CN103994020A - 直列型多气缸气动式波浪发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直列型多气缸气动式波浪发电装置，包括波浪能收集系统、波浪能转化系统、调压稳定系统；波浪能收集系统包括多个波浪能收集气缸；波浪能转化系统包括活塞、连杆、曲轴、发电机；调压稳定系统包括箱体、调压杆和软管，用于使所述曲轴连续转动。本发明采用多个气缸同时运行，收集到的波浪能资源相对丰富；并且通过调压稳定系统实现多个气缸分成两组，两组气缸交替做功，保证曲轴连续旋转，使发电机不间断地输出功率，从而提高发电效率；同时能够克服曲轴自身转动时的晃动，从而减小发电机产生的震动，使得整个波浪发电装置集高效率、高适用性和高可靠性为一体，并且建造成本低。

Description

直列型多气缸气动式波浪发电装置

技术领域

本发明涉及可再生能源技术中的海洋波浪能开发应用领域，属于一种利用海洋能源产生的波能发电装置；具体的说，是涉及一种气动式波浪发电装置。

背景技术

近年来，受化石能源日趋枯竭、能源供应安全、保护环境和生态平衡等的驱动，人们对新能源的开发越来越重视。地球表面积的71％是具有巨大能源资源的海洋，其中波浪能是海洋能源中蕴藏量最为丰富的能源之一。利用海洋能源已成为当今世界能源研究的方向，而如何有效利用资源丰富、可再生的海洋资源，也显得更加重要。1992年联合国把海浪发电列为开发海洋可再生能源的首位，沿海国家十分重视，加大力度并积极开发。

在上述背景下，波浪能的开发利用正日益受到关注，经过20世纪70年代对多种波浪能装置的试验和研究到80年代的海况试验及应用示范研究，国内外学者相继提出了很多不同种类的波能发电装置，波浪发电技术已逐步接近实用化水平。

波浪能发电方式数以千计，按能量中间转换环节主要分为机械式、气动式和液压式三大类。其中气动式波浪发电系统是最具发展潜力的装置之一，其基本原理是通过气室装置实现波浪能转化为空气能来驱动发电机发电，安全性好、可靠性高；但是气流能量转化为电能的效率很低，受地形或海况条件限制较强，建造成本昂贵，不能较好地实现规模化、产业化应用。

公开号为102269106A的中国专利申请公开了一种震荡浮子气动式海洋波浪能发电装置，采用震荡浮子与气体传动相结合的方式，实现了浮子对波浪能的快速转换，结构简单，建造费用少，发电成本低。其缺点是，能量转化过程繁琐，导致能量转换效率很低；同时整个装置传动结构的上下直线运动引起储气囊存储气体动能的耗时性，使得气体动能到电能的转化受阻，从而导致了装置发电的间歇性，大大降低了该装置适用性；在实际的海况中，浮子的工作环境常常改变，作用在浮子上的波浪力也是随机的，导致浮子的可靠性和安全性大大降低，从而降低装置系统的可靠性。

未来该领域的发展趋势为：研制波能转换效率高、充分利用惯性传动机构，将直线运动转化为旋转运动，最终使不规则的波浪能转化为电能连续输出且适用于不同海况的波浪能发电装置。综上所述，就目前研究阶段，可靠性和转化效率显得尤其重要，同时还应兼顾考虑不同海区波浪及海况条件、降低发电成本，从而实现海洋能的连续、稳定、高效率开发。

发明内容

本发明要解决的是现有气动式波浪发电系统能量利用效率低、间歇性发电、适用性受限制的技术问题，提供了一种直列型多气缸气动式波浪发电装置，该装置采用多个气缸同时运行，收集到的波浪能资源相对丰富；并且通过调压稳定系统实现多个气缸分成两组，两组气缸交替做功，保证曲轴连续旋转，使发电机不间断地输出功率，从而提高发电效率；同时能够克服曲轴自身转动时的晃动，从而减小发电机产生的震动，使得整个波浪发电装置集高效率、高适用性和高可靠性为一体，并且建造成本低。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种直列型多气缸气动式波浪发电装置，包括波浪能收集系统、波浪能转化系统、调压稳定系统；

