CN109958571A - 一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，包括固定安装在海岸上的倾斜框架和设置在倾斜框架上的安装平台，所述倾斜框架和安装平台之间通过橡胶阻尼减震器连接，所述安装平台上通过滑轮活动安装有波浪能利用装置，所述波浪能利用装置通过连杆连接有吸波器，所述波浪能利用装置通过并网的方式连接有风能利用装置和太阳能利用装置；能够有效利用海浪能大规模生产低成本高能压缩空气，同时利用期间生成的压缩热能、膨胀冷能等能源，保证一个相对稳定的、在动态过程中同时吸收、释放、聚集储存海浪能的连续过程，实现了可再生能源海浪能无污染、低成本综合利用。

Description

一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统
技术领域
本发明涉及海浪能利用技术领域，具体为一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统。
背景技术
海浪能是一个具有巨大开发潜力，并且是洁净、可持续再生的能源，如果能够综合开发利用起来将会产生巨大的经济效益，而且还会解决目前能源紧缺的问题，因此，对于海浪能的利用目前已经有了很大的研究。但是现有的海浪能的综合利用还存在如下缺陷：
第一，设备多数与海水直接接触，容易腐蚀，经济寿命短；
第二、结构庞大而复杂，造价昂贵，输出功率低下；
第三、波浪不稳定导致能量转换也不稳定，转换效率低下，最终导致发电不稳定，而且设备多数集中且固定在海岸附近，难以规避海洋风暴的破坏；
第四、只是简单发电，没有同时考虑海浪能、风能及太阳能的综合利用问题。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，包括固定安装在海岸上的倾斜框架和设置在倾斜框架上的安装平台，所述倾斜框架和安装平台之间通过橡胶阻尼减震器连接，所述安装平台上通过滑轮活动安装有波浪能利用装置，所述波浪能利用装置通过连杆连接有吸波器，所述波浪能利用装置通过并网的方式连接有风能利用装置和太阳能利用装置。
作为本发明一种优选的技术方案，波浪能利用装置包括初级高能压缩空气装置、热水产生装置和热蒸汽产生装置，所述初级高能压缩空气装置通过连杆与吸波器连接，且所述初级高能压缩空气装置分别通过循环水道与热水产生装置和热蒸汽产生装置连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述初级高能压缩空气装置包括气缸，所述气缸的活塞杆上设置有高能气压弹簧压缩装置，且在活塞杆外端通过连杆与平行于海岸线的吸波器连接，所述气缸通过排气管道连接有储气装置，所述储气装置通过钢套真空管道将压缩空气输出。
作为本发明一种优选的技术方案，所述热水产生装置和热蒸汽产生装置均由密封金属腔组成，所述密封金属腔内通过循环水管与气缸连接并将气缸内反复压缩空气的热量带出分别用于产生热水和高温蒸汽，两个所述密封金属腔上分别通过热水管道和蒸汽管道将产生的热水和蒸汽输出。
作为本发明一种优选的技术方案，所述吸波器包括呈Y字型由下至上逐步呈收缩状态并形成收缩通道的左立面、右立面、后立面以及上顶面和下顶面，左立面和右立面之间以及上顶面和下顶面之间均设有用于调节位置的顶升装置，所述活塞杆设在收缩通道背面，所述活塞杆的功率和顶升装置之间通过闭环反馈控制系统调整各立面和顶面之间的角度。
作为本发明一种优选的技术方案，所述闭环反馈控制系统包括三级反馈控制系统和设置在吸波器上的冲击压力传感器，根据冲击压力传感器获得的传感数据分析获得调整执行指令，再将调整执行指令对应发送至相应的三级反馈控制系统上进行相应的调整，使得冲击压力保持恒定，所述三级反馈控制系统的执行机构具体为：
第一级，在倾斜框架和安装平台之间还设置升降机构；
第二级，在活塞杆上设置可上下移动的推动机构；
第三级，在吸波器的立面上设置有用于调整海水进出量的电动阀门。
作为本发明一种优选的技术方案，所述安装平台包括岸基式、固定式、自升式或半潜式，其中，岸基式、固定式、自升式均为近岸设置，安装方向始终迎向波浪方向，半潜式配备全自动动力装置和停泊及定位系统。
