CN111140425A - 一种波力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波力发电装置，涉及波力发电技术领域，包括提水器、蓄水槽、低水头发电轮机、变流器、蓄电池和浮筒，蓄水槽和低水头发电轮机高于浮筒的吃水线设置；提水器包括集水腔体、导流管和单向阀，集水腔体和导流管通过单向阀连接和导通，单向阀在集水腔体侧的水压大于导流管侧的水压时打开；所述提水器与所述浮筒固定连接，其中，集水腔体设置在浮筒的吃水线以下，集水腔体的开口方向朝下；提水器跟随浮筒的摆动实现提水，将水体提升至高于吃水线的蓄水槽，蓄水槽的水体被引入水力发电轮机进行发电。本发明结构简单、方便易用，可以克服传统波力发电技术不能在海浪低落差条件下工作的问题。

Description

一种波力发电装置
技术领域
本发明涉及波力发电技术领域，尤其涉及一种波力发电装置。
背景技术
航标灯是水运作业中重要的示标设备，是船舶运行航线的安全保障。其能源由最初煤油或乙炔等石化能源，逐步过渡到风能、太阳能等新能源。但风能和太阳能都不是稳定的能源，太阳能由于天气的阴晴变化、季节更替导致太阳高度变化、日升日落导致太阳照射角变化，太阳能电池的发电量很不稳定；风能发电本身也是受到气候季节的影响。
波光互补技术是利用海浪起伏蕴含的能量发电弥补太阳能电池发电的不足。海浪起伏蕴藏的能量是稳定的，是航标灯能源获取的有效途径之一。波力发电是目前波光互补的主要技术，文献(江浩.波浪能与太阳能集成航标系统的应用研究[J].福建交通科技)给出了这种技术的具体实施方法：在航标灯浮筒上安装一个与海面相垂直的中心管，在波浪的作用下，中心管内的水柱上下运动，象活塞一样排出和吸入空气，产生往复气流推动空气透平发电机发电。波力发电很好地利用了蕴藏在波浪中的能量进行发电，但这种方法的局限性在于工作时需要有足够高的海浪起伏落差，因此它只适合于距离海岸较远的地区工作。在近岸区或港湾内，因为海浪落差高度不够，透平发电机无法正常工作(陈绍远.波力透平发电机[J].能源研究与信息)。因此，需要发明一种波力发电装置，适合在近岸区或港湾内海浪落差较小环境，仍能通过海浪起伏的能量进行发电提供航标灯能源。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种波力发电装置，适合在近岸区或港湾内海浪落差较小环境，仍能通过海浪起伏的能量进行发电提供航标灯能源。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
一种波力发电装置，包括提水器、蓄水槽、低水头发电轮机、变流器、蓄电池和浮筒，所述蓄水槽和所述水力发电轮机高于所述浮筒的吃水线设置；所述提水器包括集水腔体、导流管和单向阀，所述集水腔体和所述导流管通过所述单向阀连接和导通，所述单向阀在所述集水腔体侧的水压大于所述导流管侧的水压时打开；
所述提水器与所述浮筒固定连接，其中，所述集水腔体设置在浮筒的吃水线以下，所述集水腔体的开口方向朝下；
当所述浮筒的摆动带动所述集水腔体进行下压时，所述集水腔体内的水体受压，顶开所述单向阀，并进入所述导流管；
当所述浮筒的摆动带动所述集水腔体进行上浮时，所述集水腔体内产生负压，所述单向阀关闭，进入导流管的水体留存于所述导流管内；
当所述导流管内的水体水位达到设定高度时，水体从导流管的出水口排出，进入蓄水槽，所述蓄水槽的水体被引入所述水力发电轮机进行发电；
所述低水头发电轮机发电产生的电能通过所述变流器给所述蓄电池充电。
进一步的，所述集水腔体成喇叭口形状，所述喇叭口形状的大的一端为所述提水器的进水口，所述喇叭口形状的小的一端通过单向阀和所述导流管连通。通过设置喇叭口两端的开口大小和导流管管径的大小，可获得不同的水位提升效果。
进一步的，所述提水器连接在所述浮筒远离中心的位置。所述浮筒远离中心的位置为浮筒摆动幅度大的位置，将提水器设置于此可提高提水器的提水效率。
