CN110513237A - 一种波浪能吸收转化发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种波浪能吸收转化发电系统，包括波浪能吸收转化装置和发电机构。波浪能吸收转化装置包括浮体、导向轴、阻尼盘和和设置在阻力盘运动区间的抗衡机构。所述阻尼盘通过自身的阻尼作用，并在抗衡机构的协同作用之下，在水中保持相对静止的状态，且在系统设计的波高范围内，在上方和下方均不与限位结构或浮体等部件触碰。发电机构是直线电机发电机构，当浮体在波浪的作用下带动导向轴一起上下运动，与阻尼盘之间产生相对运动，直线电机发电机构接收这种相对运动输出的动力，将波浪能利用转化为电能。本发明具有波浪能利用率高、结构简单、运行可靠、抗风浪、抗腐蚀能力强、维护简单等优点，可以降低波浪能的发电成本。

Description

一种波浪能吸收转化发电系统

技术领域

本发明涉及发电技术，具体是波浪能发电技术。

背景技术

目前，波浪能发电通常采用的方式有以下几种：

1、将波浪能转化为液压能，推动与发电机相连接的涡轮机转动，进而使发电机转动发电。例如苏格兰Pelamis波浪能公司的水蛇波浪能发电设备和美国海洋能技术（OPT）公司的OPT波浪能发电装置。但是采用该结构的波浪能发电装置设计相对比较复杂、造价高和维护成本较高，与目前占统治地位的火力发电和水力发电相比还是没有成本优势。

2、将波浪能转化为流动的压缩空气，推动汽轮机转动，进而使发电机转动发电，即所谓振荡水柱式发电。这种发电设施主要以岸式为主，其结构简单，性能可靠，维护成本低。但其能量转化的效率比较低，建造受地理位置的限制大，不利于推广等。海上漂浮式振荡水柱发电设备以日本已经实际运用的巨鲸最为典型，它避免了岸式设施的地理限制，但是其造价相对较高，与火电、水电相比仍然没有成本优势。

3、将波浪能转化为机械能，直接推动发电机转动发电。这种方式从理论上讲因其没有能量传输形式上的多次转化，避免了转化过程中的能量损失，其能量转化率也高于前面两种形式的波浪能发电装置。但是由于波浪运动的复杂性以及极端天气造成的巨浪等对装置的冲击，大大降低了这种系统的可靠性，使得这种波浪能发电装置难以应付极端的海洋状况，所以至今还没有完整成熟的设备应用。

以上三种方式中，直接利用海水冲击水轮机发电是一种理论上比较理想的方式，可以减少能量吸收及传输的中间环节，提高波浪能的利用率。通常的方式有利用波浪推动液压泵或者活塞将海水注入岸边的蓄水池中，利用形成的落差，使水轮机发电。或者利用收缩水道的方式将波浪引入较高的地方，同样形成落差，利用水轮机发电。前面这两种方式的缺点是波浪能的收集在离岸很近的地方，受地理位置的影响比较大。

还有一种海上漂浮式发电装置，例如瑞典的WaveEL波浪能发电装置，采用一个与浮体连接的大约20米长的管状体，垂直伸入海里，这样就使得管状体内部的海水高度不受管外波浪的影响而保持相对稳定高度，水轮机与管状体相连接，跟浮体一起随波浪上下运动，水轮机的叶片就在管状体内部的海水中上下运动而发生转动，带动发电机发电。这种装置其结构简单，可靠性强，装置处于全密封状态，大部分结构在水下，所以抗风浪、抗腐蚀能力强，但是它仅仅利用内部海水的惯性做工，与水轮机叶片大小相关，所以该装置对波浪能的利用率偏低。

本申请人此前发明了两种波浪能发电装置，见中国专利文献CN103939270B和CN103939269A，其结构参见图1和图2，其包括安装在浮体中的发电机，以及通过能量输出轴与浮体中的发电机连接的水轮机。浮体下方设置活塞增压装置，当浮体带动活塞套筒、中心导向轴随波浪上下运动时，活塞因惯性和阻力在水中保持相对静止状态，导致活塞与活塞套筒形成相对运动，对活塞套筒内腔中的海水形成交替的正压和负压，使海水在流水通道中来回流动，实现对流水通道中的水轮机叶片的来回冲击，使转动的叶片带动发电机发电。该发电装置解决了现有波浪能发电装置结构复杂、制造成本和维护成本偏高、长期运行的可靠性低的问题。

