CN201650572U - 用于海洋波浪发电的发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了用于海洋波浪发电的发电装置，包括浮标和发电单元，其特征在于所述发电单元包括有设在浮标中部的主发电单元和设在浮标四周的多个副发电单元，多个副发电单元绕着主发电单元均匀分布。发电单元包括有发电单元外壳，在发电单元外壳内设有导杆和沿着导杆上、下滑动的惯性质量体，在发电单元外壳内部的上、下两端相应地设有可使惯性质量体悬空的拉伸弹簧和压缩弹簧，在惯性质量体上设置有发电机，在发电单元外壳内设有齿杆，在惯性质量体上设有传动齿轮箱，传动齿轮箱输入端的齿轮与齿杆啮合，传动齿轮箱的输出端与发电机轴连接。本实用新型应用于海洋波浪发电装置上。

Description

用于海洋波浪发电的发电装置

【技术领域】

本发明涉及一种发电装置，具体是涉及用于海洋波浪发电的发电装置。

【背景技术】

由于波浪发电具有无污染以及不必耗费燃料之优点，如何利用海水波浪所携带的能量来发电成为世界各国海洋工程研究人员研究的目的。我国大陆海岸线长达18000多千米，再加上各大小岛屿，海洋能源十分丰富。随着可再生能源日趋紧张，研究、创新海洋发电技术是一件意义深远的工作。海洋波浪不仅有起伏的能量，而且还有波浪的前、后、左、右摇摆的能量。

对于国内外波浪发电的研究十几年来，至今仍停留在探索阶段。先进国家着手研究较早，发电装置也各不相同，但是都很难进入推广应用阶段，因为都遇到共同的问题，即投资成本高而收回太慢甚至连管理费用也无法收回。

比较成功的国外波浪发电装置是“海鳗”，它在尽可能多地吸收波浪的能量方面做得很出色，但是遇到上述的“投资与收回”问题不好解决，近年来葡萄牙把这个装置成功接入电网，但是不意味着可以推广应用。另外，瑞典的哥本哈根成功解决了波浪发电的海上安全性，但是除了遇到成本与收回问题之外，还有发电能力不强的缺点。

再有，在这些海洋发电的发电装置里，其只是在浮标上设有一个发电单元，这种发电装置只是吸收了波浪的起伏能量，而不能吸收到波浪的“摇摆”能量。

【发明内容】

本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供一种结构简单、吸收波浪能力强、费用低、可建成不同规模的发电装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

用于海洋波浪发电的发电装置，包括有浮标和发电单元，其特征在于所述发电单元包括有设在浮标中部的主发电单元和设在浮标四周的多个副发电单元，多个副发电单元绕着主发电单元均匀分布。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于所述发电单元包括有发电单元外壳，在发电单元外壳内设有导杆和沿着导杆上、下滑动的惯性质量体，在发电单元外壳内部的上、下两端相应地设有可使惯性质量体悬空的拉伸弹簧和压缩弹簧，在惯性质量体上设置有发电机，在发电单元外壳内设有齿杆，在惯性质量体上设有传动齿轮箱，传动齿轮箱输入端的齿轮与齿杆啮合，传动齿轮箱的输出端与发电机轴连接。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于所述传动齿轮箱为加速齿轮箱。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于在惯性质量体内部设有可储存水并使其重量变化的空腔容器，在发电单元外壳内设有调节水泵，调节水泵连接有进水管和出水管，进水管和出水管的出口置于空腔容器内。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于在发电单元外壳内还设有变电控制箱，发电机的发电输出端电连接到变电控制箱内并由变电控制箱进行电力输出。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于所述拉伸弹簧、压缩弹簧与惯性质量体的振动频率与海浪的振动频率相同。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于所述拉伸弹簧、压缩弹簧与惯性质量体的振动频率符合工式： $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{m/k}},$ 其中m为惯性质量体的质量，k为拉伸弹簧和压缩弹簧的弹簧系数，π为圆周率。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于所述副发电单元的个数为2-6个。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于在浮标上设有主发电单元安装腔和多个副发电单元安装腔，所述主发电单元和副发电单元相应地放置在主发电单元安装腔和多个副发电单元安装腔内。

如上所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于还包括有设置在浮标上的配电箱，主发电单元和副发电单元的发电输出端集中电连接到配电箱再由配电箱统一输出电能。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、本发明结构简易合理，吸收波浪的能力强；

2、本发明对海浪发电的选址要求不高，特别是可设在近岸；

3、本发明对建造工程费用和管理维护成本低；

4、本发明可适合建立规模大小不同的实用波浪发电站。

【附图说明】

图1是本发明的立体图；

图2是发电单元切去一部分外壳的立体图；

图3是发电单元切去一部分外壳和切去一部分惯性质量体的立体图；

图4是发电单元的齿杆与传动齿轮箱连接关系的立体图；

图5是发电单元的立体图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明进行详细说明：

用于海洋波浪发电的发电装置，包括有浮标1和发电单元2，其特征在于所述发电单元2包括有设在浮标1中部的主发电单元2a和设在浮标1四周的多个副发电单元2b，多个副发电单元2b绕着主发电单元2a均匀分布。所述主发电单元2a和副发电单元2b的发电输出端集中电连接到配电箱再由配电箱统一输出电能。

