CN204061037U - 一种水波能量发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水波能量发电系统。具体包括旋转发电单元，至少一个线性发电单元，及分别与线性、旋转发电单元相连的水下变电站；线性发电单元包括浮于水面、其上设有导水阀的振动浮子，置于水下、密封的外防护腔体，置于外防护腔体内、密封的线性发电腔体，置于线性发电腔体内的直线发电机，及两端分别与振动浮子和直线发电机的永磁体相连的浮力导杆；旋转发电单元包括浮在水面、数量与线性发电单元匹配的柔性浮带和置于水中的水轮发电机，浮带中部设有柔性导水管，其一端与导水阀相连、另一端送入水轮发电机的进水层。与现有技术相比，本实用新型利用水波波能进行线性发电、同时利用水波能量汇聚进行旋转发电，发电效率高、可靠性强。

Description

一种水波能量发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种利用水波波能进行直线发电、同时利用水波能量汇聚进行旋转励磁发电的水波能量发电系统。

背景技术

目前，利用水波波能发电的技术方案均为单一发电途径，如利用垂直波能发电的，或是利用水平方向的动能发电的，这种单一发电途径在实际应用中存在以下缺陷：线性励磁发电只利用了水能的垂直上下动能，在水平面或海平面相对静止的场合，垂直方向的动能难以驱动线性励磁发电单元的动作，从而造成发电量显著减少或停止发电；水平方向的发电，与垂直线性励磁发电类似，由于发电途径单一，容易受到环境影响造成发电量不稳定、发电可靠性低。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种利用水波波能进行线性励磁发电、同时利用水波能量汇聚进行旋转励磁发电的水波能量发电系统，发电效率高、可靠性强。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

本实用新型提出的一种水波能量发电系统，包括至少一个利用水波波能驱动水下直线发电机的线性励磁发电单元，利用水波能量汇聚驱动水下水轮发电机的旋转励磁发电单元，及分别与线性励磁发电单元和旋转励磁发电单元相连的水下变电站。所述线性励磁发电单元包括浮于水面、其上设有导水阀的振动浮子，置于水下、密封的外防护腔体，置于外防护腔体内、密封的线性励磁发电腔体，置于线性励磁发电腔体内部的直线发电机，及两端分别与振动浮子和直线发电机的永磁体相连的浮力导杆。所述旋转励磁发电单元包括浮在水面、数量与所述线性励磁发电单元匹配的柔性浮带和置于水中的水轮发电机，浮带中部设有柔性导水管，导水管一端与振动浮子的导水阀相连、另一端送入水轮发电机的呈螺旋状的进水层(进水层可实现至少一路来自不同方向的导水管的接入，使得水轮发电机在导入水流驱动下永久性向单一方向旋转)。振动浮子通过感应水波作用，随波浪波峰和波谷进行上下振动，从而带动浮力导杆相连的永磁体上下运动，形成磁力线切割，产生电能。振动浮子不仅驱动垂直方向的直线发电机发电，还通过与作为水波能量汇聚通道的浮带相连，一方面通过水平方向的水波浪涌为后续的水轮发电机提供旋转励磁发电用的水压，另一方面由于浮带与振动浮子形成一个整体，可较好地抑制天气恶劣条件下的浪涌冲击，起到稳定垂直方向拉力、稳定振动浮子发电输出的作用。直线发电机置于密封腔体内，无需采用转动风叶等外部部件，可有效降低维护成本，提高长时间水下发电的可靠性；旋转励磁发电单元采用柔性浮带进行水波能量汇聚，可实现较大区域水面的水能汇聚作用，从而驱动较大功率的水轮发电机旋转，直接产生较大功率发电输出；线性励磁发电单元和旋转励磁发电单元的输出通过水下变电站进行分路或并网输出，从而满足不同需求的电力供应；发电核心和控制电气电路完全在水下完成，可利用水下低温自动散热。

所述线性励磁发电单元还包括设于外防护腔体与线性励磁发电腔体之间、用于温差发电的半导体温差电偶模块，即半导体温差电偶模块置于外防护腔体内、线性励磁发电腔体外作为温差发电的高温电极，低温电极位于外防护腔体外部直接与水体接触；由于永磁体在运动过程中产生热量，因此可以利用线性励磁发电单元内部高温与外部水温之间的温差进行发电。温差发电不仅可为直线发电机的输出提供补偿、减少输出电压毛刺和抖动，而且可作为储能装置，提高水面水波较弱时的发电输出能力。温差发电输出可与直线发电机输出并网后输出，也可单独对外输出。

