CN110832191B - 一种适合规模化应用的波浪发电单元及其系统 - Google Patents

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Abstract

一种适合规模化应用的波浪发电单元及其系统。该波浪发电单元至少包含两种在波浪影响下动态存在差异的水上浮台：一种稳态浮台(1)和一种动态浮台(2)，两种浮台构成一个功能组合，受波浪影响不同的差异性使两种浮台产生互动。动态浮台(2)将波浪能转化为机械能，稳态浮台(1)将机械转化为电能。通过沉浮控制装置(10)或外设升降装置(14)调节浮台的动态特征，并通过大质量飞轮(12)强化该调节作用。多个波浪发电单元组成波浪发电系统。该波浪发电系统具有应对环境及气候变化的多种有益机制，使其具有适用区域广泛、安置便利等特点，具有稳定的大功率电能输出的能力。

Description

一种适合规模化应用的波浪发电单元及其系统
技术领域
本发明涉及可再生能源技术领域，具体涉及一种适合规模化应用的波浪发电单元及其系统。
背景技术
本申请要求名称为“一种浮动式波浪发电装置”、于2018年3月5日提交的中国专利申请号为2018101779839.3，和名称为“一种可结网规模化应用的浮台式波浪发电装置”、于2018年6月8日提交的中国专利申请号为201810584759.7的优先权，在此通过引用包括上述申请，并提出理由如下：
本申请延续了在第一次申请中就建立了的三点技术要素
1.波浪能发电机制
波浪作用下两个浮动平台会产生动态差异，形成二者间的互动，能将波浪能转化为机械能，进而带动机械驱动发电装置做功发电。利用这个原理制造出较小分布面积的波浪发电单元，又进一步由若干波浪发电单元联合形成较大分布面积的大型波浪能发电系统；
2.波浪能做功调节机制
通过设置浮动平台的沉浮功能，控制平台沉浮及重心位置变化影响振动频率与振动幅度等动态特征变化，从而调节波浪能发电装置的做功功率；
3.环境及气候下的自我保障机制
利用浮动平台内置密封空间和平台水线以上空间，隔水或离水安置设备和动作机构，防止环境因素带来的病害；利用浮动平台可沉浮可移动属性规避气候因素带来的灾害。
本次申请首先优化充实了对上述要素的结构说明，使之更符合规范；其次是在原来的基础之上增加部分结构和变化形态，加强原有机制想要达到的目的。已将与本次申请略有区别的前两次申请图示附后，见图10、图11、图12、图13、图14。
波浪能发电并不是一个新鲜的话题，自从能源需求愈来愈旺盛而人们的环保意识越来越强烈的矛盾出现以来，积极开发各种清洁可再生能源的尝试从未间断。为什么风能和太阳能开发成就发展到如此高度的今天，却鲜见大规模利用海洋波浪能发电的实例-----当笔者产生这个疑问时，通过对现有技术检索发现，不是我们没有这个技术基础或想象力，而是我们这些已有的方案总有这样或那样的局限性，无法进入现实的工业应用。
比如，大多只能单个或小制作应用于保障某些海洋监测或航标等装置，规模作用有限；或者构造过于精巧复杂，制造成本高昂而且运行可靠性不高；或者不注重海洋环境对设备和材料提出的防水防腐等严苛要求，脱离现实臆造；再不就是必须依赖特殊的地形海域条件或者牢固的桩脚基础，只能近岸浅海安置，适用范围不广；有些更是无视海洋气候复杂多变的特点，所做方案结构往往防风抗浪性能极其不堪，有些防风抗浪性能很好却必须常年深潜海底日常维护保养不便……如此等等不胜枚举！总之，他们存在一个共同的问题是，他们都只在谈论一种理想状态下自己的设备是如何产生电能的，没有想过这种非常关键的“理想状态”要如何才能生成或维持。
海洋既是一个有广度深度又是一个变化莫测的神秘地带，要利用波浪能发电，当然首先要选用一种在某些理想化条件下，适合波浪能采集又能够高效可靠运行的发电装置，这是基础。海浪的能量表现其实就是一种趋于水体表层的振动能，它分布不集中，面积广大，细碎分散，不均匀不稳定而且方向多变，既有水体横平层面直线或回旋的流动，也有竖直层面的起起落落的浮动。如果一种技术方案只关注水体的流动，或只关注水体的浮动，或者只限定于某个方向上的二者结合，也或者只能取其总量的一小部分，即使高效率也是不可取的。
其次，如何最有效地利用波浪能，不但应考虑如何实现对波浪的能量进行全方位综合采集和转化的“质”的要求，还要看装置是否具备对细碎分散的波浪能大量采集和转化的“量”的要求，也就是能以何种行之有效的方式实现增加做功的规模总量。
还有，关键是一个真正可行的技术方案不能只考虑到这些个理想层面就停止，一些无论如何也绕不开的严重问题，如针对潮湿、高盐等环境性病害，针对破坏力惊人的台风等极端海洋气候灾害又要怎样才能预防抵抗呢；虽然波浪发电装置具体实施时可以选择一个相对“理想”的海域环境，但环境变化不可能尽如人意，即便是各种理想条件成立，机器设备运行中总是难免会出现磨损老化问题的，又如何建立必不可少的日常维修保障措施呢；如何采取技术手段人为制造一些可调可控机制，人为去干预或创造那个“理想状态”能维持的条件呢；尤其是一个早晚时段都会变化的海洋环境条件，应对一个分秒时段都会变化的能源需求总量，要如何才能实现同步协调呢；能解决这些问题就能使波浪发电装置不太挑剔海域地形，又能应对各种因数变化，广泛适用于各种环境条件了！