所述波浪能收集系统包括至少四个且偶数个波浪能收集气缸，多个所述波浪能收集气缸呈直线布置；每个所述波浪能收集气缸内部腔体包括上半段和下半段，腔体的上半段直径小于下半段直径；每个波浪能收集气缸在其腔体的下半段位置设置有壁面孔；

所述波浪能转化系统包括活塞、连杆、曲轴、发电机；所述活塞紧密嵌套于所述波浪能收集气缸内部腔体的上半段之中，并通过所述连杆连接于所述曲轴的连杆颈；所述曲轴的连杆颈数量与所述波浪能收集气缸的数量一致，从所述曲轴轴向可见多个连杆颈均布于其运动轨迹的圆周上，所述曲轴的主轴颈一端连接于所述发电机，另一端固定连接于所述调压稳定系统中调压杆；

所述调压稳定系统包括箱体、调压杆和软管，用于使所述曲轴连续转动；所述箱体是由两个相同的圆面和一个圆环面组成空腔结构，其内部由所述调压杆分隔成为两个相互不相通的等体积分腔，两个所述分腔所对应的所述箱体壁面上分别设置有数量相同的气孔，所述气孔的数量与所述波浪能收集气缸的数量一致；所述调压杆与穿过所述箱体圆面圆心的所述曲轴垂直连接，所述曲轴的主轴颈能够带动所述调压杆在所述箱体内转动；所述调压杆的中心位置设置具有两个端口的调压孔，其中一个端口与所述箱体的任一分腔相通，另一个端口通过所述箱体圆面的圆心与大气相通；所述软管将所述气孔与所述壁面孔一一对应连接，使所述波浪能收集气缸的腔体与所述箱体的分腔相通。

本发明的有益效果是：

(一)本发明有效利用活塞的往复运动带动曲轴进行连续旋转，充分利用了曲轴的惯性力作用，使得整个波浪发电装置持续地运转，提高发电效率。

(二)本发明采用调压稳定系统实现多个气缸分成两组，两组气缸交替做功，使得整个曲轴所受到的扭矩更加平稳，提高了整个波浪发电装置的可靠性和稳定性。

(三)本发明的波浪能收集系统由至少四个且偶数个波浪能收集气缸组成，可根据海域波浪能特点调整波浪能收集气缸的数量，既满足了收集丰富波浪能的需求，也提高了波浪能发电的经济性。

(四)本发明采用直列型多气缸式波浪发电装置，体积紧凑，结构稳定，并且传动结构、发电装置全部在海平面以上，不受海水侵蚀，寿命长，不易损坏，方便维修与养护。

附图说明

图1是本发明所提供的直列型多气缸气动式波浪发电装置的结构示意图；

图2是波浪能收集系统和波浪能转化系统的局部剖面图；

图3是某一时刻曲轴的运动状态示意图；

图4是调压稳定系统的剖面图；

图5是调压杆的立体图；其中(a)为调压杆的外观图；(b)为调压杆的1/4剖面图；

图6是波浪能转化装置运行前的初始状态示意图，

其中(a)为该状态下波浪能转化系统的工作状态图；(b)为该状态下调压稳定系统的工作状态图；

图7是波浪能转化装置运行的第二阶段初始状态示意图，

其中(a)为该状态下波浪能转化系统的工作状态图；(b)为该状态下调压稳定系统的工作状态图；

图8是波浪能转化装置运行的第三阶段初始状态示意图，

其中(a)为该状态下波浪能转化系统的工作状态图；(b)为该状态下调压稳定系统的工作状态图；

图9是波浪能转化装置运行的第四阶段初始状态示意图，

其中(a)为该状态下波浪能转化系统的工作状态图；(b)为该状态下调压稳定系统的工作状态图。

图中：1：曲轴；2：连杆；3：活塞；4：波浪能收集气缸；5：箱体；6：气孔；7：软管；8：壁面孔；9：支座；10：发电机；11：波浪；12：调压杆；13：调压孔。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1所示，本实施例披露了一种直列型多气缸气动式波浪发电装置，包括波浪能收集系统、波浪能转化系统、调压稳定系统。

