CN117072365A - 一种波浪能发电装置和海洋牧场 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波浪能发电装置和海洋牧场，所述波浪能发电装置包括柔性毯、传动模块和能量转换模块，柔性毯至少有三个顶点，各顶点在外拉力作用下可将柔性毯展开；其中，至少一个顶点连接传动模块；能量转换模块与传动模块连接，将柔性毯受波浪涌动作用产生的机械能部分转化为电能。装置利用柔性结构与脉动流场间的耦合效率通常高于其他机械结构的吸波效率的特点，将所述柔性毯与传动模块配合可使所述柔性毯在受到各种频率和方向的波浪起伏作用时都能够充分展开而吸收波浪能，可提高波浪能的吸波效率和发电效率，且本发明柔性毯构造简单、造价低，可大范围部署在近海岸堤、浅海风电场、深远海漂浮平台和远海岛礁等各类波浪能富集场景。

Description

一种波浪能发电装置和海洋牧场

要求申请号为202310845368.7、申请日为2023-7-11的中国专利优先权

技术领域

本发明涉及发电装置技术领域，尤其涉及一种波浪能发电装置和海洋牧场。

背景技术

波浪能作为海洋可再生能源的一种，是国家可再生能源战略的关键组成部分，因其储量大、可持续利用、绿色清洁等显著优势，受到世界沿海各国青睐，将成为未来能源供给的重要来源和海洋经济的新增长点。

波浪能是由海风引起的水体大规模周期性振荡运动产生的，当波浪的传播速度低于其上方的风速时，波浪迎风面和背风面之间的气压差以及风与海面摩擦产生的剪切应力会导致能量从风耦合到波浪中，使波浪持续增长。这种振荡运动所包含的动能和势能，被统称为波浪能。据世界能源委员会调查结果显示：全球范围内可利用的波浪能达20亿kW，对缓解能源危机和减少碳排放有重要作用。然而，要将这个潜在的能量宝库转化为实际可用的能源，却需要解决许多技术问题。

波浪能由于具有较高的能量密度成为海上装置的重要能源供给。目前，国内外波浪能发电装置朝着大型化、多元融合方向发展，主要为近海城市、海岛和大型海上平台提供电能。一些典型的代表如下：

(1)美国的OPT(Ocean Power Technologies)公司研究了Power Buoy点吸收式装置。该装置利用波浪起伏推动吸波浮体上下振荡，驱动液压发电系统。目前该装置已实现3kW、7.5kW及150kW定型化设计和制造，主要用于海洋观测仪器供电。该类装置吸波浮体主体尺寸大于半波长后难以实现与波浪同频运动，无法通过扩大尺寸提高单机功率。

(2)丹麦Wavestar Energy公司研发了一种多浮子的Wavestar波浪能装置。该装置主体结构打桩固定，多个吸波浮体吸收波浪能，驱动液压系统实现能量转换。该公司于2006年完成第一代样机研建，吸波浮体直径为1米，稳定运行将近2年；2009年研建第二代试验样机，吸波浮体直径为5米，装机容量为110kW，于次年2月成功并网。但该装置采用固定式打桩结构，选址范围有限，应用推广困难。

(3)爱尔兰Ocean Energy公司完成了500kW OE Buoy后弯管型波浪能装置样机建造。该装置利用波浪上下运动推动空气带动透平发电，在高威海湾小浪区和大西洋沿岸开阔海域进行实海况试验，运行时间近3年。气动式波浪能装置结构简单、易维护，但由于空气透平直接面对高频往复的气流，能量转换效率和电能质量较差，无法满足高品质用电的需求。

(4)苏格兰Pelamis海浪动力公司研制的Pelamis筏式波浪能装置单机功率750kW，在葡萄牙实现3台组网运行，总装机2.25MW。该装置采用液压传递能量，锚泊系统简单，但其迎波宽度与长度相比过小，正向来波能量小，只适用于大浪海域。

(5)芬兰Wello公司2010年建成“Penguin I”试验样机。该装置采用浮体船设计，吸收波浪动能，驱动船体内部发电机旋转，先后在欧洲海洋能中心和英国Wave Hub测试场试验，试验效果良好。该装置整体只有一个运动部件进行能量转换，且其位于船体内，有效避免了海生物附着及海水腐蚀等问题，可降低维护成本。

我国波浪能开发利用技术始于20世纪70年代末，至今已有40年研究历史，前期主要从事波浪能基础理论研究、关键技术跟踪及小型波浪能装置研发，近10年来随着全面建设海洋强国战略逐步深入实施，尤其在科技部重点研发计划、自然资源部海洋可再生能源专项资金的支持下，我国波浪能研究取得了快速发展，研制了一系列波浪能发电装备，部分技术到达世界一流水平。

(1)2019年12月，广东电网公司作为项目牵头单位，联合南方电网电力科技股份有限公司、中国科学院广州能源研究所等9家参与单位，成功获得2019年度国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项“兆瓦级高效高可靠波浪能发电装置关键技术研究及南海岛礁示范验证”立项，南方电网电力科技股份有限公司是该国家重点研发计划的主要承接单位。项目组根据南海岛礁用电需求、波浪资源，及远海运行所需的高可靠等特殊要求，进一步研制适合南海岛礁的1MW无人值守漂浮式高效波浪能发电装置，最终在南海岛礁长期并网供电。1MW波浪能发电装置将长期驻扎西沙运行，同步积累实际运行数据和运维经验，为波浪能装置规模化、集群化应用奠定理论和实践基础，进一步提升我国海岛岛礁供电能力，支撑海洋强国战略发展。

(2)中国科学院广州能源研究所发明了具有我国自主知识产权的鹰式波浪能技术(获中、美、英、澳四国发明专利授权)，研建了10kW、100kW、200kW、500kW系列化波浪能发电装置，实现了鹰式波浪能技术实海况验证、近海海岛并网供电、远海岛礁并网供电，使我国成为全球首个在深远海布放波浪能发电装备并实现并网的国家。中国科学院广州能源研究所鹰式波浪能技术连续6年代表中国波浪能技术入选国际能源署报告。

