CN103758687A - 波浪能和海流能的集成发电装置及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波浪能和海流能的集成发电装置，其包括：海底导流沉箱；设置在海底导流沉箱内的水轮机；设置在水轮机传动轴外且漂浮在水面上的振荡浮子；安装在传动轴上且位于振荡浮子上方的圆形空舱，其外表面设有固定架，其内设置液压集成发电模块；其中，所述振荡浮子与所述固定架之间设置三个液压缸；液压集成发电模块通过水轮机和振荡浮子分别将海水的海流能和波浪能转换为电能。本发明的集成发电装置，可同时对波浪能和海流能进行提取，发电过程持续、可控，工作可靠性高，输出电能质量高，经济效率好；此外，本发明还提供一种采用上述的发电装置进行发电的方法。

Description

波浪能和海流能的集成发电装置及其发电方法

技术领域

本发明涉及海洋能源开发利用技术领域，尤其涉及一种波浪能和海流能的集成发电装置及其发电方法。

背景技术

海洋能的蕴藏量巨大，其中波浪能的分布广泛，是海洋能开发的重点。但是，波浪能虽然有巨大的蕴藏量，但也有能量密度低、提取困难的特点，往往需要较大型的提取设备，并且由于海洋环境的恶劣，海上工程结构的造价较高。目前出现了许多单一开发波浪能的技术，但是由于这些开发技术需要建造专门的支持系统，成本和维护费用太高，因此很难推广。现阶段制约波浪能开发的面临的主要问题是：能量形式单一，间歇性强；发电过程不可控，输出电能质量差；提取装置一次性投资大；电价成本高，经济效益差；建站对周围环境影响大等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述缺点，提供一种波浪能和海流能的集成发电装置，其结构简单，可同时对波浪能和海流能进行提取，且提取方便，发电过程持续、可控，工作可靠性高，输出电能质量高，经济效率好；此外，本发明还提供一种采用上述的发电装置进行发电的方法。

为实现上述目的，一方面，本发明提供一种波浪能和海流能的集成发电装置，其包括：用于固定在海底的海底导流沉箱；设置在海底导流沉箱内的水轮机，具有伸出于海底导流沉箱上表面的竖直的传动轴；安置在传动轴外且漂浮在水面上的振荡浮子；安装在传动轴上且位于振荡浮子上方的圆形空舱，其外表面设有固定架；其中，所述振荡浮子与所述固定架之间设置用于将其连接为一体的三个液压缸；其中，所述圆形空舱内设置液压集成发电模块，其分别与水轮机的传动轴和液压缸的排油口连接；其中，当海水流过海底导流沉箱时，海水的海流能转换为水轮机的机械能，水轮机的机械能通过液压集成发电模块转换为电能；当振荡浮子随海水的波浪运动时，海水的波浪能转换为振荡浮子的机械能，振荡浮子的机械能转换为液压缸的液压能，液压缸的液压能通过液压集成发电模块转为电能。

其中，所述液压集成发电模块包括：与所述液压缸连接的油箱，用于向所述液压缸提供液压油；与所述水轮机连接的液压泵；与所述液压缸、液压泵分别连接的蓄能器，用于储存所述液压缸及液压泵输出的液压油；与所述蓄能器连接的液压马达，用于在所述蓄能器提供的液压油的作用下转动；与所述液压马达的输出轴连接的发电机，其在液压马达的驱动下发电；其中，在所述油箱和所述液压缸的吸油口以及所述液压缸的排油口和所述蓄能器之间分别设置有单向阀组。

进一步的，所述液压集成发电模块还包括设置在所述油箱与所述蓄能器之间且与所述液压缸并列设置的溢流阀。

更进一步的，所述液压集成发电模块还包括设置在所述蓄能器与所述液压马达之间的电磁换向阀。

其中，所述液压缸的活塞杆通过第一球铰与所述振荡浮子连接，所述液压缸的缸体通过第二球铰与所述固定架连接。

其中，所述液压缸的数量为三个，且连接在三个液压缸与所述振荡浮子之间的三个第一球铰均匀分布于第一圆上，连接在三个液压缸与所述固定架之间的三个第二球铰均匀分布于第二圆上。

