CN116857110A - 一种可移动波浪发电系统 - Google Patents

Abstract

一种可移动波浪发电系统，由大型半潜式平台作为相对稳定的基础，其上方设置众多随波浪起伏的浮筒，通过各浮筒相对于平台的振动或摆动带动发电机发电。其特点在于半潜平台的稳定性源自其位于浪基面之下平衡分布的阻尼平板柱，系统的总重量和总浮力相对于相同平面尺度的船只小很多，不仅造价低，在波浪中的稳定性也更高，为广泛开发利用波浪能发电开辟了新的途径。

Description

一种可移动波浪发电系统

技术领域

本发明涉及波浪发电技术领域。

背景技术

波浪，尤其海浪是取之不尽用之不竭的绿色能源，鉴于水的密度远大于空气密度，所以波浪的能量密度大于风能。

目前波浪发电设备主要分作上下振动型和移动型。振动型又包括水柱型，浮体型，固定型和可动型。从能量传递介质角度可分作气动型，液压型和机械型。目前发展多的是气动型。虽然气动型装置相对简单可靠，但由于不同波浪振幅所产生气量和气压都不同，因而限制了波浪能向气动能的转换率。又气动能发电过程中转换率有限，因而该技术利用波浪能的总效率很低。

波浪发电发展相对迟缓的另一个主要原因在于目前的技术大都需要利用海岸或岛屿作为固定基础，限制了波浪发电的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于为将波浪发电扩展到波浪资源更丰富的远洋去提供一种实用系统，打破主要在近岸具备固定条件处设置波浪发电装置的现状，让波浪通过海底电缆输送更多的清洁电能。具体内容如下：

一种可移动波浪发电系统，包括一个大型半潜式平台，众多在平台原位随波浪起伏而升降的浮筒，浮筒与发电机房之间的动力传输装置，以及自动变速系统、发电和变输电系统。

所述大型半潜式平台由水下和水上部分组成一个刚性整体，其中水下部分主要由位于浪基面之下的多个均衡分布的平板柱形成浮动平台的稳定基础，所述每个平板柱都由多片大面积阻尼平板按照一定间隔垂直叠加并固定于中心浮筒柱的底部而成，各浮筒柱在其水下紧贴最上层阻尼平板处通过横梁和斜撑构建成刚性整体架构，在其水上顶部构建成框架，并在平台中心顶部设置机房，为发电机和变电输电设备提供防风防雨的固定场所。平衡平台重量的浮力主要来自浮筒柱。所有浮筒柱水平截面积的设计使得平台重量与浮力平衡状态下所有阻尼平板悬于浪基面之下，而水上框架的高度大于大浪时浮筒所能达到的最大高度。

所述众多浮筒包括位于平台中间上下振动的浮筒和位于平台周边上下摆动的浮球。中间浮筒由下部的筒身和其上的导向支柱组成，所述筒身平面尺寸不大于平时波浪波长的1/8，所述导向支柱具有足够的刚性，在垂直导轨的作用下只能作上下运动，导向支柱的长度大于最大海浪的振幅与导轨长度之和；浮球平面尺度不大于平时波浪波长的1/8，浮球通过摇臂转动连接至固定于平台周边的周边长轴上，摇臂的长度大于最大海浪的振幅，确保最高波浪时摇臂(12)不会达到或接近摆的“死点”并且能输出线性成分较高的扭矩。

对于中间浮筒，其动力传输装置包括随导向支柱振动的直线传动件，单向驱动轮和长轴，以及长轴至发电机房的传动机构。作为一种优选，直线传动件为皮带，单向驱动轮为具有自动回转功能的皮带棘轮机构。所述皮带棘轮机构由带有内棘轮的皮带轮圈、轴承和棘刺轮组成。所述皮带轮圈通过其一侧轴承与长轴滚动连接，另一侧以其内棘轮与固定于长轴上的棘刺轮相啮合。回转发条位于长轴轴承座内，一端固定于长轴轴承座内壁，另一端固定于皮带轮圈轴承一侧。所述皮带的一端固定于导向支柱顶端，另一端缠绕于所述皮带轮圈上，只有当浮筒上升时皮带拉动皮带轮圈转动，并在棘轮机构的作用下驱动长轴转动；当浮筒下降时皮带放松，在回转发条的作用下带动皮带轮圈回转并将皮带有序缠紧在皮带轮圈上。