作为本发明一种优选的技术方案，波浪能利用装置、风能利用装置和太阳能利用装置通过并联或者串联的方式组合形成多级系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过有效利用海浪能，并且与此同时结合太阳能和风能形成一个综合性的能量应用系统；
(2)本发明通过有效利用海浪能大规模生产低成本高能压缩空气，同时利用期间生成的压缩热能、膨胀冷能等能源，保证一个相对稳定的、在动态过程中同时吸收、释放、聚集储存海浪能的连续过程，在此基础上实现对外供冷、供热及高能压缩空气对外商业化输出，从而实现了可再生能源海浪能无污染、低成本综合利用，为海浪能利用实现大规模商业化提供良好基础，充分利用空间内的太阳能和风能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明波浪能利用装置结构示意图；
图3为本发明吸波器结构示意图；
图中标号：1-倾斜框架；2-安装平台；3-橡胶阻尼减震器；4-波浪能利用装置；5-连杆；6-吸波器；7-升降机构；8-推动机构；9-初级高能压缩空气装置；10-热水产生装置；11-热蒸汽产生装置；12-电动阀门；13-循环水道；14-密封金属腔；15-热水管道；16-蒸汽管道；
601-收缩通道；602-顶升装置；
901-气缸；902-活塞杆；903-高能气压弹簧压缩装置；904-排气管道；905-储气装置；906-钢套真空管道；
1701-冲击压力传感器。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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做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。
海底地形一般总是离岸越近，水越浅，等深线大多与海岸线平行，不论从外海什么地方也无论从哪个方向传来的涌浪，只要一传到近岸浅海处，它的波速便在海岸线平行的等深线处逐渐趋于一致，波速既然相同波浪便总是平行地向岸边冲来。根据以上原理，在本发明中构建一套综合能源的利用系统，以充分利用波浪能。
如图1所示，本发明提供了一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，包括固定安装在海岸上的倾斜框架1和设置在倾斜框架1上的安装平台2，所述倾斜框架1和安装平台2之间通过橡胶阻尼减震器3连接，以减小系统间因为波浪冲击带来的震动，所述安装平台2上通过滑轮活动安装有波浪能利用装置4，以便在天气恶化时随时转移，所述波浪能利用装置4通过连杆5连接有吸波器6，所述波浪能利用装置4通过并网的方式连接有风能利用装置和风能利用装置，并且通过利用波浪能利用装置4可以将设备远离海水，只需要通过吸波器与海水接触即可实现波浪能的综合利用，避免设备浸泡在海水中被腐蚀。
所述安装平台2根据安装方式分为岸基式、固定式、自升式和半潜式，其中，岸基式、固定式、自升式均为近岸设置，安装方向始终迎向波浪方向，半潜式配备全自动动力装置和停泊及定位系统。
岸基式：在海岸平直处安装伸向大海的倾斜式框架，其上安装滑轨，滑轨与框架之间可以通过空气弹簧或其他升降装置连接，主要设施位于海岸上，其中主要设施模块化设计并设置滚轮，在天气恶化时可以与框架实现快速分离并转移到安全地带；
固定式：直接固定于海底的平台，是通过管架结构在海底将平台固定，同时附接在整个使用寿命期内位置固定不变，可以通过空气弹簧或其他升降系统上下移动，台风或者恶劣天气可以下潜至海底规避，也可以通过闭环控制系统调整吸波器与海浪接触面积进而调整海浪冲击力，使得吸波器运动尽可能稳定。主要设施位于固定式平台上，倾斜式框架及伸缩式吸波器系统同时固定。其中主要设施模块化设计并设置驳船，在天气恶化时可以与平台实现快速分离并转移到安全地带；
自升式：是由平台、桩腿和空气弹簧或其他升降机构组成，平台能沿桩腿升降，一般无自航能力。主要设施位于自升式平台上，倾斜式框架及伸缩式吸波器系统同时固定，工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。遇到台风或恶劣天气，将平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到安全位置；
