CN106014843A - 波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波浪能发电装置，包括多套波浪能收集单元，单套波浪能收集单元包括：用以收集波浪势能的势能收集组件和用以收集波浪动能的动能收集组件、对浮舱进行竖直限位和水平定位的定位组件以及过载保护和生存停机保护组件，与现有技术中单独收集波浪势能或动能相比，有利于提高波浪能量的收集效率，同时可满足长期安全稳定运行，适合规模化建造，提高单位海域内的发电效率的目的。

Description

波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及一种波浪能发电装置。

背景技术

波浪发电始于20世纪70年代，以日、美、英、挪威等国为代表，现有技术中存在各式规模不同的波浪发电装置，其中以点头鸭式、震荡浮体式、震荡水柱式、海蛇式、海蚌式、软袋式等最为代表，其中，

1)点头鸭式波浪发电设备，主要利用了波浪的液位差，鸭头凸起部分跟随波浪做上下点头运动，收集波浪高低液位差的势能；

2)震荡浮体式波浪发电设备，利用浮体随波浪液位的高低运动来采集波浪的高低液位差的势能；

3)震荡水柱式波浪发电设备，利用波浪的高低液位差挤压空气实现对波浪势能的采集；

4)海蛇式波浪发电设备，通过前后浮体随波浪的高低运动、带动铰接连接点的液压缸往复运动、从而产生液压能，利用前后波浪的波峰和波谷的液位差进行发电，采集波浪高低液位差的势能；

5)海蚌式波浪发电设备通过蚌体随波浪的涌动往复摆动推动下端的液压缸产生能量，采集波浪的动能；

6)软袋式波浪发电装置，随着波浪动能的涌动推动软袋内空气流动，流动的空气推动后端的叶轮产生动能，采集的是波浪向前涌动的动能。

上述点头鸭式、震荡浮体式、震荡水柱式技术为主要采集或转化波浪高低水位差的势能，海蚌式、软袋式主要采集波浪涌动的动能。然而这些波浪发电装置对波浪能的收集效率较低、均不利于集中规模化建造大型海上波浪发电站。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种有利于提高对波浪能的收集效率的波浪能发电装置。

本发明提供了一种波浪能发电装置，包括多套波浪能收集单元，单套波浪能收集单元包括：能量收集组件，用以收集波浪能，包括用以收集波浪势能的势能收集组件和用以收集波浪动能的动能收集组件，其中，所述势能收集组件包括一浮舱；定位组件，用以对所述浮舱进行定位，包括对所述浮舱进行竖直限位的竖直限位组件。

采用这种技术方案，波浪能发电装置同时设有势能收集组件和动能收集组件，这样，采集波浪势能的同时也采集波浪的动能，与现有技术中单独收集波浪势能或动能相比，有利于提高波浪能量的收集效率。

优选的，所述浮舱是纵截面呈横向设置的长椭圆形或梭形的壳体。

采用这种技术方案，由于所述浮舱的纵截面呈横向设置的长椭圆形或梭形，能够减小海水流经浮舱表面时所受的阻力，进而加快波浪的通过速度，有助于提高势能的收集效果。

优选的，在所述浮舱的前端铰接或转动连接有导流舵，在所述浮舱内设有用以控制该导流舵相对于所述浮舱主体的偏移幅度的导流舵控制单元。

采用这种技术方案，所述导流舵一方面可提高所述浮舱上浮的速度，进而提高对波浪势能的收集效率；另一方面可引导、迫使波浪顺着所述浮舱下表面流动，进而有利于推动动能收集组件的叶轮转动，有利于提高波浪能的收集效率和效果。另外，通过所述导流舵控制单元可根据波浪的大小而控制导流舵相对于所述浮舱主体的偏移幅度，进而调整浮舱相对于海平面的下沉高度，从而对浮舱进行有效保护。

优选的，在所述导流舵的远离所述浮舱的一端形成有尖端部或楔形部。

采用这种技术方案，有利于保证和提高所述导流舵对波浪的引导作用。

优选的，在所述浮舱内设有通过改变其注水量来调节所述浮舱相对于海平面的上下浮动程度的压水舱。

采用这种技术方案，波浪能发电装置的控制单元可根据波浪能发电装置所处的海上环境(例如，浪高等)来控制注入所述压水舱内的海水量，进而调节浮舱相对于海平面的上下浮动程度。