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种适合规模化应用的波浪发电单元及其系统，作为解决以上问题的方案，简单来说就是：建造一种以多个水上平台联合的群体结构，作为主要安置基础的波浪能发电装置。这些水上平台不是简单的仅能排开一定水体积的浮水结构，它们不仅具有浮于水可移动等等共同属性，而且各具突出功能分别承担着主动做功和从属协调的诸多角色任务，并且在形态上还设计为便于相互连接或扩展连接的结构，是既有分工又能合作在水面平铺形成大面积群体结构的一些功能个体。因为波浪的特点是分散不集中、分布面积广，最有效的利用方式必须是以分散对分散，以面积对面积，由此确立了这样的定型标准：依据实施环境的条件来选择适用的外形结构及功能配置，应具备相互连接或进一步扩展连接建立大面积群体结构的机制，应具备有利于这些联合的功能个体高效又安全做功的协调保障机制，从而实现规模化做功的总目标。
为了进一步说明，在下面我将省略其它配套过程只针对波浪发电最主要的做功过程列举实例。作为一种具体实施方式，首先对参与这个做功过程的水上平台可移动属性规定为浮动，并基于一个二元化最低数值起点的“两种”进行分类，分别命名为稳态浮台和动态浮台，也为了说明的便利，结合附图1～14对各组成部件编号标注。通过这种最具特点的俩俩搭配、俩俩合作的方式，来说明这种波浪能发电装置的组成结构及特点。其它三元乃至多元分类下的多个体合作机制，都脱离不了这种俩俩搭配与合作的基础，足以由此特别实例启示类比，其它将不再一一列举。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种适合规模化应用的波浪发电单元，该波浪发电单元至少包含两种水上平台：一种稳态浮台1和一种动态浮台2，并由一稳态浮台1和一动态浮台2组合形成一个功能单元，利用波浪对二者动态影响不同的差异性产生互动，将波浪能转化为机械能，从而带动机械装置运行，驱动发电机构做功发电；
所述的水上平台均以悬浮模式处在水中，具有安置设备的密封空间；
所述的稳态浮台1，具有长条状结构，整体布局趋向于水体深层；
所述的动态浮台2，具有扁平状结构，整体布局趋向于水体表层。
具体在一种实施方式中，该波浪发电单元至少包含两种在波浪影响下动态存在差异的浮动平台，一种稳态浮台1和一种动态浮台2，并由一稳态浮台1和一动态浮台2俩俩搭配形成一个功能组合，受波浪影响动态结果不同的差异性使二者产生互动，将波浪能转化为机械能，进而带动机械装置运行，驱动发电装置做功发电；
所述的浮动平台均是带有密封空间的水上平台，隔水或离水安置有机械动作的运行设备；
所述稳态浮台1和动态浮台2是从属于两种形态或两种功能的分类；
从形态来分类，稳态浮台1具有长条状结构，整体布局趋向于水体深层；动态浮台2具有扁平状结构，整体布局趋向于水体表层；
从功能来分类，稳态浮台1是作为实现机械能向电能转化或辅助机械能向电能转化功能的载体；动态浮台2作为实现波浪能向机械能转化或辅助波浪能向机械能转化功能的载体。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，稳态浮台1上设置有向外伸出的摇臂4，通过活动关节6连接对应动态浮台2上伸出的连杆7，动态浮台2运动带动摇臂4的一端上下运动，进而带动摇臂4另一端连接的传动轴5往复运动，从而带动液压驱动装置13运行，驱动飞轮装置12和发电装置3做功发电。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，动态浮台2上包含的弹簧复位机构8，上述的连杆7套接于弹簧复位机构8内，弹簧复位机构8使连杆7能沿连杆自身的轴向直线伸缩或围绕连杆自身轴心圆周转动，连杆7向外伸出，通过活动关节6连接稳态浮台1上的摇臂4。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，稳态浮台1和动态浮台2均具有蓄水装置10，是通过注入或排出蓄水舱的水量来控制浮动平台的重心位置或沉浮状态来改变其动态特征，用于调节做功功率和应对环境及气候变化的机制。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，稳态浮台1具有以大质量飞轮为基础的飞轮装置12，是作为大功率能量缓存用于调节做功功率，或用于稳定平台水中状态的机制。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，动态浮台2具有的弹簧复位装置8，是作为能量缓存用于调节做功功率，或用于调节平台间相互连接机构的形变缓冲及复位还原要求的机制。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，动态浮台2具有外设升降装置14，是通过改变平台重心位置改变其动态特征，用于调节做功功率和应对环境及气候变化的机制。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，动态浮台2设置有迎风装置，是用于利用风能产生动能参与做功的机制。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，稳态浮台1设置有分水导流装置15，是用于引导深层水体流动方向变为为表层浮动或引导表层波浪聚集从而符合本身做功特点的机制。