CN102943734A - 一种智能发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能波浪发电系统，包括：多个智能波浪发电单元、母线、逆变电路、化学储能装置或物理储能装置、储能管理电路、负载检测电路、中央基站和浪高仪；每个智能波浪发电单元的包括波浪能捕获装置、变极多速永磁发电机、DC/DC变换器、智能控制器、浮体、配重装置、支架、防风暴机构和锚、接触器、整流电路、DC-DC变换器、测速电机和位置传感器；本发明适用各种波形的波浪，波能转换高效，发电稳定，所发的电能优质，智能化，抗风浪强﹑低成本﹑易维护。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电领域，特别涉及一种智能发电系统。
背景技术
海洋占地球表面积的70％，海洋波浪能是用之不竭的可再生能源，如何高效的利用波浪能，使之变为可利用的电能，是人们一直研究的重要课题。
海洋受自然因素变化影响，海洋波浪能是无规律不稳定的（时大时小，平均功率为峰值功率的1/10~1/7），运动特性是往复的：纵荡、升沉、纵摇，运动速度低：在大波浪下最大速度为0.8m/s，力量大：瞬时功率为100kW/m。
利用波浪能的技术难度：如何将低速往复运动转换成高速单向机械运动，如何在波浪时大时小时能高效俘获波能，如何解决因发电单元功率不稳定而组成稳定和优质电能的发电系统，如何解决因台风导致破坏和因腐蚀导致机械问题。
现有的波浪能发电技术手段还没有采用智能俘获波浪能、智能储能、智能管理的发电系统，不能构成：成熟、稳定、优质的发电系统。
现有的波浪能俘获技术有：震荡水柱、筏式﹑收缩波道式﹑点吸收式﹑鸭式﹑摆式等。
震荡水柱波能装置其转动机构不与海水接触，防腐蚀性好，安全，维护方便。其缺点是二级能量转换效率低，对小波浪能适应性不强，造价高昂。
摆式波能装置，摆体的运动很适合波浪大推力和低频的特性，摆式装置的转换效率较高，但现有的装置机械维修比较困难，容易损坏。
收缩波道式的优点是一级转换没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力稳定。缺点是电站建造对地理地形要求高，不易推广。
筏式装置，一级能量转换效率低，二级能量转换也不高，且装置机构较为复杂，机械维修比较困难。
发明内容
本发明的技术手段如下：
一种智能波浪发电系统，包括:
多个智能波浪发电单元；
与每个智能波浪发电单元的输出端并联连接，用于汇总多个智能波浪发电单元的输出电能并传送电能的母线；
与母线并联连接，用于对汇总的多个智能波浪发电单元的输出电能进行DC-AC变换的逆变电路；
当采用化学储能时，还包括并联接在逆变电路输入端，利用化学能与电能相互转换进行储能的化学储能装置；所述逆变电路的输出端并入电网或与离网用户连接；
当采用物理储能时，还包括并联接在逆变电路输出端，利用机械能与电能相互转换进行储能的物理储能装置；所述物理储能装置的输出端并入电网或与离网用户连接；
连接储能装置，用于控制和管理能量储存和释放的储能管理电路；所述储能管理电路为化学储能管理电路或物理储能管理电路；
连接电网输入端，用于监测电网负载耗电功率的负载监测电路；
分别通过组网连接多个智能波浪发电单元、储能管理电路和负载监测电路，用于实时查询各个智能波浪发电单元的发电功率和电网负载耗电功率并根据查询结果累加多个智能波浪发电单元的发电功率并控制调节储存能量大小和释放能量大小的中央基站；
中央基站还设有用于实时监测浪高并发送浪高参数的浪高仪；
进一步地，所述智能波浪发电单元的结构部分包：波浪能捕获装置、变极多速永磁发电机、DC/DC变换器、智能控制器、浮体、配重装置、支架、防风暴机构和锚；波浪能捕获装置包括：受力轮、棘轮、与棘轮配合的棘爪盘总成、内轴和外轴；外轴套置在内轴上；棘轮固定在内轴上；棘爪盘总成固定在外轴上；受力轮固定在外轴上；外轴上固定有用于使外轴相对于内轴回转的回转装置；波浪能捕获装置固定在浮体上端面；浮体通过绳索牵引设置于支架内；浮体上设置有用于将绳索导向的导向轮，且绳索缠绕过导向轮后与波浪能捕获装置的受力轮缠绕且固定；变极多速永磁发电机设置于浮体内部，且变极多速永磁发电机输入轴与波浪能捕获装置内轴连接；DC/DC变换器设置于浮体内，且通过电路与变极多速永磁发电机总成连接；浮体内部设置有用于控制浮体自身重量的配重装置；智能控制器固定在浮体内部，且通过电路与防风暴机构、配重装置和DC/DC变换器连接；支架上浮体下端固定有用于拉伸浮体轴向牵引绳索的防风暴机构；支架通过锚固定在水中；回转装置包括：固定在波浪能捕获装置外轴上的回转轮和与回转轮通过绳索连接重力块；支架上端固定有用于连接牵引浮体绳索的环形圈；牵引浮体的绳索轴向上数量不少于1条，径向牵引浮体的绳索数量不少于8条，且径向牵引浮体的绳索均匀分布在环形圈上；防风暴机构包括：电机、固定在电机轴端的驱动齿轮和固定在轴向牵引浮体绳索末端连接受力轮所在外轴上的配合齿轮；浮体底部设置有空腔，且空腔位置设置有带电磁阀的排水管和带有电磁阀的进气管，且进气管轴向伸出与浮体；浮体空腔内部设置有水囊；配重装置包括：下压盘和用于驱动下压盘沿着浮体轴向方向上运动的下压电机；下压盘与浮体内水囊上表面固定；波浪能捕获装置内轴与变极 多速永磁发电机输入轴通过链条与链轮配合传递动力；浮体内设置有用于检测外轴转速的测速电机；
