CN103832554B - 海浪发电船 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海浪发电船，包括：发电船体、设置于发电船体的储氢瓶组、海浪能采集器、动力装置、发电机、电控设备组、电解设备和氢气压缩机。当海浪起伏时，海浪能采集器采集的海浪能由动力装置转换成机械能，然后动力装置利用该机械能驱动发电机发电，发电机发出的交流电经电控设备组转化为直流电，当直流电通过电解设备时，电解设备中的纯净水被电解，且电解产生的氢气经氢气压缩机压缩后存储于储氢瓶组中，因此本发明提供的海浪能发电船实现了对海浪能的有效利用。由于海浪发电船在海上可以自由移动，在恶劣海况出现前可回港规避，利用海浪能生成的电能以氢气形式存储，因此，本发明提供的海浪发电船可以在海上大规模使用。
Description
技术领域
本发明涉及发电设备控制及电解技术领域，更具体地说，涉及一种海浪发电船。
背景技术
海洋面积占地球面积的近71%，太阳、月亮传递给地球的大部分能量在海浪上，但是人们对海浪能的利用率非常低。主要原因如下：1、飓风带来的狂浪对海上的发电设施有极强的破坏力，花巨资制造的发电设施固定在海上，在巨浪过后很容易被摧毁，并带来巨大的经济损失，甚至还会造成人员伤亡。2、海水的腐蚀，海流的破坏，增加了电缆的敷设难度，从而使得电力输送困难，维护成本高。3、对海浪能的存储缺少好的办法。因此，如何大规模利用海浪能是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种海浪发电船，以实现对海浪能的大规模利用。
一种海浪发电船，包括：
发电船体；
设置于所述发电船体船头的储氢瓶组；
设置于所述发电船体两侧用于采集海浪能的若干个海浪能采集器；
设置于所述发电船体上，分别与若干个所述海浪能采集器连接，获取若干个所述海浪能采集器传送的海浪能，并将所述海浪能转换为机械能的动力装置；
设置于所述发电船体上，与所述动力装置连接，由所述动力装置利用所述机械能驱动而发电的发电机；
设置于所述发电船体上，与所述发电机连接，对所述发电机产生并输出的交流电进行降压、平波、整流得到直流电，并输出所述直流电的电控设备组；
设置于所述发电船体上，与所述电控设备组连接，当所述电控设备输出的所述直流电输入时，对预先存储的纯净水进行电解，生成氢气并输出的电解设备；
设置于所述发电船体上，分别与所述电解设备和所述储氢瓶组连接，对所述电解设备输出的所述氢气进行压缩，并将压缩后的所述氢气存储在所述储氢瓶组中的氢气压缩机。
优选的，当所述海浪能采集器为相连接的浮体和棘轮时，所述动力装置为棘轮变速机构，位于所述发电船体同侧的所有的所述棘轮设置于同一个转轴上，所述转轴通过链轮、链条与所述棘轮变速机构连接；
所述浮体随海浪上下浮动，并带动与所述浮体相连接的所述棘轮单向转动，转动的所述棘轮带动设置转动的所述棘轮的转轴转动，转动的所述转轴通过与转动的所述转轴连接的链轮、链条带动所述棘轮变速机构转动，从而将海浪能转化成机械能。
优选的，当所述海浪能采集器为相连接浮体和液压缸时，所述动力装置为液压马达，每个所述液压缸均通过液压阀件与所述液压马达连接；
所述浮体随海浪上下浮动，并带动与所述浮体相连接的所述液压缸伸缩运动，以将海浪能转化为液压缸的液体压力能，所述液压缸将所述液体压力能通过所述液压阀件提供给所述液压马达，所述液压马达将所述液体压力能转化成机械能。
优选的，所述发电机为多级低速稀土永磁同步发电机。
优选的，所述电控设备组包括依次连接的变压器、电抗器、整流电路和开关控制器件；
所述变压器对所述发电机产生并输出的所述交流电进行降压，并将降压后的所述交流电输出至所述电抗器进行平波，所述电抗器将平波后的所述交流电输出至所述整流电路进行整流，得到所述直流电，所述直流电通过所述开关控制器件输出至所述电解设备。
优选的，所述开关控制器件包括：相连接的交流真空接触器、继电器、可编程控制器和大功率单向可控硅。
优选的，所述电解设备包括多个串联连接的电解槽，每个所述电解槽均与所述电控设备组连接，所述电控设备组依据所述直流电的电压大小以及每个所述电解槽的额定电压，自动控制投入使用的所述电解槽的数量。
优选的，还包括：
设置于所述发电船体船尾的所述储氧瓶组；