(3)山东大学研究了点吸收式波浪能发电技术，于2014年完成了120kW样机研建，并在山东省成山头海域开展短期实海况试验。国家海洋技术中心研制了100kW浮力摆式波浪能装置，在山东大管岛开展了实海况装置试验。

(4)中国海洋大学研制了“组合型振荡浮子波浪能发电装置”，由4个吸波浮子阵列化布置的10kW振荡浮子式波浪能装置于2014年在山东斋堂岛开展短期海试。

(5)浙江海洋学院研制了10kW振荡浮子式波浪能装置“海院1号”，在舟山朱家尖东沙海域开展短期海试。此外，清华大学、中国科学院电工研究所、华北电力大学等针对振荡浮子式、振荡水柱式波浪能发电装置均开展了一系列的理论研究和实验室原理验证，目前计划开展实型样机的研制。

目前全球在研的波浪能发电装置按照原理大体可分为振荡浮子式、振荡水柱式和越浪式等三种形式。

1.振荡浮子式

振荡浮子式波浪能转换装置是将波浪能耦合到漂浮物体中的机械能。其工作原理是：在海洋表面浮动的浮子通过波浪的上下运动而进行振荡，然后通过机械联接设备将这种机械运动转换为电能。这种装置形式多样、结构相对简单，是漂浮式海上波浪能应用的首选。振荡浮子式波浪能转换装置的优势在于它的灵活性。它可以被设计成多种形状和大小，适应各种波浪环境。另外，因为这种设备通常比较小巧，所以可以被用来为偏远地区或者海洋平台等提供电力，这种设备还可以被组装成阵列，提供更大的电力。

然而，振荡浮子式波浪能转换装置的问题在于其能源捕获效率有限。因为这种设备只能捕获浮子附近区域海水的机械能，对其邻近区域大部分海水携带的能量无能为力。而且，如果想在大范围海域部署这种装置，不仅成本非常高，而且相邻浮子对流场的干扰也会显著降低设备的波浪能捕获效率。

2.振荡水柱式

振荡水柱式波浪能发电装置的基本原理是利用波浪能引起的水位变化来压缩或释放腔室内的空气，进而驱动空气涡轮旋转发电。在此过程中，水柱的上升和下降会导致气压的改变，进而推动涡轮的旋转。由于涡轮旋转可以通过电磁感应产生电流，这种装置可以将波浪能转换为电能。振荡水柱式装置的主要优点是，它可以直接利用波浪能，而无需额外的能量转换步骤，因此它的能量转换效率相对较高。此外，这种设备的结构相对较简单，制造和维护成本相对较低。

然而，振荡水柱式波浪能发电装置也存在一些问题。首先，这种设备需要部署在海岸附近，这限制了其能够利用的波浪能资源。其次，这种设备的效率和装机容量受到了水柱体积和涡轮设计的限制，难以提高。最后，由于涡轮和发电机等关键部件暴露在海洋环境中，设备的寿命和可靠性可能会受到影响。

3.越浪式

越浪式波浪能发电装置是通过将浪涌的水储存在相对高的水库中，然后利用水位高差带动低水位处的水轮机发电。这种方式的优点是其能源利用过程直接，无需复杂的能量转换，从而能在一定程度上提高能量转换效率。然而，和振荡水柱式一样，这种类型的装置也需要部署在海岸附近，这限制了其能够利用的波浪能资源。同样，由于设备结构的复杂性，其安装、运行和维护成本也相对较高。此外，越浪式装置也可能对海岸线造成破坏，因此在许多地区可能面临环境保护的法规限制。

从上述三种波浪能转换装置的分析中可以看出，每一种都有其独特的优点，但也存在许多共同的问题和局限性。首先，它们的结构多采用钢材，这使得设备的体积大、重量大、耐腐蚀性差，增加了设备的建造、运行和维护成本。与此同时，由于技术自身的局限性，这些装置的吸波范围严重受限，吸波效率和能量转换效率难以提升，经济性较差。此外，许多设备还需要在特定地点安装，限制了其应用范围。

当前的波浪能转换技术虽然在理论和实验方面已经取得了一些进展，但在实际应用中仍然面临许多挑战。为了将波浪能从一种潜在的能源转化为现实中的可用能源，还需要在波浪能捕获效率、转换效率、成本效益、环境影响和设备可靠性等方面取得重大突破。这些技术挑战的解决不仅是波浪能研究的重要方向，也是全球可再生能源发展的关键课题之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种波浪能发电装置和海洋牧场，可大范围部署在近海岸堤、浅海风电场、深远海漂浮平台和远海岛礁等各类波浪能富集的场景，且布置方式灵活、造价低、实施难度小以及维护简单，可解决当前的波浪能转换装置普遍结构复杂、成本高、效率低致使经济性较差的问题。

本发明提供的一种波浪能发电装置，包括柔性毯、传动模块和能量转换模块；

所述柔性毯至少有三个顶点，各所述顶点在外拉力作用下可将所述柔性毯展开；

其中，至少一个所述顶点连接有所述传动模块；

所述能量转换模块与所述传动模块连接，将所述柔性毯受波浪涌动作用产生的机械能部分转化为电能。

优选地，所述波浪能发电装置还包括配合件，所述传动模块与所述配合件连接，将所述柔性毯受波浪涌动作用产生的机械能部分转化为所述配合件的机械能，并驱动所述能量转换模块发电。