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，稳态浮台1和动态浮台2设置有进入浮台内部的检修口。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，稳态浮台1具有与固定基础相接合的结构部件，是用于约束稳态浮台或使稳态浮台在水底着床固定安置的机制。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，稳态浮台1呈上小下大拉长的形如保龄球状中空密封腔体浮水结构。常态下半潜竖直悬浮，下段大部分腔体深入水中，上段小部分平台露出水面，重心下置不易翻转。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，动态浮台2呈上大下小扁平的形如锥形中空密封腔体浮水结构。常态下半潜竖直悬浮，上段大部分腔体浮出水面重心上置易如摇动，下段腔体底部连接一个长条形作为配重体的结构深入水中。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，稳态浮台1安装有液压驱动装置13、飞轮装置12、发电装置3、摇臂4等设备，是实现机械能向电能转化或辅助机械能向电能转化功能的载体。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，动态浮台2安装有弹簧复位装置8、外设升降装置14、摆动配重体9，迎风装置等设备，是实现波浪能向机械能转化或辅助波浪能向机械能转化功能的载体。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，包含一个稳态浮台1呈十字对称配置四个动态浮台2的结构。
作为一种波浪发电单元具体实施方式，包含一个动态浮台2呈十字对称配置四个稳态浮台1的结构。
本发明的另一个目的在于提供一种适合规模化应用的波浪发电系统，它是由上述实施方式中若干种浮动平台组合形成的波浪发电单元，又由若干个波浪发电单元所联合形成的群体结构。
作为一种波浪发电系统具体实施方式，一个稳态浮台1呈十字对称对应连接四个动态浮台2，一个动态浮台2呈十字对称对应连接四个稳态浮台1，如此交叉共享，扩展连接形成大面积的浮台群体。
本发明与现有技术对比，其优点在于：具有较低的环境要求、更广泛的适用区域、更强的能量采集能力、更大的电功率输出，同时还有其它技术无法轻易实现的自适应调节发电功率机制，大功率储能机制，应对病害和灾害的自我保障机制等。
附图说明
图1是本发明中由一个稳态浮台十字对称配置四个动态浮台组成一个功能单元的结构俯视效果图；
图2是本发明中多个功能单元相互结网组合的局部俯视效果图；
图3是本发明中一个稳态浮台的整体结构俯视效果图；
图4是本发明中一个动态浮台的整体结构俯视效果图；
图5是本发明中一个稳态浮台的整体结构侧面剖视效果图；
图6是本发明中一个动态浮台的整体结构侧面剖视效果图；
图7是本发明中一个稳态浮台对称配置两个动态浮台的侧面剖视效果图；
图8是本发明中另一个加装分水导流装置的稳态浮台对称配置两个动态浮台的侧面剖视效果图；
图9是本发明中另一个加装外设机构升降装置的动态浮台的整体结构侧面剖视效果图；
图10是本发明中的另一个稳态浮台的整体结构侧面剖视效果图；
图11是本发明中的另一个动态浮台的整体结构侧面剖视效果图；
图12是本发明中的另一个稳态浮台对称配置两个动态浮台的侧面剖视效果图；
图13是本发明中的另一个稳态浮台的整体结构侧面剖视效果图；
图14是本发明中的另一个动态浮台的整体结构侧面剖视效果图。
附图标识：
1、稳态浮台； 2、动态浮台； 3、发电装置；
4、摇臂； 5、传动轴； 6、活动关节；
7、连杆； 8、弹簧复位装置； 9、摆动配重体；
10、蓄水装置； 11、检修口； 12、飞轮装置；
13、液压驱动装置； 14、外设升降装置； 15、分水导流装置。
附图追加简要说明：
以上只是代表性的平面结构示意图，为了简洁和表述的便利也只对关键功能部件做了结构图示和标注，其它在说明书中提及但未被图示标注，或未被详细说明其运行原理的部分，如机械传动，电传连动控制系统，系泊牵引结构，迎风装置，电气传输配套等等，在现有技术下均有实例借鉴或能轻易实现，这里已经不是我要说明的重点，不再赘述。
下面以图1，一个稳态浮台十字对称配置四个动态浮台，组成一个功能单元结构的俯视效果图为例，并结合图2～14以及其中所标注各功能部件，模拟其具体运行方式如下。
表层风浪运行模式
当无风无浪时，稳态浮台1和呈十字对称配置的四个动态浮台2处于静止平衡状态，系统不做功；如图7所示，当风浪来时其中一个动态浮台假设它先随波峰上浮，而稳态浮台连接在其后，尚处于一个低于动态浮台的位置，这时他们的位置变化打破了原有平衡，稳态浮台上的摇臂4在连杆7及动态浮台的带动下，将会这一端上抬而另一端下压，在活动关节6的协调下带动传动轴5向下运动，传动轴5穿过密封圈将动能传导给内部的液压驱动装置13，驱动飞轮装置12和发电装置3，发电装置3开始工作并发出电能；而当动态浮台随后落下处于波谷，这时稳态浮台还处于原位置高于动态浮台，稳态浮台上的摇臂4在连杆7及动态浮台的带动下，将会这一端下压而另一端上抬，在活动关节6的协调下带传动轴5向上运动，传动轴5穿过密封圈将动能传导给内部的液压驱动装置13，驱动飞轮装置12和发电装置3做功发电。以上动作周而复始，发电装置3就能持续工作发出电能；
