CN114738175A - 海上波浪能发电装置、风浪集成发电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

海上波浪能发电装置、风浪集成发电系统和方法，属于海上可再生能源应用领域，包括磁铁柱、浮子、线圈组、导向柱、延伸机构，延伸机构承载并固定导向柱，导向柱内设置有磁铁柱，浮子套设于导向柱上且漂浮于水域中，设置于浮子内的线圈组在水域中随波浪冲击沿导向柱做上下运动以及旋转运动，沿做切割磁感线运动产生电流。本发明提供的发电方法，能够最大限度的将波浪能转化为电能，提高能源转化利用率。

Description

海上波浪能发电装置、风浪集成发电系统和方法
技术领域
本发明涉及海洋再生能源利用领域，涉及一种海上波浪能发电方法，以及浮式平台为基础将风力发电和浮子式波浪发电相结合的联合发电系统。
背景技术
风能、波浪能等可再生能源为首的清洁能源的崛起，已成为人类社会发展过程中必不可少的环节。海上风电作为一种清洁的可再生能源已成为国际风电发展的新方向，备受各国关注。由于海上风电通常靠近能源消耗中心且风资源情况优于陆上风电，风电的利用开发正逐渐从陆地转向海洋，正呈现加速发展的态势。
发明内容
为了解决海上可再生的波浪能源的利用问题，本发明提出如下技术方案：
海上波浪能发电装置，包括导向柱，其是空腔柱，且导向柱的空腔中设置磁铁柱；延伸机构，用于承载导向柱而将导向柱固定为垂直于海面设置；浮子，其安装在导向柱上并以导向柱为轴可在导向柱上进行上下运动和/或围绕导向柱进行旋转运动，且浮子包括线圈组，并在浮子漂浮于水域中时使线圈组能随波浪冲击而在导向柱上进行上下运动和/或围绕导向柱进行旋转运动，使线圈组在所述运动时切割磁铁柱的磁感线产生电流。
优选地，所述延伸机构包括上侧边梁、下侧边梁、侧边支撑柱，所述上侧边梁与下侧边梁之间通过侧边支撑柱连接，所述导向柱上端与上侧边梁连接，导向柱上端与下侧边梁连接。
优选地，所述延伸机构还包括缓冲块，所述缓冲块分别设置于上侧边梁下表面上及下侧边梁的上表面上。
优选地，所述浮子为中心设有竖向通孔的柱状结构，浮子通过竖向通孔套设于导向柱上。
优选地，所述线圈组包括第一绕线组、第二绕线组，所述第一绕线组的缠绕方式为围绕浮子的竖向通孔呈螺旋式缠绕；所述第二绕线组缠绕方式为方形线圈式缠绕，并竖立于浮子顶部和底部之间，使第二绕线组所在的竖向平面与导向柱长度方向平行。
优选地，所述波浪能发电装置还包括套管，所述浮子套设于套管上且与套管固定连接，套管套设于导向柱上。
本发明还涉及一种海上风浪集成发电系统，包括风力发电系统及安装在风力发电系统上的权利要求1-6任一项所述的海上波浪能发电装置。
本发明还涉及一种海上波浪能发电方法，浮子在水域中随水浪冲击，以导向柱为轴可在导向柱上进行上下运动和/或围绕导向柱进行旋转运动，当浮子相对于磁铁柱上下运动时，第一绕线组随浮子上下运动，螺旋式第一绕组做上下运动，切割磁铁柱的磁感线，产生电流；当浮子相对于磁铁柱旋转时，第二绕组随浮子以导向柱为轴相对于磁铁柱旋转，方形线圈式第二绕线组做旋转运动，切割磁铁柱的磁感线，产生电流。
本发明还涉及一种海上风浪集成发电方法，其浮式平台承载风机，使风机正对朝向迎风侧，风机通过吸收风能将风能转化为电能；海上波浪能发电装置设置在浮式平台的侧表面上，浮子在水域中随波浪冲击，使线圈组通过轴套相对于磁铁柱做上下运动以及旋转运动，当浮子上下运动时，第一绕线组切割磁感线产生电流，带动发电机发电；当浮子旋转运动时，第二绕线组切割磁感线产生电流。
优选地，所述浮式平台上还设置有相机、激光雷达、定位装置，所述相机对浮式平台表面进行实时拍照录像；激光雷达对附近风场信息、波高信息进行监测；定位装置对浮式平台位置进行监测反馈至陆上系统提供运动信息。