半潜式：上部为工作甲板及倾斜式框架及伸缩式吸波器系统，主要设施位于平台上，下部为两个下船体，用支撑立柱连接。可以通过压缩弹簧或其他升降机构实现相关设施上下移动。采用动力定位和锚泊定位的组合定位系统，平台下面有多台全自动推进器来定位和航行,根据海流和风速进行自动定位,能保持在海面上平稳不动。
其中，如图2和图3所示，波浪能利用装置4由初级高能压缩空气装置9、热水产生装置10和热蒸汽产生装置11组成，所述初级高能压缩空气装置9通过连杆5与吸波器6连接，且所述初级高能压缩空气装置9分别通过循环水道13与热水产生装置10和热蒸汽产生装置11连接。
在上述中需要进一步说明，热水产生装置10和热蒸汽产生装置11是一体化的结构，即当气缸在运动压缩空气时会产生压缩热，并且通过压缩热来加热循环水，并且在这个过程中，当压缩热的能量足够时，就会产生热蒸汽，而当热量不足时达不到沸点，就会产生不同温度的热水。在本实施方式中为了使得热水产生装置10和热蒸汽产生装置11的结构关系更加清晰，将其分开展示在图中，并不作为本实施例的具体限定。
海浪上冲时吸波器6向上运动，初级高能压缩空气装置9通过气缸901压缩空气，并通过排气管道904把压缩空气排入储气装置905；海浪回落时在气压弹簧及吸波器重力作用下带动连杆的回落，外界空气通过进气管道进入气缸，同时流入密封金属腔的循环水把反复压缩空气产生的热量带出，可以生产高温水和高温蒸汽，如此往复运动，从而实现持续运行。气缸901采用传导性能良好的金属材料制作，以便于把不断压缩空气产生的热量传导给气缸外的水，使得水被加热、沸腾并对外输出。
在上述中，所述吸波器6还可以与曲轴连杆机构连接，通过这种连接方式使得吸波器的往复运动也能够转换为旋转运动，当这种旋转运动与轴流式空气压缩机连接时，就可以将这种往复运动的能量转换为空气的压缩能存储起来，通过这种组合的方式更适合大规模的产生压缩空气等。
在本实施方式中，产生的压缩空气可通过组网的方式实现多级压缩，从而产生足够大压强的压缩空气，而压缩的动力则来源于吸波器，热蒸汽也可以通过组网实现多级的压缩，而在这个过程中产生的热蒸汽或压缩空气可以直接对外输出，也可以作为新的动力源来进行发电，在发电的过程中也可以通过多级膨胀或者冷却的方式释放其能量，而只有通过多级膨胀的方式才能足够实现膨胀冷的大规模输出。发电时使用的电机采用双向发电机，以提高发电的实际效率。通过发电的方式使得本实施方式中产生的大量能量并入常规电网，通过形成宏观整体的能源系统，实现能量的商业化应用。
另外，还需要注意的是，在本实施方式中为了更好、更稳定的提供发电的动力源，产生的压缩空气不能直接用于发电，而是需要首先通过储气的方式来实现能量的存储，以便实现稳定的发电。
而设置该方式的主要目的在于克服现有技术中直接通过波浪能的方式进行并网发电其成本高、易腐蚀，发电不稳定无法并网的缺陷，在本发明中是首先通过波浪能产生压缩空气、热水以及热蒸汽，并且将其存储起来形成稳定的能量源，然后再通过这些能量源来进行发电，从而克服现有技术中的缺陷，实现稳定的发电进而达到并网的目的，并且其产生的副产品如压缩空气、热水和热蒸汽等均可以作为副产品对外商业化输出，这也是本申请中的主要创新点所在，与此同时是还可以综合利用太能能和风能，从而实现多位的统一组网。
基于上述，本申请中是通过利用波浪能、风能和太阳能，并且考虑到将其直接作为能量源不具备可靠的稳定性，因此通过能量转换的方式将其转化为可稳定存储的稳定能量源，即压缩空气、热水和热蒸汽等，然后再通过这些稳定的能量源来实现发电，从而实现稳定的能量输出，进而达到并网的目的。即在本发明中基于稳定性的考虑来实现五联系统的构建。
所述连杆5具体为支点根据海浪冲击力闭环控制调整的杠杆。在条件允许的情况下，尽可能使长短杠杆比足够大，长杠杆端连接气缸，通过支点带动短杆实现往复直线运动，在海浪冲击力较低的情况下也能产生很大压力，实现压缩空气、热水及热蒸汽生产。该杠杆结构支点位置可以根据海浪冲击力大小闭环调整，使其形成的压力近似保持合理，可以水平设置，也可以采用其他合理设置方式，设立的基本原则是尽可能做到省力最大化。