为了维修方便，在浮标1上设有主发电单元安装腔11和多个副发电单元安装腔12，所述主发电单元2a和副发电单元2b相应地放置在主发电单元安装腔11和多个副发电单元安装腔12内。当发电单元需要维修时，打开安装腔，将整个发电单元取出维修即可。

所述副发电单元2b的个数为2-6个。在本实施例中，所述副发电单元2b的个数为4个。

本发明利用浮标技术，由一个3米直径左右的饼型浮标构成独立的波浪发电的单体，根据发电电量的需求，由几个乃至几十个浮标单体组成一个波浪发电厂。此外，海面各个浮标之间的距离应根据当地的常遇波浪高和海流大小与水深三方面综合考虑，目的是使它们有安全距离。在每个浮标内部，安装有5个发电单元，以“1大4小”地均匀分布。之后由每个浮标得到的电能，通过海底电缆送到岸上。之后在岸上建立一个储存电能并能与电网送点的小型电站，使之成为一发电系统。

所述发电单元2包括有发电单元外壳21，在发电单元外壳21内设有导杆22和沿着导杆22上、下滑动的惯性质量体23，在本实施例中，导杆22的数量可以有2-4根左右，一般为2根。在惯性质量体23内部设有可储存水并使其重量变化的空腔容器31，将水注入空腔容器31中可以使惯性质量体23发生变化。

在所述发电单元外壳21内部的上、下两端相应地设有可使惯性质量体23悬空的拉伸弹簧24和压缩弹簧25。拉伸弹簧24的下端连接到惯性质量体23的上表面，压缩弹簧25的上端连接到惯性质量体23的下表面。在拉伸弹簧24的拉引和压缩弹簧25的支撑作用下，使惯性质量体23悬空并在导杆22的导引作用下使其上、下滑动。

在发电单元外壳21内设有齿杆27，在惯性质量体23上设有传动齿轮箱28，传动齿轮箱28输入端的齿轮281与齿杆71啮合，传动齿轮箱28的输出端与发电机26轴连接。所述传动齿轮箱28为加速齿轮箱，加速齿轮箱使波浪起伏的慢速变为发电机26需要的快速。

在惯性质量体23内部设有可储存水并使其重量变化的空腔容器31，在发电单元外壳21内设有调节水泵101，调节水泵101连接有进水管102和出水管103，进水管102和出水管103的出口置于空腔容器31内。这样调节水泵101可通过进水管102和出水管103将水注入空腔容器31内或者将水抽出空腔容器31，从而使整个惯性质量体23的质量发生变化。

在发电单元外壳21内还设有变电控制箱8，发电机26的发电输出端电连接到变电控制箱8内并由变电控制箱8进行电力输出。

发电单元之所以能够高效地进行发电，其工作原理为：

当浮标在波浪中起伏运动时，固定在浮标中的发电单元也跟随上下运动。由于发电单元里的惯性质量体23仅由拉伸弹簧24和压缩弹簧25拉引和支撑，具有非常大的“惰性”，惯性质量体23并没有跟随浮标或发电单元外壳21运动而保持自己原有空间位置，结果发电单元内部的拉伸弹簧24和压缩弹簧25被“拉伸”和“压缩”变形，产生了弹簧的势能。可见，波浪起伏使弹簧吸收了波浪的“势能”。

这时，吸收了波浪势能的拉伸弹簧24和压缩弹簧25以相同方向的合力释放能量，推动惯性质量体运动，通过中间的齿杆27和加速齿轮箱72带动了发电机26发电。

在调节水泵帮助下，惯性质量体的总重量跟随波浪周期的改变而改变，使与两个弹簧构成的弹性系统的固有振动周期跟踪并保持波浪周期，处于谐振状态。

实际上波浪的起伏运动速度较慢，如果直接带动发电机26嫌转速太慢，发电效率很低；所以必须经过一个加速齿轮箱72把转速提高，就能获得理想的发电效果。

可见，上述原理反映的能量转换框图如下图所示：

能量转换效率分析：本发明的发电工作原理简单，能量转换的环节少，只要做好每一个部件的设计，能量转换的效率是高的。

上述框图中的A、B、C各能量转换条件，我们看到A点能量损耗甚小，它是拉伸弹簧24和压缩弹簧25变形时的“切变损耗”，因为损耗太小而暂时忽略。

B点的损耗出现在海浪周期起伏节奏与弹性系统固有周期节奏不相符的互相抵消。这是本发明中最重要的部分。完成这个计算的方法是：根据波浪发电的选址，了解当地海域的“常遇波周期”，设计弹性系统的固有周期符合这个常遇波周期，因为周期相同能产生“共振”，使发电单元获得很大的能量，这保证常年的正常发电。根据 $f=1/t=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{m/k}}$ 振动频率公式，m是惯性体质量，k是弹簧系数刚度，π为圆周率，振动周期t选择为波浪的振动周期，就能使它产生共振，使重块获得很大的振动幅度，极大地提升了吸收波浪能量供给发电的效果，如果当地海域的“常遇波周期”发生变化时，这时可以改变m的质量，即惯性质量体23的质量，通过调节水泵101将水注入空腔容器31内或者将水抽出空腔容器31即可实现。还有所述拉伸弹簧24、压缩撑弹簧25与惯性质量体23的振动频率与海浪的振动频率相同，使其产生共振效果。所述拉伸弹簧24、压缩撑弹簧25与惯性质量体23的振动频率符合工式： $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{m/k}}.$