进一步地，所述智能波浪发电单元的电控部分包括：
用于利用波浪能进行变极多速发电的变极多速永磁发电机；
连接变极多速永磁发电机，用于切换变极多速永磁发电机的磁极对数的接触器；
通过接触器与变极多速永磁发电机相连接，用于对变极多速永磁发电机输出的交流电进行整流的整流电路；
连接整流电路输出端，用于对整流电路输出的直流电压进行升压并稳压的DC-DC变换器；
用于测量外轴转速的测速电机；
用于测量灌水皮囊顶部位置的位置传感器；
智能控制器；
所述智能控制器包括：
连接测速电机，用于检测测速电机极性的施密特触发器；
连接施密特触发器，用于捕获施密特触发器输出的一定数量高电平和低电平的定时器捕获模块；
连接测速电机，用于将测速电机的输出电压信号进行模数转换的第一模数转换模块；
连接位置传感器，用于对位置传感器输出的位置信号进行模数转换的第二模数转换模块；
用于与中央基站组网进行通讯的网络通讯模块；
分别连接定时器捕获模块、第一模数转换模块、第二模数转换模块和网络通讯模块，用于根据定时器捕获模块所捕获的一定数量的高电平和低电平的维持时间计算自然波浪的周期和振荡频率、用于根据第一模数转换模块传输过来的测速电机输出电压信号得出变极多速永磁发电机的转速并结合波浪周期和受力轮的直径计算波浪的浪高、用于根据第二模数转换模块传输过来的位置信号计算配重装置的实时重量值、用于根据浮体的固有振荡频率和自然波浪的振荡频率相等的条件计算配重装置的应有重量值、用于比较计算出来的应有重量值和实时重量值，当实时重量值大于应有重量值时发出减重指令，当实时重量值小于应有重量值时发出增重指令直至实时重量值与应有重量值相等和用于根据变极多速永磁发电机的转速控制接触器切换动作、用于根据计算出的浪高参数以及通过网络通讯模块得到浪高仪发送的浪高参数控制防风暴机构动作的CPU模块；
所述电控部分还包括通过继电器模块与CPU模块相连接，用于根据CPU模块发出的增重指令和减重指令进行开关的电磁阀；通过继电器模块与CPU模块相连接，根据接收到的不 同的CPU模块传输过来的控制动作指令分别完成抱闸松闸动作和控制浮体上升下沉的的防风暴机构；
所述接触器的控制端通过继电器模块与CPU模块相连接，接收CPU模块传输过来的接触器切换动作指令；
进一步地，所述DC-DC变换器的输出端并联连接有超级电容；
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种智能发电系统，通过采用多个智能波浪发电单元，充分利用自然波浪能，节能环保；采用中央基站根据负载工况实时控制和监测管理发电单元以及储能工况，保证了系统的准确性和可靠性；通过附加的可以为化学储能或物理储能的储能装置，实现了根据负载不同而合理利用系统备用能量并且提高了系统稳定性；每个智能波浪发电单元均采用DC-DC变换器，不仅实现了升压且保证了输出电压的稳定性；每个智能波浪发电单元均通过施密特触发器、测速电机和位置传感器等实时检测进行波浪情况采集的系统结构部分工况，再通过智能控制器分析计算自然波浪的周期、振荡频率、浪高等波浪参数，从而根据当前波浪参数实时调整系统各相关组成，实现了系统最优利用波浪能和稳定高效；
采用了上述技术方案的本发明将由波浪能所激励的浮体产生无规律的机械运动，通过绳索拉动受力轮转动，再由棘轮机构将转轮的动能传递到内轴，经链条传动发电机发电。其原理是：波浪能捕获装置的每根绳索和受力轮配合为独立的，不与其他绳索和受力轮配合影响，各自安装在套在内轴上的外轴上，外轴与内轴通过轴承安装，构成双转子结构，各自转向互不影响，内轴上装有棘轮，每套外轴都装有受力轮﹑回转装置﹑与安装在内轴上棘轮配合的棘爪盘。回绳转轮的作用当受力轮不受力且松弛时，通过绳索经回转装置重力牵引，使外轴上的受力轮反转，完成受力轮上的绳索回转；
由于波浪的浪高无规律，其范围从0.1米至十几米，而转轮的直径是固定的，在广阔的波高范围，固定直径的转轮转速从低到高达几十倍之多，所以本系统采用变极多速永磁发电机的手段，使系统适应各种波高的转速要求，达到波浪能最优采集；
由于自然波浪能是无规律性，尽管系统采取变极多速发电的措施，但每个转速区间内的转速是波动的，导致发动机的输出电压的波动，本系统采取DC/DC变换器，使达到恒定的直流电压输出，并在模块的末端配置大电容或超级电容或蓄电池，便于多单元并接，便于逆变并网，便于储能；
支架的作用是能吸收浮体下落能量以及浮体摇晃的能量，支架分几种方式安装；
a.单体海底安装，单个智能波浪发电系统单元的支架直接固定在海床上。
b.群体海底安装，成群的智能波浪发电系统单元的支架排成等距直线，固定在海床上 的水平支架上，水平支架的垂直桩固定在海床上，每个单元之间的距离为：小于此海域常年的平均波浪波长除以π，其目的是使各单元构成水波的“天线效应”（水波聚集），达到本系统波浪能最优采集。
c.单体潜浮体安装，单个智能波浪发电系统单元的支架固定在潜浮体上，由锚绳或锚链和海底张紧锚系驻潜浮体，潜浮体潜浮在海水中。