该装置从原理上是可行的，但是在实际运行中确存在问题：由于该装置在水下设计有阻力盘，按照设计方案，阻力盘应该是浮力等于重力，以保证阻力盘悬浮在运动区间的中间，但是这只是理想状态，事实上制造出浮力等于重力的阻力盘是不可能的，而且，即使阻力盘的浮力与重力相等，阻力盘在水下所处的位置也是不可控的。所以，实际情况下，在水中阻力盘会因为自身的重力或浮力，总有一个向上或向下移动的倾向，阻力盘不会在设计的中间位置，会自动的向运动区间的一端移动，所以当有波浪带动浮体上下运动时，阻力盘在每一个运动周期都会无法避免与限位结构或活塞筒低端接触、碰撞，这种触碰就导致一段时间活塞与筒体失去相对运动，无法吸收波浪的能量，失去捕获波浪能的作用。在实际运行实验中申请人发现，每一个波浪运动周期大约是7秒钟，而阻力盘与限位结构触碰而失去相对运动的时间大约为3秒钟左右，这种情况造成发电机反复停转、启动，大大降低了装置的发电效率。经申请人研究发现，这种情况相较于理论设计状态，效率下降80%左右，测得的电压输出图如图3所示，从图示可见，装置输出的电压从0到648.2V，断断续续，极不连续，很难进行整流逆变，因此该装置获得的电能是很难利用的，这种装置很难进行实际应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种波浪能吸收转化发电系统，通过简单的结构改进，显著提高波浪能利用率。

为实现本发明上述目的而采用的技术方案如下：

本发明提供一种波浪能吸收转化发电系统，包括波浪能吸收转化装置和发电机构。波浪能吸收转化装置包括浮体、阻力盘和导向轴。所述导向轴连接在浮体底部，阻力盘相对活动地套在导向轴上，在阻力盘上方和/或下方设有限位结构，限制阻力盘的运动区间；当浮体在波浪作用下，带动导向轴一起上下运动，从而与阻力盘之间产生相对运动，输出机械动能给发电机构。

本发明的改进在于，在阻力盘运动区间的中间位置或附近设抗衡机构，抗衡阻力盘的向上或向下运动趋势；所述抗衡机构的抗衡力为配重的重力或浮箱的浮力，抗衡力与阻力盘的自然运动方向相反。当阻力盘向上或向下与抗衡机构接触后，在没有外力的作用下，阻力盘会停留在与抗衡机构刚接触的位置，不会自动的向上、下运动，在波浪的作用下，浮体带动导向轴一起与阻力盘之间产生相对运动，阻力盘的运动区间在上、下两个限位结构之间，阻力盘通过自身的阻力作用，并在抗衡机构的协同作用之下，在水中保持相对静止的状态，且在系统设计的工作波高范围内，阻尼盘在以接触点为核心的区域内运动，在上方和下方均避免与限位结构或浮体或随浮体一体运动的部件触碰。

本发明中，所述发电机构是直线电机发电机构，包括直线电机定子、推动杆和直线电机滑动部件；所述直线电机定子固定在浮体中，所述直线电机滑动部件与直线电机定子配合，相对于其滑动，所述推动杆连接带动直线电机滑动部件，并通过传动件与阻力盘连接；在波浪的作用下，浮体与阻力盘产生相对运动，通过传动杆和推动杆带动直线电机滑动部件相对于直线电机定子做上下运动，从而产生电能。

在本方案中，对于阻力盘的浮力大于其自身以及承载的重力的情况（这里是指与阻尼盘连接在一起的所有结构的重量），阻力盘存在向上运动的趋势，为了抗衡这种趋势，需要在阻力盘上加载配重，使得阻力盘加上配重后承载的重力之和大于它们的浮力之和。阻力盘由其运动区间的下端向上端运动至中间区域与配重相结合后，这种结合非牢固性的，只是靠在一起，如果没有外力的作用下，结合体就停留在最初结合的位置，在有外力的作用下，结合体能够一起继续向上运动，但由于结合体的重力大于浮力，其自然运动趋势变为向下，削弱了结合体上升的动能，使其在本系统设计的波浪高度范围内，避免了阻力盘在上方与上限位结构或浮体或随浮体一体运动的部件的碰触，在碰触前即会开始向下运动，当结合体向下运动至最初结合的位置时，阻力盘与配重自然发生分离。

在本方案中，对于阻力盘自身以及承载的重力大于其浮力的情况，由于阻力盘具有向下运动的趋势，因此需要在阻力盘上加载浮箱，使得阻力盘加浮箱的浮力之和大于它们承载的重力之和。阻力盘由其运动区间的上端向下端运动至中间区域时，与浮箱相结合，如果没有外力的作用下，结合体就停留在最初结合的位置。在有外力的作用下，结合体能够一起继续向下运动，但由于结合体的浮力大于重力，其自然运动趋势变为向上，削弱了结合体向下运动的动能，在一定波浪范围内，阻尼盘避免了阻力盘在下方与下限位结构或随浮体一体运动的部件的碰触，在碰触前即会开始转向向上运动。当结合体向上运动至最初结合的位置时，阻力盘与浮箱自然发生分离。

