CN117914247B - 一种折纸构型的海上浮式综合发电装置及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种折纸构型的海上浮式综合发电装置及其发电方法，包括：折叠光伏系统、立柱、发电装置、浮体及系泊系统，折叠光伏系统包括多个单元折叠光伏面板，相邻的光伏面板通过铰接机构连接并通过伞状三浦折叠方式实现折叠与展开的两种状态；发电装置包括可改变开口大小的V形撑杆与曲柄连杆机构，V形撑杆通过滑块带动曲柄连杆机构运动，并利用齿轮将动力传递至电机从而发电；浮体及系泊系统包括提供浮力的浮筒、用于装置开合的浮子和系泊；本发明利用伞状三浦折纸结构作为光伏系统主体，提高了光伏面板各个来流角度的受力性能，通过光伏面板的开合与曲柄连杆机构，有效地将波浪能转化为电能，提供了一种高效、稳定的光伏发电方案。

Description

一种折纸构型的海上浮式综合发电装置及其发电方法

技术领域

本发明涉及海上浮式发电装置领域，具体地说是一种折纸构型的海上浮式综合发电装置及其发电方法。

背景技术

为深化节能减排、助力绿色船舶，太阳能和波浪能因其资源丰富、清洁环保和可持续利用等特性深受人们的青睐。目前，太阳能发电装置被广泛应用于陆地上，波浪能发电装置多被安装在近水库、运河和湖泊等陆地上。实际地球表面积约5.1亿平方公里，其中海洋约占71%，陆地约占29%。因此，在海上建设浮式综合发电站，可以有效地防止土地破坏、节约土地资源，提高发电效率，且对海洋生态环境影响较小。

在相关技术中，申请公布号CN116591887A的中国专利公开了一种波浪能与太阳能联合发电装置及其发电站，包括浮箱和光伏板，相邻的浮箱在侧方铰接在同一水平轴上，光伏板倾斜朝南或水平布置在浮箱的表面，水平轴上铰接有垂直于水平轴的连杆，浮箱内设置有水轮发电机和用于驱动水轮发电机运行的被动式活塞泵，被动式活塞泵的活塞杆铰接在连杆上远离水平轴的位置，相邻的浮箱绕水平轴上下摆动时，被动式活塞泵完成进水和排水的动作并在排水时驱动水轮发电机运行，该方案通过浮箱之间的相对运动进行波浪能发电，而光伏面板仅常规铺设于浮箱之上，缺乏安装的必要性，对整个装置的贡献不大，且光伏面板与浮箱之间设有倾斜夹角，当光伏面板背面受风时，极易产生结构破坏。

申请公布号为CN113148015A的中国专利公开了一种利用波浪能和太阳能发电的海洋浮标，包括外壳和压电俘能机构，外壳内设有传感器，外壳为多面体结构，外壳外铺设有太阳能板，压电俘能机构两端固定在外壳内；压电俘能机构包括支架，支架上均匀设有多个圆环壳体，圆环壳体通过支架位于外壳内，圆环壳体上设有压电陶瓷片；圆环壳体在海浪波的作用下在支架上振动发生形变，带动压电陶瓷片发生形变产生电能；太阳能板将太阳能转化成电能，给传感器供电。该方案中的太阳能板主要用于为耗电部件提供电力，其整体结构以浮标形式呈现，但由于太阳能容量有限，其利用效率相对较低。

因此，有必要提供一种折纸构型的海上浮式综合发电装置及其发电方法解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种折纸构型的海上浮式综合发电装置及其发电方法，通过伞状折纸结构作为光伏系统主体结构，提高结构的整体强度，通过三浦折叠原理及波浪的作用力，实现装置的折叠与展开，利用曲柄连杆机构将波浪能转化为机械能，从而实现波浪能发电。