d.群体潜浮体安装，成群的智能波浪发电系统单元的支架排成等距直线，固定在潜浮体上，由锚绳或锚链和海底张紧锚系驻潜浮体，潜浮体潜浮在海水中，每个单元之间的距离为：小于此海域常年的平均波浪波长除以π，其目的是使各单元构成水波的“天线效应”（水波聚集），达到本系统波浪能最优采集；
防风暴机构作用为若浪高超出本系统设计的浪高，则视为遇到台风或风暴，防风暴机构中的电机转动，带动下受力转轮收紧浮体下面的绳索，使浮体下沉，并抱闸，防止系统遭受破坏；
综上本发明是基于垂荡体浮体，采用点吸收方式的智能波浪发电系统，是一种能适应各种波形的波浪，波能转换高效，即可构建智能储能并网发电系统，也可用作智能独立发电系统，具有智能化﹑抗风浪强﹑低成本﹑易维护﹑易于运行等特性。
附图说明
图1为本发明深水单体安装时的立体结构示意图。
图2为本发明浮体剖面结构示意图。
图3为本发明防风暴机构剖面结构示意图。
图4为本发明波浪能捕获装置剖面结构示意图。
图5为本发明波浪能捕获装置剖面局部放大图。
图6为本发明浮体俯视结构示意图。
图7为本发明浅水单体安装时的立体结构示意图。
图8为本发明深水群体安装时的立体结构示意图。
图9为本发明浅水群里安装时的立体结构示意图。
图10是本发明所述采用化学储能的结构框图；
图11是本发明所述采用物理储能的结构框图；
图12是本发明所述化学电池储能的结构框图；
图13是本发明所述抽水储能的结构框图；
图14是本发明所述压缩空气储能的结构框图；
图15是本发明所述智能控制器与其控制部件的结构框图。
图中：1、波浪能捕获装置，1.1、受力轮，1.2、棘轮，1.3、棘爪盘总成，1.4、内轴，1.5、外轴，2、变极多速永磁发电机总成，3、DC/DC变换器，4、智能控制器，5、浮体，5.1导向轮，5.2排水管，5.3、进气管，5.4、水囊，6、配重装置，6.1、下压盘，6.2、下压电机，7、支架，7.1、环形圈，8、防风暴机构，8.1、电机，8.2、驱动齿轮，8.3、配合齿轮，9、锚，10、回转装置，10.1、回转轮、10.2、重力块，11、测速电机，12、施密特触发器，13、定时器捕捉模块，14、第一模数转换模块，15、位置传感器，16、第二模数转换模块，17、接触器，18、浪高仪，19、CPU模块，20、网络通讯模块、21、继电器模块。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图10、图11和图15所示的一种智能发电系统，包括:波浪能捕获装置1、变极多速永磁发电机2、DC/DC变换器3、智能控制器4、浮体5、配重装置6、支架7、防风暴机构8和锚9；DC/DC变换器3设置于浮体5内，且通过电路与变极多速永磁发电机总成2连接；浮体5内部设置有用于控制浮体5自身重量的配重装置6；智能控制器4固定在浮体5内部，且通过电路与防风暴机构8、配重装置6和DC/DC变换器3连接；支架7上浮体5下端固定有用于拉伸浮体5轴向牵引绳索的防风暴机构8；支架7通过锚9固定在水中；
如图2、图3、图4、图5和图6所示波浪能捕获装置1包括：受力轮1.1、棘轮1.2、与棘轮1.2配合的棘爪盘总成1.3、内轴1.4和外轴1.5；外轴1.5套置在内轴1.4上，且通过轴承与内轴1.4连接；棘轮1.2固定在内轴1.4上；棘爪盘总成1.3固定在外轴1.5上；受力轮1.1固定在外轴1.5上；外轴1.5上固定有用于使外轴1.5相对于内轴1.4回转的回转装置10；波浪能捕获装置1固定在浮体5上端面；浮体5通过绳索牵引设置于支架7内；浮体5上设置有用于将绳索导向的导向轮5.1，且绳索缠绕过导向轮5.1后与波浪能捕获装置1的受力轮1.1缠绕且固定；变极多速永磁发电机2设置于浮体5内部，且变极多速永磁发电机总成2输入轴与波浪能捕获装置1内轴连接；波浪能捕获装置1内轴1.4与变极多速永磁发电机2输入轴通过链条与链轮配合传递动力；回转装置10包括：固定在波浪能捕获装置1外轴1.5上的回转轮10.1和与回转轮10.1通过绳索连接重力块10.2；支架7上端固定有用于连接牵引浮体5绳索的环形圈7.1；牵引浮体5的绳索轴向上数量不少于1条，即用于浮体5与防风暴机构8连接的绳索；径向牵引浮体5的绳索数量不少于8条，且径向牵引浮体5的绳索均匀分布在环形圈7.1上；
采用此结构的本发明由波浪能所激励的浮体5产生无规律的机械运动，通过一端固定在支架7绳索经过浮体5的导向轮，然后拉动受力轮1.1转动，受力轮1.1转动带动此处的外轴1.5转动，由于波浪能捕获装置1内轴1.4与各个外轴1.5之间通过固定在内轴1.4上的 棘轮1.2和固定在外轴1.5上的棘爪盘总成1.3配合传递动力，这样就保证不管是那个方向的受力轮1.1受力都能保证内轴旋转方向为一个方向；内轴1.4与变极多速永磁发电机2输入轴通过链条与链轮配合传递动力，即在内轴1.4上固定有链轮，在变极多速永磁发电机2输入轴上也固定有链轮，然后将两个链轮通过链条连接起来实现动力传输；
当绳索松弛时（即浮体回位）固定在外轴1.5上的回转轮10.1通过重力块10.2的拉力实现回转，这样就带动此处外轴1.5回转，使松弛的绳索重新缠绕在受力轮1.1上；
本发明采用以浮体中心以轴向方向和水平延伸的八个方向为绳索牵引点，以下具体描述10个方向的捕获波能实现：