波浪能收集系统包括四个垂直于水平线放置的波浪能收集气缸4。每个波浪能收集气缸4内部腔体包括直径不同的上半段和下半段，该腔体的上半段直径相对较小、下半段直径相对较大。波浪能收集气缸4能够使波浪11涌入其腔体的下半段内部，利用波浪11水体产生的冲击动力和能量，压缩该波浪能收集气缸4内的空气，并且空气在波浪能收集气缸4内部腔体从下半段运动至上半段，由于作用面积减小，空气施加于活塞3上的压强增大。

波浪能收集气缸4的数量可以在四个的基础上增加，并且应为偶数个，以便能够分成数量相同的两组。四个波浪能收集气缸4呈直线布置，体积紧凑，结构稳定，同时便于与整个波浪能发电装置的传动结构连接，建造难度低。

每个波浪能收集气缸4在其腔体的下半段位置设置有一个壁面孔8，该壁面孔8使波浪能收集气缸4的内部腔体与外界相通；壁面孔8用于通过软管7与调压稳定系统的气孔6相连接。应该注意的是，壁面孔8应设置在一定的高度上，避免因波浪11涌入太高而使波浪能收集气缸4腔体与调压稳定系统无法相通。

波浪能转化系统包括活塞3、连杆2、曲轴1、发电机10。如图2所示，活塞3、连杆2和曲轴1组成曲柄滑块机构。每个波浪能收集气缸4中分别紧密嵌套一个活塞3。连杆2一端为连杆小头、一端为连杆大头，连杆小头通过活塞销与活塞3连接，连杆大头与曲轴1的连杆颈连接。

如图3所示，曲轴1的连杆颈数量与波浪能收集气缸4的数量一致，也就是每个波浪能收集气缸4对应曲轴1的一个连杆颈。从曲轴1的轴向方向看，曲轴1的四个连杆颈均匀地分布于连杆颈运动轨迹的圆周上。

曲轴1的主轴颈两端分别设置有用于将其固定的支座9，并且曲轴1的主轴一端连接于发电机10的转子，另一端固定连接于调压稳定系统中的调压杆12。这样，活塞3的上下直线运动可以转化为曲轴1的旋转力矩，一方面驱动发电机10运行工作，另一方面带动调压杆12进行转动。

如图4所示，调压稳定系统包括箱体5、调压杆12和软管7。

箱体5是由两个相同的圆面和一个圆环面组成空腔结构。箱体5内部由调压杆12分隔成为两个等体积的分腔，并且两个分腔相互密封而不相通。两个分腔所对应的箱体5壁面上分别设置有两个气孔6，该气孔6使箱体5内的分腔与外界相通。每个气孔6用于通过软管7与任一波浪能收集气缸4的壁面孔8连接。

调压杆12紧密的嵌装于箱体5内，并以其中心位置垂直连接于曲轴1的主轴颈一端。调压杆12能够在曲轴1的带动下在箱体5内转动，箱体5固定不动。曲轴1应穿过箱体5圆面的圆心与调压杆12连接。

如图5所示，调压杆12的中心位置设置调压孔13，该调压孔13具有两个彼此相通的端口。一个端口设置在调压杆12的侧面，因此可以与箱体5的任一分腔相通，另一个端口设置在调压杆12的前端面，通过箱体5圆面的圆心与大气相通。

软管7将箱体5壁面上的每个气孔6与每个波浪能收集气缸4上的壁面孔一一对应连接，以使波浪能收集气缸4的腔体与箱体5的分腔相通。

这样，调压稳定系统实现四个波浪能收集气缸4分为两组，一组波浪能收集气缸4的内腔通过调压孔13与大气压相通，活塞3依靠曲轴1旋转的惯性力向下运动，不做功；另一组波浪能收集气缸4的腔体压强大于大气压，压缩活塞3做功。在一个工作循环中曲轴1旋转一圈，各个波浪能收集气缸4均要作功两次。

下面结合图6至图9，对本发明的直列型多气缸气动式波浪发电装置的工作过程分为四个阶段进行详细介绍，按照左数的顺序分别将四个波浪能收集气缸4成为第一、第二、第三、第四波浪能收集气缸4，调压稳定系统的气孔6由如图6所示中的最顶端位置开始按照逆时针方向顺次分别与第一、第二、第三、第四波浪能收集气缸4的壁面孔8连接：