所述旋转励磁发电单元还包括设于水上、与水轮发电机的水轮发电机转子相连、万向受力的旋转捕风振子，旋转捕风振子的轴心与水轮发电机转子同心、可带动水轮发电机转子旋转。由于旋转捕风振子与水轮发电机转子同轴，因此带动水轮发电机转子转动的同时，围绕转子的水体会形成惯性的漩涡，从而形成储能作用，即使在风力减弱或水波减弱时，在惯性作用下形成的漩涡可带动水轮发电机在短时间内相对匀速地旋转；当风力较大时，旋转捕风振子可能偏离中心垂直方向进行旋转，从而一定程度上减弱水轮发电机的旋转受力，起到稳定输出转矩的目的，同时旋转捕风振子受重力作用，即使偏离中心垂直方向旋转，也会自动校正到中心位置，无需进行特殊控制；旋转捕风振子重量越大，惯性越大，储能作用越明显。即将旋转捕风振子的旋转惯性用于驱动水轮发电机的稳定旋转，从而提高发电稳定性；另外，利用旋转捕风振子的重力，加大了水轮发电机转子的旋转惯性，从而减缓了水面波能受环境因素突然减少带来的发电机力矩突然减小的影响，实现旋转水能的存储作用，从而提高发电效率。

线性励磁发电腔体内部、永磁体的上方和下方均设有阻尼器，所述阻尼器可以是带润滑的低噪声机械弹簧部件，能够有效抑制磁力切割的上下摆幅，从而控制发电输出电压的最高幅度，且能够有效缓冲永磁体与线性励磁发电腔体的上下冲撞，起到保护永磁体的作用，提高使用寿命。线性励磁发电腔体内部设有振动及噪声传感器，采用无源设计，用于监测发电过程中的异常机械谐振及噪声等，可为远程监测发电机状态提供实时数据。

浮力导杆与永磁体之间通过360度拉杆传输装置相连。360度拉杆传输装置为机械动力转换部件，可将来自浮力导杆处的非垂直方向的拉力转成完全垂直方向的拉力，从而提高发电效率和发电稳定性，而且还可一定程度上控制上下运动的轨迹，从而减少振动、减少发电输出信号的尖峰和毛刺，起到抑制冲击过电压的作用。

水下变电站对来自线性励磁发电单元和旋转励磁发电单元输出的电压进行控制、升压或降压处理，形成各种电压等级的输出。水下变电站内部设有与振动及噪声传感器进行通信的信号接口。水下变电站内部设有逆变单元和光纤通信口；逆变单元使得水下变电站具有交流和直流输出两种模式，光纤通信口使得水下变电站可受远程控制实现输出调压、传输振动及噪声传感器信号、启动停止电能输出等功能。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：利用水波波能驱动水下直线发电机进行线性励磁发电，利用水波能量汇聚驱动水下水轮发电机进行旋转励磁发电，利用旋转捕风振子对水轮发电机发电进行补充和维持，利用直线发电机产生的高温和外部水温的温差进行温差发电可对线性励磁发电部分的发电质量和发电能力进行补充，并通过水下变电站对输出电压进行升降压、保护和控制，发电效率高，可靠性强，具有较高实用价值，可用于海洋、湖泊、江河流域等环境的生态发电，特别是MW级超大功率发电。