优选的，所述动能收集组件包括一垂直轴叶轮，并该垂直轴叶轮以其转轴与波浪的涌动方向相垂直的方式安装在所述浮舱后端。

采用这种技术方案，能够更有效地收集波浪动能，进而有利于提高对波浪动能的收集效率和效果。

优选的，在所述浮舱的下表面设有朝上凹进的凹部，所述垂直轴叶轮安装在该凹部处。

采用这种技术方案，所述凹部能增加波浪流经所述浮舱下表面的流动路径，同时能够在一定程度上改变波浪的流动方向，进而有利于增加波浪作用在所述垂直轴叶轮上的作用力，从而能够更好地推动所述垂直轴叶轮转动，进而有利于提高对波浪动能的收集效率和效果。

优选的，在所述浮舱内收装有与所述垂直轴叶轮传动连接、用以将波浪的动能转化成液压能的动能转化组件。

优选的，所述势能收集组件还包括一竖直设置的液压缸，该液压缸的两端分别与海底和所述浮舱转动连接或铰接，所述液压缸还能对所述浮舱起到竖直限位功能，构成所述竖直限位组件。

优选的，在所述浮舱内设有与所述液压缸配套设置、用于控制所述液压缸伸长以托举所述浮舱使其离开水面的液压系统。

采用这种技术方案，发电时，所述浮舱随波浪的起伏带动所述液压缸做伸缩运动，该液压缸的伸缩运动产生液压能。检修时，通过液压系统控制液压缸伸长以托举所述浮舱使其离开水面以方便对所述浮舱进行检修。

优选的，所述定位组件还包括对所述浮舱进行水平定位的水平定位组件。

采用这种技术方案，利用水平定位组件实现水平定位、利用竖直限位组件实现竖直限位，如此，使波浪发电装置的多套波浪能收集单元能够单独固定在海底上并实现定点固定，避免波浪能收集单元随波浪漂移碰撞，多套波浪能收集端缘互不干扰独立工作，采集到的能量集中到发电平台上，有利于集中规模化建造大型波浪发电站。

优选的，所述水平定位组件包括竖直设置的至少一个桩、连接这至少一个桩与所述浮舱的至少一个连杆，并且所述连杆的两端分别与所述桩和浮舱转动连接或铰接。

采用这种技术方案，能够实现对所述浮舱进行水平方向上的定位。

优选的，在相邻所述桩之间设有连接两者的平衡连杆。

采用这种技术方案，通过所述平衡连杆可增强多个桩之间的连接稳定性。

优选的，在所述至少一个桩的位于海平面以上的部分上还安装有风能采集单元和太阳能采集单元。

采用这种技术方案，在所述至少一个桩的位于海平面以上的部分上还安装有风能采集单元和太阳能采集单元，实现一桩多用，适合建造大规模综合化海上发电平台。

优选的，在所述浮舱内还设有蓄能器和/或散热器。

附图说明

图1为波浪能发电装置的俯视斜视图；

图2为图1所示波浪能发电装置的前视图；

图3为单套波浪能收集单元的部分剖视图；

图4为波浪能发电装置处于正常发电状态下的示意图；

图5为波浪能发电装置处于应急保护状态下的示意图；

图6为波浪能发电装置处于停机保护状态下的示意图；

图7为波浪能发电装置处于检修状态下的示意图。

具体实施方式

下面参照图1～7对本发明的具体实施方式进行详细的说明。在下述描述中，波浪的涌动方向为图1～图7中由左向右，所述前端是指图1～图7中的左侧，所述后端是指图1～图7中的右侧。所述纵向是指垂直或近似垂直于海平面的方向，所述横向是指平行或近似平行于海平面的方向。

本发明所述波浪能发电装置是一种固定在海底上的大型波浪发电阵列，包括呈矩阵形排列的多套波浪能收集单元1、设置在这多套波浪能收集单元1之间并集发电站、升压站及集中控制平台于一体的发电平台2。多套波浪能收集单元将波浪能化成液压能，这部分液压能再集中到发电平台2上，由发电平台2将液压能转化成电能。