a.（上方向）波浪波峰过去后，浮体落下，使一端固定支架上部，一端转绕在上受力转轮上的绳索拉紧，带动上受力轮转动，由棘轮与棘爪盘总成配合将转轮的动能传递到内轴。
b.（下方向）波浪激励浮体上升，使一端固定潜浮体下部或支架下部，一端转绕在下受力转轮上的绳索拉紧，带动下受力转轮转动，由棘轮与棘爪盘总成配额将转轮的动能传递到内轴。
c.（东方向）波浪从东边方向入射，浮体向西方向摇晃，使一端固定支架东端，一端转绕在东受力转轮上的绳索拉紧，带动东受力转轮转动，由棘轮与棘爪盘总成配合将转轮的动能传递到内轴。
d.（西方向）波浪从西边方向入射，浮体向东方向摇晃，使一端固定支架西部，一端转绕在西受力转轮上的绳索拉紧，带动西受力转轮转动，由棘轮与棘爪盘总成配合将转轮的动能传递到内轴。
e.（南方向）波浪从南边方向入射，浮体向北方向摇晃，使一端固定支架南部，一端转绕在南受力转轮上的绳索拉紧，带动南受力转轮转动，由棘轮与棘爪盘总成配合将转轮的动能传递到内轴。
f.（北方向）波浪从北边方向入射，浮体向南方向摇晃，使一端固定支架北部，一端转绕在北受力转轮上的绳索拉紧，带动北受力转轮转动，由棘轮与棘爪盘总成配合将转轮的动能传递到内轴。
g.（东南方向）波浪从东南方向入射，浮体向西北方向摇晃，使一端固定支架东南部，一端转绕在东南受力转轮上的绳索拉紧，带动东南受力转轮转动，由棘轮与棘爪盘总成配合将转轮的动能传递到内轴。
h.（东北方向）波浪从东北方向入射，浮体向西南方向摇晃，使一端固定支架东北部，一端转绕在东北受力转轮上的绳索拉紧，带动东北受力转轮转动，由棘轮与棘爪盘总成配合将转轮的动能传递到内轴。
i.（西南方向）波浪从西南方向入射，浮体向东北方向摇晃，使一端固定支架西南部，一端转绕在西南受力转轮上的绳索拉紧，带动西南受力转轮转动，由棘轮与棘爪盘总成配合将转轮的动能传递到内轴。
j.（西北方向）波浪从西北方向入射，浮体向东南方向摇晃，使一端固定支架西北部，一端转绕在西北受力转轮上的绳索拉紧，带动西北受力转轮转动，由棘轮与棘爪盘总成配合将转轮的动能传递到内轴。
如图2所示浮体5底部设置有空腔，且空腔位置设置有带阀门的排水管5.2和带有阀门的进气管5.3，且进气管5.3轴向伸出与浮体5；浮体5空腔内部设置有水囊5.4；配重装置6包括：下压盘6.1和用于驱动下压盘6.1沿着浮体5轴向方向上运动的下压电机6.2；下压盘6.1与浮体5内水囊5.4上表面固定；
上述结构是为了使浮体与自然波浪产生共振以达到浮体吸收波浪功最优，采用可变配重系统，采用本发明的智能波浪发电单元的智能控制器4及各相关组成测量自然波浪的震荡周期，计算出波浪的震荡频率，然后调节浮体5的自重，使浮体5的固有震荡频率与波浪的震荡频率相同；
具体实现：
可在下受力转轮外轴上安装直流测速电机11，在浮体5上浮时发电且电压与转速成正比极性为正，在浮体下落时发电且电压与转速成正比极性为负，这时测速电机11信号分两路：一路送到智能控制器4外围电路中的施密特触发器12上，由施密特触发器12检测测速电机的极性，极性为正输出高电平，极性为负输出低电平，施密特触发器12输出引脚接到单片机中定时器的捕获模块13捕获引脚，捕获模块捕获几次高电平或低电平的周期并求平均值，此值为自然波浪的半周期，根据周期计算出自然波浪的震荡频率（ω=2π/T）；另一路信号送到单片机中的第一模数转换模块14，测速电机的电压模拟量为外轴的转速，用外轴的转速推算出永磁发电机的转速，用外轴1.5的转速和波浪的周期以及下受力轮1.1的直径推算出波浪的波高；位置传感器15测量灌水皮囊顶部位置，其位置模拟量由第二模数转换模块16转换成数字量，储存在CPU模块19寄存器中，用位置传感器15的模拟量计算出本系统的实时重量；根据自然波浪的震荡频率与浮体5的固有震荡频率相等的条件，推算出本系统的应有重量，将应有重量与现时重量比较，当需要浮体5减轻重量时，智能控制器4控制配重装置6的下压电机6.2工作，即下压电机6.2的带动下压盘6.1挤压浮体5空腔内的水囊5.4，挤压水囊5.4同时打开排水管5.2和进气管5.3的电磁阀，使水囊5.4内部的水排出，浮体5空腔内的空气增加；当需要浮体5增加重量时，智能控制器4控制配重装置6的下压电机6.2工作，即下压电机6.2带动下压盘6.1向上提升水囊5.4，提升水囊5.4同时打开排水管5.2 和进气管5.3的电磁阀，使水囊5.4内部的水增加，浮体5空腔内的空气减少；这样就实现了浮体5的重量的可变，最终实现浮体5与自然波浪产生共振；这种可变配重可设成定时动作或者实时动作；
由于波浪的浪高无规律，其范围从0.1米至十几米，而转轮的直径是固定的，在广阔的波高范围，固定直径的转轮转速从低到高达几十倍之多，因此本系统采用变极多速永磁发电机的手段，使系统适应各种波高的转速要求，达到波浪能最优采集；
以变极3速永磁发电机为例，其具体实现：
如果受力转轮1.1的直径为0.3米，波浪的周期为4秒，则从浪高0.1米的微波至浪高4米的大浪，系统内轴的转速范围从12转/分至510转/分，具体细分：在浪高0.1米的微波至浪高1.5米的中浪时，内轴的转速在（12转/分至187转/分）区间，在浪高1.6米的中浪至浪高2米的中浪时，内轴的转速在（199转/分至250转/分）区间，在浪高2.1米的中浪至浪高4米的大浪时，内轴的转速在（262转/分至510转/分）区间；