更进一步优选地，所述配合件为弹性件。

更进一步优选地，所述配合件为配重块。

更进一步优选地，所述配重块还用于展开所述柔性毯。

更进一步优选地，所述传动模块通过第一缆索与所述顶点连接；

所述第一缆索设置有第一导向轮，所述第一导向轮与水上结构物固定连接，所述水上结构物设置有隔水空间，所述柔性毯在受波浪涌动作用下带动所述配重块在所述隔水空间内上下移动。

更进一步优选地，所述传动模块包括啮合连接的链轮和链条；

所述第一缆索的第二端绕过对应的所述第一导向轮后与对应的所述链条的一端连接；所述链条的另一端与所述链轮啮合后与对应的所述配重块连接；

所述链轮与所述水上结构物固定连接，且所述第一导向轮和对应的所述配重块均位于对应的所述链轮下方；

所述能量转换模块与所述链轮传动连接。

更进一步优选地，每个所述配重块正上方的隔水空间内设置有限位器，所述限位器与所述水上结构物固定连接，用于限制所述配重块的可升高高度。

更进一步优选地，每个所述配重块正下方的隔水空间内设置有缓冲器，所述缓冲器与所述水上结构物固定连接。

更进一步优选地，所述第一缆索通过第一测力计与所述链条连接，所述链条通过第二测力计与所述配重块连接。

更进一步优选地，所述能量转换模块包括变速器和发电机，所述链轮与所述变速器通过第一传动轴连接，所述变速器通过第二传动轴与所述发电机连接。

优选地，所述能量转换模块还包括离合器，所述离合器设置有离合推杆；

所述第二传动轴两端分别与所述变速器的输出端和所述离合器的输入端连接，所述离合器的输出端和所述发电机通过第三传动轴连接。

更进一步优选地，所述传动模块包括液压杆、定滑轮、动滑轮和位于所述第一导向轮上方的第二导向轮；

所述液压杆一端与对应的所述配重块连接，另一端固定在所述水上结构物上；所述定滑轮固定在所述水上结构物上并位于所述动滑轮上方；所述动滑轮与所述配重块固定连接；

所述第一缆索的第二端依次绕过对应的所述第一导向轮、第二导向轮、动滑轮和所述定滑轮后与所述定滑轮固定连接；

所述能量转换模块与所述液压杆通过液压管路连接。

更进一步优选地，所述第一导向轮和第二导向轮之间的所述第一缆索上设置有第三测力计；所述液压管路设置有压力传感器。

更进一步优选地，所述配重块正下方的隔水空间内设置有支撑座，所述支撑座与所述水上结构物固定连接。

更进一步优选地，所述能量转换模块包括液压储能单元和发电机；

各所述液压管路分别连接至所述液压储能单元，所述液压储能单元通过液压马达与所述发电机连接。

更进一步优选地，所述波浪能发电装置还包括处理模块，所述配重块上设置有运动传感模块，所述运动传感模块用于收集所述配重块的移动数据；

所述运动传感模块、第一测力计和所述第二测力计分别与所述处理模块通信连接，或，

所述运动传感模块、第三测力计和所述压力传感器分别与所述处理模块通信连接。

优选地，所述配重块为重量可调的注水式配重块。

优选地，所述柔性毯居中设置有第一通孔，所述第一通孔的环向区域以其为圆心均匀间隔设置有多个第二通孔；所述第一通孔的径向长度大于所述第二通孔的径向长度。

优选地，所述柔性毯上均匀布满有多个第三通孔。

优选地，所述柔性毯表面设置有复合涂层。

优选地，所述柔性毯的顶点中，至少有一个第一顶点，所述第一顶点为固定点。

优选地，所述第一顶点连接有第二缆索。

进一步优选地，所述水上结构物包括水密的平台主体和设置在所述平台主体下方的多个水密的支撑桩腿，所述支撑桩腿的数量和方位与所述柔性毯的顶点的数量和方位一一对应；

所述平台主体内设置有所述能量转换模块，各所述支撑桩腿内均设置有所述传动模块，各所述第一导向轮分别与对应的所述支撑桩腿固定连接。

进一步优选地，所述水上结构物为多个水密的管桩，所述管桩的数量和方位与所述柔性毯的顶点的数量和方位一一对应；

每个所述管桩内均设置有所述能量转换模块和所述传动模块，且所述传动模块与对应的所述能量转换模块连接；各所述第一导向轮分别与对应的所述管桩固定连接。

进一步优选地，所述波浪能发电装置中的配重块的侧面设置有滚轮。

本发明的另一个目的是提供一种波浪能发电海洋牧场，包括上述的一种波浪能发电装置和边网，所述波浪能发电装置柔性毯的各自由边均垂向设置有所述边网，使所述柔性毯与各所述边网形成网箱；

所述边网的上部通过第三缆索与所述波浪能发电装置的水上结构物固定连接。

优选地，所述波浪能发电装置的水上结构物上还设置有海上风力发电机组。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种波浪能发电装置，通过设置所述柔性毯，并利用柔性结构与脉动流场间的耦合效率通常高于其他机械结构的吸波效率的特点，将所述柔性毯与所述传动模块配合可使所述柔性毯在受到各种频率和方向的波浪起伏作用时都能够充分展开而吸收波浪能，从而大幅提高波浪能的吸波效率，进而提高波浪能发电装置的发电效率，且本发明柔性毯结构构造简单、造价低、便于实现大面积部署，可提高本发明波浪能发电装置的经济性，从而解决当前波浪能转换装置普遍结构复杂、成本高、效率低致使经济性较差的问题，提升波浪能发电在可再生能源市场中的竞争力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一提供的多边形柔性毯示例展开图一；