有益效果：在传统利用海上波浪能发电方法中，将线圈固定，磁铁柱上下运动，由于磁铁柱重量较大，随波浪上下浮动幅度较小，且不易相对线圈旋转，从而发电效率较低，本发明将磁铁柱固定，线圈运动，浮子重量较小，能够随波浪冲击产生更加剧烈的运动，设计合理；当浮子进行旋转运动时，此波浪能装置依然可以进行发电，在复杂的海上运动中可以获得更多的电能。
附图说明
图1为一种海上风浪集成发电系统立体结构示意图。
图2为浮式平台立体结构示意图。
图3为海上波浪能发电装置结构示意图。
图4为浮子线圈组结构示意图。
图5为第一绕线组结构示意图。
图6为第二绕线组结构示意图。
其中：1.风机、2.转子、3.塔筒、4.斜撑、5.立柱、6.浮式平台、7.上侧边梁、 8.下侧边梁、9.侧边支撑柱、10.波浪能装置、11.导缆孔、12.锚链、13.缓冲块、14.磁铁柱、15.浮子、16.线圈组、17.轴套、18.导向柱、19.第一绕线组、20.第二绕线组、21.相机、22.激光雷达、23.运动补偿系统、24.漂浮块、25.定位装置。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。在一种实施例中，如图3所示，海上波浪能发电装置，包括磁铁柱14、浮子15、线圈组16、导向柱18、延伸机构，延伸机构用于承载导向柱18而将导向柱18固定为垂直于海面设置，导向柱18内设置有磁铁柱14，且浮子15包括线圈组16，并在浮子15漂浮于水域中时使线圈组16能随波浪冲击而在导向柱18上进行上下运动和/或围绕导向柱进行旋转运动，使线圈组16在所述运动时切割磁铁柱14的磁感线产生电流，线圈组16与蓄电池连通。
在一种方案中，如图2所示，所述延伸机构包括上侧边梁7、下侧边梁8、侧边支撑柱9，所述上侧边梁7与下侧边梁8之间通过侧边支撑柱9连接，所述导向柱18上端与上侧边梁7连接，导向柱18上端与下侧边梁8连接，导向柱 18通过延伸机构固定。
在一种方案中，如图3所示，所述延伸机构还包括缓冲块13，所述缓冲块 13分别设置于上侧边梁7下表面上及下侧边梁8的上表面上，缓冲块13的设置能够规避浮子15随波浪上下剧烈运动撞击延伸机构的上侧边梁7或下侧边梁8，提高浮子15使用寿命。
在一种方案中，如图3所示，所述浮子15为中心设有竖向通孔的柱状结构，浮子15通过竖向通孔套设于导向柱18上，浮子15依靠其中心的竖向通孔能够相对于导向柱18转动或上下运动，实现切割置于导向柱18内磁铁柱14磁感线的目的。
在一种方案中，如图4所示，所述线圈组16包括第一绕线组19、第二绕线组20，所述第一绕线组19的缠绕方式为围绕浮子15的竖向通孔呈螺旋式缠绕，在将浮子15套设于导向柱18上，所述浮子15上的竖向通孔由导向柱18穿过，可以理解为第一绕线组19为螺旋式缠绕穿过浮子15竖向的导向柱18而形成，当浮子15随波浪冲击相对于磁铁柱14上下运动时，第一绕线组19随浮子15 上下运动，螺旋式第一绕组19做上下运动，切割磁铁柱14的磁感线，产生电流；所述第二绕线组20缠绕方式为方形线圈式缠绕，并竖立于浮子15顶部和底部之间，使第二绕线组20所在的竖向平面与导向柱18长度方向平行，当浮子15随波浪冲击相对于磁铁柱14旋转运动时，第二绕组20随浮子15以导向柱18为轴相对于磁铁柱14旋转，方形线圈式第二绕线组20做旋转运动，切割磁铁柱14 的磁感线，产生电流，且浮子15质量较小，能够随波浪冲击实现较大的运动幅度。第一绕线组19、第二绕线组20分别与蓄电池相连接，对切割磁感线产生的电流进行存储。
在一种方案中，所述波浪能发电装置还包括套管17，所述浮子15套设于套管17上且与套管17固定连接，套管17套设于导向柱18上。通过套管17的设置，实现浮子15相对于导向柱18上下运动及旋转运动更加平滑。