为了达到上述目的，本发明提供了一种折纸构型的海上浮式综合发电装置及其发电方法，包括折叠光伏系统、立柱、发电装置、浮体及系泊系统，所述的折叠光伏系统包括多个光伏折叠单元并通过三浦折叠方式实现开合运动，光伏折叠单元沿环向均匀布置，相邻的光伏折叠单元相互铰接，光伏折叠单元的顶部与立柱的顶部铰接，所述的立柱包括立柱一与立柱二，所述的立柱一位于立柱二上方，所述的立柱一与立柱二之间安装有发电装置，所述的发电装置的电机舱顶部与立柱一的底部焊接，所述的电机舱底部与立柱二的顶部焊接，所述的电机舱内部安装有电机，所述的电机通过大齿轮驱动，所述的大齿轮通过曲柄连杆机构与折叠光伏系统连接，所述的浮体及系泊系统包括浮筒、系泊和浮子，所述的浮筒安装于立柱二的底部，所述的浮筒底部设有系泊，所述的浮子安装于外环光伏折叠面板的下方。

所述的折叠光伏系统呈伞状结构，包括内环光伏折叠面板、铰接机构一、外环光伏折叠面板和铰接机构二，所述的内环光伏折叠面板与外环光伏折叠面板绕立柱环向布置，所述的内环光伏折叠面板呈钝角等腰三角形，所述的内环光伏折叠面板相接的短边通过铰接机构一铰接并形成向上凸起的折峰，所述的铰接机构一的长度大于内环光伏折叠面板的短边长度，所述的铰接机构一向立柱方向伸出，所述的内环光伏折叠面板相接的长边相互铰接并形成向下凹陷的折谷，所述的外环光伏折叠面板）相接处通过铰接机构二连接并形成向下凹陷的折谷，所述的内环光伏折叠面板与外环光伏折叠面板相接处铰接并形成向上凸起的折峰。

所述的立柱包括立柱一、立柱二，所述的立柱一顶端的四周设有多个铰接底座，所述的立柱一的顶端与铰接机构一的伸出端铰接。

所述的发电装置包括电机与电机舱，所述的电机位于电机舱内部，所述的电机侧面均匀布置多个耳板，所述的电机舱内部的侧壁设有可与耳板配合的三角底座，所述的三角底座将耳板固定，所述的电机舱为空心柱体，所述的电机舱底部的四周设有多个向外伸出的滑道，所述的滑道呈管状，所述的滑道底部设有滑槽，所述的滑道内部安装有活塞，所述的活塞下表面焊接有滑块，所述的滑块呈倒T形，所述的滑块穿过滑道，所述的滑块底部与一对V形撑杆的铰接，所述的V形撑杆呈V形布置，所述的V形撑杆开口的一侧分别铰接于相邻外环光伏折叠面板的内壁，还包括大齿轮与小齿轮，所述的大齿轮为从动齿轮，所述的大齿轮安装于电机舱内底面的中央，所述的大齿轮的上表面与电机中心转轴固定连接，所述的小齿轮为主动齿轮，所述的大齿轮与小齿轮外啮合，所述的小齿轮绕大齿轮环向布置，所述的小齿轮底部安装于电机舱内底面，所述的小齿轮顶部与曲柄一的一端固定，所述的曲柄一的另一端设置有可旋转卡扣，所述的曲柄二一端设有插槽并与曲柄一的可旋转卡扣配合，所述的曲柄二另一端与曲柄连杆的一端铰接，所述的曲柄连杆的另一端与活塞连接。

所述的浮筒为内部中空的圆筒状，所述的浮筒上表面与立柱二的下表面固定连接，所述的系泊一端连接在浮筒的底部，一端固定至海底，所述的浮子为内部中空的椭球形，所述的浮子与外环光伏折叠面板的内壁通过连杆固定连接，所述的浮子的内底部设有配重。

所述的一种浮式综合发电装置的发电方法，包括以下步骤：

步骤a，当折纸构型的海上浮式综合发电装置在波浪作用下处于波峰时，浮筒的吃水增加，浮子受浮力作用下向外移动，相邻的外环光伏折叠面板逐渐张开并使V形撑杆的夹角增加，通过滑块驱动活塞带动曲柄机构运动，曲柄二拉动曲柄一转动，曲柄一带动小齿轮逆时针旋转，在小齿轮的作用下，大齿轮带动电机中心转轴顺时针旋转，直至滑块运动到滑道底部滑槽的最外端，此时曲柄一、曲柄二、曲柄连杆和活塞的中心轴线在同一垂直面上，海上浮式综合发电装置处于完全展开状态；