如上描述，连接在稳态浮台上与之对称的另一个动态浮台也进行类似动作，还能应对前面先行动作的摇臂对稳态浮台的杠杆撬动，提供一个平衡反作用力；
同时，处于稳态浮台另两边另外两个对称分布的动态浮台，状态虽受前面动作的影响但又不被制约，或自行其是，通过连杆7带动各自连接的摇臂4或上或下动作，传导发电装置3各自做功；或形成一个可供另一对摇臂起伏翻转的“轴”，配合一套翻转动作，协调波浪发电装置各单元的平稳振动运行。
深层洋流运行模式
当潮汛、洋流等深层水流经过时，如图2两种浮台结网组合形成集群规模，在水面上他们组成敷贴于海面的大网，在水下他们又形成疏密相间的拦水大栅栏，因稳态浮台与动态浮台形体上的差异，他们在受到水流冲击后动态变化同样也会有差异，加上分水导流装置15能引导深层水体流动方向变为为表层浮动，并导向动态浮台的作用（如图8），稳态浮台摆动幅度小，动态浮台摆动幅度大，这种差异产生的相互作用及做功模式，其运行动作原理和以上所述一致，这里就不再重复。
具体实施方式
本发明在前言定型标准中有“依据实施环境的条件来选择适用的外形结构及功能配置”，为扩大其环境适应性和安置便捷性将参与做功的水上平台设计为带密封空间但不依赖永固基础的浮水结构，且将移动属性规定为悬浮移动，据此称之浮动平台。并基于一个二元化最低数值起点的“两种”进行分类，为了最大化这种波浪影响下的动态差异提高互动效果，形态上分为极具差异性的两种：一种是趋向于无限接近于“静止”状态的求稳态理念来设计，长条状结构，整体布局趋向于水体深层，水中悬浮状态较为稳定的浮动平台，参看附图5所示（全文简称稳态浮台）；一种是趋向于无限接近于“波动”状态的求动态理念来设计，扁平状结构，整体布局趋向于水体表层，水中悬浮状态较为不稳定的浮动平台，参看附图6所示（全文简称动态浮台）。它们做功不依赖其它海底桩基或某些岸基固定支持机制，巧妙地利用波浪的浮动或流动冲击力，对两种不同形态浮动平台产生影响的动态结果不同，将由此产生的动态差异转变为机械性互动，使水体的不规则振动能转化为有规则的机械能，进而带动机械装置运行，并由此驱动发电装置做功发电。
这两种浮动平台形态上不但有区别，而且功能上也有较大分工，各自具有突出功能或多个体联合后定位于实现某一群体功能的属性。稳态浮台主要作为实现机械能向电能转化或辅助机械能向电能转化功能的载体；动态浮台主要作为实现波浪能向机械能转化或辅助波浪能向机械能转化功能的载体。
其互联搭配的方式多种多样，可以将它们按照一“稳”多“动”、或一“动”多“稳”的结构差异化组合配置成为一个高效的功能单元。其它只包含单一一种的多“稳”或多“动”的同质化结构也会有适用场合，但对比效能低下，没有说明的代表性，这里压下不叙。
而由“稳”与“动”差异化搭配的结构分工明确，互动明显，简单高效，运行可靠，尤其“以一连四”组成一个完整功能单元的结构最为典型。其特点是稳态浮台上呈十字对称设置四个向外伸出的摇臂（图3所示），动态浮台上也呈十字对称设置四个向外伸出的连杆（图4所示），摇臂和连杆通过活动关节对应相连，从稳态浮台的角度看就是和四个动态浮台相连（图1所示），当然从动态浮台角度看也能连接四个稳态浮台。根据需要这种结构既可以一个单元自成系统独立运行，也可以多个单元扩展联合，纵向或横向相互连接形成一个以四边形结构为基础的庞大面积网络群体（图2所示）；几十或几百个这样的功能单元联合，每个浮动平台都处在你中有我我中有你的网络结点上，相互交叉、支持配合、共享构件组成阵列，既能形成多个体规模化大群体，而且结构部件相互共享非常经济节省。
它们一般可用锚链或绳索系泊于桩基、钻井平台、海岸、岛屿或随附船舶、浮标等模式半潜悬浮于水中，安置便捷，还能随风浪自动调整最佳受力方向。它们的浮台式悬浮结构和由浮台间互动性工作模式，以及多种做功调节自我保障机制能为各种变化因数做出应对处置，决定其能够安置区域几乎不受太多环境条件限制及气候影响，尤其适合深海远洋环境，非常的广泛。这里的系泊不等同于其它技术方案中的固定，作用大不同，这里它只是为了随附于供给保障区域所作防止漂移的维系，不是一种参与做功助力依存的结构关系，某些场合有它当然更好，某些场合无它也是可行。但是需要特别说明一下，作为一些具体实施方式的改进，为了便于固定它们的位置或精简其结构，也可将部分浮台功能或构件并入或约束在船舶、钻井平台、桩基、海岸等设施之中，使部分构件或个体是以非悬浮状态或非浮台结构存在，因此不限于全体必须以悬浮浮台结构存在。比如在安置环境适宜并且条件允许的情况之下，类如“稳态浮台”这种配合“动态浮台”存在的搭档，完全是可以出于“无限接近于静止状态”的要求，被某些在海岸或水底礁石建立的固定基础约束甚至在水底着床安置，成为非浮动的、具有固定基础的水上结构。当初为了安置的便捷性选择了“浮动”，现在为了动态的差异性选择了“固定”，这个“矛盾”都是为了“依据实施环境的条件来选择”，是可以通过按需要设置与固定基础接合的结构部件解决的，并没有违反或超出“不依赖永固基础”这个统一制造标准的水上平台范围，也只是一个为适应不同使用场合下的改进情况，没有本质的改变。