在一种方案中，提供一种海上风浪集成发电系统，包括海上波浪能发电装置。在一种优选方案中，海上风浪集成发电系统是一种适用于浅水区的多能源发电集成系统，包括浮式平台6、塔筒3、风机1、转子2、支撑件、波浪发电装置、锚链 12；所述支撑件设置于浮式平台6上、塔筒3下底端固设于支撑件上，用于风力发电的转子2与风机1设置于塔筒3上顶端，所述波浪发电装置设置于浮式平台 6侧表面上，波浪发电装置用于捕获波浪冲能实现波浪发电，浮式平台6上开设有导缆孔11，锚链12一端与导缆孔11连接，锚链12另一端沉入海底，锚链12 用于定位多能源发电集成系统。所述的波浪能发电装置为上述任意方案中的波浪能发电装置。
本实施例中，所述波浪发电装置包括延伸机构、波浪能装置10，所述延伸机构设置于浮式平台6侧表面上，波浪能装置10设置于延伸机构上。所述延伸机构包括上侧边梁7、下侧边梁8、侧边支撑柱9，所述上侧边梁7与下侧边梁8 之间通过侧边支撑柱9连接，所述波浪能装置10设置于上侧边梁7与下侧边梁 8之间。延伸机构设计简单，可实现独立拆卸，放置简单，便于维修。同时延伸机构位于驳船式平台的外侧，可以减小波浪对于结构的作用力，起到阻尼板的作用。
在本实施例中，如图3所示，波浪能装置的形式为振荡浮子式，由浮子15 和导向柱18组成，导向柱18上下两端分别与上侧边梁7与下侧边梁8连接，浮子15中心开设有竖向通孔，浮子15固定套设于滑道轴承17上，滑道轴承17 套设于导向柱18上，浮子15能够随波浪冲击上下运动以及旋转运动。浮子15 内部放置有线圈组16，导向柱18内部设有磁铁柱14。通过浮子的上下运动，波浪能转化为机械能，进而通过切割磁感线产生电流，实现波浪能向电能的转化。在侧边梁上还设置有缓冲块13，避免极端工况下浮子15与上侧边梁7、下侧边梁8发生较大的撞击而产生破坏。如图4所示，线圈组16包括第一绕线组19、第二绕线组20，所述第一绕线组19的缠绕方式为围绕浮子15的竖向通孔呈螺旋式缠绕，当浮子15随波浪冲击相对于磁铁柱14上下运动时，第一绕线组19 能够切割磁感线；所述第二绕线组20缠绕方式为方形线圈式缠绕，第二绕线组 20所在的竖向平面与导向柱18长度方向平行，当浮子15随波浪冲击相对于磁铁柱14旋转运动时，第二绕线组20能够切割磁感线，即通过第一绕线组19、第二绕线组20的设计，无论浮子15相对于磁铁柱14转动或上下运动，均能切割磁感线产生电能，且浮子15质量较小，能够随波浪冲击实现较大的运动幅度。第一绕线组19、第二绕线组20分别与蓄电池相连接，对切割磁感线产生的电流进行存储。
本实施例中，所述浮式平台6呈三角形形状，浮式平台6中间设有阻尼池，通过阻尼池设置，提高了结构的粘滞阻尼效应，抵抗海流的拖曳力，大大减小波浪作用力，提高了整个结构的稳性，整体形式为驳船式结构平台所述多能源发电集成系统整体呈驳船式结构。
本实施例中，所述支撑件包括斜撑4、立柱5，所述立柱5设有三根且分别垂直固设于三角形的浮式平台6的上表面上，所述斜撑4设有三根，三根斜撑4 下底端与立柱5上顶端固定连接，三根斜撑4上顶端交汇于浮式平台6上空，塔筒3下底端固设于三根斜撑4的上顶端交汇处，所述浮式平台6的重心、三根斜撑4上顶端交汇点、塔筒3重心处于同一竖向直线上。通过上述结构设计，无需采用较大的压载水来平衡结构自身产生的倾覆力矩，有利于结构的稳定。
本实施例中，所述风机1的朝向与三角形浮式平台6的一个顶点朝向一致，在海面上进行此集成系统布置时，要确定布置地点处的主风向，将风机1正对的位置正对主风向，使风力发电机获得更大、更稳定的风速，同时浮式平台6的顶点处于上风向上，有利于降低波浪荷载，减少平台的运动响应。波浪能装置10 的浮子会随着海平面的变化而做上下垂荡运动，浮子的垂荡运动驱动内部转换装置将波浪能量转化为电能。
本实施例中，所述波浪发电装置设置有三组且分别设置于浮式平台6的三个侧表面上，在三个侧表面上都安装有波浪发电装置，使得集成系统能够吸收来自各方向上的波浪。优选地，在浮式平台6上每一个侧表面上的一组波浪能发电装置上设有3组波浪能装置。
本实施例中，所述导缆孔11分别开设于三角形浮式平台6的侧边顶点位置处。优选地，三角形浮式平台6的三个侧边顶点位置处分别开设有三个导缆孔 11。通过上述结构设计，能够浮式平台6更加稳定的工作。