如果变极3速永磁发电机的额定频率为34HZ，则发电机为22极时，其转速范围是（0转/分至187转/分），发电机为14极时，其转速范围是（0转/分至255转/分），发电机为8极时，其转速范围是（0转/分至510转/分）；
使系统适应各种波高的转速要求，由（装在下受力转轮1.1的外轴1.5上）测速电机11测量外轴1.5的转速，微处理器判断内轴1.4的转速，如果内轴1.4的转速在（转速12转/分至187转/分）区间，则由智能控制器4发出把永磁发电机2通过继电器模块21控制接触器17切换为22极的指令，如果内轴1.4的转速在（转速199转/分至250转/分）区间，则由智能控制器4发出把永磁发电机2通过继电器模块21控制接触器17切换为14极的指令，如果内轴1.4的转速在（转速262转/分至510转/分）区间，则由智能控制器4发出把永磁发电机2通过继电器模块21控制接触器17切换为8极的指令，如图2、图3、图5和图15所示；
用永磁发电机的2个优点，其一是无需增速变速箱，使系统可靠，减低成本。其二是无需励磁，节能高效；
尽管系统采取变极多速发电的措施，但每个转速区间内的转速是波动的，导致发电机的输出电压的波动，因此本系统采取DC/DC变换器3，在某个区间的低速段，发电机的电压较低，通过DC/DC变换器3中的BOOST电路构成直流升压，使达到恒定的直流电压输出，并在模块的末端配置大电容或超级电容或蓄电池，便于多单元并接，便于逆变并网，便于储能；
智能控制器4可采用单片机编程的方式实现协调各功能模块工作，是本系统的中枢，其构建的智能波浪发电系统，即可以用作智能储能并网发电系统，也可用作智能独立发电系统；
支架7的作用是能吸收浮体5下落能量以及浮体5摇晃的能量，支架分几种方式安装：
当本发明智能波浪发电系统设置在浅滩时，安装方式可分为：
单体海底安装，单个智能波浪发电系统单元的支架直接固定在海床上如图7所示。
群体海底安装，成群的智能波浪发电系统单元的支架排成等距直线，固定在海床上的水平支架上，水平支架的垂直桩固定在海床上，每个单元之间的距离为：小于此海域常年的平均波浪波长除以π，其目的是使各单元构成水波的“天线效应”（水波聚集），达到本系统波浪能最优采集如图9所示；
当本发明智能波浪发电系统设置在深水区时，需要在海水中放置潜浮体，单个智能波浪发电系统单元的支架固定在潜浮体上，由锚绳或锚链和海底张紧锚系驻潜浮体，潜浮体潜浮在海水中如图1所示；
群体潜浮体安装，成群的智能波浪发电系统单元的支架排成等距直线，固定在潜浮体上，由锚绳或锚链和海底张紧锚系驻潜浮体，潜浮体潜浮在海水中，每个单元之间的距离为：小于此海域常年的平均波浪波长除以π，其目的是使各单元构成水波的“天线效应”（水波聚集），达到本系统波浪能最优采集如图8所示。
防风暴机构8包括：电机8.1、固定在电机8.1轴端的驱动齿轮8.2和固定在轴向牵引浮体5绳索末端连接受力轮1.1上的配合齿轮8.3；防风暴机构8作用为若浪高超出本系统设计的浪高，则视为遇到台风或风暴，防风暴机构8中的电机转动，带动下受力轮1.1收紧浮体5下面的绳索，使浮体5下沉，并抱闸，防止系统遭受破坏，智能控制器4实时判断浪高。如图3和图15所示；
具体实施为：智能控制器4实时判断浪高，若浪高超出本系统设计的浪高，则视为遇到台风或风暴，智能控制器4发出指令，通过继电器模块21控制，让防风暴机构8中的电机8.1转动，通过固定在电机8.1轴端的驱动齿轮8.2与外轴1.5上的配合齿轮8.3啮合，进而带动下受力转轮1.1收紧轴向牵引浮体5下面的绳索，使浮体5下沉，浮体5下沉到位后，防风暴机构8抱闸，防止系统遭受破坏。中央基站通过浪高仪18检测浪高，如果浪高低于本系统设计的浪高，中央基站通过网络通知智能波浪发电系统单元，智能波浪发电系统单元收到信息，智能控制器4发出指令，通过继电器模块21控制，防风暴机构8松闸，智能波浪发电系统单元重新投入工作。
多个智能波浪发电单元；
与每个智能波浪发电单元的输出端并联连接，用于汇总多个智能波浪发电单元的输出电能并传送电能的母线；
与母线并联连接，用于对汇总的多个智能波浪发电单元的输出电能进行DC-AC变换的逆 变电路；
当采用化学储能时，还包括并联接在逆变电路输入端，利用化学能与电能相互转换进行储能的化学储能装置；所述逆变电路的输出端与并入电网或与离网用户连接；
当采用物理储能时，还包括并联接在逆变电路输出端，利用机械能与电能相互转换进行储能的物理储能装置；所述物理储能装置的输出端与并入电网或与离网用户连接；
连接储能装置，用于控制和管理能量储存和释放的储能管理电路；所述储能管理电路为化学储能管理电路或物理储能管理电路；
连接电网输入端，用于监测电网负载耗电功率的负载监测电路；
分别通过组网连接多个智能波浪发电单元、储能管理电路和负载监测电路，用于实时查询各个智能波浪发电单元的发电功率和电网负载耗电功率并根据查询结果累加多个智能波浪发电单元的发电功率并控制调节储存能量大小和释放能量大小的中央基站；
所述中央基站还设有用于实时监测浪高并发送浪高参数的浪高仪18；
进一步地，所述智能波浪发电单元的电控部分包括：
用于利用波浪能进行变极多速发电的变极多速永磁发电机2；