优选的，所述第二球铰与所述第二圆圆心之间的距离小于所述第一球铰与所述第一圆圆心之间的距离，以使所述液压缸保持向外倾斜的姿态。

其中，所述海底导流沉箱的两端迎流面呈渐扩形状，所述水轮机设置在所述迎流面的截面积最小的中间部位。

更进一步的，还包括设置在所述海底导流沉箱与所述空舱之间且转动安置于所述传动轴外壁的中空立柱，所述振荡浮子安装于所述中空立柱外壁。

本发明还提供一种采用上述的波浪能和海流能的集成发电装置进行发电的方法，该集成发电装置包括海底导流沉箱、安置在海底导流沉箱内的水轮机、安装于水轮机传动轴上的振荡浮子和具有固定架的圆形空舱、以及连接振荡浮子和固定架的多个液压缸，所述发电方法包括如下步骤：

A)将海底导流沉箱依靠自重沉入预定的海底位置，使振荡浮子漂浮在海面上；

B)通过使海水流过海底导流沉箱，将海水的海流能转换为水轮机转动的机械能，水轮机转动时具有的机械能通过传动轴传递给液压集成发电模块，并通过液压集成发电模块转换为电能；

C)通过振荡浮子随着海水波浪的运动，将海水的波浪能转换为振荡浮子运动的机械能，振荡浮子运动时具有的机械能转换为液压缸的液压能，液压缸的液压能通过液压集成发电模块转为电能。

其中，所述海底导流沉箱通过混凝土浇筑制成，所述固定架为由钢板焊接而成的中空箱体。

与现有技术相比，本发明的波浪能和海流能的集成发电装置及其发电方法具有如下突出的优点：

1)本发明的波浪能和海流能的集成发电装置，结构简单，可以对波浪能和海流能进行分别提取，使其转换为电能，且提取过程简单、方便，发电过程持续、可控，发电装置的工作可靠性高，输出电能质量高、经济效率好；

2)本发明的集成发电装置具有水轮机，其可将海水的海流能转换为水轮机转动的机械能，水轮机转动时将机械能进行传递，并通过液压集成发电模块将机械能转换为电能，提取过程简单、可靠；

3)本发明的集成发电装置具有液压缸和振荡浮子，其随着海水的起伏，将海水的波浪能转换为振荡浮子运动的机械能，振荡浮子运动时带动液压缸的活塞杆进行伸缩运动，将振荡浮子的机械能转换为液压缸的液压能，并通过液压集成发电模块将液压能转换为电能，提取过程简单、工作过程可靠；

4)本发明的集成发电装置具有集成发电模块，其分别与水轮机和液压缸相连，从而可分别将水轮机的机械能和液压缸的液压能转换为电能，其结构简单，发电过程持续、可靠，输出电能质量高。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

附图说明

图1为本发明的波浪能和海流能的集成发电装置的结构示意图；

图2为本发明的第一球铰所在平面示意图；

图3为本发明的第二球铰所在平面示意图；

图4为本发明的液压集成发电模块的结构示意图；

图5为图1所示的A-A向视图。

附图标记说明：1-海底导流沉箱；2-水轮机；3-振荡浮子；4-液压缸；5-液压集成发电模块；6-圆形空舱；7-固定架；9-传动轴；10-中空立柱；11-滚动轴承；12-齿轮箱；13-第一球铰；13a-第一圆；14-第二球铰；14a-第二圆；15-单向阀组；16-液压泵；17-溢流阀；18-油箱；19-蓄能器；20-压力开关；21-电磁换向阀；22-液压马达；23-发电机。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的波浪能和海流能的集成发电装置的结构示意图。由图1可知，其包括：依靠自身重力固定在海底的海底导流沉箱1；设置在海底导流沉箱1内的水轮机2，具有伸出于海底导流沉箱1上表面的竖直的传动轴9，该传动轴9即为水轮机2的动力输出轴；套装在传动轴9外且漂浮在水面上的振荡浮子3；安装在传动轴9上且位于振荡浮子3上方的圆形空舱6，其外表面设有固定架7；其中，振荡浮子3与固定架7之间设置用于将其连接为一体的多个液压缸4；其中，圆形空舱6内设置液压集成发电模块5，其分别与水轮机2的传动轴9和液压缸4的排油口连接。

