CN111927687B - 海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统，包括海水抽取单元、储能单元、控制单元和发电单元；储能单元包括蓄能器一、连杆、蓄能器二和气瓶，控制单元包括主阀、控制主阀开闭的驱动器、球阀一、球阀二、卸荷阀一以及联动机构；发电单元包括喷嘴、水轮机和发电机，喷嘴连接在主阀所在管路的末端，喷出海水冲击水轮机驱动发电机发电，水轮机流出的海水流回大海。本发明采用开式循环系统，工质为海水，取自大海，返回大海，无污染问题，系统对轻微泄露不敏感，可长期稳定工作，寿命长，非常适合小型发电装置在海上无人管护的工况运行，且系统无需精密元器件，设备易加工、成本低，有利于低成本开发波浪能。

Description

海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统

技术领域

本发明涉及一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统。

背景技术

海洋设施与仪器在开发海洋资源、预警海洋灾害、维护海洋权益等方面意义重大。目前海上设施与仪器供能基本依靠电池和少量太阳能供电，功率小，电池更换成本高。如何为工作于海洋之中的设施和仪器提供持续电力和搭载平台，成为解决我国海洋观测设施大功率、批量化发展的关键。海洋设施和仪器周边蕴藏着丰富的可再生能源波浪能，开发高效、高可靠的波浪能原位供电装置、在海上获取能源直接供给观测设备使用，可有效解决海洋仪器供电难、供电贵的问题，切实促进海洋观测网的建设。

发明内容

本发明提供一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统，利用海水为工作介质，开式循环，将波浪能转换为电能，可实现波浪能能量转换系统环保、可靠、长寿命运行，支撑海上原位波浪能装置长期稳定为观测、导航设备供电。

为实现上述目的，本发明专利采用的技术方案是：

一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统，包括海水抽取单元、储能单元、控制单元和发电单元；

储能单元包括蓄能器一、连杆、蓄能器二和气瓶，蓄能器一和蓄能器二均为活塞缸结构，蓄能器一无杆腔入口与海水抽取单元相连，蓄能器一活塞杆与连杆一端相连，连杆另一端与蓄能器二活塞杆相连，蓄能器二无杆腔与气瓶相连，蓄能器一有杆腔和蓄能器二有杆腔均设置有出气口；

控制单元包括主阀、控制主阀开闭的驱动器、球阀一、球阀二、卸荷阀一以及联动机构，蓄能器一无杆腔出口分为主管路和控制路，主管路在经主阀与发电单元相连的同时，还经卸荷阀一与大海相通，控制路经球阀一后分为两路，一路与驱动器相连，另一路经球阀二与大海相通，联动机构与连杆相连，并在连杆的带动下依次切换球阀一和球阀二的开闭以控制主阀的开闭；

发电单元包括喷嘴、水轮机和发电机，喷嘴连接在主阀所在管路的末端，喷出海水冲击水轮机驱动发电机发电，水轮机流出的海水流回大海。

作为本发明的一种改进，所述的海水抽取单元包括吸波浮子、海水缸、单向阀一和单向阀二，吸波浮子与海水缸活塞杆相连，海水缸有杆腔入口经单向阀一与大海相通，海水缸有杆腔出口经单向阀二与蓄能器一无杆腔入口相连，海水缸无杆腔与外界大气相通。

作为本发明的一种改进，所述的联动机构包括滑道、滑块和连接件，滑道平行连杆设置，储能单元的连杆通过连接件与滑块相连，以驱动滑块沿滑道往复运动，滑块上设置有拨杆，球阀一、球阀二上分别设置有可旋转的叉形柄一、叉形柄二，拨杆在滑块的带动下拨动叉形柄一旋转以控制球阀一的开闭，拨动叉形柄二旋转以控制球阀二的开闭。