连接变极多速永磁发电机2，用于切换变极多速永磁发电机的磁极对数的接触器17；
通过接触器17与变极多速永磁发电机2相连接，用于对变极多速永磁发电机2输出的交流电进行整流的整流电路；
连接整流电路输出端，用于对整流电路输出的直流电压进行升压并稳压的DC-DC变换器3；
用于测量外轴1.5转速的测速电机11；
用于测量灌水皮囊顶部位置的位置传感器15；
智能控制器4；
所述智能控制器4包括：
连接测速电机11，用于检测测速电机极性的施密特触发器12；
连接施密特触发器12，用于捕获施密特触发器12输出的一定数量高电平和低电平的定时器捕获模块13；
连接测速电机11，用于将测速电机11的输出电压信号进行模数转换的第一模数转换模块14；
连接位置传感器15，用于对位置传感器输出的位置信号进行模数转换的第二模数转换模块16；
用于与中央基站组网进行通讯的网络通讯模块20；
分别连接定时器捕获模块13、第一模数转换模块14、第二模数转换模块16和网络通讯模块20，用于根据定时器捕获模块13所捕获的一定数量的高电平和低电平的维持时间计算自然波浪的周期和振荡频率、用于根据第一模数转换模块14传输过来的测速电机11输出电压信号得出变极多速永磁发电机2的转速并结合波浪周期和受力轮的直径计算波浪的浪高、用于根据第二模数转换模块16传输过来的位置信号计算配重装置6的实时重量值、用于根据浮体5的固有振荡频率和自然波浪的振荡频率与浮体5的固有振荡频率相等的条件计算配重装置6的应有重量值、用于比较计算出来的应有重量值和实时重量值，当实时重量值大于应有重量值时发出减重指令，当实时重量值大于应有重量值时发出增重指令直至实时重量值与应有重量值相等和用于根据变极多速永磁发电机2的转速控制接触器17切换动作、用于根据计算出的浪高参数以及通过网络通讯模块20得到浪高仪18发送的浪高参数控制防风暴机构8动作的CPU模块19；
所述电控部分还包括通过继电器模块21与CPU模块19相连接，用于根据CPU模块19发出的增重指令和减重指令进行开关的电磁阀；通过继电器模块21与CPU模块19相连接，根据接收到的不同的CPU模块19传输过来的控制动作指令分别完成抱闸松闸动作和控制浮体上升下沉的防风暴机构8；
所述接触器17的控制端通过继电器模块21与CPU模块19相连接，接收CPU模块19传输过来的接触器17切换动作指令；
进一步地，所述DC-DC变换器3的输出端并联连接有超级电容；
进一步地，所述母线的分布电容与DC-DC变换器3的输出端接有的超级电容并联；
如图12所示为本发明所述采用化学储能时其中化学电池储能系统的结构框图；多个化学电池组成化学电池组并联接在逆变电路的输入端，实现将电能转换为化学能进行能量储存，化学储能管理电路完成化学电池的充电放电管理，同时中央基站根据所查询的多个智能波浪单元的发电功率和负载监测电路反馈的负载耗电功率发送所需储能大小的信号给化学储能管理电路；化学储能管理电路据此控制所储存能量的释放；
如图13所示为本发明所述采用物理储能时其中抽水储能系统的结构框图；所述储能装置包括多个水泵、下水库、上水库、水轮机和发电机；多个智能波浪单元的DC-DC变换器输出端分别连接逆变电路，逆变电路分别输出三相交流电压给多个水泵，水泵将水从下水库抽到上水库，实现电能转化成重力势能储存能量，物理储能管理电路实时监测上水库蓄水量、同时中央基站根据所查询的多个智能波浪单元的发电功率和负载监测电路反馈的负载耗电功率发送所需储能大小的信号给物理储能管理电路；物理储能管理电路据此控制所储存水量的释放；水轮机将水流的能量转换为旋转机械能再经由发电机将机械能转换为电能输出给电网；
如图14所示为本发明所述采用物理储能时其中压缩空气储能系统的结构框图；所述储能装置包括多个气泵、储气罐或沉降在海底的气罐、空气透平机和发电机；多个智能波浪单元的DC-DC变换器输出端分别连接逆变电路，逆变电路分别输出三相交流电压给多个气泵，气泵将电能用于压缩空气，将空气高压密封在储气罐或沉降在海底的气罐，物理储能管理电路实时监测储气罐或沉降在海底的气罐的蓄气量、同时中央基站根据所查询的多个智能波浪单元的发电功率和负载监测电路反馈的负载耗电功率发送所需储能大小的信号给物理储能管理电路；物理储能管理电路据此控制所储存空气的释放；空气透平机将空气的能量转换为机械能再经由发电机将机械能转换为电能输出给电网；
智能储能并网发电系统，以最大汲取自然波浪能和以优质电能质量并入电网为目的。其构思为如图10、图11、图12、图13、图14和图15所示，在系统中设置一个中央基站（陆基或海基），基站与各智能波浪发电系统单元之间由网络通讯模块20进行网络通讯，实时查询各个单元的发电功率，将各个单元的发电功率进行累加并分级储能。（图11，图13）以抽水蓄能为例，（压缩空气储能控制方式抽水蓄能相似（图14）﹑例如，假设此海域最大即时功率为1MW，则系统用25个功率为40kW的智能波浪发电系统单元和1个中央基站和1个浪高仪及若干物理储能电路构建，分20段储能控制（分段越多越好，视成本情况），用20台50kW水泵接入送往高落差蓄水库的管道，基站计算机根据各发电单元的功率累加分级投入水泵抽水储能，如果此时智能波浪发电系统的功率为500kW，则投入10台水泵（软启动），某时刻系统的功率为565kW，则再投入1台水泵，为11×50kW，某时刻系统的功率为460kW，则系统切掉2台水泵，为9×50kW，如此达到最大汲取自然波浪能。蓄水库通过管道推动水轮发电机组发电（优质电能），并入电网。