本发明的集成发电装置中，当海水流过海底导流沉箱1时，海水的海流能转换为水轮机2的机械能，水轮机2的机械能通过液压集成发电模块5转换为电能；当振荡浮子3随海水的波浪运动时，海水的波浪能转换为振荡浮子3的机械能，振荡浮子3的机械能转换为液压缸4的液压能，液压缸4的液压能通过液压集成发电模块5转换为电能。

其中，如图1所示，海底导流沉箱1是大质量的长方形箱体，其在陆地上用混凝土浇筑制成，然后将其沉入海底，依靠其自重使其固定在海底的预定位置。

而如图5所示，海底导流沉箱1两端迎流面呈现逐渐扩大的形状，也就是说，海底导流沉箱1迎着海流方向(即垂直于海水流动方向)的迎流面的横截面积中，位于前后两端的迎流面的横截面积大于位于中间的迎流面的横截面积，即位于中间的迎流面的横截面积最小，而水轮机2安置在位于中间的迎流面处。

由于海底导流沉箱1两端迎流面呈现逐渐扩大的形状，因此在引导潮汐流通过时，潮汐流在海底导流沉箱1的中间部位加大流速，从而推动设置在中间位置处的水轮机2转动，将海流能转换为水轮机2转动的机械能，水轮机2的机械能通过液压集成发电模块5转换为电能，从而通过水轮机2实现了对海流能的提取。

具体的，水轮机2工作时，其传动轴9转动，并将动力传递给与传动轴9顶端相连的液压集成发电模块5。

其中，如图1所示，液压集成发电模块5安置在位于水面上方且远离水面的圆形空舱6内，在圆形空舱6内预留用于安装液压集成发电模块的道门(图中未示出)，并在道门处设置防水密封。并且，在圆形空舱6与海底导流沉箱1之间设置有与其分别固定连接的空心立柱10，而传动轴9穿设于空心立柱10内，并且为了保证传动轴9的稳定转动，在空心立柱10与传动轴9之间设置多个滚珠轴承11。

而如图4所示，液压集成发电模块5包括：用于盛放液压油的油箱18；与水轮机2连接的液压泵16，当水轮机2工作时，带动液压泵16从油箱18中吸油；与液压泵16连接的蓄能器19，用于储存液压泵16输出的液压油；与蓄能器19连接的液压马达22，用于在蓄能器19提供的液压油的作用下转动；与液压马达22的输出轴连接的发电机23，其在液压马达22的驱动下发电；其中，在油箱18与蓄能器19之间设置有与液压泵16并列的溢流阀17，以防止蓄能器19内液压油压力超过预定值；并且，在蓄能器19与液压马达22之间设置有电磁换向阀21，而在电磁换向阀21与蓄能器19之间设置有压力开关20。

而为了提高液压泵16的工作性能，在液压泵16与油箱18之间设置增速的齿轮箱12，可以提高液压泵16的转速。

当蓄能器19中储存的加压液压油达到设定压力值时，压力开关20动作，电磁换向阀21开启，工作油路接通，蓄能器19中压力油供给液压马达22，液压马达22转动并驱动与其输出轴连接的发电机23发电。而当蓄能器19中的液压油的压力降低后，压力开关20动作，电磁换向阀21关闭，工作油路切断，液压泵继续向蓄能器19内储存由海流能转换成的液压能，直至蓄能器19中储存的加压液压油达到设定压力值并进入下一个发电工作循环。这样，实现了对海流能进行提取并进行发电的过程。

其中，在圆形空舱6的外表面设置圆形固定架7，在圆形空舱6与海底导流沉箱1之间的空心立柱10外安装有振荡浮子3。通过振荡浮子3在海面上随着波浪的运动，将波浪能转换为振荡浮子3的机械能。

