括导向座，导向座设置在浮体储能组件上或者为浮体储能组件 的一部分，柔性导索穿过导向座上的导向孔，所述导向孔的孔口边缘为圆弧状或者安装有 成对的滑轮，该成对的滑轮供柔性导索穿过，并对柔性导索进行导向。

2. 如权利要求1所述的浮动平台波浪能储能系统，其特征在于，所述浮动海上平台安 装在船体上或者单独配置锚链系统。

3. 如权利要求1所述的浮动平台波浪能储能系统，其特征在于，所述平衡组件包括平 衡杆和平衡杆导管，平衡杆导管安装在浮动平台上，平衡杆在平衡杆导管中可作定向上下 运动，平衡杆的重量略重于连接储能件的挠性件的重量，以使平衡杆的运动能与储能件的 运动方向相反。

4. 如权利要求1所述的浮动平台波浪能储能系统，其特征在于，在浮动平台上安装有 可锁定挠性件或平衡杆的离合器，从而使浮体储能件脱离波浪运动而停留在空中。

5. 如权利要求1所述的浮动平台波浪能储能系统，其特征在于，浮体储能组件由分离 的浮体和储能块构成，浮体内置于储能块中，或者浮体储能组件由一体的浮体和储能块构 成。

6. 如权利要求4所述的浮动平台波浪能储能系统，其特征在于，多个系统单元安装在 同一主轴上，各电磁离合器通过控制系统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. 波浪能发电系统，包括发电装置，其特征在于，发电装置的转子与权利要求1至6中 任一项所述的浮动平台波浪能储能系统的主轴耦接从而能同步转动。