前面提到波浪能其实是一种趋向水体表层的振动能，本实例中力求稳定的稳态浮台为规避这种影响，因此选择采用一种趋向于水体深层布局的长条状形态，将其具体设计为上小下大拉长的保龄球形中空密封腔体，参看附图5、图10和图13，其中，图10和图13是上两次申请时的图例，都只在外形上增加了变化而已，本质相同。常态下半潜竖直悬浮，下段大部分深入水中，上面小部分平台露出水面，重心下置不易翻转，形象一点来说，就像一个扎在水里的大鱼漂；内部设置与外界环境隔离的密封空间，隔绝与外界高湿或高盐环境的直接接触，用于安装齿轮齿条传动装置、液压驱动装置、飞轮装置、发电装置、电传控制系统等以实现机械能向电能转化或辅助机械能向电能转化功能的设备；顶部平台常态保持处于水面线以上，其上呈十字对称分布有四个跷跷板一样的摇臂；摇臂一端向外伸出连接动态浮台，一端向内连接传动轴，利用杠杆原理，在动态浮台的作用下，上下运动带动传动轴往复运动将动能传导至腔体内，驱动齿轮或液压传动装置，进而驱动飞轮装置和发电装置做功发电；且在平台上面设置有检修口，方便人员进入浮台内部进行机器设备日常维护保养。在保证浮台整体重心位置始终处于下端的前提下，仿照潜艇沉浮机制，通过注入或排出腔体内置蓄水舱的水量多少，调节浮台自身的上浮或下沉状态，同时改变其重心位置也随上浮而上移下沉而下移。这是个能改变浮台动态特征的沉浮及重心调控机制，配合动态浮台所起的作用后面还会讲到。下面部分深入水体深层，能感应横平层面水体流动的冲击力而发生摆动，但其不易被撼动的特点会将水流更多地分导向旁边的动态平台，从而使动态平台能从水体流动途径获得更多的动能。
这里特别说明一下这个以大质量飞轮为基础的飞轮装置。按理以稳态浮台这种类似潜水艇的空心保龄球形结构，它在水中的普通状态应是横卧，为了让它能像鱼漂一样一端大部分深入水中竖直悬浮，除了上段需减负，比如连接传动轴的驱动装置优选采用液压马达这种短行程、大力矩、小体积的轻量化驱动机构外，还必须在水下这一端设置一个巨大的配重降低其重心位置，飞轮装置中大质量的飞轮，很好地充当了这个配重体的角色；反过来也是我为什么要将其中一类浮动平台设计为这种结构的原因，就是为了方便配备这种飞轮装置。飞轮装置通过离合装置和变速装置等协调机制连接发电装置，形成一个带飞轮储能的、有能量缓存机制的发电机组。电能输出的两个要素电压和电流，我们可取其中任何一个要素变化值作为参照，设定一个允许波动的范围，通过一些电传控制装置实现这些协调机制的连动，在外界环境或电功率需求变化的情况下，实现能量自动储存与输出调配的缓存。如当某时段能量输入大于能量输出时，将做功动能转化为飞轮的势能暂时储存；而在某时段能量输入小于能量输出时，又将飞轮的势能转化为做功动能来补偿发电机需求。这种利用大质量飞轮储能的能量缓存机制，能实现大功率能量储存和输出的错时调峰，实时调节发电功率，在稳定发电系统并保障电能供给中的作用极大，其优点是许多其它能量缓存调功率机制所不能比拟的。
动态浮台当然力主要“动”，为迎合波浪的影响选择采用一种趋向于水体表层布局的扁平状结构。本实例中将动态浮台设计为上大下小，一个上下分形又一体式形态，上段部分是一个呈倒置的四棱锥形中空密封腔体，下段腔体底部连接一个长条形作为配重体的结构，参看附图6、图11和图14，其中，图11和图14是上两次申请时的图例。常态下半潜竖直悬浮，上段大部分腔体浮出水面重心上置易于摇动，下段配重体深入水中防止整体倾覆，形象一点来说，就像个漂浮在水面上立足不稳的大陀螺。顶部方形平台常态保持处于水面线上，四边呈十字对称分布四个弹簧复位装置套接住四个连杆，使连杆活动时能沿连杆自身轴向直线伸缩或围绕连杆自身轴心圆周转动。连杆向外伸出，通过活动关节连接四个方向伸来的稳态浮台上的摇臂。这种形态特点使动态浮台具有四个较大的下倾斜侧面，能接受表层波浪力量对它进行冲击抬升，更易于它在受力后改变原有平衡而发生侧转摇动，从而使动态浮台能从水体浮动途径获得强大的动能；同样采用上文所述类如潜艇的沉浮机制，如当波浪较小时配合稳态浮台一起上浮并上移重心，较小的外力即能改变原平衡而促进装置振动；而当波浪较大时下沉并下移重心，能减小外力对它的冲击，减弱装置的振动。在这个改变浮台动态特征的调节过程中，最重要是能影响装置振动频率幅度的改变，除此之外还有一个稳定的作用，在后面将会着重说明。同时，还可在动态浮台露出水面的上方加装可升降的大质量机构，从另一种途径实现改变重心位置促进动态变化的目的，参看附图9所示。区别于前者，这个设置在水线以上部分的机构不但能起到调节重心加强振动，同时适合设计为具有一定迎风面积的装置，直接受风力的作用而摇动动态浮台，利用风能产生动能参与做功。虽然我这里主要是谈波浪能的利用，而这种与风能利用的结合实际应用中一定会采用，限于篇幅，这种机构就只在这里做一个简单的提案，但仍然要强调启示一些能提高做功效能的途径。还比如，浮动平台联合的群体能在海面形成大片的浮体结构，是拓展的陆地面积和安置框架，能与风能、光能、或其它类型波浪能利用装置合作互补，从而提高整体装置能源采集效能。
为进一步实现动态浮台主“动”的目的，下段部分是设置连接在上段部分锥形腔体底部的，一个长条形具有对水流冲击力较敏感的结构——摆动配重体。一是作为配重体能确保动态浮台整体重心在下，让上部重心置上的锥形腔体在悬浮下能始终趋向回归竖直倒置状态；二是能感应深层横平层面水体流动力量的冲击，使之能产生振动，影响上面锥形腔体的动态变化，从而使动态浮台能从水体流动途径获得强大的动能。