具体的，如图1所示，振荡浮子3为采用普通钢板焊接而成的中空浮体，其上下表面为平面，上下表面之间的连接面为球形面，其中心设置有用于穿过空心立柱10的通孔。振荡浮子3的外部涂覆防腐漆，且在水面上呈正浮状态。

如图1所示，振荡浮子3的上表面通过三个液压缸4与固定架7相连接。为保证液压缸4能够自由摆动，液压缸4缸体底端通过第一球铰13与固定架7相连接，液压缸4活塞杆端部通过第二球铰14与振荡浮子3相连接。

其中，振荡浮子3上第二球铰14的设置方式如图3所示，三个第二球铰设置在位于同一平面的第二圆14a上，且在第二圆14a的圆周呈等间隔120度分布。固定架7上的第一球铰13位置与振荡浮子3上的第二球铰14布置类似，如图2所示，即三个第一球铰设置在位于同一平面的第一圆13a上，且在第一圆13a的圆周呈等间隔120度分布，只是每个第一球铰与第一圆13a的圆心之间的距离大于第二球铰与第二圆圆心之间的距离。

应用中，液压缸4采用防水型液压缸，以防止外界海水通过液压缸4渗入液压油中。而第一球铰13、第二球铰14均采用防海水腐蚀的不锈钢制成。

通过上述的布置方式，可以让三个液压缸4保持向外倾斜的姿态，从而保证振荡浮子3可以跟随海面上的波浪自由振荡，并依靠三个液压缸的极限伸长量和振荡浮子3中间圆形通孔半径的匹配，保证振荡浮子3振荡时不会撞击到中空立柱10，并在振荡浮子3与固定架7距离变小时使液压缸保持受压状态。

当振荡浮子随波浪运动时，必然造成其与固定架7之间相对距离的变化，并拉动或压缩液压缸的活塞杆动作，通过拉伸或压缩液压缸4活塞杆的动作，使得液压缸4在推、拉活塞杆的动作过程中产生吸、排液压油的作用，从而将振荡浮子3随波浪运动产生的机械能转换为液压油压力能，并输送到液压集成发电模块7中，从而将液压油压力能转换为电能。

其中，液压集成发电模块7除了上述的油箱18、液压泵16、蓄能器19、液压马达22、发电机23、溢流阀17、电磁换向阀21和压力开关20等元件外，还包括：分别设置在油箱18和液压缸4的吸油口以及液压缸4的排油口和蓄能器19之间的单向阀组15，且液压集成发电模块7通过液压油管与设置在圆形空舱6之外的三个液压缸4相连，并且单向阀组15与溢流阀17并联安置在油箱18与蓄能器19之间。

具体的，液压缸4的吸油口与油箱18相连，液压缸4的排油口与蓄能器19连接，使蓄能器19可以储存液压缸4输出的液压油，而与蓄能器19连接的液压马达22可以在由液压缸4输送到蓄能器的液压油的作用下转动，并驱动与其输出轴连接的发电机23进行发电。

其中，如图4所示，由于在油箱18和液压缸4的吸油口之间设置有单向阀组15，可以在液压缸4的活塞杆伸出时，使油箱18内的液压油从液压缸4的吸油口进入，而在液压缸4的活塞杆缩回时，使液压缸4内的液压油不能从液压缸4的吸油口回流到油箱18内。

其中，如图4所示，在液压缸4的排油口和蓄能器19之间也设置有单向阀组15。当液压缸4的活塞杆缩回时，可以使液压缸4内的液压油从液压缸4的排油口流出并进入到蓄能器19内。

由于波浪的作用，液压缸的活塞杆连续发生伸缩运动，从而在两组单向阀组15的作用下，液压油从油箱吸入液压缸并加压输送到蓄能器中储存。

当蓄能器中储存的加压液压油达到设定压力值时，压力开关20动作，电磁换向阀21开启，蓄能器19中液压油被供给液压马达22，液压马达22转动驱动与其同轴的发电机23进行发电，从而实现了波浪能转换为液压油压力能、液压油压力能转换为电能的转换利用。