图2为本发明实施例一提供的多边形柔性毯示例展开图二；

图3为本发明实施例一提供的多边形柔性毯示例展开图三；

图4为本发明实施例一提供的多边形柔性毯示例展开图四；

图5为本发明实施例一提供的多边形柔性毯示例展开图五；

图6为本发明实施例一提供的一种波浪能发电装置柔性毯的示意布置图；

图7为本发明实施例一提供的一种波浪能发电装置的示意布置图一；

图8为本发明实施例一提供的一种波浪能发电装置的阵列式示意布置图；

图9为本发明实施例一提供的一种波浪能发电装置的示意布置图二；

图10为本发明实施例一提供的阻水隔膜形式的柔性毯示意图一；

图11为使用图10所示柔性毯的波浪能量流动示意图；

图12为本发明实施例一提供的阻水隔膜形式的柔性毯示意图二；

图13为使用图12所示柔性毯的波浪能量流动示意图；

图14为本发明实施例一提供的透水网膜形式的柔性毯示意图；

图15为使用图14所示柔性毯的波浪能量流动示意图；

图16为柔性毯附近的波浪能量流动示意图；

图17为本发明实施例二提供的一种波浪能发电装置的示意布置图；

图18为本发明实施例三提供的一种波浪能发电装置的示意布置图；

图19为本发明实施例四提供的一种波浪能发电海洋牧场的示意布置图一；

图20为本发明实施例四提供的一种波浪能发电海洋牧场的示意布置图二；

图21为本发明实施例四提供的一种波浪能发电海洋牧场的阵列式示意布置图；

其中，附图标记说明：柔性毯1，第一顶点2，第二顶点3，第一缆索4，第一导向轮5，传动模块6，配重块7，水上结构物8，能量转换模块9，滚轮10，第一通孔11，第二通孔12，第三通孔13，链轮14，链条15，变速器16，发电机17，第一传动轴18，第二传动轴19，离合器20，第三传动轴21，限位器22，缓冲器23，第一测力计24，第二测力计25，第一处理模块26，运动传感模块27，液压杆28，定滑轮29，动滑轮30，第二导向轮31，液压储能单元32，液压管路33，液压马达34，第三测力计35，压力传感器36，第二处理模块37，支撑座38，边网39，第三缆索40，海上风力发电机组41，第二缆索42，管桩43，海床44，水面45。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。除非另有明确具体的限定。

除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

与风电、光伏等装置相比，当前的波浪能发电装置技术复杂、部署困难、成本高企，难以获得市场认可，商业化应用进程缓慢，而面对巨大的波浪能储量，如何提高波浪能发电装置的技术难度和经济性，使之能够得到大范围推广应用，成为了新能源再生领域亟需攻克的热点。

海边居住的渔民会有这样的经验常识，海浪在河流入海口、近岸滩涂地以及传统避风锚地的消减速度远大于其他邻近海域。这类地域环境的共同特点是海床淤积了较厚的淤泥层而形成了柔性海床，柔性海床能够较好的与波浪运动耦合。海水搅动淤泥而相互摩擦，可将波浪的机械能转换为内能，从而实现波浪振幅的快速消减。

受上述启发，本发明实施例一如图6所示，提供了一种波浪能发电装置，包括柔性毯1、传动模块6(图中未示出)和能量转换模块9(图中未示出)，柔性毯1上至少有三个顶点，各顶点在外拉力作用下可将柔性毯1展开，柔性毯1用于在水下受波浪涌动作用而产生柔性起伏运动；

其中，至少一个顶点连接有传动模块6，能量转换模块9与传动模块6连接将柔性毯1受波浪涌动作用产生的机械能部分转化为电能。

需要说明的是，本实施例中的顶点并不局限于柔性毯1的边界交点，可以理解的是，凡是为了对柔性毯1进行拉伸展开而作用于柔性毯1上的点均为本实施例中所述的顶点。以顶点为柔性毯1的边界交点的情况为例，柔性毯1可以为如图1～4所示的三角形、四边形、五边形、六边形等多边形，其中，多边形的各边可以为直边也可为如图5所示的曲边，其直边或曲边做力学强化处理，可防止柔性毯1从其边界薄弱处撕裂。

本实施例一提供的一种波浪能发电装置，通过设置柔性毯1，并利用柔性结构与脉动流场间的耦合效率通常高于其他机械结构的吸波效率的特点，将柔性毯1与传动模块6配合可使柔性毯1在受到各种频率和方向的波浪起伏作用时都能够充分展开而吸收波浪能，从而大幅提高波浪能的吸波效率，进而提高波浪能发电装置的发电效率，且本发明柔性毯1构造简单、造价低、便于实现大面积部署，可提高本发明波浪能发电装置的经济性，从而解决当前波浪能转换装置普遍结构复杂、成本高、效率低致使经济性较差的问题，提升波浪能发电在可再生能源市场中的竞争力。

需要注意的是，为了展开柔性毯1而作用于柔性毯1的外拉力应能够与柔性毯1随波浪起伏运动相配合，其来源方式多样，可为具有一定弹性形变能力的弹簧组件、油压可控的液压杆系统等。在一个具体的实施例中，波浪能发电装置还包括配合件，传动模块6与配合件连接，将柔性毯1受波浪涌动作用产生的机械能部分转化为配合件的机械能，并驱动能量转换模块9发电。本实施例中，传动模块6与配合件配合，将柔性毯1受波浪涌动作用产生的机械能部分转化为配合件的机械能，包括动能和势能，与此同时，还驱动能量转换模块9发电。针对该配合件来说，可以为弹性件，以此为例，那么柔性毯1受波浪涌动作用产生的机械能部分转化可以为转为弹性件的弹性势能；配合件还可以是配重块7，以此为例，那么柔性毯1受波浪涌动作用产生的机械能部分转化可以为转为配重块7的动能和重力势能。

进一步的，以配合件为配重块7为例，在一个优选的实施例中，通过配重块7的机械能，配重块7还用于展开柔性毯1。

在一个更为优选的实施例中，如图17和18所示，传动模块6通过第一缆索4与各顶点连接，第一缆索4设置有第一导向轮5，且第一导向轮5与水上结构物8固定连接，水上结构物8设置有隔水空间，柔性毯1在受波浪涌动作用下带动配重块7在隔水空间内上下移动。