步骤b，当折纸构型的海上浮式综合发电装置在波浪作用下处于波谷时，浮筒吃水减少，浮子受自身重力作用自然下垂，相邻的外环光伏折叠面板逐渐闭合并使V形撑杆的夹角减小，通过滑块驱动活塞带动曲柄机构运动，曲柄二推动曲柄一转动，曲柄一带动小齿轮顺时针旋转，在小齿轮的作用下，大齿轮带动电机中心转轴逆时针旋转，直至滑块运动到滑道底部滑槽的最内端，此时海上浮式综合发电装置处于完全收缩状态。

与相关技术相比，本发明有益效果如下：

（1）所述的折叠光伏系统的光伏折叠面板呈特殊的伞状三浦折纸结构布置，对不同方向的风荷载均可达到相同的受力效果，提高了发电装置的结构强度和稳定性；

（2）所述的光伏折叠面板能够在波浪作用下，通过光伏面板间作用力的相互传递实现折叠与展开，从而显著减小波浪对结构产生的冲击荷载；

（3）所述的曲柄连杆机构将折叠光伏系统运动时产生的机械能通过多组小齿轮传递至大齿轮，从而带动电机实现波浪能发电，具有较强的结构可靠性，可有效提高装置的综合发电效率；

（4）所述的浮筒吃水增加时，浮子在折叠面板与波浪力的作用下向外移动，为折叠面板提供展开的张力，当浮筒吃水降低时，利用浮子底部的配重产生的重力，为折叠面板提供收缩的作用力，简化了装置的展开与收缩机理，在实际应用中具有较强的实用性。

附图说明

图1为本发明折叠光伏系统展开状态的三维示意图；

图2为本发明折叠光伏系统展开状态的俯视图；

图3为本发明光伏折叠单元的三维示意图；

图4为本发明折叠光伏系统收缩状态的三维示意图；

图5为本发明折叠光伏系统收缩状态的俯视图；

图6为本发明内部结构的三维示意图；

图7为本发明电机舱内部的电机位置俯视图；

图8为本发明电机舱的剖视图；

图9为本发明曲柄连杆的布置图；

图10为本发明曲柄连杆的三维剖视图；

图中标记如下：

1-折叠光伏系统，2-立柱，3-发电装置，4-浮体及系泊系统，101-内环光伏折叠面板，102-铰接机构一，103-外环光伏折叠面板，104-铰接机构二，201-立柱一，202-立柱二，301-电机，302-电机舱，303-大齿轮，304-小齿轮，305-曲柄一，306-曲柄二，307-曲柄连杆，308-活塞，309-滑道，310-滑块，311-V形撑杆，312-耳板，313-三角底座，314-滑槽，401-浮筒，402-系泊，403-浮子。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”“横向”“纵向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“顺时针”“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

如图1-2所示，一种折纸构型的海上浮式综合发电装置包括折叠光伏系统1、立柱2、发电装置3和浮体及系泊系统4，折叠光伏系统1包括多个光伏折叠单元并通过三浦折叠方式实现开合运动，光伏折叠单元沿环向均匀布置，相邻的光伏折叠单元相互铰接，光伏折叠单元的顶部与立柱2的顶部铰接，立柱一201与立柱二202之间安装有发电装置3，发电装置3的电机舱302顶部与立柱一201的底部焊接，电机舱302底部与立柱二202的顶部焊接，电机舱302内部安装有电机301，电机301通过大齿轮303驱动，大齿轮303通过曲柄连杆机构与折叠光伏系统1连接，浮筒401安装于立柱二202的底部，浮筒401底部设有系泊402，浮子403安装于外环光伏折叠面板103的下方。