如图6所示，当四个连杆轴颈分布角度分别为90°、0°、180°、270°时，相对应的活塞3也处于不同的位置。调压杆12将四个波浪能收集气缸4分为两组，其中第一、第二波浪能收集气缸4相通，第三、第四波浪能收集气缸4相通。波浪11涌入每个波浪能收集气缸4内腔体的下半段，利用波浪11水体产生的冲击动力和能量，压缩波浪能收集气缸4腔体内的空气，使得第一、第二波浪能收集气缸4内部气压大于大气压，气体从波浪能收集气缸4腔体的下半段运动至上半段，作用面积减小，气体施加于活塞3上的压强更大，顺利推动活塞3向上运动，同时第三、第四波浪能收集气缸4内部活塞3向下运动。第三、第四波浪能收集气缸4通过调压孔13与大气压相通，其内部活塞3不做功，依靠曲轴1往复旋转的惯性力向下运动。第一、第二波浪能收集气缸4内部活塞3向上运动，使曲轴1旋转90°，并驱动调压杆12旋转90°，进入第二阶段。

如图7所示，此时旋转过90°后的调压杆12使得第二、第三波浪能收集气缸4相通，且通过调压孔13与大气压相通，第二、第三波浪能收集气缸4不做功。第一、第四波浪能收集气缸4相通，且内部气压大于大气压，推动内部活塞3向上运动，使曲轴1继续旋转90°，并驱动调压杆12继续旋转90°，进入第三阶段。

如图8所示，此时旋转过180°后的调压杆12使得第一、第二波浪能收集气缸4相通，且通过调压孔13与大气压相通，第一、第二波浪能收集气缸4不做功。第三、第四波浪能收集气缸4相通，且内部气压大于大气压，推动内部活塞3向上运动，使曲轴1继续旋转90°，并驱动调压杆12继续旋转90°，进入第四阶段。

如图9所示，此时旋转过270°后的调压杆12使得第一、第四波浪能收集气缸4相通，且通过调压孔13与大气压相通，第一、第四波浪能收集气缸4不做功。第二、第三波浪能收集气缸4相通，且内部气压大于大气压，推动内部活塞3向上运动，使曲轴1继续旋转90°，并驱动调压杆12继续旋转90°，回归至第一阶段的初始状态，至此一个工作循环完毕。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种直列型多气缸气动式波浪发电装置，其特征在于，包括波浪能收集系统、波浪能转化系统、调压稳定系统；

所述波浪能收集系统包括至少四个且偶数个波浪能收集气缸，多个所述波浪能收集气缸呈直线布置；每个所述波浪能收集气缸内部腔体包括上半段和下半段，腔体的上半段直径小于下半段直径；每个波浪能收集气缸在其腔体的下半段位置设置有壁面孔；

所述波浪能转化系统包括活塞、连杆、曲轴、发电机；所述活塞紧密嵌套于所述波浪能收集气缸内部腔体的上半段之中，并通过所述连杆连接于所述曲轴的连杆颈；所述曲轴的连杆颈数量与所述波浪能收集气缸的数量一致，从所述曲轴轴向可见多个连杆颈均布于其运动轨迹的圆周上，所述曲轴的主轴颈一端连接于所述发电机，另一端固定连接于所述调压稳定系统中调压杆；

所述调压稳定系统包括箱体、调压杆和软管，用于使所述曲轴连续转动；所述箱体是由两个相同的圆面和一个圆环面组成空腔结构，其内部由所述调压杆分隔成为两个相互不相通的等体积分腔，两个所述分腔所对应的所述箱体壁面上分别设置有数量相同的气孔，所述气孔的数量与所述波浪能收集气缸的数量一致；所述调压杆与穿过所述箱体圆面圆心的所述曲轴垂直连接，所述曲轴的主轴颈能够带动所述调压杆在所述箱体内转动；所述调压杆的中心位置设置具有两个端口的调压孔，其中一个端口与所述箱体的任一分腔相通，另一个端口通过所述箱体圆面的圆心与大气相通；所述软管将所述气孔与所述壁面孔一一对应连接，使所述波浪能收集气缸的腔体与所述箱体的分腔相通。