CN106401851B

CN106401851B - 海上发电装置及方法

Info

Publication number: CN106401851B
Application number: CN201610907432.XA
Authority: CN
Inventors: 陈正寿; 孙孟
Original assignee: Zhejiang Ocean University ZJOU
Current assignee: Zhejiang Ocean University ZJOU
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2019-05-14
Anticipated expiration: 2036-10-18
Also published as: CN106401851A

Abstract

本发明公开了一种海上发电装置及方法，包括设于水上的上端开口的悬浮箱、设于悬浮箱上的控制器、设于悬浮箱边缘上的环形浮标、发电装置、设于悬浮箱内的平板、设于平板上的2个倾斜的导轨、用于分别支撑2条导轨上端的2个支撑柱、设于2条导轨上的中空的摆动体、设于悬浮箱上的若干条缆绳、设于摆动体上的拉绳和位于悬浮箱上方的杠杆；杠杆一端与拉绳连接，杠杆另一端通过连接绳与发电装置连接；每条缆绳下端均设有锚；本发明具有适用范围广、能量转化效率高、安全性好的特点。

Description

海上发电装置及方法

技术领域

本发明涉及波浪发电技术领域，尤其是涉及一种能量转化效率高、安全性好的海上发电装置及方法。

背景技术

海洋能源的开发利用是能源研究的方向，在地球矿物能源逐渐枯竭及环境状况日益恶化的形势下，如何有效利用资源丰富、可再生的海洋资源，显得十分重要；

波浪能是最清洁的可再生资源，全世界沿海岸线连续耗散的波浪能功率达27×105 MW，技术上可利用的波浪能潜力为10×105 MW。

现有的波浪发电装置存在价格昂贵，能量转化效率低及安装地域受限的不足。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的波浪发电装置价格昂贵，能量转化效率低的不足，提供了一种能量转化效率高、安全性好的海上发电装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种海上发电装置，包括设于水上的上端开口的悬浮箱、设于悬浮箱上的控制器、设于悬浮箱边缘上的环形浮标、发电机构、设于悬浮箱内的平板、设于平板上的2个倾斜的导轨、用于分别支撑2条导轨上端的2个支撑柱、设于2条导轨上的中空的摆动体、设于悬浮箱上的若干条缆绳、设于摆动体上的拉绳和位于悬浮箱上方的杠杆；杠杆一端与拉绳连接，杠杆另一端通过连接绳与发电机构连接；每条缆绳下端均设有锚；

悬浮箱内壁上设有m条导向竖槽，平板上设有分别与各条导向竖槽配合的m块滑块，平板与设于悬浮箱的底板上的竖向丝杆转动连接，竖向丝杆下部通过轴承与悬浮箱的底板连接，竖向丝杆下端与设有悬浮箱的底板下表面上的伺服电机连接，还包括设于悬浮箱上的高度传感器，控制器分别与伺服电机和高度传感器电连接。

摆动体将波浪的作用力转化为对拉绳的拉伸力，通过杠杆将拉伸力放大，并通过发电机构将机械能转化为可以储存的电能。

各个锚与水底土层或岩层固定，平台箱和2条支撑柱给2条导轨稳定的支撑，悬浮箱确保了2条导轨的安全，环形浮标使悬浮箱悬浮于水面上，高度传感器实时检测悬浮箱的高度，控制器中设有幅度阈值W，控制器计算单位时间t内的高度变化幅度B；

当B≥W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱的高度降低至75%A至80%A；

当B<W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱的高度升高至110%A至115%A；

当1.5W<B≤2.5W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱的高度降低至30%A至50%A；

当B≥2.5W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱进入悬浮箱内。

本发明既可以进行正常的发电工作，又不会被风浪破坏，安全性更好。

发电机构可以设置在岸边、防波堤上或者水上平台上。

因此，本发明具有适用范围广、能量转化效率高、安全性好的特点。

作为优选，2条导轨两端均设有挡板，2条导轨上端的挡板下侧面上均设有弹簧，摆动体通过2个滑块分别与2条导轨相配合；杠杆包括支撑座和设在支撑座上的杆体，杆体包括第一杆体段和第二杆体段；第一杆体段的长度大于第二杆体段的长度，所述拉绳与第一杆体段端部连接。