设置于所述发电船体上，分别与所述电解设备和所述储氧瓶组连接，对所述电解设备电解所述纯净水生成并输出的所述氧气进行压缩，并存储在所述储氧瓶组中的氧气压缩机。
优选的，还包括：
设置于所述发电船体的风叶可折叠的垂直轴风力发电机。
优选的，还包括：
设置于所述发电船体上的驾驶室。
优选的，所述电解设备为碱式电解槽设备或固体聚合物电解质电解槽。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种海浪发电船，包括：发电船体、设置于发电船体的储氢瓶组、海浪能采集器、动力装置、发电机、电控设备组、电解设备和氢气压缩机。当海浪起伏时，海浪能采集器采集的海浪能由动力装置转换成机械能，然后动力装置利用该机械能驱动发电机发电，发电机发出的交流电经电控设备组转化为直流电，当直流电通过电解设备时，电解设备中的纯净水被电解，且电解产生的氢气经氢气压缩机压缩后存储于储氢瓶组中，因此本发明提供的海浪能发电船实现了对海浪能的有效利用。由于海浪发电船在海上可以自由移动，在恶劣海况出现前可回港规避，利用海浪能生成的电能以氢气形式存储，因为氢气可以用来发电如此无需花巨资在海上制造发电设备，同时还省去了高额海底电缆的费用及维护成本，因此，本发明提供的海浪发电船可以在海上大规模使用，进而实现了对海浪能的大规模有效利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种海浪能发电船的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的另一种海浪能发电船的结构示意图；
图3为本发明实施例公开的另一种海浪能发电船的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例公开了一种海浪能发电船的结构示意图，海浪能发电船包括：发电船体11、储氢瓶组12、海浪能采集器13、动力装置14、发电机15、电控设备组16、电解设备17和氢气压缩机18；
其中：
发电船体11的船底吃水深一些，以减少海浪对船身晃动的影响。
储氢瓶组12设置于发电船体11的船头。
储氢瓶组12可以包括多个瓶组，每个瓶组由多个钢瓶组成。在实际应用中，可以将9个直径为0.5m，长约10m的钢瓶组成一个瓶组，假如每个钢瓶可以存储氢气的压力为中压20MPa，则一个瓶组可以存储氢气3500标准立方。储氢瓶组12可以依据发电船体11的大小确定安装的瓶组的组数。
需要说明的是，在储氢瓶组12上设置有带阀门的快速插头121，用于释放储氢瓶组12存储的氢气。
储氢瓶组12中的氢气经带阀门的快速插头121可以输送到大型恒压、变容的湿式或干式储氢气柜中，再由建在岸边高处的燃氢电站燃氢发电、升压并入电网。而且燃氢电站发出的电和火电的电能质量一样，从而避免了像风电入网难以消纳的世界性难题。
发电船体11的两侧设置有若干个海浪能采集器13，且两侧设置的海浪能采集器13对称。
需要说明的一点是，可以将海浪能采集器13设计成可收缩、能收起的机构，这样在海浪能发电船不采集海浪能时，可以收起海浪能采集器13，而在采集海浪能时，则打开海浪能采集器13，并且，在海浪能采集器13采集海浪能时，可以根据实际需要，适当调节海浪能采集器13的伸缩长度，从而更好的采集海浪能。
发电船体11两侧设置的海浪能采集器13的个数依据船的大小及海浪的波长而定，此处不做限定。
动力装置14设置于发电船体11上，动力装置14分别与若干个海浪能采集器13连接，动力装置14获取若干个海浪能采集器13传送的海浪能，并将所述海浪能转换为机械能。
发电机15设置于发电船体11上，与动力装置14连接，发电机15由动力装置14利用所述机械能驱动而发电。
优选的，发电机15可以为多级低速稀土永磁同步发电机，使用这样的发电机可以省掉传统发电机的励磁绕组及电控设备，它的低速性能又可以减少变速机构的能量损失及机械磨损。发电机15在实际应用中可以安装在发电船体11的前端。
电控设备组16设置于发电船体11上，与发电机15连接，电控设备组16对发电机15产生并输出的交流电进行降压、平波、整流得到直流电，并输出所述直流电。