进一步，在本发明中，当在阻力盘上加载配重时，配重用软链垂挂在阻力盘的上方，位于阻力盘运动区间中部区域，所述软链连接在导向轴或与导向轴一体并一起运动的某个部位。所述软链可以是任意长度，优选长度是使配重处于阻力盘运动区间的中间位置。该配重连接方式是本发明的选择之一，不作为唯一选择。

而当在给阻力盘配置浮箱时，浮箱是用软链牵引连接在阻力盘下方，在软链的向下牵引的作用下，浮箱悬浮在阻力盘的下方，同样所述软链连接在导向轴或与导向轴一体并一起运动的某个部位。所述软链可以是任意长度，优选长度是使浮箱处于阻力盘运动区间的中间位置。该浮箱连接方式是本发明的选择之一，不作为唯一选择。

从以上描述可以看出，发明设计了一种波浪能利用率高的发电系统，在阻力盘运动的中间位置，加载一个与阻力盘的浮力或重力相抗衡的力量，使阻力盘因自身的浮力或重力，移动到这个位置时，抗衡的力量就加载上去，阻止阻力盘自行的移动，悬停在这个抗衡力量加载上去的地方，这个地方通常是处于其运动区间的中间区域。由于抗衡机构的存在，阻力盘失去了向运动区间两端运动的自然动力，因此在有波浪带动浮体和导向轴运动时，只要波浪高度在设计的范围内，阻尼盘就会以与抗衡机构的接触点为核心，围绕这个核心上下运动，就能避免阻力盘与限位结构碰撞、接触，使浮体与阻力盘之间始终保持相对运动，不间歇地吸收波浪能转化波浪能。

本发明具有波浪能利用率高、结构简单、运行可靠、抗风浪、抗腐蚀能力强、维护简单等优点，可以降低波浪能的发电成本，增加其与传统能源生产的竞争力，可以解决海上偏远岛礁的供电及海水淡化的用电需求。

附图说明

图1现有技术（CN103939270A）中的波浪能发电装置图

图2现有技术（CN103939269B）中的波浪能发电装置图

图3现有技术（CN103939270A）中的波浪能发电装置电压输出图；

图4本发明中利用的波浪能吸收转化装置的电压输出图；

图5为本发明的一种具体实施结构的示意图；

图6为本发明采用多级抗衡机构的结构原理示意图；

图7为本发明采用混合多级抗衡机构的结构原理示意图。

图中：1、浮体，2、发电机，3、传动杆,4、水轮机， 5、导向轴，9、阻力盘，10、中心轴套筒，11a、上限位结构，11b、下限位结构，12、导向槽，13、发电机构，14a、配重，14b、浮箱，15、推动杆，16、电机定子，17、滑动部件。

具体实施方式

下面结合附图和多个非限定性实施例对本发明作进一步说明：

实施例1:

参见图5，本实施例中，波浪能吸收转化发电系统包括浮体1、阻力盘9、导向轴5、抗衡机构和发电机构等组件。所述导向轴5连接在浮体1底部，导向轴5垂直穿过阻力盘9的中心，阻力盘可以在导向轴5上自由滑动。在阻力盘9上方和下方设有限位结构11a、11b，限制阻力盘9的运动区间是在两个限位结构11a和11b之间。本实施例中，两个限位结构11a和11b分别设置在导向轴5上部和下部。当浮体1在波浪作用下，带动导向轴5一起上下运动，从而与阻力盘9之间产生相对运动，输出机械动能给发电机构。

本实施例中，发电机构为是直线电机发电机构，包括直线电机定子16、推动杆15和直线电机滑动部件17。所述直线电机定子16固定在浮体1中，所述直线电机滑动部件17与直线电机定子16配合，两者相对滑动，产生电能。所述推动杆15通过传动件3与阻力盘9连接，并且推动杆15穿过浮体1，连接带动直线电机滑动部件17。在波浪的作用下，当浮体1与阻力盘9产生相对运动，就会通过传动杆3和推动杆15带动直线电机滑动部件17相对于直线电机定子16做上下运动，从而产生电能。