需要说明的是，本实施例中配重块7为柔性毯1的展开提供了回复拉力，需注意的是该回复拉力的大小需保证配重块7在吸波毯受到波浪起伏作用时能够随之平稳往复移动，所以配重块7的重量应当根据柔性毯1的重力大小以及本发明装置所安装区域的波浪场强来调试确定，以保证柔性毯1能够充分展开，并与波浪进行充分的能量耦合，从而确保柔性毯1的吸波效率。为方便调节配重块7的重量，本实施例中，配重块7为注水式配重块。

需要注意的是，本实施例中，柔性毯1与各第一缆索4构成索膜结构，为促使各顶点在柔性毯1受波浪作用时运动的协调和统一，保证柔性毯1的吸波效率，各第一缆索4和第一导向轮5的安装设置应保证柔性毯1能够在无浪状态下处于平衡的张拉状态，并保证柔性毯1在波浪作用下始终处于水面以下，柔性毯1和第一导向轮5的水深深度应根据安装区域海浪的波长、振幅、频率等时空特征综合分析后确定。

柔性毯1的能量吸收效率与其形状和力学特征相关，其形状应从功能、成本、效率、整体技术成熟度综合考虑，柔性毯1所选用的材质应使其在二维延展方向上具有较高的弹性模量，不易变形，以保证柔性毯1的起伏运动被高效地传递至各第一绳索4，同时在其厚度方向上应具有足够的柔性，以使柔性毯1能够更好与波浪形态实时随动，耦合吸收波浪的机械能。如图17和18所示，位置①为无浪状态下柔性毯1的状态，位置②为海浪上涌时柔性毯1的状态，位置③为海浪向下涌时柔性毯1的状态，相对应的配重块7在水上结构物8内隔水空间的位置为①、②和③，当配重块7由位置②移动到位置①或者由位置③移动到位置①时，具有展开柔性毯1的功能。如图6所示的具体实施例示意图中，柔性毯1为具有四个顶点的曲边四边形；具体地，柔性毯1为具有较高经济性和耐用性的高强化学纤维编织而成的轻质布，其表面还设置有复合涂层，具有增强柔性毯1整体力学强度、防紫外线、防海洋生物附着、耐海水腐蚀、自清洁等复合功能。针对环保要求，柔性毯1还应考虑结构具有一定的透光性和低毒性，以减少对海洋生物的干扰，尤其是对底栖海洋生物光合作用的影响。

当柔性毯1的展开尺寸不大，以至于索膜结构依附于水上结构物8进行海上实际布置时，能够只需设置一套能量转换模块，将各传动模块分别与该能量转换模块连接后，即可实现能量转化，且具有较好的可操作性和经济性时，采用共用能量转换模块的方案，可以减少能量转换模块的数量，减少大型设备数量和降低装置成本，但此时水上结构物8需具备一定的布置空间，以便能够将各传动模块连接至能量转换模块。具体的实施例中，水上结构物8包括水密的平台主体和设置在平台主体下方的多个水密的支撑桩腿，支撑桩腿的数量和方位与柔性毯1顶点的数量和方位一一对应，以保证能够将柔性毯1水平展开；平台主体内设置有能量转换模块9，各支撑桩腿内均设置有传动模块6，各第一导向轮5分别与对应的支撑桩腿固定连接。

当柔性毯1的展开尺寸较大，仅设置一套能量转换模块而使各传动模块共用该能量转换模块的连接方案，不具有较好的可操作性和经济性，或者水上结构物8的空间布置不适于该种方案时，每套传动模块对应设置一套能量转换模块。具体的实施例中，水上结构物8为多个水密的管桩43，管桩43的数量和方位与柔性毯1顶点的数量和方位一一对应；每个管桩43内均设置有能量转换模块9和传动模块6且传动模块6与其所在管桩43内的能量转换模块9连接；各第一导向轮5分别与对应的管桩43固定连接。在水深较浅的海域，可采用如图7所示方式将管桩43固定在海床44，这类固定方式还可实现如图8所示的阵列方式部署，可覆盖大面积海域，提高装置的整体装机容量，同时多张柔性毯1可共用一根管桩43，提高材料使用率；在水深较深的海域，如图9所示，可采用由半潜浮式平台托举的浮式方式设置管桩，也可将管桩43与海上浮式平台结构融合。

在上述支撑桩腿或管桩43内，为避免配重块7上下移动过程中晃动而与支撑桩腿或管桩43的内壁产生碰撞或滑动摩擦，配重块7的侧面设置有滚轮10。这利用了支撑桩腿或管桩43通常均为竖直结构的特点使滚轮10在支撑桩腿或管桩43的内壁上滚动，将配重块7的上下移动限制在垂向，同时通过滚轮10使配重块7上下移动时为滚动摩擦，不会因此而增加过多能量消耗，影响能量转化效率。

优选地，如图6所示，柔性毯1的顶点中，至少有一个第一顶点2，第一顶点2为固定点，即第一顶点2不跟随柔性毯1的起伏运动而大幅移动，这样可降低柔性毯1自身出现缠绕情况的可能，相应的，能够跟随柔性毯1的起伏运动而大幅移动的顶点为第二顶点3。进一步地，第一顶点2连接有第二缆索42，第一顶点2与第二缆索42的一端连接，一方面，可通过将第二缆索42的另一端固定来实现第一顶点2的固定，另一方面通过设置第二缆索42也可减小柔性毯1因第一顶点2的固定而产生的倾斜角度，提高柔性毯1俘获波浪能的效率。需要说明的是，第一顶点2的固定方式多样，可通过如第二缆索42的连接装置固定于海底，或者固定于海上浮式结构上，以能够实现第一顶点2相对于第二顶点3的固定即可。