进一步地，其特征在于：当球阀一打开、球阀二关闭时，海水进入驱动器，主阀打开，当球阀一关闭、球阀二打开时，海水流出驱动器，主阀关闭。

进一步地，其特征在于：所述的海水缸有杆腔与大海相连的管道上设置有海水过滤器。

进一步地，所述的海水缸无杆腔与大气相连的管道上设置有空气过滤器。

进一步地，所述的气瓶与蓄能器二无杆腔相连的管道上还设置有卸荷阀二。

进一步地，所述的喷嘴为多个，间隔对准水轮机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用开式循环系统，工质为海水，取自大海，返回大海，无污染问题，系统对轻微泄露不敏感，可长期稳定工作，寿命长，非常适合小型发电装置在海上无人管护的工况运行，且系统无需精密元器件，设备易加工、成本低，有利于低成本开发波浪能。

2、蓄能单元中，蓄能器一和蓄能器二实质上是两个活塞式蓄能器同杆连接，实现海水和气体完全隔离，避免海水通过活塞渗漏，直接接触气体，大幅提高使用海水工质的可靠性。

3、控制单元中，采用机械行程位移控制方案，方法简单可靠，控制准确，其控制范围可调，便于不同工况的使用。

4、发电单元中，采用开放式冲击水轮机，可采用耐腐蚀材料定制，性能可靠稳定，易加工制作，无管路堵塞等问题。

附图说明

图1为本实施例的海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统的结构示意图。

图2为本实施例的控制单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为实现海洋仪器用原位供电装置高效、环保和可靠，本发明采用冲击水轮机式波浪能转换系统，该系统工作压力相对气动式能量转换系统较高，较液压式能量转换系统较低。波浪能转换系统中的空气透平、液压马达、小型水轮机的三种能量转换系统工作压力范围分别为气动式0.001MPa-0.025MPa，小型水轮机式10-50m水头，约为0.1MPa-0.5MPa；液压5MPa-20 MPa。冲击式水轮机是介于气动与液压之间的能量转换系统，从工作压力上讲，它填补了液压发电10MPa与气动发电0.02MPa间巨大的空白，从能量等级上讲，适合小型波浪能转换系统。若采用浮子式波浪能俘获机构，直接抽取海水打入水轮机发电系统，再排入大海，开式循环系统，介质为水，相对于闭式循环高压液压系统，清洁环保，无污染，且可靠性大幅提高。相对于几米水头的气动式能量转换系统，水轮机式波浪能转换系统的能量密度较高，工件较小，容易安装与布置。几十米压力水头、每秒几升流量的冲击式水轮机适合百瓦-千瓦级波浪能转换系统。

如图1-2所示，本实施例的海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统组成如下：

吸波浮子1铰接在海水缸2的活塞杆上，海水缸2的有杆腔的入口连接单向阀一3、海水管一4和海水过滤器5，海水缸2的有杆腔的出口连接单向阀二6和海水管二7，海水缸2的无杆腔的出口通过气管一8连接空气滤器9，海水管二7接入储能单元10。

储能单元10主要由两个连接在连杆17两端的蓄能器一11和蓄能器二22组成。蓄能器一11由无杆腔一12、活塞一13、有杆腔一14、活塞杆一15、出气口一16组成，蓄能器二22由出气口二19、活塞杆二20、有杆腔二、活塞二21、无杆腔二23组成。蓄能器二22的无杆腔二23通过气管二24、气阀25与气瓶28连接，气瓶28与气阀25之间通过气管三26与卸荷阀二27连接，蓄能器一11的活塞杆一15与蓄能器二22的活塞杆二20通过连杆17连接，连杆17刚性连接杆18，杆18连接控制单元30，海水管二7连接蓄能器一11的无杆腔一12。