这里特别说明一下这个弹簧复位机构，它设置在此的首要目的当然是为了整个群体结构的一个形变缓冲并复位还原。可以判断弹簧的每一次压缩或伸展也伴随动能转化为势能和势能转化为动能的过程，参与了做功循环；还可以判断在整体运行机制下，弹簧哪怕是在一个瞬间受压缩形成势能，但这个势能经弹力释放总是一种长时间震荡渐减的缓释过程，即阻尼现象，并不是一次性完结的，因此在这里弹簧复位机构同样具有能量缓存的输出调配功能，只不过它只能被动缓存能量无法主动控制，并且这个错时调峰过程的时效较短暂而已，但这个弹簧储能的能量缓存调功率机制，与前面飞轮储能的能量缓存调功率机制，仍有着异曲同工之妙，同样重要。
还有必要再总结说明一下，这个浮台自身沉浮及重心调控和外设机构升降重心调控，改变浮台动态特征的机制作用，以及能收到的有益效果。水上漂浮物通过减轻负载可以使自身上浮，但这个沉浮并不一定影响重心变化，而这里确保这个机制的作用是：上浮重心升，下沉重心降。当然也有改变重心不影响沉浮的方式，那就是自有质量不变但在结构上提升位置，比如这个外设机构升降。在这里它们的作用及要达到的效果有两重功效：第一沉浮并重心改变；第二重心改变并频率或幅度改变。首先来说说最重要的第二重功效，重心的改变对调节振动频率或振动幅度的作用。沉浮会使浮动平台重心发生改变，水线上用于做功的摇臂等运行机构离开水面距离的改变，带来力矩改变，振动时间和振动距离也会改变，随之影响振动频率和振动幅度的改变，我且称之为调重心调频幅机制。一种发电装置的优劣对比不在于一个短时间的电能输出的大小，而在于是否能在一个长时间稳定保障电能需求的持久能力。而要实现这种能力，不能忽略环境和需求都会变化的外在因数，因此必须具备多种自适应调控的功能机制。于是我们仍然选取电压和电流其中任何一个要素变化值作为参照，设定一个允许波动的范围，通过电传控制装置实现与这种调重心调频幅机制的连动，在外界环境或电功率需求变化的情况下，自动调节浮台振动频率幅度，从而实时调节做功装置的做功功率，稳定保障电能输出要求。加上前面所提到的飞轮储能的能量缓存调功率机制和弹簧储能的能量缓存调功率机制的配合，这种对波浪能做功功率调节机制的效果就更加完美了。其次再来说说第一重功效，沉浮并重心改变对整体稳定性的影响。动态浮台和稳态浮台连动下沉时既降低了整体重心又增加了与水的粘合面积，同时减小表层迎受风浪面积来应对风浪的影响，实现增强全系统稳定性的目的，是一种应对环境及气候变化的机制，拥有一种灾害气候变化下的自我保护能力。由此可见这种浮台自身沉浮及重心调控和外设机构升降重心调控的机制，在整个发电系统中发挥出的双重保障作用，功效非同一般。
波浪的运动虽有一时方向性但更多是分散不规则的，当形成如附图2所示一种四边形网格的群体结构时，每处浮台就是网格的一个结点，会受到水平和垂直方向上的各种不平衡力量的牵扯，因此必需具有一定的结构强度和形变能力，如果处理不好会让整个装置无法正常运行。化解方案之一，稳态浮台上的四个摇臂，设计为在稳态浮台上各有两个强有力的活动支点如同跷跷板的前出菱形悬臂结构，只要其结构强度达到所处海域水文条件要求而不易变形，就能保证维持整个网格结构动而不乱，此又是一种求稳态理念的体现；动态浮台上的四个连杆，在活动关节和弹簧复位装置的共同作用下，可作转折、伸缩和圆周运动，应对水平方向和垂直方向上的拉扯或扭动，此又是一种求动态理念的体现。稳态浮台这一“稳”和动态浮台这一“动”的配合，既保证了这种网格结构的形变要求又维持相对稳定，从而使本系统各功能单元能正常运行。
毋庸讳言，本实例做功机制也有长短之处，有经验的技术人员不难看出，那就是利用水体浮动的能力优于利用水体流动的能力。这里提出如下改进方案：当水体能量以深层流动为特点时，可在深层方位通过加装简单的两片呈夹角安置有上扬角度和弯曲截面的弧面结构，即可引导深层水体平流方向改为上升方向，形成趋向表层的浪涌；当水体能量虽以表层波浪为主，但是波小而浪微其动能不足以满足本装置运行要求，可在表层方位通过加装两片呈夹角安置有倾斜角度和弯曲截面的弧面结构，引导波浪向动态浮台方向聚集。这种依托稳态浮台或者其它类型结构加装的具有夹角弧面形结构，我称之为分水导流装置。这里选择依托稳态浮台为例说明，参看附图8所示，它能将深层水体流动能量导向两边动态浮台方向，转化为促进动态浮台运动的动力。如此人为制造一些有利于本机制发挥长处的环境条件，从而提高了本装置整体能量采集能力。这种能利用已有条件或稍加改进，就能方便于优点发挥提高系统做功效能的特点，也是本发明有别于其它技术的优势所在。
通过以上一种具体实施方式，对这种适合规模化应用的波浪发电单元及其系统进行了说明。虽然足以说明本发明在由更多种水上平台组成的发电单元，以及由此形成四边形结构之外更多种群体结构的系统，林林总总改进方式之中它们所具有的基本技术特征，但仅从这个只是做功过程的部分形态和功能的描述，尚不能全面说明本发明的优点所在，要总结本发明的优点需要从如下四个方面来说。
结构特点及工艺优势
1.本发明中摒弃复杂，简单到只需制造两种浮动的水上平台进行组合，利用它们在波浪影响下的动态差异，并以两两个体互动模式即能工作，当然是越简单的结构越容易制造，而且可靠性越高；
2.本发明中具有不依赖永固基础的水上平台，平台间互动性工作模式，以及多种做功调节自我保障机制能为各种变化因数做出应对处置，又能通过多单元扩展联合形成规模化大集群，决定其能够适应分布的范围几乎不受太多环境条件限制及气候影响，让其无论浅海深海只要在海浪潮汐能源丰富的区域，都具有安置条件，几乎广泛适用于全部海洋环境；