电解设备17设置于发电船体11上，与电控设备组16连接，当电控设备组16输出的所述直流电输入时，电解设备17对预先存储的纯净水进行电解，生成氢气并输出。
需要说明的是，电解设备17的选择以能适应发电船体11的晃动为基础。
氢气压缩机18设置于发电船体11上，分别与电解设备17和储氢瓶组12连接，氢气压缩机18对电解设备17输出的氢气进行压缩，并将压缩后的氢气存储在储氢瓶组12。
综上可以看出，当海浪起伏时，海浪能采集器13采集的海浪能由动力装置14转换成机械能，然后动力装置14利用该机械能驱动发电机15发电，发电机15发出的交流电经电控设备组16转化为直流电，当直流电通过电解设备17时，电解设备17中的纯净水被电解，且电解产生的氢气经氢气压缩机18压缩后存储于储氢瓶组12，因此本发明提供的海浪能发电船实现了对海浪能的有效利用。由于海浪发电船在海上可以自由移动，在恶劣海况出现前可回港规避，利用海浪能生成的电能以氢气形式存储，因为氢气为绿色的二次能源，而且它既可以用来发电，又可以做产品出售。如此无需花巨资在海上制造发电设备，同时还省去了高额海底电缆的费用及维护成本，因此，本发明提供的海浪发电船可以在海上大规模使用，进而实现了对海浪能的大规模有效利用。
其中，海浪能采集器13可以为相连接的浮体和棘轮，也可以为相连接的浮体和液压缸，当然，海浪能采集器13也可以为其他可以采集海浪能的装置，本发明在此不作限定。
具体的，当海浪能采集器13为相连接的浮体和棘轮时，参见图2，本发明另一实施例公开的一种海浪能发电船的结构示意图，每个海浪能采集器13均包括：一个棘轮131和一个浮体132，且棘轮131和浮体132相连接，此时，图1中的动力装置14具体为图2中的棘轮变速机构141。其中，位于发电船体11同侧的所有棘轮131设置于同一个转轴上（例如，本实施例中，位于发电船体11右侧的所有棘轮131设置于第一转轴18上，位于发电船体11左侧的所有棘轮131设置于第二转轴19上），转轴（即第一转轴18和第二转轴19）均通过链轮、链条与棘轮变速机构141连接；
浮体132随海浪上下浮动，并带动与该浮体132相连接的棘轮131单向转动，转动的棘轮131带动设置该棘轮131的转轴转动，转动的转轴通过与该转轴连接的链轮、链条带动棘轮变速机构141转动，从而将海浪能转化成机械能。
需要说明的是，由棘轮131和浮体132构成的海浪能采集器13为可伸缩能收起的机构，当海浪发电船不采集海浪能时，可以将浮体132收起；海浪发电船采集海浪能时，则将浮体132展开，同时浮体132与棘轮131之间的距离可以依据实际海浪高低的需要进行伸缩调整，从而使整个海浪能采集器13高效的采集海浪能。
当海浪能采集器13为相连接的浮体和液压缸时，参见图3，本发明另一实施例公开的一种海浪能发电船的结构示意图，每个海浪能采集器13均包括：一个液压缸133和一个浮体132，且液压缸133和浮体132相连接，此时，图1中的动力装置14具体为图3中的液压马达142，每个液压缸133均通过液压阀件与液压马达142连接；
浮体132随海浪上下浮动，并带动与浮体132相连接的液压缸133伸缩运动，以将海浪能转化为液压缸的液体压力能，液压缸133将液体压力能通过液压阀件提供给液压马达142，液压马达142将液体压力能转化成机械能。
需要说明的是，由液压缸133和浮体132构成的海浪能采集器13为可伸缩能收起的机构，当海浪发电船不采集海浪能时，可以将浮体132收起；海浪发电船采集海浪能时，则将浮体132展开，同时浮体132与液压缸133之间的距离可以依据实际海浪高低的需要进行伸缩调整，从而使整个海浪能采集器13高效的采集海浪能。
需要说明的是，发电船体11的船底吃水深一些，以减少海浪对船身晃动的影响，增加浮体132与发电船体11相对运动的幅度。
在上述各实施例中，电控设备组16包括依次连接的变压器、电抗器、整流电路和开关控制器件；
变压器对发电机15产生并输出的交流电进行降压，并将降压后的交流电输出至电抗器进行平波，电抗器将平波后的交流电输出至整流电路进行整流，得到直流电，直流电通过开关控制器件输出至电解设备。
其中，变压器为大功率降压变压器。
开关控制器件包括相连接的交流真空接触器、继电器、可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和大功率单向可控硅。继电器具体为过流速断保护继电器、过负荷电流继电器等等。