如图1～图3所示，单套波浪能收集单元1包括一横向设置的浮舱3，本实施例中，浮舱3是纵截面呈横向设置的长椭圆形或梭形的柱状壳体，在浮舱3上通常设有动能收集组件和/或势能收集组件。在浮舱3的底部下表面上于前后方向上近似居中设有一液压缸5，该液压缸5为伸缩液压缸，液压缸5的顶端与浮舱3转动连接或铰接，液压缸5的底端直接或通过连杆间接地转动连接或铰接在海底上，由前述液压缸5构成所述竖直限位组件，它主要用以收集波浪的势能和对浮舱3进行竖直方向上的限位。在浮舱3内还设有与液压缸5配套设置的液压系统51，该液压系统51主要通过改变压强来增大液压缸5对浮舱3的作用力，用于控制液压缸5伸长以托举浮舱3使其离开水面，液压系统51可采用现有技术中的结构来实现，故在此不做赘述。

波浪能发电装置还包括置于浮舱3的后方并沿浮舱3的长度方向并排设置的多个桩6，这多个桩6均沿竖直方向设置，它们的底端通常通过连接件固定在海底上，相邻两个桩6之间设有连接两者的平衡连杆62，该平衡连杆62的两端与相邻两个桩6固定连接或铰接。在单个桩6与浮舱3之间设有两个连杆61，这两个连杆61的前端分别与浮舱3的后端转动连接或铰接，并且它们的前端在浮舱3上间隔设置，前述两个连杆61的后端在对应桩6上聚集在一起，并且前述两者分别与对应桩6转动连接或铰接。由前述多个桩6、多个连杆61、平衡连杆62共同构成所述水平定位组件，它们主要用以对浮舱3进行水平方向上的定位。前述连杆61、平衡连杆62可由普通连杆或弹性连杆构成，优选由弹性连杆构成，该弹性连杆是一种受到极大外力时在一定范围内可以改变长度的连杆，波浪能发电装置受到瞬间冲击时通过该弹性连杆可卸荷掉连杆所受的峰值力矩，避免连杆断裂。另外，在前述至少一个桩6的位于海平面以上的部分上还安装有风能采集单元和太阳能采集单元。

如图1～图3所示，在浮舱3的前端铰接或转动连接有横向设置的导流舵4，在浮舱3内设有导流舵控制单元41，该导流舵控制单元41用以控制导流舵4相对于浮舱主体的偏移幅度，这里所述偏移幅度主要指导流舵4相对于浮舱主体特别是浮舱前端的转动角度。本实施例中，导流舵4是纵截面近似呈等腰三角形状的柱状壳体，在导流舵4的后端(对应于等腰三角形状的底边部分)一体形成朝前凹进的第一凹面部，该第一凹面部与浮舱3的前端部相配合，由导流舵4的前侧部分(对应于等腰三角形状的两腰所形成的结构)构成本发明所述尖端部。不难理解，导流舵4的纵截面还可为楔形以构成所述楔形部。本实施例中，在浮舱3的前端安装一转轴，导流舵4经由该转轴与浮舱3形成转动连接。波浪发电装置工作时，涌动的波浪带动浮舱3在纵向上上下浮动，该浮舱3带动活塞杆相对于前述液压缸5进行往复运动，进而由该液压缸5将波浪的势能转化为液压能，本实施例中，上述液压缸5还构成本发明所述的势能转化组件。

如图1～图3所示，在浮舱3的后端底部于其下表面上形成朝上凹进的第二凹面部31(构成所述凹部)，在该第二凹面部31处安装有垂直轴叶轮7，该垂直轴叶轮7以其转轴与波浪的涌动方向相垂直的方式安装在浮舱3后端，同时该垂直轴叶轮7的轴向与浮舱3的长度方向相平行设置。另外，在浮舱3内还收装有与垂直轴叶轮7传动连接、用以将波浪的动能转化成液压能的动能转化组件，本实施例中，动能转化组件由液压泵来构成，该液压泵通过齿轮传动组件等传动机构与垂直轴叶轮7传动连接，用以将波浪的动能转化成液压能。