在本实施例中，还包括相机21、定位装置25，所述相机21、定位装置25 均设置于浮式平台6上表面上，相机21能够对浮式平台6的使用状况进行实时监测。定位装置25安装平台6上，可以通过基站来监测定位点的坐标来获得平台的运动信息。所有信息可以通过数据信息皆可与陆上进行实时传输。
在本实施例中，还包括激光雷达22、漂浮块24，所述漂浮块24通过连杆与浮式平台6侧表面连接；所述激光雷达22设置于浮式平台6上表面上，激光雷达22内设置有探测风场信息的风探测器、以及探测漂浮块24的波浪探测器。激光雷达22设置于运动补偿系统23上，运动补偿系统23设置于浮式平台6上表面，激光雷达22包含有两套探测器，一套用来采集风的信息，另一套用来采集波浪的信息。采集风的风探测器将产生的激光发射到待测空气中，激光与大气中的气溶胶颗粒相互作用，产生携带其速度信息向后的信号，即可进行算法处理得到现场的风场信息；同理，采集波浪的波浪探测器发射激光得到漂浮块24的坐标信息，漂浮块24通过连杆与平台6相连接，可以实现自由的上下运动。根据激光雷达22的坐标信息，与漂浮块24的坐标信息相结合，即可获得漂浮块24 的波面水位时间序列，进而得到结构附近的波高信息。考虑到整体结构的运动幅度，激光雷达22之下放置有运动补偿系统23，对实测数据进行运动补偿校正。
在一种方案中，提供一种海上波浪能发电方法，浮子15在水域中随水浪冲击，以导向柱18为轴可在导向柱18上进行上下运动和/或围绕导向柱18进行旋转运动，当浮子15相对于磁铁柱14上下运动时，第一绕线组19随浮子15上下运动，螺旋式第一绕组19做上下运动，切割磁铁柱14的磁感线，产生电流；当浮子15相对于磁铁柱14旋转时，第二绕组20随浮子15以导向柱18为轴相对于磁铁柱14旋转，方形线圈式第二绕线组20做旋转运动，切割磁铁柱14的磁感线，产生电流。第一绕线组19、第二绕线组20分别与蓄电池相连接，对切割磁感线产生的电流进行存储。
在一种方案中，提供一种海上风浪集成发电方法，该方法涉及一种海上风浪集成发电系统，系统包括塔筒3、风机1、转子2、塔筒3、斜撑4、立柱5、浮式平台6、波浪能发电装置，斜撑4、立柱5，所述立柱5设有三根且分别垂直固设于三角形的浮式平台6的上表面上，所述斜撑4设有三根，三根斜撑4下底端与立柱5上顶端固定连接，三根斜撑4上顶端交汇于浮式平台6上空，塔筒3 下底端固设于三根斜撑4的上顶端交汇处，所述浮式平台6的重心、三根斜撑4 上顶端交汇点、塔筒3重心处于同一竖向直线上，风机1、转子2设置于塔筒3 上顶端，使风机1正对朝向迎风侧，风机1通过吸收风能将风能转化为电能；海上波浪能发电装置设置在浮式平台6的侧表面上。使用所述系统的集成发电方法是：浮子15在水域中随波浪冲击，使线圈组16通过轴套17相对于磁铁柱14 做上下运动以及旋转运动，当浮子15上下运动时，第一绕线组19切割磁感线产生电流；当浮子15旋转运动时，第二绕线组20切割磁感线产生电流。第一绕线组19、第二绕线组20分别与蓄电池相连接，对切割磁感线产生的电流进行存储。
在一种实施方案中，浮式平台6上表面还设有相机21，相机21能够对浮式平台6的使用状况进行实时监测。激光雷达22设置于运动补偿系统23上，运动补偿系统23设置于浮式平台6上表面，激光雷达22包含有两套探测器，一套用来采集风的信息，另一套用来采集波浪的信息。采集风的探测器将产生的激光发射到待测空气中，激光与大气中的气溶胶颗粒相互作用，产生携带其速度信息向后的信号，即可进行算法处理得到现场的风场信息；同理，采集波浪的探测器发射激光得到漂浮块24的坐标信息，漂浮块24通过连杆与平台6相连接，可以实现自由的上下运动。根据激光雷达22的坐标信息，与漂浮块24的坐标信息相结合，即可获得漂浮块24的波面水位时间序列，进而得到结构附近的波高信息。考虑到整体结构的运动幅度，激光雷达22之下放置有运动补偿系统23，对实测数据进行运动补偿校正。定位装置25安装平台6上，可以通过基站来监测定位点的坐标来获得平台的运动信息。所有信息可以通过数据信息皆可与陆上进行实时传输。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上波浪能发电装置，其特征在于，