3.本发明中水上平台主体结构浮水可移动，当在一地建设成型后仍然可以解开固定或系泊整体迁移，转场到其它地方继续发挥作用，实现环境再选择；
4. 本发明中水上平台在具体实施时尤其适合形态大型化，并由此多个体联合形成群体结构之后，易实现保证最恶劣海况条件下的结构强度，稳定性等运行安全要求；
5. 本发明中水上平台主体结构类似船舶，适合在条件良好的大型工厂统一标准制造完成，拖行至安置现场就能马上投入使用；其在选址布局时往往无需前期繁琐的海底地形勘探和基础建设，无需现场大规模的组装作业，几乎不受选址现场当地配套能力的制约，安置便捷形成生产力时间短；
6. 本发明中主要关键运行设备都隔水或离水安置于水上平台内部的密封空间和平台水线上空间，平台外面水下部分没有设置任何动作性运行机构，也没有需要特殊防水防腐处置的精密功能构件，材料与工艺要求较普通；而且上面设置有常态露出水面能进出平台内部的检修口，便于日常维护。保障措施齐全，因此易于达到经久耐用；
7. 本发明中所建立的这个水上平台网络集群，能在水面上形成大片连体结构，是拓展的陆地面积和安置框架，为风能或太阳能乃至其它类型波浪能利用装置同时配置提供了基础，具有再一次扩展联合提高整体效能的优势；
8. 本发明中水上平台在使用锚链绳索等柔性系泊模式时，还可以让装置随波自行调整最佳受力方向，无需其它复杂的调节控制，择向性自动；
9. 本发明中在水上平台上设置的外设升降装置，同时可设计为具有一定迎风面积的装置，利用风能的作用产生动能参与做功，具有在本机制内直接利用其它类型能源的途径；
10. 本发明中在水体能量以深层流动为特点时，依托水上平台或其它类型结构在深层方位加装分水导流装置，可引导深层水体平流方向为上升方向，形成趋向表层的浪涌；当水体能量虽以表层波浪为主，但是波小浪微其动能不足以满足本装置运行要求，依托水上平台或其它类型结构在表层方位加装分水导流装置，引导波浪向动态浮台方向聚集。如此人为制造一个有利于本装置发挥长处的环境条件，也是一种结构优势。
主要功能及附加功能
1. 本发明中依据特有的定型要求，对所采用的水上平台，进行适应性形态和功能设计，设置特殊外形和多种协调保障机制，使之无论水体的表层浮动或深层流动，来自任何方向的水体力量都能使装置有效运行，波浪能综合利用能力强；尤其多单元集群规模化后，波浪能利用的总量极其可观；
2. 本发明中采用的飞轮装置，是一种储能缓存用于调节做功功率的装置，或利用大质量结构特点用于稳定平台的水中状态；
3. 本发明中采用的弹簧复位装置，是另一种储能缓存调功率装置，或用于实现平台间相互连接机构的形变缓冲及复位还原要求；
4. 本发明中水上平台利用蓄水装置及外设升降装置等实现的重心调控机制，可以改变单元及系统运行特征。功能之一，影响振动频率幅度等运动状态，它与电传控制装置实时连动，从而协调发电机组的做功功率；功能之二，增加稳定性，必要时降低全部平台整体重心位置增加稳定性，减少受风浪的影响来实现自我保护，拥有应对极端灾害气候的能力；
5.本发明中当若干单元扩展结网形成集群规模时既能实现大功率电能输出，又因其敷贴在海面上交错严密如同防波阻拦网，是个可移动的防波堤，没有阻绝的钢筋水泥大坝也没有锋利的螺旋桨叶片，既能防灾也不会对海洋生物造成伤害，附加的环境及生态保护功能也不低。
灾害应对措施
1. 本发明中某些水上平台除了极具抵抗风浪影响的结构及外形特点外，还通过所设置的自身沉浮及外设机构升降等重心调控机制，降低整体重心位置增加稳定性，减少受风浪的影响来实现自我保护；同时还可以大型化装置的形体，规模化装置的数量，从体量上来增强其抗拒灾害的能力；
2. 本发明中所选用的水上平台几乎都是整体重心置下的带密封空间的结构，本就不易倾覆，尤其当它们结网形成集群规模时，与海水既有较大的接触面积又几乎敷贴于海面，几乎不可能在风浪下被颠覆翻转；哪怕面对百年不遇的飓风灾害，浮动可牵引转移特性让它还有最后的防御手段，转场避险，防灾抗灾性能无与伦比；
3. 本发明中水上平台内置密封空间，用于隔离外部恶劣环境安置精密设备，外部也没有需要特殊防护处置的精密构件，还有常态露出水面并设置便于进出内部的维护通道，针对环境条件、材料结构、磨损老化等造成的病害同样也有应对及保障措施。
规模化应用前景
1.本发明中作为安置基础的多个水上平台，就是按扩展联合要求组织起来的群体，就是以实现大型集群规模化的目标来定型设计的；
2.本发明中水上平台可以大型化，能做到一个单元功率就足够大，多个单元扩展联合集群规模化后功率就更大，而且多个单元联合时还能实现结构部件共享，具有良好的经济实用性；
3. 本发明中可以集成自适应调节发电功率机制，大功率能量缓存机制，应对病害和灾害的自我保障机制，乃至风能装置，光能装置，其它类型波浪能利用装置等多种有益的机制于一体，尤其多单元多种机制大联合集群规模化后，具备满足工业化应用大功率需求的条件；
4. 本发明中作为个体的水上平台结构类似船舶，生产材料和工艺要求也类似船舶，容易形成统一的产品标准进行工厂化制造，比起风能和光能，在海洋占百分之七十表面积的地球上，它有更广泛的适用区域和市场前景，或由此形成新的大产业规模也未必可知。