进一步的，所述提水器设置在所述浮筒的外周侧或者在所述浮筒的内周侧。
进一步的，所述提水器设置为多个，沿所述浮筒的周侧分布。通过多个提水器可提高提水效率，增大发电能力。
进一步的，所述集水腔体是金属材质的或硬塑料材质的。以保证集水腔体具有足够的结构强度。
进一步的，所述集水腔体为所述浮筒的一部分构造。
进一步的，所述低水头发电轮机为三相交流发电机，所产生的三相交流电经变流器进行整流和DC-DC变换后，输出直流电压对蓄电池进行充电。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明利用航标灯浮筒的摆动带动所述提水器的集水腔体进行持续的下压或上浮，从而将水体逐步引入到蓄水槽中，进而通过水力轮机发电。本装置的提水方法可以克服传统波力发电技术不能在海浪低落差条件下工作的问题。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的波力发电装置的系统结构示意图；
图2是本发明的提水器结构示意图；
图3是本发明的低水头发电轮机结构示意图；
图4是本发明的提水器结构的第二实施例；
图5是本发明的提水器结构的第三实施例。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一
如图1所示，本发明公开了一种波力发电装置的实施例，包括提水器1、蓄水槽2、低水头发电轮机3、变流器4、蓄电池5和航标灯浮筒6组成。
如图2所示，提水器1包括集水喇叭口11和导流管14，集水喇叭口11开口小的一端和导流管14连接，集水喇叭口11和导流管14之间设置有单向阀座12，单向阀座12上设置有单向阀13，单向阀13由集水喇叭口11向导流管14单向打开，即在当集水喇叭口11侧的水压大于导流管14侧的水压时打开。
如图1所示，在本实施例中，提水器1是竖直安装于航标灯浮筒6的外周侧，处于航标灯浮筒6远离中心的位置。其中，集水喇叭口11开口大的一端设置在航标灯浮筒6的吃水线以下，开口方向朝下；导流管14的海水被引入蓄水槽2，在本实施例中，将导流管14的出水口被设置在蓄水槽2的上方，海水通过提水器1被引入蓄水槽2。
提水器的工作原理：
当航标灯浮筒6的摆动带动提水器1的集水喇叭口11进行下压时，集水喇叭口11内的海水会受挤压，从而产生较大的水压压向单向阀13，此时，集水喇叭口11侧的水压大于导流管14侧的水压(积存在导流管14中海水的水压)，单向阀13被顶开，引导海水进入导流管14。而当航标灯浮筒6的摆动带动提水器1进行上浮时，集水喇叭口11内会产生一个负压，这个负压迫使单向阀13关闭，已进入导流管14中的海水不会回流，会留在了导流管14中。通过单向阀13的作用，随着航标灯浮筒6上下摆动，海水被一步一步的引导进入导流管14，当导流管14中海水的水位被提升到一定高度时，海水从导流管14的出水口流出，进入蓄水槽2中。导流管14的出水口可设置在蓄水槽2的上方，或直接连通至蓄水槽2，主要蓄水槽2中的海水不会回流到导流管14中即可。
通过设置集水喇叭口11两端的开口大小和导流管14管径的大小，可获得不同的海水水位提升效果。
该提水器结构简单，内部没有活塞提水结构，仅需要单向阀一个活动件，和活塞式的提水器相比，结构简单、可靠性更高。
导流管14需要被竖向设置，以使其出水水位高过低水头发电轮机3对蓄水槽的水位的最低要求，从而将海水引入高于航标灯浮筒6的吃水线的蓄水槽2中。由于提水器1的集水喇叭口11需要跟随航标灯浮筒6在海水中的持续下压和上浮，接受海水的持续冲击，因此，提水器1的集水喇叭口11需要承受大的冲击力，为保证集水喇叭口11的强度，集水喇叭口11采用金属材质或硬塑料材质制作。
单向阀13可以采用本领域技术人员常用的各种结构形式，仅需要单向阀13能在集水喇叭口11处于增压状态时有效地打开：使得集水喇叭口11中的海水进入导流管14；在集水喇叭口11在负压状态时有效的关闭：将海水蓄流在导流管14中，在此不做详细描述。