另外，在浮舱3内还收装有液压系统51、压水舱8、蓄能器9和散热器10，其中，液压系统51与液压缸5配套设置，用于控制液压缸5伸长以托举浮舱3使其离开水面以方便对浮舱3进行检修。压水舱8用以收装预定量的海水，波浪能发电装置的控制单元或前述导流舵控制单元41与该压水舱8通信连接，前两者中任一控制单元可根据波浪能发电装置所处的海上环境(例如，浪高等)来控制注入压水舱8内的海水量，进而调节浮舱3相对于海平面的上下浮动程度。蓄能器9在单套波浪能收集单元1工作时有储能的作用，在整个波浪能发电系统中的作用是稳压。散热器10用以对收装在浮舱3内的多个部件进行散热，进而保证这多个部件的工作状态。

此外，波浪能发电装置还包括用以检测波浪的波长、浪高等参数的波浪仪，整个波浪能发电装置具有一由集成电路板构成的控制单元，该控制单元分别与该波浪仪、前述导流舵控制单元41、压水舱8、势能转化组件(例如，液压缸5)、动能转化组件(例如，液压泵)、蓄能器9、散热器10等分别进行信号连接或电连接来实现信息交互，进而控制前述各个部件的工作状态。本发明中，需在控制单元或导流舵控制单元41中预先设定导流舵4相对于浮舱3的转动角度、压水舱8的注水量与波浪发电装置处于不同工作状态的对应关系，由此定义在不同工作状态下导流舵4相对于浮舱3的转动角度范围和压水舱8的注水量，即需在三者之间建立对应关系，由此将导流舵4的转动角度范围和压水舱8的注水量自定义为诸如正常发电模式、应急保护模式、停机保护模式等。控制单元可根据波浪仪所反馈的波浪参数来向导流舵控制单元41和压水舱8发送控制指令，由此来控制导流舵4相对于浮舱3的转动角度和压水舱8的注水量。不难理解，波浪仪也可直接与导流舵控制单元41和压水舱8直接进行信息交互，导流舵控制单元41可根据波浪仪所反馈的波浪参数直接控制导流舵4相对于浮舱3的转动角度，压水舱8根据波浪仪所反馈的波浪参数控制压水舱内海水的注入量，由此来控制浮舱3自身的重量。

下面参照图1～图7结合上述结构描述来对波浪能发电装置的工作原理进行简单地描述。

1)波浪能发电装置处于正常发电状态

如图4所示，海平面上的波浪处于正常状态时，波浪仪将检测的波浪信息发送至波浪能发电装置的控制单元或导流舵控制单元41，控制单元或导流舵控制单元41根据波浪仪反馈的波浪参数将导流舵4相对于浮舱3的转动角度控制在正常发电模式下；在这种状态下，导流舵4和压水舱8在波浪仪的控制下的状态为：导流舵4上扬并固定，压水舱3排空(即不注入水)，浮舱3的重量为最小状态，处于最佳发电状态，通过波浪涌动的动能抬高浮舱3的上浮速度，在此过程中浮舱3被海浪浮至波峰、之后因重力下落至波谷，浮舱3在纵向上的上下浮动带动活塞杆相对于前述液压缸5进行往复运动，由该液压缸5将波浪的势能转化为液压能；同时，导流舵4引导、迫使波浪顺着浮舱3下表面流动，波浪推动位于浮舱3后端的垂直轴叶轮7转动，垂直轴叶轮7带动与其传动连接的液压泵运行，通过该液压泵将波浪的动能转化成液压能，如此完成对波浪动能和势能的采集，波浪的能量被转化成液压能，这部分液压能汇集在一起经稳压后输往发电平台2最终转化成电能。