柔性毯1与波浪之间存在着力学耦合作用，波浪能在力学耦合作用下被柔性毯1吸收并转变为其他形式能量，从而导致柔性毯1所在范围内海水的波浪振幅减小，形成波浪能的低能区。周围振幅较大的高能区海水将输出能量以填补低能区海水的能量损耗，形成如图16所示的能量流动方向(能流方向)，从而使得柔性毯1可源源不断吸收海水的波浪能。柔性毯1吸收波浪能的过程将对波浪流场产生影响，与此同时，流场对吸波毯的力学作用也会相应发生变化。而柔性毯1的表面亲疏水性、微观结构以及透水性等都会对流场的动力学特性产生影响，进而影响能量耦合效率，其中，最主要的影响因素是柔性毯1的透水性。依据透水程度不同，可将柔性毯1分为阻水隔膜和透水网膜两种形式。

柔性毯1受到波浪形成的运动水团的冲击作用发生上下运动，从而俘获波浪能。上述阻水隔膜是指宏观上水不能直接穿透的隔膜，图10所示为阻水隔膜的一个具体实施例，如图11所示原理，由于海水无法直接穿透阻水隔膜，海水被阻水隔膜分隔为上下两部分水体，上下两部分水体之间的质量和能量交换因此被很大程度削弱，运动的整体协调一致性也被很大程度削弱。柔性毯1上部分的海水为一个整体，起浪过程中海水从底部上涌，柔性毯1俘获向上运动海水的机械能，此时上部分的海水也将吸收部分机械能并转变为动能和重力势能。退浪过程中下部分的海水向下涌，上部分的海水向下移动，部分机械能将被柔性毯1俘获。起浪和退浪过程中，上部分的海水只能在柔性毯1边缘与周围海水进行质量交换，当柔性毯1覆盖面积较大时，这种海水能量交换状态的整体效率会明显偏低，且柔性毯1将会由于周围水流绕行产生的乱流而出现不规则摆动，致使能量耦合效率降低，也会影响邻近海水的脉动规律。

在一个优选的实施例中，如图12所示，柔性毯1居中设置有第一通孔11，第一通孔11的环向区域以其为圆心均匀间隔设置有多个第二通孔12；第一通孔11的径向长度大于第二通孔12的径向长度。这样如图13所示，在海浪起伏过程中，涌动的海水可通过柔性毯1上的第一通孔11和第二通孔12进行物质和能量交换，使上下部分的海水与柔性毯1能够协调一致运动，有效提高波浪与柔性毯1之间的运动耦合效率。同时，中心区域产生的稳定流场可以提高柔性毯1的水动力学的稳定性，使其与海浪的随动性更好，避免大量水流从柔性毯1边界绕流产生的不稳定摆动。需要说明的是，第一通孔11和第二通孔12的形状可以是圆形，也可以是其他形状，孔的大小和其在柔性毯1的具体分布位置应针对特定海域波浪特点进行适应性设计。

在另一个优选的实施例中，如图14所示，柔性毯1上均匀布满有多个第三通孔13，形成透水网膜结构，第三通孔13的总面积与柔性毯1的总面积之比为柔性毯1的透水率，例如50％透水率表示柔性毯1面积中有50％的面积为可透水的第三通孔13。如图15所示透水网膜结构中，由于位于柔性毯1上部分和下部分的海水可进行较为充分的质量和能量交换，相对于设置有第一通孔11和第二通孔12的柔性毯1，其对波浪脉动特性的干扰更小，与波浪之间的耦合效果也更为理想，同时周围海水能量输入效率也更高。

在上述实施中，传动模块6起到连接第一缆索4和配重块7的作用，并由此能够使柔性毯1受波浪涌动作用产生的机械能部分转化为配重块7的机械能，由于能够达到这种技术效果的传动模块的构造类型有多种，而传动模块构造的不同会影响与之连接的能量转换模块的构成。

为此，实施例二提出了一种波浪能发电装置，本发明实施例二为在上述实施的基础上，提出的有关传动模块以及能量转换模块的构造组成的具体实施方式之一：

如图17所示，传动模块6可以为链条传动模块，具体包括啮合连接的链轮14和链条15(当然，传动模块6还可以为皮带传动模块，也即包括用于替代链轮14的带轮、以及用于替代链条15的皮带)；第一缆索4的第二端绕过对应的第一导向轮5后与对应的链条15的一端连接；链条15的另一端与链轮14啮合后与对应的配重块7连接；链轮14与水上结构物8固定连接，且第一导向轮5和对应的配重块7均位于对应的链轮14下方；能量转换模块9通过与链轮14传动连接将链轮14的机械转动转化为电能。

相应的，能量转换模块9包括变速器16和发电机17，链轮14与变速器16通过第一传动轴18连接，变速器16通过第二传动轴19与发电机17连接，继而可将链轮14的正反转动转化为变速器16的单向转动并输出至发电机17，优选采用无级变速器，可使链轮14和发电机17的工况始终达到最佳匹配状态，实现能量转化效率的最大化。

优选的实施例中，能量转换模块9还包括离合器20，离合器20设置有离合推杆；第二传动轴19两端分别与变速器16的输出端和离合器20的输入端连接，离合器20的输出端和发电机17通过第三传动轴21连接，通过推动离合推杆将发电机17和变速器16分离，为发电机17或变速器16的独立调试和故障维修提供条件。

在一个优选的实施例中，每个配重块7正上方的隔水空间内设置有限位器22，限位器22与水上结构物8固定连接，用于限制配重块7的可升高高度，防止柔性毯1振幅过大引起配重块7位移过大而超过预设位移量致使装置损坏。限位器22的位置可根据海域海浪的历史最大振幅确定，具体地，限位器22与水上结构物8采用可拆卸连接方式，以便根据实际使用情况适时调整其位置。