如图3-5所示，折叠光伏系统1呈伞状结构，内环光伏折叠面板101与外环光伏折叠面板103绕立柱2环向布置，内环光伏折叠面板101呈钝角等腰三角形，内环光伏折叠面板101相接的短边通过铰接机构一102铰接并形成向上凸起的折峰，铰接机构一102的长度大于内环光伏折叠面板101的短边长度，铰接机构一102向立柱2方向伸出，内环光伏折叠面板101相接的长边相互铰接并形成向下凹陷的折谷，外环光伏折叠面板103相接处通过铰接机构二104连接并形成向下凹陷的折谷，内环光伏折叠面板101与外环光伏折叠面板103相接处铰接并形成向上凸起的折峰。

如图6所示，立柱一201顶端的四周设有多个铰接底座，立柱一201的顶端与铰接机构一102的伸出端铰接，浮筒401为内部中空的圆筒状，浮筒401上表面与立柱二202的下表面固定连接，系泊402一端连接在浮筒401的底部，一端固定至海底，浮子403为内部中空的椭球形，浮子403与外环光伏折叠面板103的内壁通过连杆固定连接，浮子403的内底部设有配重。

如图7-8所示，电机301位于电机舱302内部，电机301侧面均匀布置多个耳板312，电机舱302内部的侧壁设有可与耳板312配合的三角底座313，三角底座313将耳板312固定，电机舱302为空心柱体，电机舱302底部的四周设有多个向外伸出的滑道309，滑道309呈管状，滑道309底部设有滑槽314，滑道309内部安装有活塞308，活塞308下表面焊接有滑块310，滑块310呈倒T形，滑块310穿过滑道309，滑块310底部与一对V形撑杆311的铰接，V形撑杆311呈V形布置，V形撑杆311开口的一侧分别铰接于相邻外环光伏折叠面板103的内壁。

如图9-10所示，大齿轮303安装于电机舱302内底面的中央，大齿轮303为从动齿轮，大齿轮303的上表面与电机301中心转轴固定连接，小齿轮304为主动齿轮，大齿轮303与小齿轮304外啮合，小齿轮304绕大齿轮303环向布置，小齿轮304底部安装于电机舱302内底面，小齿轮304顶部与曲柄一305的一端固定，曲柄一305的另一端设置有可旋转卡扣，曲柄二306一端设有插槽并与曲柄一305的可旋转卡扣配合，曲柄二306另一端与曲柄连杆307的一端铰接，曲柄连杆307的另一端与活塞308连接。

在本实施方案中，本发明主体结构的内环光伏折叠面板101与外环光伏折叠面板103构成了独特的伞状三浦折纸结构，这种结构具有较强的风荷载承受能力，无论风向如何，都能使面板达到相同的受力效果，从而显著提高整体结构的强度和稳定性；在面临波浪作用时，折叠光伏系统1展现出惊人的适应性，通过内环光伏折叠面板101与外环光伏折叠面板103间作用力的相互传递，实现面板的自动折叠与展开，使得波浪对结构产生的冲击荷载得到有效减小，进一步提升了结构的稳固性；通过曲柄连杆机构将折叠光伏系统1运动时产生的机械能传递至多组小齿轮304，再由小齿轮304带动大齿轮303，最终驱动电机301实现波浪能发电，将折叠光伏系统1运动时产生的动能巧妙地转化为电能，不仅具有较强的结构可靠性，还能有效提高装置的综合发电效率；光伏折叠系统1的收缩机制十分巧妙，当浮筒401吃水增加时，浮子403在折叠面板与波浪力的作用下向外移动，为折叠面板提供展开的张力，当浮筒401吃水降低时，利用浮子403底部的配重产生的重力，为折叠面板提供收缩的作用力，简化了装置的展开与收缩机理，使其在实际应用中具有极高的实用性；总的来说，光伏折叠系统通过独特的结构设计和巧妙的能量转换机制，实现了高效、稳定、适应性强的发电效果。