蓄水槽2的底部高于航标灯浮筒6的吃水线的上方。在蓄水槽2的下方设置有出水口，该出水口和低水头发电轮机3的进水口连通，低水头发电轮机3的泄水口设置在航标灯浮筒6的吃水线的上方，以方便排水。
同时进水口高于泄水口，进水口和泄水口之间存在一个高差，低水头发电轮机3通过这个高差的海水的势能进行发电。
如图3所示，本发明给出了低水头发电轮机的一个示例。低水头发电轮机3由水轮机蜗壳31、定子线圈外壳32、定子线圈33、水轮机转子轴承34、水轮机转子轴35、磁环36、水轮机叶轮37和水轮机导水锥38构成,水轮机蜗壳31由非金属材料构成，它的内腔前部为进水口311，内腔中心下方为泄水口312，内腔顶部中心安装水轮机转子轴承34。水轮机导水锥38为圆锥形结构，它与水轮机转子轴35、磁环36、水轮机叶轮37共同组成水轮机转子。水轮机转子的具体结构为：磁环安装在水轮机导水锥38顶部，水轮机叶轮37围绕水轮机导水锥38的圆周安装，水轮机转子轴承安装在水轮机导水锥38顶部中心。水轮机转子安装在水轮机蜗壳31内腔，位于泄水口312上方，水轮机转子轴35的一端安装在水轮机转子轴承34中。定子线圈33安装在水轮机蜗壳31外部与磁环36相对应的位置，与磁环36配合共同形成磁电发电结构。定子线圈外壳32安装在水轮机蜗壳31的外部，位于定子线圈33上方以保护定子线圈33。低水头发电轮机3在工作时，海水水平方向进入进水口311，在水轮机导水锥38的导流下，水流改为垂直方向从水轮机蜗壳31的泄水口312流出，泄水口312出水时产生的负压，保证了在低水头的条件下，水轮机转子也能正常工作。在水轮机叶轮37的作用下，海水的流动转变成水轮机转子的转动，进而带动磁环36的转动。定子线圈33在磁环的旋转过程中切割磁力线，产生输出电流，实现了发电的目的。
通常小型的低水头发电轮机3的进水口311和泄水口312之间只需有几十公分的水位差即可进行有效的发电，采用低水头发电轮机3可以有效降低提水器1的提水高度要求。
在本实施例中，低水头发电轮机3产生三相的交流电，经变流器4进行整流和DC-DC变换后，输出稳定的直流电压对蓄电池5进行充电，从而保证航标灯充足的能源供应。
变流器4包括整流单元和DC-DC变换单元，其中DC-DC变换单元的输出具有先恒流、后恒压的输出特性。DC-DC变换单元设置有输出电流给定值IR和输出电压给定值UR；当变流器的输出电压UO低于输出电压给定值UR时，变流器的输出电流IO以输出电流给定值IR恒定电流输出；当输出电压UO到达输出电压给定值UR后，输出电压UO以输出电压给定值UR恒压输出，从而保证蓄电池充电的安全。
实施例二
如图4所示，当航标灯浮筒6的面积较大时，也可以将提水器设置在航标灯浮筒6的内周侧，即设置在航标灯浮筒6的本体中，处于航标灯浮筒6远离中心的位置，此时，可利用航标灯浮筒6自身结构构造出集水喇叭口601，并设置导流管602和单向阀603组成提水器，将海水提升到蓄水槽2中。
实施例三
如图5所示，当本装置应用于海浪较小的海洋环境，为保证低水头发电轮机3的持续发电，可通过设置多个提水器以弥补单次提水量不足的问题，在本实施例中设置多组提水器(图5所示的提水器为实施例二中的提水器)，将海水提升到同一蓄水槽中，所述提水器可采用如实施例一或实施例二的提水器。
在以上实施例中，利用航标灯浮筒6的边缘波动较大的特点，将提水器1设置在航标灯浮筒6的周侧，可高效地实现海水的提升，从而将海水提升至蓄水槽2，进行水力发电。本发明结构简单、方便易用，可以克服传统波力发电技术不能在海浪低落差条件下工作的问题。
在上述实施例中，均以海洋为应用环境；本发明的波力发电装置，也可应用于能提供连续波浪的湖泊环境。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种波力发电装置，包括提水器、蓄水槽、低水头发电轮机、变流器、蓄电池和浮筒，其特征在于：