在一个优选的实施例中，每个配重块7正下方的隔水空间内设置有缓冲器23，缓冲器23与水上结构物8固定连接，用于防止配重块7回到最低位置时所形成的冲击力对机械结构造成损伤。

在一个优选的实施例中，第一缆索4通过第一测力计24与链条15连接，链条15通过第二测力计25与配重块7连接，从而通过第一测力计24可直接获得第一缆索4作用于柔性毯1的拉力，通过第二测力计25获得链条15的拉力，计算两个拉力的差值即可获取链轮14的作用力。更优选的，本实施例二中波浪能发电装置还包括第一处理模块26，配重块7上设置有由位移传感器、加速度计、速度计等运动传感器组成的运动传感模块27，运动传感模块27用于收集配重块7的各种相应移动数据，由于配重块7的运动状态与柔性毯1顶点的位移直接相关，故柔性毯1的实时运动特征可从运动传感模块27获得的移动数据中判断得出。运动传感模块27、第一测力计24和第二测力计25分别与第一处理模块26通信连接，第一处理模块26在接收到第一测力计24、第二测力计25和运动传感模块27发送的数据信息后，经过计算分析可获取柔性毯1的能量耦合效率。

另外，还提出了实施例三的一种波浪能发电装置，实施例三为在上述实施的基础上，提出的有关传动模块以及能量转换模块的构造组成的具体实施方式之二：

如图18所示，传动模块6还可以为滑轮传动模块，具体包括液压杆28、定滑轮29、动滑轮30和位于第一导向轮5上方的第二导向轮31；液压杆28一端与对应的配重块7连接，另一端固定在水上结构物8上；定滑轮29固定在水上结构物8上并位于动滑轮30上方；动滑轮30与配重块7固定连接；第一缆索4的第二端依次绕过对应的第一导向轮5、第二导向轮31、动滑轮30和定滑轮29后与定滑轮29固定连接；能量转换模块9与液压杆28通过液压管路33连接。

相应地，能量转换模块9包括液压储能单元32和发电机17；各液压管路33分别连接至液压储能单元32，液压储能单元32通过液压马达34与发电机17连接。配重块7的质量由配重块7内的注水量调节，其重力将通过第一缆索4与滑轮系统传递至柔性毯1形成张力。波浪冲击柔性毯1使其产生的运动(位置①→位置②，或位置①→位置③)将牵连配重块7向上提升，液压杆28受到压力作用将液压油通过液压管路33泵送至液压储能单元32。返回平衡位置的过程中(位置②→位置①，或位置③→位置①)配重块7由重力和波浪共同作用返回最低位置，过程中液压杆28同样可向液压储能单元32泵送高压液压油。进而可通过配重块7的垂向上下移动来压缩或拉伸液压杆28，液压杆28产生的高压油均通过液压管路33连通至液压储能单元32，从而将柔性毯1俘获的波浪能部分转化为液压能，进而通过液压储能单元32驱动液压马达34转动，并通过液压马达34驱动发电机17发电，同理，当柔性毯1由位置②至位置①，或由位置③至位置①时，配重块7利用其势能，使其具有展开柔性毯1的功能。

在一个优选的实施例中，第一导向轮5和第二导向轮31之间的第一缆索4上设置有第三测力计35，第三测力计35用于监测第一缆索4的拉力；液压管路33设置有压力传感器36，压力传感器36用于监测液压管路33的油压和运行状态等。进一步的，本实施例三中波浪能发电装置还包括第二处理模块37，配重块7上设置有运动传感模块27，运动传感模块27用于收集配重块7的移动数据；运动传感模块27、第三测力计35和压力传感器36分别与第二处理模块37通信连接，第二处理模块37在接收到第三测力计35、压力传感器36和运动传感模块27发送的数据信息后，经过计算分析可获取柔性毯1的能量耦合效率。

在一优选的实施例中，配重块7正下方的隔水空间内设置有支撑座38，支撑座38与水上结构物8固定连接，以便于配重块7的安装、检修和调试，在强风和海啸等极端情况下，可以通过支撑座38固定配重块7，防止配重块7剧烈晃动对装置造成破坏。

表1为本申请的波浪能发电装置与现有新能源发电装置的成本对比

表2本申请的波浪能发电装置与现有波浪能发电装置的转换效率对比

从上述表格可以进一步证明，本申请所设计波浪能发电装置很好地解决了当前的波浪能转换装置普遍结构复杂、成本高、效率低致使经济性较差的问题。

实施例四提供了一种波浪能发电海洋牧场，如图19～20所示，包括上述的一种波浪能发电装置和边网39，波浪能发电装置柔性毯1的各自由边均垂向设置有边网39，使柔性毯1与各边网39形成网箱；边网39的上部通过第三缆索40与波浪能发电装置的水上结构物8固定连接，在网箱中开展鱼类养殖活动，形成“海洋牧场+柔性毯波浪能发电”的多元融合一体化方式，这样有利于降低总建造成本，提高本实施例柔性毯1和水上结构物8的整体利用率和经济性，需要说明的是，边网39采用重量较轻和透水率较高的渔网，其对波浪流场的影响基本可忽略。

总体而言，当前的波浪能转化装置的装机容量普遍较小，为此，在进一步的实施例中，波浪能发电装置的水上结构物8上还设置有海上风力发电机组41，形成“海洋牧场+柔性毯波浪能发电+海上风电”的多元融合一体化方式，有利于降低总建造成本，进一步提高本实施例波浪能发电装置的水上结构物8的整体利用率和经济性，充分发挥本实施例装置的综合价值。具体地，可利用海上风力发电机组的管桩结构以及各风机之间具有广阔海域的先天优势特点，以海上风力发电机组的管桩结构作为水上结构物8，提高本实施例波浪能发电装置的装机容量，另外也可如图21所示示意图，利用海上风机布置海域范围广阔的特点，可提供足够的部署空间将本实施例波浪能发电装置进行大范围阵列式部署，从而充分利用所在海域的波浪能，进一步提高本实施例波浪能发电装置的装机容量。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (27)