对于周边浮球，其动力传输装置包括摇臂，单向驱动轮和周边长轴，以及周边长轴至发电机房的传动机构。作为一种优选，所述单向驱动轮为单向皮带轮机构，类似于皮带扳手，由摇臂带动并且仅在摇臂向上摆动时皮带裹紧皮带轮向周边长轴输出扭矩，当摇臂向下摆动时皮带放松，周边长轴自由转动。作为一种优化，所述单向皮带轮机构包括摇臂连杆轴和摇臂轴承座连杆，单向皮带轮，单向皮带，皮带压舌和皮带拉杆。当浮球随波浪上升时摇臂首先以摇臂连杆轴为支点逆时针转动，将皮带压舌下压致使单向皮带紧贴单向皮带轮，接着摇臂将带着摇臂轴承座连杆以周边长轴为支点继续逆时针转动并拉动皮带拉杆使整圈单向皮带抱紧单向皮带轮，从而将来自浮球和摇臂的扭矩传输给周边长轴。

作为一种优化，所述平板柱底部的大面积阻尼平板周边均设垂直于主平面的边框对称地凸出于阻尼平板的上下主平面起到小翼的作用，有效地阻碍阻尼平板相对水体上下运动时水体沿平板周边的绕流，从而更有效地起到在波浪中稳定半潜式平台之作用。

所述自动变速系统采用变速恒频系统，能更有效地利用变化的波浪能发出更多的电能。所述变速系统与发电机及变压器等一起置于机房内。

本发明具有以下优点：

1.通过一个可移动的半潜式大平台，为各浮筒提供一个基本不受海浪影响的相对稳定参照物和安装固定场所，从而使得波浪发电不仅限于便于固定的堤岸等场所，也可以发展到广海远洋，由于是半潜浮动式的，又不存在船身侧板，其横向水流阻力较小，有利于锚定，甚至可以免除复杂、耗资、费时的水下打桩工程，尤其适合与海上风力发电组合开发成海上风力-波浪发电场；

2.本发明中之半潜平台利用位于浪基面之下众多阻尼平板形成的升降阻力造就风浪中的稳定平台，有别于普通船只利用船只的质量惯性和船只相对于波浪波长更大的尺寸来抵消水面波浪所造成的不稳定性。由于浮筒柱的截面积很小，很容易防漏，平台整体结构的强度要求大大降低，本发明平台不仅造价比船只低得多，而且对整个水域的水流、光照和海洋生物的影响也比整体船舶小得多；

3.本发明中之半潜平台凡无摩擦的部件尽量采用比重小而耐腐蚀的复合材料制作，以此尽量减少系统的总重量，从而减小所需浮筒柱的总截面积，减小波浪起伏对浮筒柱的动态作用力，降低波浪中平台的波动性；

4.本发明中浮筒平面尺寸相对于波浪的波长较短，因而每个浮筒都能随波浪的起伏达到接近波峰和波底的最大振幅，有利于充分利用波浪能。又由于刚性大平台尺寸涵盖许多个海浪波长，各浮筒柱的平面尺寸相对于其浪基面之下的众多阻尼平板的总面积小了许多，所以大平台基本不受波浪影响而起伏，因而实际用于发电的浮筒相对于平台和能量吸收机构的有效振幅得到最大化；

5.由于大平台的使用，众多浮筒收集到的波浪能通过长轴集中起来，不仅减少了所需发电机数量，更在于同一长轴连线上的浮筒处于多个波浪周期的不同阶段，使得整个长轴输出的转动能连续而稳定，也有利于统一作变速恒频处理；

6.由于大平台和皮带棘轮或皮带单向轮及长轴的使用，由浮筒收集到的波浪能通过机械传动直接带动发电机，相对于气动型由于需要将压缩空气能转换成机械能再带动发电机，本发明之能量转换效率高得多；

7.即使同处于波浪的上升期，位于水浪波形不同位置的同一长轴上不同的浮筒其上升速率不完全相同，处于上升较快波段的浮筒在输出较大扭矩的同时自身受到较大反作用力而使其在水下部分体积增大。因此浮筒瞬时吃水深度相对于自由浮动平衡位的偏移为系统提供了一种弹性或势能储蓄机制，为本波浪发电系统更平稳地运行，更高效地利用波浪能创造了条件；

