CN110397547A - 一种漂浮密闭摆动式海浪发电装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海浪发电技术领域，具体地说，是一种漂浮密闭摆动式海浪发电装置及其方法，可以利用在海洋、湖泊中由于风、气压、以及重力等多种自然因素的作用下起伏运动形成的波浪的能量，进行收集储存，并转化为稳定可利用的电能，解决了现有海浪发电技术设备庞大、易腐蚀、维护成本高、不可为移动设备提供电能等难题。装置由海浪能量收集、发电、漂浮防护等单元组成，利用该装置可将海浪波能转化为稳定的电能，向海洋探测、海洋救生等移动设备或海岛居民提供电能。

Description

一种漂浮密闭摆动式海浪发电装置及其方法

技术领域

本发明涉及海浪发电技术领域，具体地说，是一种漂浮密闭摆动式海浪发电装置及其方法，可以利用在海洋、湖泊中由于风、气压、以及重力等多种自然因素的作用下起伏运动形成的波浪能量，进行收集储存，并转化为稳定可利用的电能。

背景技术

随着人类文明不断发展，电能的利用在生产生活中越来越重要，二十一世纪人们几乎离不开电能。人们为了保护自然环境，对太阳能、风能、生物质发电等可再生绿色能源进行了大量研究、探索，并取得了积极进展。世界各国对海洋波浪能量的利用研究也富有成效。在我国海洋面积广阔，海洋波浪能量蕴藏丰富，据初步估计，波浪的能量可达1.7亿千瓦。2018年4月我国在西沙永兴岛附近海域开始兴建“先导一号”波能发电装置，平台装机容量260千瓦.时，是我国目前装机容量最大的鹰式波浪发电装置。

根据基本原理，目前已有海浪发电大致可分为以下几类：一、利用海浪的上下运动所产生的空气流或水流，使气（水）轮机转动，以带动发电机发电；二、利用海浪装置的前后摆动或转动以产生空气流或水流，使气（水）轮机转动，带动发电机发电；三、将低大波浪变为小体积的高压水，然后再把高压水引入某一高位水池积蓄起来，使其产生高压水头，以冲动水轮发电机组进行发电₁。

现有的波浪发电技术有的已投入使用，有的正在进行技术验证，但都存在体积庞大、建造维护成本高、能量吸收转换部件与海水接触而易腐蚀、抗风浪能力差、运行不够稳定等，是目前海浪发电技术普遍存在的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种发电功率从毫瓦级到千瓦级的海浪发电技术，发电装置与海洋环境隔离、可移动、基本做到设备“免维护”，长期保持稳定运行。既可为海洋探测、海洋救生设备定位等移动设施提供电能。也可用柔性绳索固定在海岛、海岸附近，为海岛、海岸居民生产、生活提供电能。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种漂浮密闭摆动式海浪发电装置，包括动能收集单元、发电单元、设备漂浮防护单元，动能收集单元和发电单元安装在设备漂浮防护单元内。

动能收集单元由一个或多个重力摆轮构成，还包括两个棘轮和两个棘爪，两个棘轮设定为棘轮一和棘轮二，两个棘爪设定为棘爪一和棘爪二，还包括弹性金属材料制成的蓄能发条，蓄能发条的始端固定在棘轮一上，蓄能发条的末端与动力输出轴的力臂相连，该动力输出轴将动能输出到发电单元。棘爪一设置在重力摆轮上，重力摆轮收集的海浪动能，通过棘爪一作用到棘轮一上，棘轮一在重力摆轮的推动下，沿顺时针方向转动，并带动蓄能发条始端沿顺时针方向转动。棘爪二设置在棘轮一上，棘轮二固定，不发生转动，棘爪二与棘轮二共同作用，在蓄能发条未上满前，阻止棘轮一向逆时针方向转动。