当摆动体被风浪推至2条导轨上端的挡板处时，弹簧给摆动体提供了反推力，从而加快了摆动体回落的速度，提高了发电效率。

作为优选，所述发电机构包括齿条、与齿条连接的复位弹簧、齿轮、与齿轮配合的两个棘轮和两个发电机；齿条和齿轮相啮合，齿轮通过两个棘爪分别与两个棘轮相配合，两个棘轮的转轴分别与两个发电机的转子连接。

当连接绳的拉力大于复位弹簧的推力时，齿条向右移动，齿轮顺时针转动，齿轮通过棘爪带动棘轮转动。棘轮的转轴带动一个发电机的转子转动，发电机发电；

当连接绳的拉力小于复位弹簧的推力时，齿条向左移动，齿轮逆时针转动，齿轮通过棘爪带动另一个棘轮转动。另一个棘轮的转轴带动另一个发电机的转子转动，发电机发电。

作为优选，每条缆绳均包括下端封闭的弹性管、设于弹性管上的若干个依次插接的金属套管；每条缆绳的弹性管上端均与气泵的出气管连接，每条弹性管内均设有气压传感器，各个气压传感器和气泵均与控制器电连接；所述金属套管包括位于金属套管下部的锥形插入段、位于金属套管上部的用于与相邻的金属套管的插入段相配合的向上张开的喇叭段和位于插入段和喇叭段之间的连接段。

作为优选，还包括设于悬浮箱上的盖板，盖板与悬浮箱一侧转动连接，2个支撑柱上端通过绳索与盖板连接。

一种海上发电装置的方法，包括如下步骤：

（6-1）使悬浮箱悬浮于水面上，使各条缆绳进入水下，各个锚固定在水底的固定物上；

（6-2）波浪带动摆动体沿2条导轨移动，拉绳带动杠杆一端上下波动，杠杆将拉绳的力放大并通过连接绳传递给发电机构；

（6-3）控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱的高度为A；控制器中设有竖向丝杆转动圈数与支撑柱的高度的对应关系表，控制器可以通过控制伺服电机的转轴的转动方向、转动速度、转动时间而控制支撑柱的高度。

（6-4）高度传感器实时检测悬浮箱的高度，控制器中设有幅度阈值W，控制器计算单位时间t内的高度变化幅度B；

作为优选，每条缆绳均包括下端封闭的弹性管、设于弹性管上的若干个依次插接的金属套管；每条缆绳的弹性管上端均与气泵的出气管连接；每条弹性管内均设有气压传感器，各个气压传感器和气泵均与控制器电连接；步骤（6-1）中还包括对于每条缆绳的控制步骤：

（7-1）在控制器中设定弹性管的标准气压范围，控制器控制气泵给弹性管充气，弹性管充气后膨胀，弹性管内的气压传感器检测弹性管内的气压；

（7-2）当弹性管内的气压达到标准气压范围的上限值时，控制器控制气泵停止充气；弹性管的管壁与各个金属套管挤紧，悬浮箱被稳定固定；

（7-3）当弹性管内的气压达到标准气压范围的下限值时，控制器控制气泵给弹性管充气；

（7-4）重复步骤（7-2）至（7-3）。

作为优选，悬浮箱上还设有进水泵、排水泵和2个对称设置的压载箱，进水泵和排水泵均通过水管与2个压载箱联通，进水泵和排水泵均与控制器电连接；

（8-1）当B≥2.5W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱进入悬浮箱内；

并且控制器控制进水泵将水抽到2个压载箱中，进水泵抽水时间达到T1后，控制器控制进水泵停止工作；

（8-2）当B<2.5W时，控制器控制排水泵将水从2个压载箱中抽出，排水泵排水时间达到T2后，控制器控制排水泵停止工作；

转入步骤（6-3）。

作为优选，还包括设于悬浮箱上的盖板，盖板与悬浮箱一侧转动连接，2个支撑柱上端通过绳索与盖板连接；当B≥2.5W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱逐渐下降并进入悬浮箱内；

当盖板闭合后，控制器控制伺服电机停止工作。

因此，本发明具有如下有益效果：适用范围广、能量转化效率高、安全性好。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明的悬浮箱的一种剖视图；