智能储能离网发电系统，以最大汲取自然波浪能和以最大程度地满足用户随时变化的即时用电负载功率为目的。其物理储能离网发电构思为如图11、图13和图14所示，其化学储能离网发电构思为如图10和图12所示。以化学电池为例，例如，根据离网区域的用电容量，配备相应数量的智能波浪发电系统单元，配备相应数量的化学电池，化学电池的容量大于本区域日最大用电量（图12）。在系统中设置一个中央基站（陆基或海基）和1个浪高仪以及若干化学储能管理电路构建，基站与各智能波浪发电系统单元之间由网络通讯模块20进行网络通讯，实时控制和调度系统的负载工况和储能工况，由化学储能管理电路执行合理充电和科学放电。例如，如果此刻用户的负载功率是300kW，而整个波浪发电系统功率是500kW，中央基站实时调度300kW给用户，分配200kW用于化学电池充电储能，如果此刻用户的负载功率是600kW，而整个波浪发电系统功率是400kW，中央基站不仅实时调度整个波浪发电系统的400kW给用户，而且通过化学储能管理电路执行化学电池放电，释放化学电池组中的 200kW电能分配给用户负载，以满足用户的需求。
如图15所示智能控制器的CPU模块根据测速电机输出电压信号得出变极多速永磁发电机的转速并结合波浪周期和转轮的直径计算波浪的浪高，计算过程如下：由转速n=60ωZ0/π2r其中r为转轮半径，ω为浮体振荡频率，得出浮体起伏幅度Z0值，由Z0=（系数*F0）/ρgAwp，其中ρ为海水质量密度，g为重力加速度，Awp为浮体截面积，得出浮体所受波浪力F0，由F0=[(ρgHAwp)/4*(1－π2R2)/2λ2]*[e(-2πD)/λ+1]，其中R为浮体底面半径，D为浮体底面直径，波浪波长λ=gT2/2π，T为波浪周期，根据定时器捕获模块所捕获的一定数量的高电平和低电平的维持时间计算自然波浪的周期和振荡频率，从而得出浪高H；
智能控制器4的CPU模块19根据浮体5的固有振荡频率和自然波浪的振荡频率与浮体5的固有振荡频率相等的条件计算配重装置6的应有重量值，M=（ρgAwp T2）/(4π2)－(ρD3)/6，其中ρ为海水质量密度，g为重力加速度，Awp为浮体5截面积，T为波浪周期，D为浮体底面直径；从而得出配重装置6的应有重量值；
本发明提供的一种智能发电系统，通过采用多个智能波浪发电单元，充分利用自然波浪能，节能环保；采用中央基站根据负载工况实时控制和管理发电单元以及储能工况，保证了系统的准确性和可靠性；通过附加的可以为化学储能或物理储能的储能装置，实现了根据负载不同而合理利用系统备用能量并且提高了系统稳定性；每个智能波浪发电单元均采用DC-DC变换器，不仅实现了升压且保证了输出电压的稳定性；每个智能波浪发电单元均通过施密特触发器、测速电机和位置传感器等实时检测进行波浪情况的系统结构部分工况，再通过智能控制器分析计算自然波浪的周期、振荡频率、浪高等波浪参数，从而根据当前波浪参数实时调整系统各相关组成，实现了系统最优利用波浪能和稳定高效。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种智能发电系统，其特征在于包括:
多个智能波浪发电单元；
与每个智能波浪发电单元的输出端并联连接，用于汇总多个智能波浪发电单元的输出电能并传送电能的母线；
与母线并联连接，用于对汇总的多个智能波浪发电单元的输出电能进行DC-AC变换的逆变电路；
当采用化学储能时，还包括并联接在逆变电路输入端，利用化学能与电能相互转换进行储能的化学储能装置；所述逆变电路的输出端并入电网或与离网用户连接；
当采用物理储能时，还包括并联接在逆变电路输出端，利用机械能与电能相互转换进行储能的物理储能装置；所述物理储能装置的输出端并入电网或与离网用户连接；
连接储能装置，用于控制和管理能量储存和释放的储能管理电路；所述储能管理电路为化学储能管理电路或物理储能管理电路；
连接电网输入端，用于监测电网负载耗电功率的负载监测电路；
分别通过组网连接多个智能波浪发电单元、储能管理电路和负载监测电路，用于实时查询各个智能波浪发电单元的发电功率和电网负载耗电功率并根据查询结果累加多个智能波浪发电单元的发电功率并控制调节储存能量大小和释放能量大小的中央基站；
所述中央基站还设有用于实时监测浪高并发送浪高参数的浪高仪（18）。