1.一种波浪能发电装置，其特征在于：包括柔性毯、传动模块和能量转换模块；

所述柔性毯至少有三个顶点，各所述顶点在外拉力作用下可将所述柔性毯展开；

其中，至少一个所述顶点连接有所述传动模块；

所述能量转换模块与所述传动模块连接，将所述柔性毯受波浪涌动作用产生的机械能部分转化为电能。

2.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述波浪能发电装置还包括配合件，所述传动模块与所述配合件连接，将所述柔性毯受波浪涌动作用产生的机械能部分转化为所述配合件的机械能，并驱动所述能量转换模块发电。

3.根据权利要求2所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述配合件为配重块。

4.根据权利要求3所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述配重块还用于展开所述柔性毯。

5.根据权利要求4所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述传动模块通过第一缆索与所述顶点连接；

所述第一缆索设置有第一导向轮，所述第一导向轮与水上结构物固定连接，所述水上结构物设置有隔水空间，所述柔性毯在受波浪涌动作用下带动所述配重块在所述隔水空间内上下移动。

6.根据权利要求5所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述传动模块包括啮合连接的链轮和链条；

所述第一缆索的第二端绕过对应的所述第一导向轮后与对应的所述链条的一端连接；所述链条的另一端与所述链轮啮合后与对应的所述配重块连接；

所述链轮与所述水上结构物固定连接，且所述第一导向轮和对应的所述配重块均位于对应的所述链轮下方；

所述能量转换模块与所述链轮传动连接。

7.根据权利要求6所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：每个所述配重块正上方的隔水空间内设置有限位器，所述限位器与所述水上结构物固定连接，用于限制所述配重块的可升高高度。

8.根据权利要求6所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：每个所述配重块正下方的隔水空间内设置有缓冲器，所述缓冲器与所述水上结构物固定连接。

9.根据权利要求6所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述第一缆索通过第一测力计与所述链条连接，所述链条通过第二测力计与所述配重块连接。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述能量转换模块包括变速器和发电机，所述链轮与所述变速器通过第一传动轴连接，所述变速器通过第二传动轴与所述发电机连接。

11.根据权利要求10所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述能量转换模块还包括离合器，所述离合器设置有离合推杆；

所述第二传动轴两端分别与所述变速器的输出端和所述离合器的输入端连接，所述离合器的输出端和所述发电机通过第三传动轴连接。

12.根据权利要求5所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述传动模块包括液压杆、定滑轮、动滑轮和位于所述第一导向轮上方的第二导向轮；

所述液压杆一端与对应的所述配重块连接，另一端固定在所述水上结构物上；所述定滑轮固定在所述水上结构物上并位于所述动滑轮上方；所述动滑轮与所述配重块固定连接；

所述第一缆索的第二端依次绕过对应的所述第一导向轮、第二导向轮、动滑轮和所述定滑轮后与所述定滑轮固定连接；

所述能量转换模块与所述液压杆通过液压管路连接。

13.根据权利要求12所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述第一导向轮和第二导向轮之间的所述第一缆索上设置有第三测力计；所述液压管路设置有压力传感器。

14.根据权利要求12所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述配重块正下方的隔水空间内设置有支撑座，所述支撑座与所述水上结构物固定连接。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述能量转换模块包括液压储能单元和发电机；

各所述液压管路分别连接至所述液压储能单元，所述液压储能单元通过液压马达与所述发电机连接。

16.根据权利要求9或13所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述波浪能发电装置还包括处理模块，所述配重块上设置有运动传感模块，所述运动传感模块用于收集所述配重块的移动数据；

所述运动传感模块、第一测力计和所述第二测力计分别与所述处理模块通信连接，或，

所述运动传感模块、第三测力计和所述压力传感器分别与所述处理模块通信连接。

17.根据权利要求3所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述配重块为重量可调的注水式配重块。

18.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述柔性毯居中设置有第一通孔，所述第一通孔的环向区域以其为圆心均匀间隔设置有多个第二通孔；所述第一通孔的径向长度大于所述第二通孔的径向长度。

19.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述柔性毯上均匀布满有多个第三通孔。

20.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述柔性毯表面设置有复合涂层。

21.根据权利要求1所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述柔性毯的顶点中，至少有一个第一顶点，所述第一顶点为固定点。

22.根据权利要求21所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述第一顶点连接有第二缆索。

23.根据权利要求5所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述水上结构物包括水密的平台主体和设置在所述平台主体下方的多个水密的支撑桩腿，所述支撑桩腿的数量和方位与所述柔性毯的顶点的数量和方位一一对应；

所述平台主体内设置有所述能量转换模块，各所述支撑桩腿内均设置有所述传动模块，各所述第一导向轮分别与对应的所述支撑桩腿固定连接。

24.根据权利要求5所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述水上结构物为多个水密的管桩，所述管桩的数量和方位与所述柔性毯的顶点的数量和方位一一对应；

每个所述管桩内均设置有所述能量转换模块和所述传动模块，且所述传动模块与对应的所述能量转换模块连接；各所述第一导向轮分别与对应的所述管桩固定连接。

25.根据权利要求23或24所述的一种波浪能发电装置，其特征在于：所述波浪能发电装置中的配重块的侧面设置有滚轮。

26.波浪能发电海洋牧场，其特征在于：包括上述权利要求1至24中任一项所述的一种波浪能发电装置和边网，所述波浪能发电装置的柔性毯的各自由边均垂向设置有所述边网，使所述柔性毯与各所述边网形成网箱；

所述边网的上部通过第三缆索与所述波浪能发电装置的水上结构物固定连接。

27.根据权利要求26所述的一种波浪能发电海洋牧场，其特征在于：所述波浪能发电装置的水上结构物上还设置有海上风力发电机组。