2)波浪能发电装置处于应急保护状态

如图5所示，海平面上的波浪较大时，波浪仪将检测的波浪信息发送至波浪能发电装置的控制单元或导流舵控制单元41，控制单元或导流舵控制单元41根据波浪仪反馈的波浪参数将导流舵4相对于浮舱3的转动角度控制在应急保护模式下；在这种状态下，导流舵4相对于浮舱主体朝下转动一定角度并定位，利用波浪的动能下压浮舱3，在压水舱8内注入部分海水，则增大浮舱3的重量，由此来抑制浮舱3的上浮速度和高度，起到保护浮舱3的目的。在这种应急保护状态下，导流舵4不随着海浪上下涌动，浮舱3和垂直轴叶轮7还可继续运转(具体如前述正常发电状态所述)以收集波浪能，波浪的能量被转化成液压能，这部分液压能汇集在一起经稳压后输往发电平台2最终转化成电能。

3)波浪能发电装置处于停机保护状态

如图6所示，海平面处于极端巨型大浪时，波浪仪将检测的波浪信息发送至波浪能发电装置的控制单元或导流舵控制单元41，控制单元或导流舵控制单元41根据波浪仪反馈的波浪参数将导流舵4相对于浮舱3的转动角度控制在停机保护模式下；在这种状态下，导流舵4相对于浮舱主体朝下转动至最低角度并定位，在压水舱8内注满水，则浮舱3的总重力大于浮舱3的最大浮力，使浮舱3下沉于波浪的波谷以下，则无法继续收集波浪能，波浪能发电装置处于停机状态，进而对波浪能发电装置进行保护。

4)波浪能发电装置处于检修状态

如图7所示，当波浪能发电装置需要维护和检修时，液压系统51控制液压缸5伸长，通过伸长后的液压缸5托举浮舱3离开水面。由于此时浮舱3离开水面，浮舱不随波浪的涌动而摆动，便于对波浪能发电设备进行维护保养和检修。

本发明所述波浪能发电装置具有如下技术效果：

第一、波浪发电装置的能量收集组件(例如，浮舱3)主要利用水平定位组件实现水平定位、利用竖直限位组件实现竖直限位，如此，使波浪发电装置的多套波浪能收集单元能够单独固定在海底上并实现定点固定，避免波浪能收集单元随波浪漂移碰撞，多套波浪能收集端缘互不干扰独立工作，采集到的能量集中到发电平台上，有利于集中规模化建造大型波浪发电站。同时，在水平定位组件的至少一个桩的位于海平面以上的部分上还安装有风能采集单元和太阳能采集单元，实现一桩多用，适合建造大规模综合化海上发电平台。

另外，两个桩6之间通过平衡连杆62连接，设置在单个桩6与浮舱3之间的两个连杆61，它们的前端在浮舱3上间隔设置，它们的后端在桩6上聚集在一起，由此，在浮舱3与单个桩6之间形成三角形分布的连接结构、相邻桩和浮舱之间形成三角形分布的连接结构，这种结构的稳定性较好，有利于提高水平定位组件对浮舱3进行水平定位的稳定性。

第二、设置在浮舱3前端并可调角度的导流舵4，一方面可提高浮舱3上浮的速度，进而提高对波浪势能的收集效率，进而提高发电效率；另一方面可引导、迫使波浪顺着浮舱3下表面流动，进而有利于推动浮舱3后端的垂直轴叶轮的旋转，有利于提高波浪能的收集效率和效果，进而提高发电效率。另外，导流舵4可根据波浪的大小而改变其相对于浮舱3的转动角度结合压水舱8调节浮舱3的重量，进而调整浮舱3相对于海平面的下沉高度，从而对浮舱3进行有效保护，例如，海平面浪小时，导流舵4上扬压水舱8排空、浮舱3的重量为最小值，利用波浪的动能最大限度的提升舱体的上浮速度。遇到极端大风天气出现巨浪时导流舵4下调同时压水舱8注满水、浮舱3处于重量最大状态此时浮舱的重力大于浮舱的浮力，配合波浪的动能下压浮舱3，使浮舱3快速沉在海面以下，从而对浮舱3进行保护。

第三、在浮舱3的后端底部下表面处设有垂直轴叶轮7，并且该垂直轴叶轮7以其转轴与波浪的涌动方向相垂直的方式安装在浮舱3后端，这样能够更有效地收集波浪动能，进而有利于提高对波浪动能的收集效率和效果。