本发明的进一步改进，棘轮二上设置有一个用来控制棘爪二的棘爪控制开关。

本发明的进一步改进，设备漂浮防护单元内采用双层结构，内层采用金属结构，提升装置防变形强度，外层采用防海水腐蚀和抗老化层结构，提升装置防腐蚀强度。

本发明的进一步改进，设备漂浮防护单元内填充惰性气体，用来平衡装置内外气压，保护动能收集单元、发电单元的运行环境，同时提升装置整体防变形强度。

本发明的进一步改进，还包括装置姿态调整构件，装置姿态调整构件由一块长方形簿片构成，固定在整个装置的底部。

一种漂浮密闭摆动式海浪发电装置方法，使用上述漂浮密闭摆动式海浪发电装置，包括波浪能量收集、能量缓释、发电步骤。在密闭空间里，利用重力摆轮收集海浪动能，并利用发条结构进行能量储存、蓄集并使能量稳定输出，从而使发电单元稳定发电；装置收集海浪的能量、蓄能、发电等等完全在密闭空间里完成，与海洋等外部环境隔离，完全杜绝周围环境物质对装置腐蚀。

本发明的有益效果：用该技术生产的海浪发电装置，可根据设备的用电负荷需求在工厂制造完成，简单易行且质量有保证，可向用电设备提供较稳定的电能。装置可在海面移动，实用性强，应用范围广。由于该发电装置的能量收集、储存、发电等单元与周围环境隔离，杜绝了海水、潮湿空气等不利因素对装置内部构件的腐蚀，解决了能量吸收转换部件与海水接触而易腐蚀的难题，使该装置长期保持最佳状态，可大幅度降低设备的维修成本，基本可做到“免维护”。因此，利用本发明可有效降低海浪发电成本，使海浪所发电能并入电网、进行商业应用成为可能。

附图说明

图1是本发明装置的动能收集单元水平放置示意图。

图2是本发明装置的动能收集单元侧视示意图。

图3是本发明装置的动能收集单元海浪能量收集、上紧蓄能发条过程示意图。

图4是本发明装置的动能收集单元海浪能量收集完成后，重力摆轮回摆、复位过程示意图。

图5是海浪传播剖面示意图。

图中，1-重力摆轮，2-棘轮一，3-蓄能发条，4-动力输出轴，5-棘爪一，6-棘轮二，7-棘爪二，8-棘爪控制开关，9-蓄能发条始端，10-蓄能发条末端。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：一种漂浮密闭摆动式海浪发电装置，包括动能收集单元、发电单元、设备漂浮防护单元，动能收集单元和发电单元安装在设备漂浮防护单元内。

如图1和图2所示，动能收集单元由一个或多个重力摆轮1构成，还包括两个棘轮和两个棘爪，两个棘轮设定为棘轮一2和棘轮二6，两个棘爪设定为棘爪一5和棘爪二7，还包括弹性金属材料制成的蓄能发条3，蓄能发条3的始端固定在棘轮一2上，蓄能发条末端10与动力输出轴4的力臂相连，棘爪一5设置在重力摆轮1上，棘爪二7设定在棘轮一2上，重力摆轮1连接到棘轮一2，棘轮一2在重力摆轮1的推动下，沿顺时针方向转动，并带动蓄能发条始端9沿顺时针方向转动，棘轮二6固定，不发生转动，棘爪二7与棘轮二6共同作用，在蓄能发条3未上满前，阻止棘轮一2向逆时针方向转动，动能收集单元内动力输出轴4连接到发电单元的变速机构，然后连接到发电机上。

本实施例的发电的动能来源是海洋的波浪，海洋波浪发电，主要利用海面波浪垂直、水平运动和波浪中水压变化产生能量发电。海洋中的波浪是海水运动形式之一，海浪的传播过程中通常伴随着水流现象，它有明显的周期性，它的产生是外力、重力与海水表面张力共同作用的结果。引起海水波动的外力因素很多，如风、大气压力的变化、天体的引潮力、海底地震以及人为引起的船体运动等。由这些因素引起的海水波动，虽然海浪的剖面形状复杂，由于它有明显的周期性，人们常把它理想化为如图5所示的规则剖面。本实施例利用这一海浪运动剖面，描述装置在海浪的驱动下发电的运行原理。