不难看出本发明最终目的是要提供一种极具工业应用前景的大型波浪发电系统，而以上的描述也仅仅只是依据一个具体实例、部分结构形态和功能进行原理揭示，这是为了便于本技术领域的普通技术人员能够了解本发明的基本蓝图思路。熟悉本领域的技术人员显然能够从中认识到，这里面还有许多诸如结构设置、运行控制、机构连动及自动化、输配电等协调配套机制，还有更多不同的水上平台形态以及扩展联合模式，机械能传动方式，从硬件到软件还有许多需要填补充实的内容，也因篇幅和事例说明的技术性局限，本发明应不限于上述实施例，尽管本发明是参照这个实施例进行的详细说明，但以上实施例仅用于对本发明的技术方案进行解释而非加以限制。本领域的普通技术人员应当理解，根据本发明的原理揭示进行的增补修改替换，或以此为基础做出的衍生改进都应该不脱离本发明技术方案的精神和范畴，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (15)

1.一种适合规模化应用的波浪发电单元，其特征在于，该波浪发电单元至少包含两种在波浪影响下动态存在差异的浮动平台，一种稳态浮台(1)和一种动态浮台(2)，并由一稳态浮台(1)和一动态浮台(2)两两搭配形成一个功能组合，受波浪影响动态结果不同的差异性使二者产生互动，将波浪能转化为机械能，进而带动机械装置运行，驱动发电装置做功发电；
所述的浮动平台均是带有密封空间的水上平台，隔水或离水安置有机械动作的运行设备；
所述稳态浮台(1)和动态浮台(2)是从属于两种形态或两种功能的分类：
从形态来分类，稳态浮台(1)具有长条状结构，整体布局趋向于水体深层；动态浮台(2)具有扁平状结构，整体布局趋向于水体表层；
从功能来分类，稳态浮台(1)是作为实现机械能向电能转化或辅助机械能向电能转化功能的载体；动态浮台(2)作为实现波浪能向机械能转化或辅助波浪能向机械能转化功能的载体；
所述的稳态浮台(1)设置有分水导流装置(15)，是用于引导深层水体流动方向变为表层浮动；
所述的稳态浮台(1)上设置有向外伸出的摇臂(4)，通过活动关节(6)连接对应动态浮台(2)上伸出的连杆(7)，动态浮台(2)运动带动摇臂(4)的一端上下运动，进而带动摇臂(4)另一端连接的传动轴(5)往复运动。
2.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的动态浮台(2)上包含弹簧复位机构(8)，所述的连杆(7)套接于弹簧复位机构(8)内，弹簧复位机构(8)使连杆(7)能沿连杆自身的轴向直线伸缩或围绕连杆自身轴心圆周转动，连杆(7)向外伸出，通过活动关节(6)连接稳态浮台(1)上的摇臂(4)。
3.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的稳态浮台(1)和动态浮台(2)均具有蓄水装置(10)，是通过注入或排出蓄水舱的水量来控制浮动平台的重心位置或沉浮状态来改变其动态特征，用于调节做功功率和应对环境及气候变化的机制。
4.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的稳态浮台(1)具有以大质量飞轮为基础的飞轮装置(12)，是作为大功率能量缓存用于调节做功功率，或用于稳定平台水中状态的机制。
5.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的动态浮台(2)具有弹簧复位机构(8)，是作为能量缓存用于调节做功功率，或用于调节平台间相互连接机构的形变缓冲及复位还原要求的机制。
6.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的动态浮台(2)具有外设升降装置(14)，是通过改变平台重心位置改变其动态特征，用于调节做功功率和应对环境及气候变化的机制。
7.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的动态浮台(2)设置有迎风装置，是用于利用风能产生动能参与做功的机制。
8.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的稳态浮台(1)和动态浮台(2)设置有进入浮台内部的检修口。
9.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的稳态浮台(1)具有与固定基础相接合的结构部件，是用于约束稳态浮台或使稳态浮台在水底着床固定安置的机制。
10.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的稳态浮台(1)呈上小下大拉长的保龄球形中空密封腔体结构。
11.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的动态浮台(2)呈上大下小扁平的锥形中空密封腔体结构。
12.根据权利要求1所述的波浪发电单元，其特征在于，所述的动态浮台(2)的锥形中空密封腔体底部连接摆动配重体(9)。
13.根据权利要求1或2所述的波浪发电单元，其特征在于，包含一个稳态浮台(1)呈十字对称配置四个动态浮台(2)的结构。
14.根据权利要求1或2所述的波浪发电单元，其特征在于，包含一个动态浮台(2)呈十字对称配置四个稳态浮台(1)的结构。
15.一种适合规模化应用的波浪发电系统，其特征在于，所述的波浪发电系统包括权利要求1～14任一项所述的波浪发电单元所联合形成的群体结构。
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