本实施例中，抗衡机构设置在阻力盘9运动区间的中间位置或附近，用以抗衡阻力盘的向上或向下运动趋势。该抗衡机构的抗衡力来源于具体设置的配重14a的重力或浮箱14b的浮力。本实施例中，由于阻力盘9加上其负载（如推动杆15等）的浮力之和约小于重力之和，因此配置浮箱14b在阻力盘9下方，抗衡力与阻力盘9的自然运动方向相反，使所述阻力盘9通过自身的阻尼作用，并在抗衡机构（的协同作用之下，在水中保持相对静止的状态，以达到在设计的波高范围内，避免在下方与下限位结构11b的碰触，或与随浮体1一体运动的部件发生碰触。

本实施例中，浮箱14b是用软链牵引连接在阻力盘9下方，在软链的向下牵引的作用下，浮箱14b悬浮在阻力盘9的下方。该软链的长度要使浮箱14b处于阻力盘9运动区间的中间位置。当阻力盘9由其运动区间的上端向下端运动至中间区域时，与浮箱14b相结合，如果没有外力的作用下，结合体就停留在最初结合的位置。在有外力的作用下，结合体能够一起继续向下运动，但由于结合体的浮力大于重力，其自然运动趋势变为向上，削弱了结合体向下运动的动能，在本系统设定的波高范围内，避免阻力盘9在下方与下限位结构11b的碰触，或与随浮体1一体运动的部件发生碰触，在碰触前即会开始转向向上运动。当结合体向上运动至最初结合的位置时，阻力盘与浮箱14b自然发生分离，由此获得连续的往复运动，给发电机构输出稳定的波浪能。

当然，当发电系统设计时是阻力盘9加上其负载（如推动杆15等）的浮力之和约大于重力之和的情况，则需要配置配重14a在阻力盘9上方，并使配重14a处于阻力盘9运动区间的中间位置或者附近。配重14a的重力与阻力盘9的自然向上的运动力相抗衡，使得阻力盘9通过自身的阻力作用，并在该抗衡机构的协同作用之下，可以达到在水中保持相对静止的状态，这样就满足在设计的波高范围内（设计本装置时，浮体与阻力盘的相对运动范围与装置应用到的海域的通常波高相匹配），阻力盘不会与与上、下限位结构11a、11b触碰，也不会与浮体1，或随浮体1一体运动的其它部件发生触碰，避免相对运动失效，提高能量转化的效率。

参见图4，神人利用以上系统中的波浪能吸收转化装置转化获得的动能与电能转换设备连接进行试验，通过实验表明，其输出的电压可以稳定在260—400V范围内，波形连续且平稳，这表明相较于本申请人此前发明的技术，其发电连续性好，发电效率明显提高。

需要说明的是，本实施例采用的抗衡机构的设置方式是本发明的选择之一，不作为本发明的限制条件。

实施例2：

对于实施例1的系统，在当波浪的高度大大超过系统设计的理想工作波高范围时，阻力盘9仍然有与限位结构碰触的可能，因此，在这种情况下可以采用进一步改进的抗衡机构方案，如图6所示，其采用多级加载配重14a的结构，在靠近限位结构的地方，增加一个（根据情况也可以是多个配重），配重14a之间，采用软链连接。这种方案进一步降低阻力盘与限位结构碰触的可能。

本实施例中，将由直线电机定子16、推动杆15和直线电机滑动部件17等组成的发电机构在图中进行简化示意显示，简化成图中虚线所示部分，即发电机构13，需要说明的是，此为示意性表示，并不反映真实的结构连接关系，真是的布置结构可以采用实施例1的结构，或者其它本领域技术人员容易想到的结构。

实施例3：

另外，再参见图7，针对应用的更为复杂的场景，为了给阻尼盘9施加合理的抗衡力，还可以采用混合与多级加载的结构，既加载配重14a也加载浮箱14b，而且配重和浮箱都可以是多级设置，如图所示配重为两级。

以上实施例所显示的发电系统在获得电能后，就可以通过电力输出线或类似功能的设施将电能传输出去，这些都是现有常规技术，图中未进一步显示出。

从以上实施例可以看出，本发明中公开的发电系统大部分结构在水平面以下，具有良好的抗风浪能力，因而可靠性强；发电设备及控制部件都密封在浮体中，可以有效避免海水的腐蚀，降低维护成本。

综上所述，本发明给出的系统结构简单、制造成本和维护成本低、提高了波浪能利用率，增加了其长期运行的可靠性。

以上给出了有限的几个实施例用以说明本发明的思想，显然，上述描述的所有实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的设计方案，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它实施例，都属于本发明保护的范畴。

Claims (8)