8.除了拖行和锚定等海上安装作业，本发明的海上波浪发电系统的建造几乎全部可以在岸上工厂完成，只需要一套轻型的滑道就能下水，既廉价又快速，有利于大规模快速建设海上波浪发电站。

附图说明

附图1为本发明之半潜平台波浪发电系统局部立体示意图。

附图2为本发明之半潜平台波浪发电系统一角的立体示意图。

附图3为本发明中浪基面之下平板柱局部放大立体示意图。

附图4为本发明中浮筒导向支柱及垂直导轨关系和工作原理示意图。

附图5为本发明中皮带棘轮工作原理示意图。

附图6为本发明中单向皮带轮工作原理示意图。

附图中：

1——阻尼平板，101——阻尼平板边框，102——阻尼平板加强筋，2——浮筒柱，3——支架，301——支架横梁，302——支架斜撑，303——顶部框架，4——浮筒，5——导向支柱，6——垂直导轨，601——限位滑轮，602——滑轮轴，7——长轴，8——长轴轴承座，9——皮带棘轮机构，901——轴承座，902-回转发条，903-皮带轮圈，904-棘刺轮10——皮带，11——浮球，12——摇臂，121——摇臂轴承座连杆，122——摇臂连杆轴，13——单向皮带轮机构，131——皮带轮，132——单向皮带，133——皮带压舌，134——皮带拉杆，14——周边长轴，15——机房。

具体实施方式

实施例1为利用现有海上风力发电场增设海上波浪发电系统，与海上风力发电场共用海上升压站，运维码头、集控中心和海底电缆等设施。选择风力发电场水深超过风暴浪基面的区域布设安装本波浪发电系统。根据系统的设计总重量和各区块的重量分布，确定各浮筒柱(2)的横截面积，使得自然平衡状态下各区块浮筒柱(2)高度一致，并且此时各平板柱水下最上方的阻尼平板(1)的深度位于风暴浪基面之下。具体计算如下：A＝W/ρ/(H+h)，

其中A＝所有浮筒柱外周截面积总和，W＝系统总重量-阻尼平板及水下支架横梁和斜撑的总体积产生的浮力，ρ＝海水密度，H＝浮筒柱水下部分的总高度，h＝浮筒柱底部最上层阻尼平板到最下层阻尼平板的高度。要求H-h大于风暴浪基面深度，其中假设所有浮筒柱不仅总高度相等，而且处于同一水平面。

相应地各区块平板柱截面积的计算公式为A_i＝W_i/ρ/(H+h)，其中下角标(i)代表第i分块，尤其当系统重量在平面上明显分布不均匀时应该分块计算，例如机房所在区块，通过增大重量集中分块浮筒柱的截面积或增加该区块浮筒柱的分布密度达到各分区间的平衡，由此将刚性整体平台结构的静态应力降至最低。

本实施例中阻尼平板(1)均采用玻璃钢蜂窝板，并带有边框(101)和加强筋(102)，浮筒柱(2)为玻璃钢圆管，圆管底部密封胶接于最底层阻尼平板，圆管中间每隔一定间隔就有一竹节般密封横隔，不仅可以增强管壁，还能阻隔上下各腔，万一圆管某段损坏不至于影响平台整体运行，留有充分的时间修复。玻璃钢蜂窝板的应用使得阻尼平板能为平台提供部分浮力。

每四个海上风电机组基础所围成的四边形区域可以安装一个或多个波浪发电系统，取决于波浪发电系统制造企业的能力和拖运的便捷性等。在本实施例中每个系统的长度为200米，宽度为100米。四边形水域内共设置两排8个系统，各系统之间留有50米的间隔并通过位于浪基面之下的支架横梁(301)相互系定，不妨碍水面工作船只穿行。处于最外四个角的系统分别系定于所在方位的风电机组基础。