第四、浮舱3的纵截面呈横向设置的长椭圆形或梭形，由于长椭圆形或梭形的表面呈光滑的弧形，能够减小海水流经浮舱表面时所受的阻力，进而加快波浪的通过速度，有助于提高势能的收集效果。

第五，波浪能发电装置同时设有势能收集组件和动能收集组件，这样，采集波浪势能的同时也采集波浪的动能，与现有技术中单独收集波浪势能或动能相比，有利于提高波浪能量的收集效率。

第六，当能量收集单元检修时，托举油泵51工作，控制液压缸5伸长，托举浮舱3升高到水面以上，便于对浮舱3的维护保养。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

例如，在上述实施例中，通过波浪仪反馈的信息来对导流舵4和压水舱8进行控制，然而并非局限于此，导流舵4和压水舱8的控制方式还可为：人为主动控制和被动液压系统过载保护控制。

Claims (15)

1.一种波浪能发电装置，包括多套波浪能收集单元(1)，其特征在于，单套波浪能收集单元(1)包括：

能量收集组件，用以收集波浪能，包括用以收集波浪势能的势能收集组件和用以收集波浪动能的动能收集组件，其中，所述势能收集组件包括一浮舱(3)；

定位组件，用以对所述浮舱(3)进行定位，包括对所述浮舱(3)进行限位的竖直限位组件。

2.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述浮舱(3)是纵截面呈横向设置的长椭圆形或梭形的壳体。

3.根据权利要求1或2所述的波浪能发电装置，其特征在于，在所述浮舱(3)的前端铰接或转动连接有导流舵(4)，在所述浮舱(3)内设有用以控制该导流舵(4)相对于所述浮舱主体的偏移幅度的导流舵控制单元(41)。

4.根据权利要求3所述的波浪能发电装置，其特征在于，在所述导流舵(4)的远离所述浮舱(3)的一端形成有尖端部或楔形部。

5.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，在所述浮舱(3)内设有通过改变其注水量来调节所述浮舱(3)相对于海平面的上下浮动程度的压水舱(8)。

6.根据权利要求1或2所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述动能收集组件包括一垂直轴叶轮(7)，并该垂直轴叶轮(7)以其转轴与波浪的涌动方向相垂直的方式安装在所述浮舱(3)后端。

7.根据权利要求6所述的波浪能发电装置，其特征在于，在所述浮舱(3)的下表面设有朝上凹进的凹部(31)，所述垂直轴叶轮(7)安装在该凹部(31)处。

8.根据权利要求6所述的波浪能发电装置，其特征在于，在所述浮舱(3)内收装有液压泵与所述垂直轴叶轮(7)传动连接、用以将波浪的动能转化成液压能的动能转化组件。

9.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述势能收集组件还包括一竖直设置的液压缸(5)，该液压缸(5)的两端分别与海底和所述浮舱(3)转动连接或铰接，

所述液压缸(5)还能对所述浮舱(3)起到竖直限位功能，构成所述竖直限位组件。

10.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，在所述浮舱(3)内设有与所述液压缸(5)配套设置、用于控制所述液压缸伸长以托举所述浮舱使其离开水面的液压系统(51)。

11.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述定位组件还包括对所述浮舱(3)进行水平定位的水平定位组件。

12.根据权利要求11所述的波浪能发电装置，其特征在于，所述水平定位组件包括竖直设置的至少一个桩(6)、连接这至少一个桩(6)与所述浮舱(3)的至少一个连杆(61)，并且所述连杆(61)的两端分别与所述桩(6)和浮舱(3)转动连接或铰接。

13.根据权利要求12所述的波浪能发电装置，其特征在于，在相邻所述桩(6)之间设有连接两者的平衡连杆(62)。

14.根据权利要求12所述的波浪能发电装置，其特征在于，在所述至少一个桩(6)的位于海平面以上的部分上还安装有风能采集单元和太阳能采集单元。

15.根据权利要求1所述的波浪能发电装置，其特征在于，在所述浮舱(3)内还设有蓄能器(9)和/或散热器(10)。