液压集成发电模块7中的各元件在制作时选用的零部件与陆地设备使用的标准件相同，只是由于维修更换较难，因此应选择制造质量更高的元件来制造以提高系统的可靠性。

此外，本发明还提供一种采用上述的波浪能和海流能的集成发电装置进行发电的方法，其包括如下步骤：

A)将水轮机安置在海底导流沉箱的迎流面横截面积最小的中间位置，并使水轮机传动轴伸出于海底导流沉箱的上表面；

将中空立柱通过上下两个滚珠轴承转动安置在水轮机传动轴的外部，并将中空立柱的底端固定在海底导流沉箱的上表面；

将振荡浮子套在中空立柱外部，使振荡浮子与中空立柱之间存在环形空间；

将外部带有固定架、内部带有液压集成发电模块的圆形空舱安装在中空立柱的顶端，并通过三个间隔120度的液压缸将振荡浮子与固定架连接为一体；

通过液压油管将三个液压缸分别与液压集成发电模块的油箱相连，通过水轮机的传动轴使水轮机与液压泵相连，从而组装成集成发电装置；

将集成发电装置中的海底导流沉箱依靠自重沉入预定的海底位置，并使振荡浮子漂浮在海面上。

B)通过海底导流沉箱1两端迎流面呈现逐渐扩大的形状，使海水的潮汐流流过海底导流沉箱时，潮汐流在海底导流沉箱1的中间部位加大流速，从而推动设置在中间位置处的水轮机2转动，将海流能转换为水轮机2转动的机械能；

水轮机转动时，其传动轴通过齿轮箱将动力传递给液压泵，从而将水轮机2转动的机械能转换为使液压泵工作的液压能；

当液压泵工作时，从油箱中吸油并加压向蓄能器输送，使蓄能器19中储存经过加压的液压油；

当蓄能器19中储存的加压液压油达到设定压力值时，压力开关20动作，电磁换向阀21开启，工作油路接通，蓄能器19中压力油供给液压马达22，液压马达22转动并驱动与其输出轴连接的发电机23发电；

而当蓄能器19中的液压油的压力降低后，压力开关20动作，电磁换向阀21关闭，工作油路切断，液压泵继续从油箱吸油并向蓄能器19内输送加压的液压油，直至蓄能器19中储存的加压液压油达到设定压力值并进入下一个发电工作循环，从而实现了对海流能进行提取并进行发电的过程。

C)当海面有波浪时，振荡浮子1随着波浪运动，在运动过程中振荡浮子1与固定架7之间的相对距离发生变化，使得连接两者的液压缸的活塞杆进行伸出或缩回的动作；

通过振荡浮子1拉伸或压缩液压缸2活塞杆的动作，使得液压缸2在推、拉活塞杆的动作过程中产生吸、排液压油的作用，从而将振荡浮子1随波浪运动产生的机械能转换为液压油压力能，即从油箱吸入液压缸的液压油被加压输送到蓄能器中储存；

输送到蓄能器中储存的液压油压力随着波浪的运动持续增加，当蓄能器中储存的加压液压油达到设定压力值时，压力开关20动作，电磁换向阀21开启，蓄能器19中的加压液压油被供给液压马达22，从而驱动液压马达22转动，液压马达22转动时驱动与其输出轴连接的发电机23转动，从而使发电机23进行发电；

而当蓄能器19中的液压油的压力降低后，压力开关20动作，电磁换向阀21关闭，工作油路切断，随着振荡浮子在海面的波动，液压缸的活塞杆持续进行拉伸或缩回的动作，从而使液压缸继续向蓄能器19内输送加压的液压油，直至蓄能器19中储存的加压液压油达到设定压力值并进入下一个发电工作循环，从而实现了对波浪能进行提取及运用其进行发电的过程。

上述步骤B)中利用水轮机进行海流能的提取以进行发电的方法和步骤C)中利用振荡浮子进行波浪能提取以进行发电的方法，两种方法同时进行且相互补充，从而实现发电机进行持续发电的过程，并且达到使海洋可再生能源低成本规模人开发利用的目标，具有重大经济、社会效益。

尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种波浪能和海流能的集成发电装置，其特征在于，包括：

用于固定在海底的海底导流沉箱；

设置在海底导流沉箱内的水轮机，具有伸出于海底导流沉箱上表面的竖直的传动轴；

安置在传动轴外且漂浮在水面上的振荡浮子；

安装在传动轴上且位于振荡浮子上方的圆形空舱，其外表面设有固定架；

其中，所述振荡浮子与所述固定架之间设置用于将其连接为一体的三个液压缸；

其中，所述圆形空舱内设置液压集成发电模块，其分别与水轮机的传动轴和液压缸的排油口连接；

其中，当海水流过海底导流沉箱时，海水的海流能转换为水轮机的机械能，水轮机的机械能通过液压集成发电模块转换为电能；当振荡浮子随海水的波浪运动时，海水的波浪能转换为振荡浮子的机械能，振荡浮子的机械能通过液压缸转换为液压油压力能，然后液压油的压力能通过液压集成发电模块转换为电能。

2.根据权利要求1所述的波浪能和海流能的集成发电装置，其特征在于，所述液压集成发电模块包括：

与所述液压缸连接的油箱，用于向所述液压缸提供液压油；

与所述水轮机连接的液压泵；

与所述液压缸、液压泵分别连接的蓄能器，用于储存所述液压缸及液压泵输出的液压油；

与所述蓄能器连接的液压马达，用于在所述蓄能器提供的液压油的作用下转动；

与所述液压马达的输出轴连接的发电机，其在液压马达的驱动下发电；

其中，在所述油箱和所述液压缸的吸油口以及所述液压缸的排油口和所述蓄能器之间分别设置有单向阀组。

3.根据权利要求2所述的波浪能和海流能的集成发电装置，其特征在于，所述液压集成发电模块还包括设置在所述油箱与所述蓄能器之间且与所述液压缸并列设置的溢流阀。

4.根据权利要求2或3所述的波浪能和海流能的集成发电装置，其特征在于，所述液压集成发电模块还包括设置在所述蓄能器与所述液压马达之间的电磁换向阀。

5.根据权利要求1或2所述的波浪能和海流能的集成发电装置，其特征在于，所述液压缸的活塞杆通过第一球铰与所述振荡浮子连接，所述液压缸的缸体通过第二球铰与所述固定架连接。

6.根据权利要求5所述的波浪能和海流能的集成发电装置，其特征在于，所述液压缸的数量为三个，且连接在三个液压缸与所述振荡浮子之间的第一球铰均匀分布于第一圆上，连接在三个液压缸与所述固定架之间的三个第二球铰均匀分布于第二圆上。

7.根据权利要求6所述的波浪能和海流能的集成发电装置，其特征在于，所述第二球铰与所述第二圆圆心之间的距离小于所述第一球铰与所述第一圆圆心之间的距离，以使所述液压缸保持向外倾斜的姿态。

8.根据权利要求1或2所述的波浪能和海流能的集成发电装置，其特征在于，所述海底导流沉箱的两端迎流面呈渐扩形状，所述水轮机设置在所述迎流面的截面积最小的中间部位。

9.根据权利要求1或2所述的波浪能和海流能的集成发电装置，其特征在于，还包括设置在所述海底导流沉箱与所述空舱之间且安置所述传动轴外壁的中空立柱，所述振荡浮子安装于所述中空立柱外部并环绕中空立柱。

10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的波浪能和海流能的集成发电装置进行发电的方法，该集成发电装置包括海底导流沉箱、安置在海底导流沉箱内的水轮机、安装于水轮机传动轴上的振荡浮子和具有固定架的圆形空舱、以及连接振荡浮子和固定架的多个液压缸，所述发电方法包括如下步骤：

A)将海底导流沉箱依靠自重沉入预定的海底位置，使振荡浮子漂浮在海面上；

B)通过使海水流过海底导流沉箱，将海水的海流能转换为水轮机转动的机械能，水轮机转动时具有的机械能通过传动轴传递给液压集成发电模块，并通过液压集成发电模块转换为电能；

C)通过振荡浮子随着海水波浪的运动，将海水的波浪能转换为振荡浮子运动的机械能，振荡浮子运动时具有的机械能通过液压缸转换为液压油的压力能，液压油的压力能通过液压集成发电模块转为电能。

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