包括
导向柱(18)，其是空腔柱，且导向柱(18)的空腔中设置磁铁柱(14)；
延伸机构，用于承载导向柱(18)而将导向柱(18)固定为垂直于海面设置；
浮子(15)，其安装在导向柱(18)上并以导向柱(18)为轴可在导向柱(18)上进行上下运动和/或围绕导向柱(18)进行旋转运动，且浮子(15)包括线圈组(16)，并在浮子(15)漂浮于水域中时使线圈组(16)能随波浪冲击而在导向柱(18)上进行上下运动和/或围绕导向柱进行旋转运动，使线圈组(16)在所述运动时切割磁铁柱(14)的磁感线产生电流。
2.根据权利要求1所述的海上波浪能发电装置，其特征在于，所述延伸机构包括上侧边梁(7)、下侧边梁(8)、侧边支撑柱(9)，所述上侧边梁(7)与下侧边梁(8)之间通过侧边支撑柱(9)连接，所述导向柱(18)上端与上侧边梁(7)连接，导向柱(18)上端与下侧边梁(8)连接。
3.根据权利要求2所述的海上波浪能发电装置，其特征在于，所述延伸机构还包括缓冲块(13)，所述缓冲块(13)分别设置于上侧边梁(7)下表面上及下侧边梁(8)的上表面上。
4.根据权利要求1所述的海上波浪能发电装置，其特征在于，所述浮子(15)为中心设有竖向通孔的柱状结构，浮子(15)通过竖向通孔套设于导向柱(18)上。
5.根据权利要求4所述的海上波浪能发电装置，其特征在于，所述线圈组(16)包括第一绕线组(19)、第二绕线组(20)，所述第一绕线组(19)的缠绕方式为围绕浮子(15)的竖向通孔呈螺旋式缠绕；所述第二绕线组(20)缠绕方式为方形线圈式缠绕，并竖立于浮子(15)顶部和底部之间，使第二绕线组(20)所在的竖向平面与导向柱(18)长度方向平行。
6.根据权利要求4所述的海上波浪能发电装置，其特征在于，所述波浪能发电装置还包括套管(17)，所述浮子(15)套设于套管(17)上且与套管(17)固定连接，套管(17)套设于导向柱(18)上。
7.一种海上风浪集成发电系统，其特征在于，包括风力发电系统及安装在风力发电系统上的权利要求1-6任一项所述的海上波浪能发电装置。
8.一种海上波浪能发电方法，其特征在于，浮子(15)在水域中随水浪冲击，以导向柱(18)为轴可在导向柱(18)上进行上下运动和/或围绕导向柱(18)进行旋转运动，当浮子(15)相对于磁铁柱(14)上下运动时，第一绕线组(19)随浮子(15)上下运动，螺旋式第一绕组(19)做上下运动，切割磁铁柱(14)的磁感线，产生电流；当浮子(15)相对于磁铁柱(14)旋转时，第二绕组(20)随浮子(15)以导向柱(18)为轴相对于磁铁柱(14)旋转，方形线圈式第二绕线组(20)做旋转运动，切割磁铁柱(14)的磁感线，产生电流。
9.一种海上风浪集成发电方法，其特征在于，浮式平台(6)承载风机(1)，使风机(1)正对朝向迎风侧，风机(1)通过吸收风能将风能转化为电能；海上波浪能发电装置设置在浮式平台(6)的侧表面上，浮子(15)在水域中随波浪冲击，使线圈组(16)通过轴套(17)相对于磁铁柱(14)做上下运动以及旋转运动，当浮子(15)上下运动时，第一绕线组(19)切割磁感线产生电流；当浮子(15)旋转运动时，第二绕线组(20)切割磁感线产生电流。
10.如权利要求9所述的海上风浪集成发电方法，其特征在于，所述浮式平台(6)上还设置有相机(21)、激光雷达(22)、定位装置(25)，所述相机(21)对浮式平台(6)表面进行实时拍照录像；激光雷达(22)对附近风场信息、波高信息进行监测；定位装置(25)对浮式平台(6)位置进行监测反馈至陆上系统提供运动信息。
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