图3是本发明的齿轮、棘轮和棘爪的一种结构示意图；

图4是本发明的金属套管的一种结构示意图；

图5是本发明的缆绳的一种结构示意图；

图6是本发明的实施例1的一种流程图图；

图7是本发明的一种原理框图。

图中：悬浮箱1、控制器2、平板3、盖板4、导轨5、支撑柱6、摆动体7、缆绳8、拉绳9、杠杆10、伺服电机11、高度传感器12、挡板13、弹簧14、进水泵15、排水泵16、压载箱17、竖向丝杆18、齿轮41、棘轮42、棘爪43、金属套管81、气泵82、锥形插入段83、喇叭段84、连接段85、气压传感器86、支撑座101、杆体102、第一杆体段1021、第二杆体段1022。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图1、图2、图7所示的实施例是一种海上发电装置，包括设于水上的上端开口的悬浮箱1、设于悬浮箱上的控制器2、设于悬浮箱边缘上的环形浮标、发电机构、设于悬浮箱内的平板3、设于平板上的2个倾斜的导轨5、用于分别支撑2条导轨上端的2个支撑柱6、设于2条导轨上的中空的摆动体7、设于悬浮箱上的4条缆绳8、设于摆动体上的拉绳9和位于悬浮箱上方的杠杆10；杠杆一端与拉绳连接，杠杆另一端通过连接绳与发电机构连接；每条缆绳下端均设有锚；

悬浮箱内壁上设有4条导向竖槽，平板上设有分别与各条导向竖槽配合的4块滑块，平板与设于悬浮箱的底板上的竖向丝杆18转动连接，竖向丝杆下部通过轴承与悬浮箱的底板连接，竖向丝杆下端与设有悬浮箱的底板下表面上的伺服电机11连接，还包括设于悬浮箱上的高度传感器12，控制器分别与伺服电机和高度传感器电连接。

2条导轨两端均设有挡板13，2条导轨上端的挡板下侧面上均设有弹簧14，摆动体通过2个滑块分别与2条导轨相配合；杠杆包括支撑座101和设在支撑座上的杆体102，杆体包括第一杆体段1021和第二杆体段1022；第一杆体段的长度大于第二杆体段的长度，所述拉绳与第一杆体段端部连接。

如图3所示，发电机构包括齿条、与齿条连接的复位弹簧、齿轮41、与齿轮配合的两个棘轮42和两个发电机；齿条和齿轮相啮合，齿轮通过两个棘爪43分别与两个棘轮相配合，两个棘轮的转轴分别与两个发电机的转子连接。

如图6所示，一种海上发电装置的方法，包括如下步骤：

步骤100，放置发电装置

使悬浮箱悬浮于水面上，使各条缆绳进入水下，各个锚固定在水底的固定物上；

步骤200，开始发电

波浪带动摆动体沿2条导轨移动，拉绳带动杠杆一端上下波动，杠杆将拉绳的力放大并通过连接绳传递给发电机构；

步骤300，设定支撑柱高度

控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱的高度为A=1.2米；

步骤400，动态调整支撑柱高度

高度传感器实时检测悬浮箱的高度，控制器中设有幅度阈值W=50厘米，控制器计算单位时间t内的高度变化幅度B；

当B≥W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱的高度降低至75%A；

当B<W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱的高度升高至110%A；

当1.5W<B≤2.5W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱的高度降低至30%A；

实施例2

实施例2包括实施例1的所有结构和步骤部分，如图4、图5、图7所示，实施例2的每条缆绳均包括下端封闭的弹性管、设于弹性管上的多个依次插接的金属套管81；每条缆绳的弹性管上端均与气泵82的出气管连接，每条弹性管内均设有气压传感器86，各个气压传感器和气泵均与控制器电连接。

金属套管包括位于金属套管下部的锥形插入段83、位于金属套管上部的用于与相邻的金属套管的插入段相配合的向上张开的喇叭段84和位于插入段和喇叭段之间的连接段85。

实施例1的步骤100中还包括对于每条缆绳的控制步骤：

（7-4）重复步骤（7-2）至（7-3）。

实施例3

实施例3包括实施例1的所有结构和步骤部分，实施例3的悬浮箱上还设有如图2、图7所示的进水泵15、排水泵16和2个对称设置的压载箱17，进水泵和排水泵均通过水管与2个压载箱联通，进水泵和排水泵均与控制器电连接；

并且控制器控制进水泵将水抽到2个压载箱中，进水泵抽水时间达到T1=2分钟后，控制器控制进水泵停止工作；

（8-2）当B<2.5W时，控制器控制排水泵将水从2个压载箱中抽出，排水泵排水时间达到T2=2分钟后，控制器控制排水泵停止工作；

转入步骤（6-3）。

实施例4

实施例4包括实施例1的所有结构和步骤部分，实施例4还包括如图1所示的设于悬浮箱上的盖板4，盖板与悬浮箱一侧转动连接，2个支撑柱上端通过绳索与盖板连接；当B≥2.5W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱逐渐下降并进入悬浮箱内；