1.一种波浪能吸收转化发电系统，包括波浪能吸收转化装置和发电机构（13）；所述波浪能吸收转化装置包括浮体（1）、阻尼盘（9）和导向轴（5）；所述导向轴（5）连接在浮体（1）底部，阻尼盘（9）相对活动地套在导向轴（5）上，在阻力盘（9）上方和/或下方设有限位结构，限制阻尼盘（9）的运动区间；当浮体（1）在波浪的作用下，带动导向轴（5）一起上下运动，从而与阻尼盘（9）之间产生相对运动，发电机构（13）接收这种相对运动输出的动力，将波浪能利用转化为电能；

其特征在于，在阻尼盘运动区间的中间位置或附近设有抗衡机构（14），抗衡阻尼盘（9）的向上或向下运动趋势；所述抗衡机构（14）的抗衡力为配重（14a）的重力或浮箱（14b）的浮力，抗衡力与阻尼盘（9）的自然运动方向相反，使所述阻尼盘（9）通过自身的阻尼作用，并在抗衡机构（14）的协同作用之下，在水中保持相对静止的状态，且在系统设计的波高范围内，在上方和下方均不与限位结构或浮体（1）或随浮体一体运动的部件触碰；

所述发电机构（13）是直线电机发电机构，包括直线电机定子（16）、推动杆（15）和直线电机滑动部件（17）；所述直线电机定子（16）固定在浮体（1）中，所述直线电机滑动部件（17）与直线电机定子（16）配合，相对于其滑动，所述推动杆（15）连接带动直线电机滑动部件（17），并通过传动件（3）与阻力盘（9）连接；在波浪的作用下，浮体（1）与阻力盘（9）产生相对运动，通过传动杆（3）和推动杆（15）带动直线电机滑动部件（17）相对于直线电机定子（16）做上下运动，从而产生电能。

2.根据权利要求1所述的波浪能吸收及转化装置，其特征在于，对于阻尼盘（9）的浮力大于其承载的重力的情况，为抗衡阻尼盘的向上运动趋势，在阻尼盘上方加载配重（14a），使得阻尼盘（9）加上配重（14a）后承载的重力之和大于它们的浮力之和；阻尼盘（9）由其运动区间的下端向上端运动至中间区域时，与配重（14a）相结合，削弱阻力盘上升的动能，使结合体停留在最初结合位置或附近，在设计的波浪范围内，避免阻尼盘（9）在上方与上限位结构（11a）或浮体（1）或随浮体一体运动的部件的碰触。

3.根据权利要求1所述的波浪能发电系统，其特征在于，当设计阻尼盘（9）的承载重力大于其浮力时，为抗衡阻尼盘的向下运动趋势，在阻尼盘（9）下方加载浮箱（14b），使得阻尼盘（9）加浮箱（14b）的浮力之和大于它们承载的重力之和；阻尼盘（9）由其运动区间的上端向下端运动至中间区域时，与浮箱（14b）相结合，削弱阻尼盘下降的动能，使结合体停留在最初结合位置或附近，在系统设计的波浪范围内，避免阻尼盘（9）在下方与下限位结构（11b）或随浮体一体运动的部件的碰触。

4.根据权利要求1或2所述的波浪能发电系统，其特征在于：所述配重（14a）用软链垂挂在阻尼盘（9）的上方，所述软链连接在导向轴（5）或与导向轴（5）一体并一起运动的某个部位；所述软链可以是任意长度，优选长度是使配重（14a）处于阻尼盘（9）运动区间的中间位置。

5.根据权利要求1或3所述的波浪能发电系统，其特征在于：所述浮箱（14b）是用软链牵引悬浮在阻尼盘（9）下方，所述软链连接在导向轴（5）或与导向轴（5）一体并一起运动的某个部位；所述软链可以是任意长度，优选长度是使浮体（15）处于阻尼盘（9）运动区间的中间位置。

6.根据权利要求4或5所述的波浪能发电系统，其特征在于：所述抗衡机构（14）采用多级加载方式，即加载多个配重（14a）或多个浮箱（14b），每个配重或每个浮箱之间用软链依次连接在一起。

7.根据权利要求4或5所述的波浪能发电系统，其特征在于：所述抗衡机构（14）采用混合与多级加载方式，即既加载一个或多个配重（14a），同时也加载一个或多个浮箱（14b），每个配重或每个浮箱之间用软链依次连接在一起。

8.根据权利要求1-7所述的波浪能发电系统，其特征在于，所述限位结构是设置在导向轴的上部和/或下部的结构，或是以与导向轴或浮体一体连接固定的部件的某个部位作为限位结构，所述结构和部件位于阻尼盘上方和/或下方，限制阻力盘在未加载抗衡机构状态下的运动区间。