动能收集依靠动能收集单元完成，浪峰与浪谷转换形成的势能差，利用该单元转换成动能，进行收集、储存，并形成较稳定的动能输出。海浪动能的收集过程如下：

为了便于理解动能收集过程，假设用柔性绳索将装置固定在某一区域海面，该装置初始姿态为水平状态，并处在海浪波谷底。

A、海浪浪峰在装置的右侧，海浪向左传播，推高装置一侧（假设装置迎浪峰一侧简称为E，远浪峰一侧简称为F），装置内的重力摆轮1在重力的作用下开始顺时针方向转动。由于棘爪一5的作用，棘轮一2随重力摆轮1转动，并作用于储能发条的始端9，开始上紧发条，直到浪峰移至装置中部。这一过程如图3所示，其运行过程被分解成a、b、c三个图形来表示。左侧是海浪传播推动装置姿态发生变化示意图，右侧是随着装置姿态变化，重力摆轮1完成动收集，带动棘轮一2转动、上紧蓄能发条3的过程。

B、海浪波峰向前传播，装置向水平姿态发展，此时装置处在海浪的波峰上，装置最终达到水平姿态，此时重力摆轮1停止为蓄能发条3储能，重力摆轮1开始进入水平姿态，并为回摆作好准备。

C、海浪波峰继续向前推进，波峰前进到装置左侧，装置E点开始下沉，重力罢轮逆时针方向开始自由回摆。棘爪二7开始作用于棘轮二6，阻止棘轮1和蓄能发条3随重力摆轮1回摆转动，其过程如图4的d、e、f所示。

D、海浪波峰继续向前传播，海浪波谷移动至装置下方，装置E点、F点向下移动，逐步使装置到水平姿态，同时重力摆轮1完成自由回摆，到限制位。

E、海浪波峰继续向前推进，装置整体姿态调整为A时的姿态，在第二轮波峰的推动下，装置E点上移，重力摆轮1在重力作用下再次顺时针方向转动， 通过棘爪一5使力作用于蓄能发条3的始端9，再次开始上紧发条，并重复上述动能收集过程。

如此往复，不断从蓄能发条3的始端上紧发条，使发条上的势能不断集聚，同时由发条末端10通过动力输出轴4向发电单元输出动能，从而实现装置持续发电。

根据研究表明，海洋里海浪传播形式多样，例如有进行波、驻波等。漂浮在海面上物体的移动速度与海浪传播推进的速度也不相同，海面上漂浮物与海浪传播存在速度差，漂浮在海面上的物体也会随波浪波峰和波谷间转换而上下运动，本发明为海洋里工作的漂浮移动设备提供电能，利用了这一现象。并且海洋中海浪在同一方向某一时刻的不同剖面也不尽相同，这也为装置收集海浪动能创造了更加有利条件。

多摆轮设计的技术方案，运行原理与单摆轮相同，这里不再重复。在该单元中，蓄能发条3的主要作用有两个：一是存贮重力摆轮1收集的动能，二是缓释收集到的动能，使动力输出轴4连续稳定地向发电单元输出动能。避免所发的电能时续时断而成为“垃圾电”损坏用电设备。

在海洋里遇到极端天气等情况，海浪浪高和浪速一定时间内超过设计的情况会存在，在重力摆轮1的作用下，蓄能发条3蓄集能量的速度会远远大于动能输出轴输出的能量的速度，蓄能发条3逐渐上满，蓄能发条3将失去能量存贮和缓冲的能力，此时如不采取措施，重力摆轮1收集的动能会直接作用于动能输出轴，造成发电机转速过快，影响发电质量。为避免这一情况发生，设计了棘爪二7控制开关8，由蓄能发条3相邻两圈移位开启和关闭。开启后棘爪二7抬起，与棘轮二6分离，重力摆轮1逆时针方向回摆复位时，棘轮一2也随重力摆轮1逆时针方向转动，使能量收集暂时停止。动能输出轴继续输出动能，直至控制开关8被触发关闭，能时动能收集恢复。