2.根据权利要求1所述的一种智能发电系统，其特征在于所述智能波浪发电单元的结构部分包括：波浪能捕获装置（1）、变极多速永磁发电机（2）、DC/DC变换器（3）、智能控制器（4）、浮体（5）、配重装置（6）、支架（7）、防风暴机构（8）和锚（9）；所述波浪能捕获装置（1）包括：受力轮（1.1）、棘轮（1.2）、与棘轮（1.2）配合的棘爪盘总成（1.3）、内轴（1.4）和外轴（1.5）；所述外轴（1.5）套置在内轴（1.4）上；所述棘轮（1.2）固定在内轴（1.4）上；所述棘爪盘总成（1.3）固定在外轴（1.5）上；所述受力轮（1.1）固定在外轴（1.5）上；所述外轴（1.5）上固定有用于使外轴（1.5）相对于内轴（1.4）回转的回转装置（10）；所述波浪能捕获装置（1）固定在浮体（5）上端面；所述浮体（5）通过绳索牵引设置于支架（7）内；所述浮体（5）上设置有用于将绳索导向的导向轮（5.1），且所述绳索缠绕过导向轮（5.1）后与波浪能捕获装置（1）的受力轮（1.1）缠绕且固定；所述变极多速永磁发电机（2）设置于浮体（5）内部，且变极多速永磁发电机（2）输入轴与波浪能捕获装置（1）内轴连接；所述DC/DC变换器（3）设置于浮体（5）内，且通过电路与变极多速永磁发电机总成（2）连接；所述浮体（5）内部设置有用于控制浮体（5）自身重量的配重装置（6）；所述智能控制器（4）固定在浮体（5）内部，且通过电路与防风暴机构（8）、配重装置（6）和DC/DC变换器（3）连接；所述支架（7）上浮体（5）下端固定有用于拉伸浮体（5）轴向牵引绳索的防风暴机构（8）；所述支架（7）通过锚（9）固定在水中；回转装置（10）包括：固定在波浪能捕获装置（1）外轴（1.5）上的回转轮（10.1）和与回转轮（10.1）通过绳索连接重力块（10.2）；支架（7）上端固定有用于连接牵引浮体（5）绳索的环形圈（7.1）；所述牵引浮体（5）的绳索轴向上数量不少于1条，径向牵引浮体（5）的绳索数量不少于8条，且所述径向牵引浮体（5）的绳索均匀分布在环形圈（7.1）上；所述防风暴机构（8）包括：电机（8.1）、固定在电机（8.1）轴端的驱动齿轮（8.2）和固定在轴向牵引浮体（5）绳索末端连接受力轮（1.1）上的配合齿轮（8.3）；所述浮体（5）底部设置有空腔，且空腔位置设置有带电磁阀的排水管（5.2）和带有电磁阀的进气管（5.3），且所述进气管（5.3）轴向伸出与浮体（5）；浮体（5）空腔内部设置有水囊（5.4）；所述配重装置（6）包括：下压盘(6.1)和用于驱动下压盘（6.1）沿着浮体（5）轴向方向上运动的下压电机（6.2）；所述下压盘（6.1）与浮体（5）内水囊（5.4）上表面固定；波浪能捕获装置（1）内轴（1.4）与变极多速永磁发电机（2）输入轴通过链条与链轮配合传递动力；所述浮体（5）内设置有用于检测外轴（1.5）转速的测速电机（11）。
3.根据权利要求1所述的一种智能发电系统，其特征在于所述智能波浪发电单元的电控部分包括：
用于利用波浪能进行变极多速发电的变极多速永磁发电机（2）；
连接变极多速永磁发电机，用于切换变极多速永磁发电机（2）的磁极对数的接触器（17）；
通过接触器（17）与变极多速永磁发电机相连接，用于对变极多速永磁发电机输出的交流电进行整流的整流电路；
连接整流电路输出端，用于对整流电路输出的直流电压进行升压的DC-DC变换器（3）；
用于检测外轴（1.5）转速的测速电机（11）；
用于检测水囊（5.4）顶部位置的位置传感器（15）；
智能控制器（4）；
所述智能控制器（4）包括：
连接测速电机（11），用于检测测速电机（11）极性的施密特触发器（12）；
连接施密特触发器（12），用于捕获施密特触发器（12）输出的一定数量高电平和低电平的定时器捕获模块（13）；
连接测速电机（11），用于将测速电机（11）的输出电压信号进行模数转换的第一模数转换模块（14）；
连接位置传感器（15），用于对位置传感器（15）输出的位置信号进行模数转换的第二模数转换模块（16）；
用于与中央基站组网进行通讯的网络通讯模块（20）；
分别连接定时器捕获模块（13）、第一模数转换模块（14）、第二模数转换模块（16）和网络通讯模块（20），用于根据定时器捕获模块（13）所捕获的一定数量的高电平和低电平的维持时间计算自然波浪的周期和振荡频率、用于根据第一模数转换模块（14）传输过来的测速电机输出电压信号得出变极多速永磁发电机的转速并结合波浪周期和受力轮（1.1）的直径计算波浪的浪高、用于根据第二模数转换模块（16）传输过来的位置信号计算配重装置（6）的实时重量值、用于根据浮体（5）的固有振荡频率和自然波浪的振荡频率相等的条件计算配重装置（6）的应有重量值、用于比较计算出来的应有重量值和实时重量值，当实时重量值大于应有重量值时发出减重指令，当实时重量值小于应有重量值时发出增重指令直至实时重量值与应有重量值相等和用于根据变极多速永磁发电机的转速控制接触器切换动作、用于根据计算出的浪高参数以及通过网络通讯模块（20）得到浪高仪（18）发送的浪高参数控制防风暴机构（8）动作的CPU模块（19）；
所述电控部分还包括通过继电器模块（21）与CPU模块（19）相连接，用于根据CPU模块（19）发出的增重指令和减重指令进行开关的电磁阀；通过继电器模块（21）与CPU模块（19）相连接，根据接收到的不同的CPU模块（19）传输过来的控制动作指令分别完成抱闸松闸动作和控制浮体（5）上升下沉的的防风暴机构（8）；
所述接触器（17）的控制端通过继电器模块（21）与CPU模块（19）相连接，接收CPU模块（19）传输过来的接触器（17）切换动作指令。
4.根据权利要求3所述的一种智能发电系统，其特征在于所述DC-DC变换器的输出端并联连接有超级电容。
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