一种浮式综合发电装置的发电方法如图1-10所示，包括以下步骤：

步骤a，当折纸构型的海上浮式综合发电装置在波浪作用下处于波峰时，浮筒401的吃水增加，浮子403受浮力作用下向外移动，相邻的外环光伏折叠面板103逐渐张开并使V形撑杆311的夹角增加，通过滑块310驱动活塞308带动曲柄机构运动，曲柄二306拉动曲柄一305转动，曲柄一305带动小齿轮304逆时针旋转，在小齿轮304的作用下，大齿轮303带动电机301中心转轴顺时针旋转，直至滑块310运动到滑道309底部的滑槽314的最外端，此时曲柄一305、曲柄二306、曲柄连杆307和活塞308的中心轴线在同一垂直面上，海上浮式综合发电装置处于完全展开状态；

步骤b，当折纸构型的海上浮式综合发电装置在波浪作用下处于波谷时，浮筒401吃水减少，浮子403受自身重力作用自然下垂，相邻的外环光伏折叠面板103逐渐闭合并使V形撑杆311的夹角减小，通过滑块310驱动活塞308带动曲柄机构运动，曲柄二306推动曲柄一305转动，曲柄一305带动小齿轮304顺时针旋转，在小齿轮304的作用下，大齿轮303带动电机301中心转轴逆时针旋转，直至滑块310运动到滑道309底部的滑槽314的最内端，此时海上浮式综合发电装置处于完全收缩状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，上述说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种折纸构型的海上浮式综合发电装置，其特征在于：

包括折叠光伏系统（1）、立柱（2）、发电装置（3）、浮体及系泊系统（4），所述的折叠光伏系统（1）包括多个光伏折叠单元并通过三浦折叠方式实现开合运动，光伏折叠单元沿环向均匀布置，相邻的光伏折叠单元相互铰接，光伏折叠单元的顶部与立柱（2）的顶部铰接，所述的立柱（2）包括立柱一（201）与立柱二（202），所述的立柱一（201）位于立柱二（202）上方，所述的立柱一（201）与立柱二（202）之间安装有发电装置（3）；

所述的发电装置（3）的电机舱（302）顶部与立柱一（201）的底部焊接，所述的电机舱（302）底部与立柱二（202）的顶部焊接，所述的电机舱（302）内部安装有电机（301），所述的电机（301）通过大齿轮（303）驱动，所述的大齿轮（303）通过曲柄连杆机构与折叠光伏系统（1）连接；

所述的浮体及系泊系统（4）包括浮筒（401）、系泊（402）和浮子（403），所述的浮筒（401）安装于立柱二（202）的底部，所述的浮筒（401）底部设有系泊（402），所述的浮子（403）安装于外环光伏折叠面板（103）的下方。

2.如权利要求1所述的折纸构型的海上浮式综合发电装置，其特征在于：

所述的折叠光伏系统（1）呈伞状结构，包括内环光伏折叠面板（101）、铰接机构一（102）、外环光伏折叠面板（103）和铰接机构二（104），所述的内环光伏折叠面板（101）与外环光伏折叠面板（103）绕立柱（2）环向布置，所述的内环光伏折叠面板（101）呈钝角等腰三角形，所述的内环光伏折叠面板（101）相接的短边通过铰接机构一（102）铰接并形成向上凸起的折峰，所述的铰接机构一（102）的长度大于内环光伏折叠面板（101）的短边长度，所述的铰接机构一（102）向立柱（2）方向伸出，所述的内环光伏折叠面板（101）相接的长边相互铰接并形成向下凹陷的折谷，所述的外环光伏折叠面板（103）相接处通过铰接机构二（104）连接并形成向下凹陷的折谷，所述的内环光伏折叠面板（101）与外环光伏折叠面板（103）相接处铰接并形成向上凸起的折峰。

3.如权利要求2所述的折纸构型的海上浮式综合发电装置，其特征在于：

所述的立柱（2）包括立柱一（201）、立柱二（202），所述的立柱一（201）顶端的四周设有多个铰接底座，所述的立柱一（201）的顶端与铰接机构一（102）的伸出端铰接。