当盖板闭合后，控制器控制伺服电机停止工作。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种海上发电装置，其特征是，包括设于水上的上端开口的悬浮箱（1）、设于悬浮箱上的控制器（2）、设于悬浮箱边缘上的环形浮标、发电机构、设于悬浮箱内的平板（3）、设于平板上的2个倾斜的导轨（5）、用于分别支撑2条导轨上端的2个支撑柱（6）、设于2条导轨上的中空的摆动体（7）、设于悬浮箱上的若干条缆绳（8）、设于摆动体上的拉绳（9）和位于悬浮箱上方的杠杆（10）；杠杆一端与拉绳连接，杠杆另一端通过连接绳与发电机构连接；每条缆绳下端均设有锚；

悬浮箱内壁上设有m条导向竖槽，平板上设有分别与各条导向竖槽配合的m块滑块，平板与设于悬浮箱的底板上的竖向丝杆（18）转动连接，竖向丝杆下部通过轴承与悬浮箱的底板连接，竖向丝杆下端与设有悬浮箱的底板下表面上的伺服电机（11）连接，还包括设于悬浮箱上的高度传感器（12），控制器分别与伺服电机和高度传感器电连接。

2.根据权利要求1所述的海上发电装置，其特征是，2条导轨两端均设有挡板（13），2条导轨上端的挡板下侧面上均设有弹簧（14），摆动体通过2个滑块分别与2条导轨相配合；杠杆包括支撑座（101）和设在支撑座上的杆体（102），杆体包括第一杆体段（1021）和第二杆体段（1022）；第一杆体段的长度大于第二杆体段的长度，所述拉绳与第一杆体段端部连接。

3.根据权利要求1所述的海上发电装置，其特征是，所述发电机构包括齿条、与齿条连接的复位弹簧、齿轮（41）、与齿轮配合的两个棘轮（42）和两个发电机；齿条和齿轮相啮合，齿轮通过两个棘爪（43）分别与两个棘轮相配合，两个棘轮的转轴分别与两个发电机的转子连接。

4.根据权利要求1所述的海上发电装置，其特征是，每条缆绳均包括下端封闭的弹性管、设于弹性管上的若干个依次插接的金属套管（81）；每条缆绳的弹性管上端均与气泵（82）的出气管连接，每条弹性管内均设有气压传感器，各个气压传感器和气泵均与控制器电连接；所述金属套管包括位于金属套管下部的锥形插入段（83）、位于金属套管上部的用于与相邻的金属套管的插入段相配合的向上张开的喇叭段（84）和位于插入段和喇叭段之间的连接段（85）。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的海上发电装置，其特征是，还包括设于悬浮箱上的盖板（4），盖板与悬浮箱一侧转动连接，2个支撑柱上端通过绳索与盖板连接。

6.一种基于权利要求2所述的海上发电装置的方法，其特征是，包括如下步骤：

（6-3）控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱的高度为A；

当B<W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱的高度升高至110%A至115%A。

7.根据权利要求6所述的海上发电装置的方法，每条缆绳均包括下端封闭的弹性管、设于弹性管上的若干个依次插接的金属套管；每条缆绳的弹性管上端均与气泵的出气管连接；每条弹性管内均设有气压传感器，各个气压传感器和气泵均与控制器电连接；其特征是，步骤（6-1）中还包括对于每条缆绳的控制步骤：

（7-4）重复步骤（7-2）至（7-3）。

8.根据权利要求6所述的海上发电装置的方法，其特征是，悬浮箱上还设有进水泵（15）、排水泵（16）和2个对称设置的压载箱（17），进水泵和排水泵均通过水管与2个压载箱联通，进水泵和排水泵均与控制器电连接；

转入步骤（6-3）。

9.根据权利要求6或7或8所述的海上发电装置的方法，还包括设于悬浮箱上的盖板，盖板与悬浮箱一侧转动连接，2个支撑柱上端通过绳索与盖板连接；其特征是，当B≥2.5W时，控制器控制伺服电机带动竖向丝杆转动，使支撑柱逐渐下降并进入悬浮箱内；

当盖板闭合后，控制器控制伺服电机停止工作。