在上述中，所述初级高能压缩空气装置9包括气缸901，所述气缸901的活塞杆902上设置有高能气压弹簧压缩装置903，且在活塞杆902外端通过连杆5与平行于海岸线的吸波器6连接，所述气缸901通过排气管道904连接有储气装置905，所述储气装置905通过钢套真空管道906将压缩空气输出。
所述热水产生装置10和热蒸汽产生装置11均由密封金属腔14组成，所述密封金属腔14内通过循环水管13与气缸901连接并将气缸901内反复压缩空气的热量带出分别用于产生热水和高温蒸汽，两个所述密封金属腔14上分别通过热水管道15和蒸汽管道16将产生的热水和蒸汽输出。
另外，所述吸波器6包括呈Y字型由下至上逐步呈收缩状态并形成收缩通道601的左立面、右立面、后立面以及上顶面和下顶面，左立面和右立面之间以及上顶面和下顶面之间均设有用于调节位置的顶升装置602，所述活塞杆902设在收缩通道601背面，所述活塞杆902的功率和顶升装置602之间通过闭环反馈控制系统调整各立面和顶面之间的角度。
在上述中，左立面、右立面可以通过顶升装置602的开合调整受浪角度以改变海浪冲击力大小，上顶面和下顶面的距离也可以采用顶升装置602调节以便改变吸收海浪的数量，收缩通道601背面连接活塞杆902，均采用高强度、耐腐蚀的轻质材料制造。上述装置相关位置均可调，采用变角度、变高度的闭环反馈控制系统技术，在运行过程中，当气缸输出功率小于额定功率时，调整左右立面角度、上下立面距离以便获取最大海浪冲击了；当气缸输出功率大于额定功率以后，闭环反馈控制系统根据输出功率的变化调整左立面、右立面角度以及上顶面和下顶面距离的大小，使气缸的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制，在海浪能驱动气缸过程中，通过对左右立面角度、上下立面距离的主动控制可以克服定角度、定高度/被动失速调节的许多缺点。
所述闭环反馈控制系统包括三级反馈控制系统和设置在吸波器6上的冲击压力传感器1702，根据冲击压力传感器1702获得的传感数据分析获得调整执行指令，再将调整执行指令对应发送至相应的三级反馈控制系统上进行相应的调整，使得冲击压力保持恒定，所述三级反馈控制系统的执行机构具体为：
第一级，在倾斜框架1和安装平台2之间还设置风能利用装置7，通过调节吸波器接触的海浪量实现对吸波器稳定控制；
第二级，在活塞杆902上设置可上下移动的推动机构8，通过活塞杆沿着导轨上下移动实现对海浪接触的海浪量实现对吸波器稳定控制，多余海浪可以通过框架流失；
第三级，在吸波器6的立面上设置有用于调整海水进出量的电动阀门12，控制其开关调整海水进出调整吸波器压力，同时设定最高压力值阀门开合控制，达到最高压力可以自动打开阀门排出海水。
冲击压力传感器1702感受海浪冲击吸波器6的压力，调节比较当前压力与设定压力差值，调节多个电动阀门12，使部分海浪冲过电动阀门12，降低海浪对吸波器6冲击力，保证海浪冲击压力始终维持在设定压力，冲击压力保持恒定，从而使活塞杆往复运动尽可能保持稳定，提高压缩效率和保护设备避免大额冲击力。
波浪能利用装置4、风能利用装置和太阳能利用装置通过并联或者串联的方式组合形成多级系统。即上一级压缩产生的压缩空气、热水、热蒸汽可以通过相应管道进入下一级压缩系统，以便进一步提高其能量后再对外输出。特别是在海浪能较小的情况下可以通过多级压缩实现能量目标。各级压缩机驱动均由吸波器往复运动作为原动力。
另外，在本发明中通过综合利用波浪能产生的能量，其具体的应用可以总结为：利用压缩热、膨胀冷替代常规热源和冷源来实现海水淡化系统；直接输出热水和热蒸汽；以热蒸汽作为动力进行发电；冷水和冷气的自用和商业输出；压缩空气的发电和商业输出；太阳能集热和发电；风能直接生产压缩空气和发电。通过综合上述应用，综合应用海岸上充裕的风能和太阳能实现互补，并且结合火电、水电以及核电等常规能源发电来实现与常规电网的并网，通过电能和压缩空气、热水、热蒸汽等能源的相互转换以实现削峰填谷的目的，从而综合性的利用波浪能、风能和太阳能。