所述蓄水槽和所述低水头发电轮机高于所述浮筒的吃水线设置；
所述提水器包括集水腔体、导流管和单向阀，所述集水腔体和所述导流管通过所述单向阀连接和导通，所述单向阀在所述集水腔体侧的水压大于所述导流管侧的水压时打开；
所述提水器与所述浮筒固定连接，其中，所述集水腔体设置在浮筒的吃水线以下，所述集水腔体的开口方向朝下；
当所述浮筒的摆动带动所述集水腔体进行下压时，所述集水腔体内的水体受压，顶开所述单向阀，并进入所述导流管；
当所述浮筒的摆动带动所述集水腔体进行上浮时，所述集水腔体内产生负压，所述单向阀关闭，进入导流管的水体留存于所述导流管内；
当所述导流管内的水体水位达到设定高度时，水体从导流管的出水口排出，进入蓄水槽，所述蓄水槽的水体被引入所述低水头发电轮机进行发电；
所述低水头发电轮机发电产生的电能通过所述变流器给所述蓄电池充电。
2.如权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述集水腔体成喇叭口形状，所述喇叭口形状的大的一端为所述提水器的进水口，所述喇叭口形状的小的一端通过单向阀和所述导流管连通。
3.如权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述提水器连接在所述浮筒远离中心的位置。
4.如权利要求3所述的波力发电装置，其特征在于：所述提水器设置在所述浮筒的外周侧或者在所述浮筒的内周侧。
5.如权利要求3所述的波力发电装置，其特征在于：所述提水器设置为多个，沿所述浮筒的周侧分布。
6.如权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述集水腔体是金属材质的或硬塑料材质的。
7.如权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述集水腔体为所述浮筒的一部分构造。
8.如权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述低水头发电轮机为三相交流发电机，所产生的三相交流电经变流器进行整流和DC-DC变换后，输出直流电压对蓄电池进行充电。
9.如权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述低水头发电轮机包括水轮机蜗壳、定子线圈外壳、定子线圈、水轮机转子轴承、水轮机转子；
所述水轮机蜗壳的内腔侧边设置有进水口，其内腔中心下方为泄水口；
所述水轮机转子轴承设置于所述水轮机蜗壳的内腔顶部中心；
所述水轮机转子包括圆锥形结构的水轮机导水锥、水轮机转子轴、磁环、和水轮机叶轮，其中，所述磁环设置于在所述水轮机导水锥顶部，所述水轮机叶轮围绕所述水轮机导水锥的圆周设置，所述水轮机转子轴承设置于所述水轮机导水锥顶部中心；所述水轮机转子设置于在所述水轮机蜗壳的内腔中，位于所述泄水口的上方，所述水轮机转子轴的一端设置于所述水轮机转子轴承中；
所述定子线圈设置于所述水轮机蜗壳外部与所述磁环相对应的位置，与所述磁环配合共同形成磁电发电结构；
所述定子线圈外壳设置于所述水轮机蜗壳外部，位于所述定子线圈的上方，用以保护所述定子线圈。
10.如权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述变流器的输出具有先恒流、后恒压的输出特性，设置有输出电流给定值IR和输出电压给定值UR；当所述变流器的输出电压UO低于所述输出电压给定值UR时，所述变流器的输出电流IO以所述输出电流给定值IR恒定电流输出；当所述输出电压UO到达所述输出电压给定值UR后，所述输出电压UO以所述输出电压给定值UR恒压输出。
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