4.如权利要求3所述的折纸构型的海上浮式综合发电装置，其特征在于：

所述的发电装置（3）包括电机（301）与电机舱（302），所述的电机（301）位于电机舱（302）内部，所述的电机（301）侧面均匀布置多个耳板（312），所述的电机舱（302）内部的侧壁设有可与耳板（312）配合的三角底座（313），所述的三角底座（313）将耳板（312）固定，所述的电机舱（302）为空心柱体，所述的电机舱（302）底部的四周设有多个向外伸出的滑道（309），所述的滑道（309）呈管状，所述的滑道（309）底部设有滑槽（314），所述的滑道（309）内部安装有活塞（308），所述的活塞（308）下表面焊接有滑块（310），所述的滑块（310）呈倒T形，所述的滑块（310）穿过滑道（309），所述的滑块（310）底部与一对V形撑杆（311）的铰接，所述的V形撑杆（311）呈V形布置，所述的V形撑杆（311）开口的一侧分别铰接于相邻外环光伏折叠面板（103）的内壁；

还包括大齿轮（303）与小齿轮（304），所述的大齿轮（303）为从动齿轮，所述的大齿轮（303）安装于电机舱（302）内底面的中央，所述的大齿轮（303）的上表面与电机（301）中心转轴固定连接，所述的小齿轮（304）为主动齿轮，所述的大齿轮（303）与小齿轮（304）外啮合，所述的小齿轮（304）绕大齿轮（303）环向布置，所述的小齿轮（304）底部安装于电机舱（302）内底面，所述的小齿轮（304）顶部与曲柄一（305）的一端固定，所述的曲柄一（305）的另一端设置有可旋转卡扣，曲柄二（306）一端设有插槽并与曲柄一（305）的可旋转卡扣配合，所述的曲柄二（306）另一端与曲柄连杆（307）的一端铰接，所述的曲柄连杆（307）的另一端与活塞（308）连接。

5.如权利要求4所述的折纸构型的海上浮式综合发电装置，其特征在于：

所述的浮筒（401）为内部中空的圆筒状，所述的浮筒（401）上表面与立柱二（202）的下表面固定连接，所述的系泊（402）一端连接在浮筒（401）的底部，一端固定至海底，所述的浮子（403）为内部中空的椭球形，所述的浮子（403）与外环光伏折叠面板（103）的内壁通过连杆固定连接，所述的浮子（403）的内底部设有配重。

6.一种控制如权利要求1-5任意一项所述的浮式综合发电装置的发电方法，包括以下步骤：

步骤a，当折纸构型的海上浮式综合发电装置在波浪作用下处于波峰时，浮筒（401）的吃水增加，浮子（403）受浮力作用下向外移动，相邻的外环光伏折叠面板（103）逐渐张开并使V形撑杆（311）的夹角增加，通过滑块（310）驱动活塞（308）带动曲柄机构运动，曲柄二（306）拉动曲柄一（305）转动，曲柄一（305）带动小齿轮（304）逆时针旋转，在小齿轮（304）的作用下，大齿轮（303）带动电机（301）中心转轴顺时针旋转，直至滑块（310）运动到滑道（309）底部的滑槽（314）的最外端，此时曲柄一（305）、曲柄二（306）、曲柄连杆（307）和活塞（308）的中心轴线在同一垂直面上，海上浮式综合发电装置处于完全展开状态；

步骤b，当折纸构型的海上浮式综合发电装置在波浪作用下处于波谷时，浮筒（401）吃水减少，浮子（403）受自身重力作用自然下垂，相邻的外环光伏折叠面板（103）逐渐闭合并使V形撑杆（311）的夹角减小，通过滑块（310）驱动活塞（308）带动曲柄机构运动，曲柄二（306）推动曲柄一（305）转动，曲柄一（305）带动小齿轮（304）顺时针旋转，在小齿轮（304）的作用下，大齿轮（303）带动电机（301）中心转轴逆时针旋转，直至滑块（310）运动到滑道（309）底部的滑槽（314）的最内端，此时海上浮式综合发电装置处于完全收缩状态。