电解设备17包括多个串联连接的电解槽，最后一个电解槽的最高电压为30伏。每个电解槽均与电控设备组16连接，电控设备组16可以依据直流电的电压大小以及每个电解槽的额定电压，自动控制投入使用的电解槽的数量。
需要说明的是，针对海浪不规则的能量输出，本发明将电控设备组16中所有的电气设备设计构成一个继电式阶梯电压闭环控制电路，专门为海浪发电船上的电解设备所用。
具体的，把海浪能输出的电压分成若干个阶梯电压，不同继电器的吸合对应不同的电压等级，各个继电器接点是串联闭锁的。因此，当某个电压等级的继电器吸合时，则会闭锁吸合电压低于该电压等级的继电器不能吸合，同时，吸合的继电器将闭合信号传送给PLC，再由PLC按照设定程序延时驱动继电器使与该继电器对应的大功率单向可控硅得电触发及交流真空接触器的吸合，然后，交流电通过交流真空接触器闭合、变压器降压、电抗器平波，整流器整流，再经触发导通的大功率单向可控硅对与该导通的可控硅连接的电解槽电解产生氢气和氧气。
需要说明的一点是，使用交流接触器分断交流电路比直流接触器分断整流后的直流电路简单、可靠、经济，并且可以保证大功率单向可控硅回路分断彻底。
其中，本发明采用电压闭环电路的原因主要是由于稀土永磁发电机带负载后压降较大。
综上可以看出，继电器式电压闭环控制电路通过控制继电器的吸合和可控硅的触发，实现了海浪发电船可以依据海浪能产生的电压的大小自动控制投入使用的串联连接的电解槽的数目。
举例说明，假设每个电解槽设定的额定电压为2V，当电控设备组16整流出的直流电的电压为12V时，则电解设备17中第6个电解槽得电，即第1个电解槽至第6个电解槽串联起来电解。
需要说明的一点是，工业上碱式电解设备每个电解槽的电解电压等于水的理论分解电压1.23V加电解槽IR的分压加氢超电压加氧超电压，约为2V，所以工业上单个电解槽的电解电压约为2V。由于本发明提供的继电式阶梯电压闭环电路的初段阶梯电压为2V，发电机主要工作区间阶梯电压为4V需跨越2个电解槽，以减少交流真空接触器及可控硅的工作频率，保证输出稳定。
其中，为避免电控设备组16中电气元件的损坏，在继电器电压闭环控制电路中还可以包括有过载、过压、短路等保护。
本领域技术人员公知的是，氢气是一种绿色能源，它的热值为同等质量的汽油的3倍，焦炭的4.5倍，煤的6倍。氢气除可以用来发电外，还具有很多其他的用途，例如：工业合成氨、氢燃料电池、氢气充探空气球；氢气用于焊接或切割金属；做高能燃料；利用氢气的还原性，可冶炼重要金属，生产多晶硅等等，此处不一一列举。本发明为获取纯净的氢气，将二次蒸馏水作为电解设备17的电解质。由于水的成本很低而生产出的氢、氧具有非常广泛的工业应用价值和很高的产品价值，所以本发明提供的海浪发电船有巨大的利润空间。并且，相对于现有技术工业电解水制取的氢氧耗电成本太高而言，本发明采用的海浪能是免费的，因此应用前景很广。
当然，为提高对海浪能的利用率，也可以生产海浪产品或利用海浪能进行粗加工，例如：电解饱和Nacl水溶液制NaoH、H2、cl2以及电解氧化铜制纯铜等等。
优选的，由于海浪发电船的中部晃动较小，因此可以将电解设备17优先安装在海浪发电船的中部。
其中，电解设备17可以为碱式成套电解槽，当然也可以为固体聚合物（SolidPolymer Electrolyte，SPE）电解质电解槽，以生产无碱残留、高纯度的氢气和氧气。
由于水在电解过程中还产生氧气，因此，为避免氧气的浪费，在图1所示实施例中，海浪发电船还包括：储氧瓶组21和氧气压缩机22；
储氧瓶组21设置于发电船体11的船尾。
需要说明的是，将储氢瓶组12和储氧瓶组21分别安装在船头和船尾是为了安全储存的需要。
氧气压缩机22设置于发电船体11上，分别与电解设备17、储氧瓶组21连接，氧气压缩机22对电解设备17电解纯净水生成并输出的氧气进行压缩，并存储在储氧瓶组21中。
由于海上的风较大，因此，本发明为避免风能的浪费，在海浪发电船上还设置了风力发电机23（参见图1）。
优选的，风力发电机23为风叶可折叠的垂直轴风力发电机。
风力发电机23具体可以设置在海浪发电船全长的后1/4处，风力发电机23可以为直驱式垂直轴风力发电机，风叶设计成可折叠收起的。