本实施例(图4)中，浮筒(4)为玻璃钢制空心柱体，导向支柱(5)为厚壁钢管，其顶部固定一条纤维加强皮带(10)从面向长轴(7)一侧自由下垂，并缠绕于长轴(7)上的皮带轮圈(903)上。皮带轮圈(903)通过其内棘轮在固定于长轴(7)上棘刺轮(904)内棘爪的作用驱动长轴(7)作单向转动。回转发条(902)的一端固定于皮带轮圈(903)内置轴承的一侧，另一端固定于轴承座(901)内。轴承座(901)固定于顶部框架(303)上为长轴(7)提供支撑。当浮筒(4)上升时导向支柱(5)上升，固定于其顶部的皮带(10)驱动皮带轮圈(903)逆时针转动并收紧发条，并在棘轮作用下驱动长轴(7)转动；但当浮筒(4)下降时在之前收紧的回转发条(902)的作用下皮带轮圈(903)顺时针回转，皮带(10)被紧缠于皮带轮圈(903)之上。当皮带棘轮机构(9)顺时针转动时，其内棘爪滑动，不会阻碍长轴(7)做逆时针转动。本实施例中垂直导轨(6)由上下两组四面限位滑轮(601)构成，滑轮轴(602)固定于垂直导轨(6)的刚性框架上并整体固定在顶部框架(303)上。

本实施例中(图5)周边浮球(11)通过摇臂(12)及其前端摇臂轴承座连杆(121)铰铰接于周边长轴(14)上，只能作绕轴上下摆动。当摇臂(12)随波浪上升时将首先以摇臂连杆轴(122)为支点使皮带压舌(133)下压致使单向皮带(132)紧贴皮带轮(131)，进而摇臂(12)以周边长轴(14)为支点拉动皮带拉杆(134)使整圈单向皮带(132)抱紧皮带轮(131)并将浮球的浮力通过摇臂以扭矩形式传输给周边长轴(14)。当摇臂上升但转速低于周边长轴(14)时，皮带(124)与单向皮带轮(13)之间的摩擦力方向会将皮带(124)逆时针向外拉直至皮带限位，皮带放松而不会抱紧皮带轮，摩擦力有限。本实施例中周边长轴(14)的固定高度在平均水平面上，因而浮球(11)及其摇臂(12)在平均水平面的上下作绕轴摆动，但周边长轴及传动轮都暴露与海水中，此时单向皮带轮比棘轮更可靠耐用。由于摇臂轴承座连杆(121)和摇臂连杆轴(122)的使用，不仅可以在两个维度上固定摇臂(12)，也由于摇臂连杆轴(122)的支点作用，使得单向皮带轮机构(13)比普通皮带扳手更为可靠。

摇臂(12)越长，摇臂摆动的角度越小，输出的扭矩越大。此外，当摆动角度较大时不仅有用的浮球垂直运动分量减少，耗能的浮球水平运动分量还会增加，总的能量损失增加。本实施例中按照最大波浪时摆动角度不大于45度设计摇臂长度。

实施例2仍然为利用海上风力发电场增设海上波浪发电系统，但针对建在潮间带的海上风力发电场，由于波浪发电系统之阻尼平板无法时刻悬浮于浪基面之下，本实施例针对性的优化方案是将阻尼平板(1)全部埋入海床，浮筒柱(2)按照最高潮时将阻尼平板(1)全部埋入海床时的平衡浮力设计，系统拖运和就位过程中先在下部支架横梁(301)下方均匀放置多个浮筒或浮袋以减少系统吃水深度，安装时首先对各浮筒柱(2)所在位置海床进行吸沙挖深至设计深度，然后将浮筒或浮袋进行同步放气使系统平稳下沉着床。经过一段时间潮起潮落，海沙会将浮筒柱底部阻尼平板(1)埋没，半潜平台波浪发电系统最终被固定于海床上。本实施例中由于平台不再水涨船高，因而平台支架(3)的水上部分高度以当地最高潮时最大浪的高度作为参照，相应地浮筒导向支柱(5)做等值增高以保证在最低潮和最高潮时系统仍然能正常发电。

Claims (10)

1.一种可移动浪发电系统，其特征在于包括一个可移动大型半潜式平台，众多限位于平台上可作一维运动的随波浪起伏而升降的浮筒，浮筒与发电机房之间的动力传输装置，以及自动变速系统、和发电系统。

2.根据权利要求1所述可移动波浪发电系统，其特征在于所述可移动大型半潜式平台为整体刚性结构，平面尺度不小于10个大波浪的波长，不会与波浪共振，通过其重量与浮力的平衡而潜浮于水中，构成水下和水上两部分，其中水下部分成为所述大型平台的稳定基础，其水上部分为各浮筒提供二个维度上的固定，使得众多浮筒互不干扰地随波浪作上下振动或绕轴摆动，也为动力传输机构、变速机构、发电机和变输电设备及其防护设施提供稳定的安装基础。