综合上述，在本发明中还需要考虑这样一个问题，即虽然在本实施方式中着重构建的是波浪能的利用，但是在这个技术方案中，不仅仅是生产压缩空气、热水和热蒸汽，而且还需要综合利用太阳能和风能，从而实现五联供电系统的统一，以便输出更加稳定的能量，也是产业化的唯一选择。由于风能和太阳能的组网应用已经被熟知，因此，在本发明未详细构建上述两个特征，但是不能因为这个而忽略前述两者在整个五联供电系统中的作用。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，其特征在于，包括固定安装在海岸上的倾斜框架(1)和设置在倾斜框架(1)上的安装平台(2)，所述倾斜框架(1)和安装平台(2)之间通过橡胶阻尼减震器(3)连接，所述安装平台(2)上通过滑轮活动安装有波浪能利用装置(4)，所述波浪能利用装置(4)通过连杆(5)连接有吸波器(6)，所述波浪能利用装置(4)通过并网的方式连接有风能利用装置和太阳能利用装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，其特征在于，波浪能利用装置(4)包括初级高能压缩空气装置(9)、热水产生装置(10)和热蒸汽产生装置(11)，所述初级高能压缩空气装置(9)通过连杆(5)与吸波器(6)连接，且所述初级高能压缩空气装置(9)分别通过循环水道(13)与热水产生装置(10)和热蒸汽产生装置(11)连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，其特征在于，所述初级高能压缩空气装置(9)包括气缸(901)，所述气缸(901)的活塞杆(902)上设置有高能气压弹簧压缩装置(903)，且在活塞杆(902)外端通过连杆(5)与平行于海岸线的吸波器(6)连接，所述气缸(901)通过排气管道(904)连接有储气装置(905)，所述储气装置(905)通过钢套真空管道(906)将压缩空气输出。
4.根据权利要求3所述的一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，其特征在于，所述热水产生装置(10)和热蒸汽产生装置(11)均由密封金属腔(14)组成，所述密封金属腔(14)内通过循环水管(13)与气缸(901)连接并将气缸(901)内反复压缩空气的热量带出分别用于产生热水和高温蒸汽，两个所述密封金属腔(14)上分别通过热水管道(15)和蒸汽管道(16)将产生的热水和蒸汽输出。
5.根据权利要求2所述的一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，其特征在于，所述吸波器(6)包括呈Y字型由下至上逐步呈收缩状态并形成收缩通道(601)的左立面、右立面、后立面以及上顶面和下顶面，左立面和右立面之间以及上顶面和下顶面之间均设有用于调节位置的顶升装置(602)，所述活塞杆(902)设在收缩通道(601)背面，所述活塞杆(902)的功率和顶升装置(602)之间通过闭环反馈控制系统调整各立面和顶面之间的角度。
6.根据权利要求5所述的一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，其特征在于，所述闭环反馈控制系统包括三级反馈控制系统和设置在吸波器(6)上的冲击压力传感器(1702)，根据冲击压力传感器(1702)获得的传感数据分析获得调整执行指令，再将调整执行指令对应发送至相应的三级反馈控制系统上进行相应的调整，使得冲击压力保持恒定，所述三级反馈控制系统的执行机构具体为：
第一级，在倾斜框架(1)和安装平台(2)之间还设置风能利用装置(7)；
第二级，在活塞杆(902)上设置可上下移动的推动机构(8)；
第三级，在吸波器(6)的立面上设置有用于调整海水进出量的电动阀门(12)。
7.根据权利要求1所述的一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，其特征在于，所述安装平台(2)包括岸基式、固定式、自升式或半潜式，其中，岸基式、固定式、自升式均为近岸设置，安装方向始终迎向波浪方向，半潜式配备全自动动力装置和停泊及定位系统。
8.根据权利要求1所述的一种基于海浪能的多种能源综合利用一体化系统，其特征在于，所述波浪能利用装置(4)、风能利用装置和太阳能利用装置通过并联或者串联的方式组合形成多级系统。
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