C点的损耗是一般的机电效率问题，一般理解为80％以上。

以上分析，本波浪发电单元的效率是很高的，与国际上的波浪发电原理比较，明显地省掉一个“水轮机组”或其它能量转换的方法带来的能量损耗。从经济意义上讲，本发电方案也是节省的。

浮标发电原理：在浮标上安装了5个发电单元，中间一个是主发电单元，直径和长度都较大，弹簧的刚度也相对较大；四周还有4个副发电单元，分布在浮标的周边，它们直径和长度都较小。主发电单元是发电的主体，特别是在台风浪时仍不会出现“发电饱和”现象；而四周的副发电单元的特殊作用是吸收浮标摇晃倾侧时的波浪能量。

浮标的5个发电单元通过一个“配电箱”整合后，才把电能统一送出，这是因为它们各自发出的电能需要分别变为直流，并且要“电流迭加”。另外，为了提高发电效率，对小波浪得到的低电压的电能也能充分利用，在配电箱里设置有升压调整器，使小波浪得到的低电压变为高电压，意义非常大。

所述发电单元也可以水平设置在浮标上使用，这在近岸的波浪发电是很有特色的。

首先是波浪从远岸传递到近岸时出现所谓“破碎”现象，原因是海底对浪的传播有阻力，波浪的波形就发生向前倾斜：水面快，水下慢，直至波形发生很大变异而破碎。波浪破碎的结果使近岸波浪的能量以浪流的形式向岸边冲击，特别在台风情况下对沿海近岸破坏力很强。如果建立波浪发电站，经过恰当选址以及科学设计发电装置，是有不错的效果的。

简单地把发电单元水平放置，使发电单元由竖直放置改为水平放置，就可以吸收“水平”方向的波浪能量。但是为了更好地长期工作和发电效率高，要把本发电单元的外壳改为方型或者三角形，并且导轨应是滚珠轴承。这种改动是容易的，其工作原理不变。

Claims (10)

1.用于海洋波浪发电的发电装置，包括有浮标(1)和发电单元(2)，其特征在于所述发电单元(2)包括有设在浮标(1)中部的主发电单元(2a)和设在浮标(1)四周的多个副发电单元(2b)，多个副发电单元(2b)绕着主发电单元(2a)均匀分布。

2.根据权利要求1所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于所述发电单元(2)包括有发电单元外壳(21)，在发电单元外壳(21)内设有导杆(22)和沿着导杆(22)上、下滑动的惯性质量体(23)，在发电单元外壳(21)内部的上、下两端相应地设有可使惯性质量体(23)悬空的拉伸弹簧(24)和压缩弹簧(25)，在惯性质量体(23)上设置有发电机(26)，在发电单元外壳(21)内设有齿杆(27)，在惯性质量体(23)上设有传动齿轮箱(28)，传动齿轮箱(28)输入端的齿轮(281)与齿杆(27)啮合，传动齿轮箱(28)的输出端与发电机(26)轴连接。

3.根据权利要求2所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于所述传动齿轮箱(28)为加速齿轮箱。

4.根据权利要求2或3所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于在惯性质量体(23)内部设有可储存水并使其重量变化的空腔容器(31)，在发电单元外壳(21)内设有调节水泵(101)，调节水泵(101)连接有进水管(102)和出水管(103)，进水管(102)和出水管(103)的出口置于空腔容器(31)内。

5.根据权利要求4所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于在发电单元外壳(21)内还设有变电控制箱(8)，发电机(26)的发电输出端电连接到变电控制箱(8)内并由变电控制箱(8)进行电力输出。

6.根据权利要求3所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于所述拉伸弹簧(24)、压缩弹簧(25)与惯性质量体(23)的振动频率与海浪的振动频率相同。

7.根据权利要求5所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于所述拉伸弹簧(24)、压缩弹簧(25)与惯性质量体(23)的振动频率符合工式： $f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{m/k}},$ 其中m为惯性质量体的质量，k为拉伸弹簧和压缩弹簧的弹簧系数，π为圆周率。

8.根据权利要求1或2所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于所述副发电单元(2b)的个数为2-6个。

9.根据权利要求1或2所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于在浮标(1)上设有主发电单元安装腔(11)和多个副发电单元安装腔(12)，所述主发电单元(2a)和副发电单元(2b)相应地放置在主发电单元安装腔(11)和多个副发电单元安装腔(12)内。

10.根据权利要求1所述的用于海洋波浪发电的发电装置，其特征在于还包括有设置在浮标上的配电箱，主发电单元(2a)和副发电单元(2b)的发电输出端集中电连接到配电箱再由配电箱统一输出电能。

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