为对利用风能生成的电进行存储，还包括：风电电控设备24，风电电控设备24分别与两个风力发电机23连接。
风电电控设备24中设置有整流器、控制电路和逆变器，风力发电机23生成的电可以经整流器对电瓶进行充电，或是经控制电路、逆变器直接带负荷。风电可做船上的辅助电源用，绿色环保。
需要说明的是，本发明提供的海浪发电船可以为无人驾驶、也可以为有人驾驶，当海浪发电船可以人为驾驶时，在发电船体11上还可以设置有驾驶室25。
为进一步优化上述实施例，还可以在海浪发电船上增设海浪能动力源端口，以可以利用该海浪能发电船进行粗加工。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种海浪发电船，其特征在于，包括：
发电船体；
设置于所述发电船体船头的储氢瓶组；
设置于所述发电船体两侧用于采集海浪能的若干个海浪能采集器；
设置于所述发电船体上，分别与若干个所述海浪能采集器连接，获取若干个所述海浪能采集器传送的海浪能，并将所述海浪能转换为机械能的动力装置；
设置于所述发电船体上，与所述动力装置连接，由所述动力装置利用所述机械能驱动而发电的发电机；
设置于所述发电船体上，与所述发电机连接，对所述发电机产生并输出的交流电进行降压、平波、整流得到直流电，并输出所述直流电的电控设备组；
设置于所述发电船体上，与所述电控设备组连接，当所述电控设备输出的所述直流电输入时，对预先存储的纯净水进行电解，生成氢气并输出的电解设备，所述电解设备为碱式电解槽设备或固体聚合物电解质电解槽；
设置于所述发电船体上，分别与所述电解设备和所述储氢瓶组连接，对所述电解设备输出的所述氢气进行压缩，并将压缩后的所述氢气存储在所述储氢瓶组中的氢气压缩机；
其中，当所述海浪能采集器为相连接的浮体和棘轮时，所述动力装置为棘轮变速机构，位于所述发电船体同侧的所有的所述棘轮设置于同一个转轴上，所述转轴通过链轮、链条与所述棘轮变速机构连接；
所述浮体随海浪上下浮动，并带动与所述浮体相连接的所述棘轮单向转动，转动的所述棘轮带动设置转动的所述棘轮的转轴转动，转动的所述转轴通过与转动的所述转轴连接的链轮、链条带动所述棘轮变速机构转动，从而将海浪能转化成机械能；
以及，
当所述海浪能采集器为相连接的浮体和液压缸时，所述动力装置为液压马达，每个所述液压缸均通过液压阀件与所述液压马达连接；
所述浮体随海浪上下浮动，并带动与所述浮体相连接的所述液压缸伸缩运动，以将海浪能转化为液压缸的液体压力能，所述液压缸将所述液体压力能通过所述液压阀件提供给所述液压马达，所述液压马达将所述液体压力能转化成机械能。
2.根据权利要求1所述的海浪发电船，其特征在于，所述发电机为多级低速稀土永磁同步发电机。
3.根据权利要求1所述的海浪发电船，其特征在于，所述电控设备组包括依次连接的变压器、电抗器、整流电路和开关控制器件；
所述变压器对所述发电机产生并输出的所述交流电进行降压，并将降压后的所述交流电输出至所述电抗器进行平波，所述电抗器将平波后的所述交流电输出至所述整流电路进行整流，得到所述直流电，所述直流电通过所述开关控制器件输出至所述电解设备。
4.根据权利要求3所述的海浪发电船，其特征在于，所述开关控制器件包括：相连接的交流真空接触器、继电器、可编程控制器和大功率单向可控硅。
5.根据权利要求1所述的海浪发电船，其特征在于，所述电解设备包括多个串联连接的电解槽，每个所述电解槽均与所述电控设备组连接，所述电控设备组依据所述直流电的电压大小以及每个所述电解槽的额定电压，自动控制投入使用的所述电解槽的数量。
6.根据权利要求1所述的海浪发电船，其特征在于，还包括：
设置于所述发电船体船尾的储氧瓶组；
设置于所述发电船体上，分别与所述电解设备和所述储氧瓶组连接，对所述电解设备电解所述纯净水生成并输出的氧气进行压缩，并存储在所述储氧瓶组中的氧气压缩机。
7.根据权利要求1所述的海浪发电船，其特征在于，还包括：
设置于所述发电船体的风叶可折叠的垂直轴风力发电机。
8.根据权利要求1所述的海浪发电船，其特征在于，还包括：
设置于所述发电船体上的驾驶室。
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