蓄能器一11的无杆腔一12同时连接海水管三29，海水管三29分两路管，一路为主管路31，另一路为控制管32，控制管32连接球阀一33，球阀一33的转动由叉形柄一34拨动，球阀一33连接管路一35，管路一35分别联通管路二36和管路三39，管路二36连接主阀38的驱动器37，管路三39连接球阀二40，球阀二40的转动由叉形柄二41拨动，球阀二40另一端连接管路四42，管路四42的出水通过容器一43进入大海；杆18通过铰链44连接拉杆45，拉杆45通过铰链46连接安装在滑道461上的滑块462，滑道461的布置方向与连杆17相同，如此，由于杆18与连杆17刚性连接，滑块462可以在连杆17的驱动下，在滑道461上往复运动，且运动方向与连杆17的运动方向相同，滑块462两侧分别布置拨杆一463和拨杆二464，拨杆一463可拨动叉形柄二41，拨杆二464可拨动叉形柄一34；主阀38连接管路五47，管路五47连接发电单元53中的喷嘴48，喷嘴48对准水轮机49，水轮机49通过轴50连接发电机51，水轮机49的出水通过容器二52进入大海；主管路31还连接卸荷阀一54，卸荷阀一54联通容器二52。

本发明的工作原理如下：

吸波浮子1在波浪作用下，驱动海水缸2往复运动，海水缸2在向下运动过程中，单向阀二6不通，海水缸2的无杆腔的通过气管一8和空气过滤器9向外排空气，同时其有杆腔通过单向阀一3、海水管一4和海水过滤器5吸海水进入有杆腔，完成工质海水进腔过程，海水缸2在向上运动过程中，单向阀一3不通，海水缸2的无杆腔的通过气管一8和空气过滤器9向内吸入空气，同时其有杆腔通过单向阀二6、海水管二7将前一过程吸入有杆腔的海水压入蓄能器一11的无杆腔一12，以上为一个周期的工作过程，海水缸2的其他过程如上述过程往复循环从大海中吸入海水，进入蓄能单元10。

蓄能单元10中，与蓄能器二22的无杆腔二23连接的气瓶28，内部充满设定压力的气体，海水缸2逐步抽海水进入蓄能器一11的无杆腔一12，活塞一13推动活塞杆一15，活塞杆一15通过连杆17推动蓄能器二22的活塞杆二20和活塞二21运动，压缩蓄能器二22的无杆腔二23内的气体，实现储能；随着进入蓄能器一11的无杆腔一12的海水量增多，连杆17向蓄能器二22的无杆腔二23的方向移动，定义该方向为前，此时，滑块462处于图中的初始位置，连杆17拉动杆18，杆18拉动拉杆45，拉杆45拉动滑块462向前运动，拨杆一463拨动球阀二40的叉形柄二41，关闭球阀二40，随着滑块462进一步向前运动，拨杆二464拨动球阀一33的叉形柄一34，打开球阀一33，压力海水通过控制管32、球阀一33、管路一35、管路二36进入主阀38的驱动器37，驱动器37在压力海水的驱动下，打开主阀38，压力海水通过海水管三29、主管路31、主阀38、管路五47、喷嘴48进入发电单元53，压力海水通过喷嘴48喷出，冲击水轮机49，水轮机49通过轴50驱动发电机51发电，水轮机49流出的海水通过容器52流入大海。

若波浪能输入能量与发电机51输出能量基本匹配，系统就一直维持在主阀38打开，水轮机49驱动发电机51发电的状态；若波浪能输入能量大于发电机51输出能量，喷嘴48喷出的海水小于海水缸2打入系统的海水，蓄能单元10的压力持续上升，当上升至设定值时，卸荷阀一54自动打开，释放蓄能单元10内的海水，降低压力，保障系统安全；若波浪能输入能量不足以驱动发电机长期持续发电，随着压力海水压力的逐步降低，蓄能器耳22的无杆腔二23内的气体膨胀，连杆17向蓄能器一11的无杆腔一12方向运动，连杆17推动杆18，杆18推动拉杆45，拉杆45推动滑块462向后运动，拨杆二464拨动球阀一33的叉形柄一34，关闭球阀一33，随着滑块462进一步向后运动，拨杆一463拨动球阀二40的叉形柄二41，打开球阀二40，主阀38的驱动器37内的压力海水经管路二36、管路三39、球阀二40、管路四42排出至容器一43，流入大海，主阀38关闭，发电单元53停止发电，系统再次进入蓄能环节，如上所述，当系统蓄能量达到设计值时，系统再次进入发电状态，如此往复运行，将波浪能通过海水介质转换为电能。