本实施例中的动力输出轴4输出动能，经变速机构变速到合理转速，带动发电机进行发电。由于现在该技术成熟，在这里不再累述。

动能收集单元和发电单元安装在设备漂浮防护单元内，该单元依靠海水浮力，保证装置随海浪起伏。采用双层结构：内层采用金属结构，提升装置防变形强度；外层采用塑料等防海水腐蚀和抗老化层结构，提升装置防腐蚀强度。装置内填充氩气或其他惰性气体，用来平衡装置内外压力，保护动能收集、存储单元和发电单元的运行环境，同时提升装置整体防变形强度。

装置姿态调整构件用于装置在海浪中保持和调整姿态的构件，由一块长方形簿片构成，由于本发明采用圆盘外形，该构件沿装置直径EF方向固定在装置底部，既利用海水的阻力，来克服重力摆轮1转动对装置姿态的影响，又利用海浪传播的水流，使装置的EF方向始终平行于海浪的波向线，让装置始终处于有利于能量收集姿态。装置用于功率较小的设备或附着在用电设备上，或在不同平面采用多重力摆轮1设计，如为救生艇等设备的定位供电，也可省略该构件。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种漂浮密闭摆动式海浪发电装置，其特征在于，包括动能收集单元、发电单元、设备漂浮防护单元，所述动能收集单元和发电单元安装在设备漂浮防护单元内。

2.根据权利要求1所述的漂浮密闭摆动式海浪发电装置，其特征在于，所述动能收集单元由一个或多个重力摆轮构成，还包括两个棘轮和两个棘爪，两个棘轮设定为棘轮一和棘轮二，两个棘爪设定为棘爪一和棘爪二，还包括弹性金属材料制成的蓄能发条，所述蓄能发条的始端固定在所述棘轮一上，所述蓄能发条的末端与动力输出轴的力臂相连，该动力输出轴连接到所述发电单元，所述棘爪一设置在重力摆轮上，所述重力摆轮收集的海浪动能，通过棘爪一作用到棘轮一上，所述棘轮一在重力摆轮的推动下，沿顺时针方向转动，并带动蓄能发条始端沿顺时针方向转动，所述棘爪二设置在棘轮一上，所述棘轮二固定，不发生转动，所述棘爪二与所述棘轮二共同作用，在蓄能发条未上满前，阻止所述棘轮一向逆时针方向转动。

3.根据权利要求2所述的漂浮密闭摆动式海浪发电装置，其特征在于，所述棘轮二上设置有一个用来控制所述棘爪二的棘爪控制开关。

4.根据权利要求1-3任一项所述的漂浮密闭摆动式海浪发电装置，其特征在于，所述设备漂浮防护单元内采用双层结构，内层采用金属结构，提升装置防变形强度，外层采用防海水腐蚀和抗老化层结构，提升装置防腐蚀强度。

5.根据权利要求4所述的漂浮密闭摆动式海浪发电装置，其特征在于，所述设备漂浮防护单元内填充惰性气体，用来平衡装置内外气压，保护动能收集单元、发电单元的运行环境，同时提升装置整体防变形强度。

6.根据权利要求5所述的漂浮密闭摆动式海浪发电装置，其特征在于，还包括装置姿态调整构件，所述装置姿态调整构件由一块长方形簿片构成，固定在整个装置的底部。

7.一种漂浮密闭摆动式海浪发电装置方法，其特征在于，使用如权利要求6所述的漂浮密闭摆动式海浪发电装置，包括波浪能量收集、能量缓释、发电步骤，在密闭空间里，利用重力摆轮收集海浪动能，并利用发条结构进行能量储存、蓄集并使能量稳定输出，从而使发电单元稳定发电。