3.根据权利要求2所述可移动大型半潜式平台，其特征在于所述平台由平面上均衡分布的多个水下平板柱构成潜浮基础，尤其所述平板柱由多片大面积阻尼平板(1)按照一定间隔垂直叠加并固定于浮筒柱(2)的底部构成，各浮筒柱(2)通过水下支架横梁(301)和支架斜撑(302)及顶部框架(303)构建成刚性整体平台，平衡平台重量的浮力主要来自均衡分布的浮筒柱(2)，在保证所有阻尼平板(1)均悬于浪基面之下的条件下，通过各浮筒柱(2)所在区块之设计重量计算该浮筒柱(2)的水平截面积或布局浮筒柱(2)的平面分布密度达到所属平台的整体均衡，支架之水上部分的高度大于大浪时浮筒所能达到的最大高度。

4.根据权利要求1所述可移动波浪发电系统，其特征在于在众多限位于平台上可作一维运动随波浪起伏而升降之浮筒中，位于平台中间的浮筒由下部的筒身(4)和其上方的导向支柱(5)组成，导向支柱(5)活动安装于顶部框架(303)上的垂直导轨(6)内并且只能作直角坐标系中的上下运动，所述导向支柱(5)的长度大于最高波浪的振幅与垂直导轨(6)的高度之和。

5.根据权利要求1所述可移动波浪发电系统，其特征在于在众多限位于平台上可作一维运动随波浪起伏而升降的浮筒中，位于平台周边的浮筒为浮球，浮球(11)固定于摇臂(12)的一端，摇臂(12)的另一端通过摇臂轴承座连杆(121)固定于水上支架侧面的周边长轴(14)上并且只能作球坐标系中垂直平面内绕周边水平长轴(14)的上下摆动，所述摇臂(12)的长度大于最高波浪的振幅确保最高波浪时摇臂(12)不会达到或接近摆的“死点”。

6.根据权利要求3所述阻尼平板(1)，其特征在于所述阻尼平板(1)的周边均设垂直于主平面的边框(101)对称地凸出于阻尼平板(1)的上下主平面起到小翼的作用，有效地阻碍阻尼平板(1)相对水体上下运动时水体沿平板周边的绕流。

7.根据权利要求1所述可移动波浪发电系统，其特征在于所述动力传输装置包括固定于浮筒导向柱(5)上随浮筒导向柱上下振动的直线传动件，将直线震动能转换成转动能的单向驱动轮，收集汇总各单向驱动轮周期性扭矩的长轴(7)，以及长轴(7)至发电机房的传动机构。

8.根据权利要求1所述可移动波浪发电系统，其特征在于所述动力传输装置包括一端固定着浮球(11)的摇臂(12)，固定于所述摇臂(12)末端为摇臂提供转动支点的单向驱动轮，收集汇总各单向驱动轮周期性扭矩的周边长轴(14)，以及周边长轴(14)至发电机房的传动机构。

9.根据权利要求7所述动力传输装置，其特征在于所述将直线震动能转换成转动能的单向驱动轮为可自动收紧并回转的皮带棘轮机构(9)，所述直线传动件为一端固定于上述浮筒导向支柱(5)的顶部，另一端缠绕于所述皮带棘轮机构(9)之上的皮带(10)，尤其所述皮带棘轮机构(9)包括内置棘轮的皮带轮圈(903)，固定于长轴(7)上的棘轮芯(904)，具有抽拉皮带时驱动长轴(7)单向转动，放松皮带时皮带轮圈(903)在轴承座(901)内发条(902)的作用下回转并收紧皮带，将皮带有序紧缠于皮带轮圈上的功能。

10.根据权利要求8所述动力传输装置，其特征在于所述单向驱动轮为皮带单向轮机构，包括为摇臂(12)提供转动支点的摇臂连杆轴(122)和摇臂轴承座连杆(121)，单向皮带轮(131)，单向皮带(132)，皮带压舌(133)和皮带拉杆(134)，尤其当浮球(11)随波浪上升时摇臂(12)首先以摇臂连杆轴(122)为支点逆时针转动，即皮带压舌(133)下压致使单向皮带(132)紧贴单向皮带轮(131)，接着摇臂(12)将以周边长轴(14)为支点继续逆时针转动并拉动皮带拉杆(134)使整圈单向皮带(132)抱紧单向皮带轮(131)，从而将来自浮球和摇臂的扭矩传输至周边长轴(14)。