本发明的主要特点：1.蓄能单元10中，蓄能器一11和蓄能器二22实质上是两个活塞式蓄能头同杆连接，实现海水和气体完全隔离，避免海水通过活塞渗漏，直接接触气体，大幅提高使用海水工质的可靠性；2.控制单元30中，采用了一套纯机械的行程位移控制方案，方法简单可靠，控制准确，其控制范围可调，便于不同工况的使用；3.发电单元53中，采用开放式冲击水轮机，可采用耐腐蚀材料定制，性能可靠稳定，易加工制作，无管路堵塞等问题。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统，其特征在于，包括海水抽取单元、储能单元、控制单元和发电单元；

储能单元包括蓄能器一、连杆、蓄能器二和气瓶，蓄能器一和蓄能器二均为活塞缸结构，蓄能器一无杆腔入口与海水抽取单元相连，蓄能器一活塞杆与连杆一端相连，连杆另一端与蓄能器二活塞杆相连，蓄能器二无杆腔与气瓶相连，蓄能器一有杆腔和蓄能器二有杆腔均设置有出气口，气瓶与蓄能器二无杆腔相连的管道上还设置有卸荷阀二；

控制单元包括主阀、控制主阀开闭的驱动器、球阀一、球阀二、卸荷阀一以及联动机构，蓄能器一无杆腔出口分为主管路和控制路，主管路在经主阀与发电单元相连的同时，还经卸荷阀一与大海相通，控制路经球阀一后分为两路，一路与驱动器相连，另一路经球阀二与大海相通，联动机构与连杆相连，并在连杆的带动下依次切换球阀一和球阀二的开闭以控制主阀的开闭；

发电单元包括喷嘴、水轮机和发电机，喷嘴连接在主阀所在管路的末端，喷出海水冲击水轮机驱动发电机发电，水轮机流出的海水流回大海。

2.根据权利要求1所述的一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统，其特征在于：所述的海水抽取单元包括吸波浮子、海水缸、单向阀一和单向阀二，吸波浮子与海水缸活塞杆相连，海水缸有杆腔入口经单向阀一与大海相通，海水缸有杆腔出口经单向阀二与蓄能器一无杆腔入口相连，海水缸无杆腔与外界大气相通。

3.根据权利要求1或2所述的一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统，其特征在于：所述的联动机构包括滑道、滑块和连接件，滑道平行连杆设置，储能单元的连杆通过连接件与滑块相连，以驱动滑块沿滑道往复运动，滑块上设置有拨杆，球阀一、球阀二上分别设置有可旋转的叉形柄一、叉形柄二，拨杆在滑块的带动下拨动叉形柄一旋转以控制球阀一的开闭，拨动叉形柄二旋转以控制球阀二的开闭。

4.根据权利要求3所述的一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统，其特征在于：当球阀一打开、球阀二关闭时，海水进入驱动器，主阀打开，当球阀一关闭、球阀二打开时，海水流出驱动器，主阀关闭。

5.根据权利要求2所述的一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统，其特征在于：所述的海水缸有杆腔与大海相连的管道上设置有海水过滤器。

6.根据权利要求2所述的一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统，其特征在于：所述的海水缸无杆腔与大气相连的管道上设置有空气过滤器。

7.根据权利要求1所述的一种海洋观测用冲击水轮机式波浪能发电系统，其特征在于：所述的喷嘴为多个，间隔对准水轮机。

Images