附图说明

图1是水波能量发电系统的结构示意图。

图2是导水管一端送入水轮发电机进水层的结构示意图。

图中标号如下：

1    振动浮子                         2    外防护腔体

3    线性励磁发电腔体                 4   永磁体

5    浮力导杆                         6   浮带

7    导水管                           8    导水阀

9    旋转叶片                         10  水下变电站

11   半导体温差电偶模块               12  阻尼器

13   振动及噪声传感器                 14  水轮发电机转子

15   旋转捕风振子                     16  360度拉杆传输装置

17   泄水阀

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的优选实施例作进一步的描述。

如图1、图2所示。搭建一套水波能量发电系统，包括1个旋转励磁发电单元，2个线性励磁发电单元，及分别与线性励磁发电单元和旋转励磁发电单元相连的水下变电站10。

每个线性励磁发电单元结构均如下：所述线性励磁发电单元包括浮于水面、其上设有导水阀8的振动浮子1，置于水下、密封的外防护腔体2，置于外防护腔体2内、密封的线性励磁发电腔体3，置于线性励磁发电腔体3内部的直线发电机，两端分别与振动浮子1和直线发电机的永磁体4相连的浮力导杆5、浮力导杆5与永磁体4之间通过360度拉杆传输装置16(其作用为将来自非垂直方向的拉力转换为垂直方向的拉力)相连，设于线性励磁发电腔体3内部、永磁体4上方和下方的阻尼器12，及设于线性励磁发电腔体3内部的振动及噪声传感器13。振动浮子1为直径2m、高度0.2m的圆柱体，外防护腔体2为直径1.5m、高度3m的圆柱体，线性励磁发电腔体3为直径1m、高度3m的圆柱体，浮力导杆5长度为15m，浮力导杆5上下移动时带动永磁体4上下做功、与线性励磁发电腔体3内侧的定子绕组形成磁力线切割发电，永磁体4最高上下振幅为0.8m，最高发电输出功率为20kW。由于永磁体4上下运动时会产生高温，因此所述线性励磁发电单元还在外防护腔体2与线性励磁发电腔体3之间设有用于温差发电的半导体温差电偶模块11，可根据永磁体4产生的高温与外防护腔体2外壁的水温的温差进行发电，最高可实现200W的输出。因此，一个线性励磁发电单元最高可实现20.2kW的输出，2个相同的线性励磁发电单元并网后最大输出功率可达40.4kW。

所述旋转励磁发电单元包括2条浮在水面的柔性浮带6和置于水中的水轮发电机，2条浮带6分别与2个线性励磁发电单元的振动浮子1匹配使用，浮带6中部设有柔性导水管7，导水管7一端与振动浮子1的导水阀8相连、另一端送入水轮发电机的呈螺旋状的进水层。水轮发电机底部通过柔性金属线缆与水底固定，使得整个旋转励磁发电单元可在一定区域漂浮移动。2个线性励磁发电单元的振动浮子1与水轮发电机的水平直线距离均为50m，即可实现50m距离的水流汇聚功能。由来自不同方向的振动浮子1带动的导水管7分别向螺旋进水层的不同旋转层进行注水，从而驱动水轮发电机转子14旋转；其中1条导水管7的输出直接送入进水层的最高旋转层，该水流驱动旋转叶片9旋转、从而带动水轮发电机转子14旋转，然后经螺旋进水层旋转流动一周后通过泄水阀17进入进水层的第二旋转层；同时，另1条导水管7的输出直接送入进水层的第二旋转层，因此进水层的第二旋转层同时接受了来自最高旋转层的水流和另1条导水管7的水流，两者汇聚共同驱动旋转叶片9旋转、从而带动水轮发电机转子14旋转，然后在第二旋转层流动一周后通过泄水阀17进入进水层的第三旋转层。所述水轮发电机的螺旋状进水层采用至上而下驱动旋转的设计，最高旋转层旋转半径为5m，第二旋转层旋转半径为3m，第三旋转层旋转半径为1m，最高旋转层与第二旋转层之间的最高垂直距离为1m，第二旋转层与第三旋转层之间的最高垂直距离为0.6m。所述旋转励磁发电单元还在水上设有与水轮发电机转子14相连、万向受力的旋转捕风振子15，旋转捕风振子15与水面垂直高度为5m，旋转捕风振子15的轴心与水轮发电机转子14同心、设计的旋转方向与水轮发电机进水层的旋转方向一致，可带动水轮发电机转子14旋转，因此可同时将来自风力和水力的两种形式的能量进行综合发电。

水下变电站10内部设有逆变单元、光纤通信口、及与振动及噪声传感器13进行通信的信号接口。所述逆变单元将来自线性励磁发电单元和旋转励磁发电单元的交流电压进行整流逆变，变换成频率50Hz的交流电压输出或直接整流后对外输出直流电压。

通过以上实施例可见，本实用新型可实现多套线性励磁发电单元的并网发电，并且可实现来自不同方向和距离振动浮子1带动的水能汇聚，驱动水轮发电机旋转励磁发电，比常规通过近距离捕捉水面波动进行旋转的驱动能量有显著优势，且水轮发电机转子14和水上的旋转捕风振子15同轴设计，能较好地利用水上水面的自然能量。

Claims (8)

1.一种水波能量发电系统，其特征在于：所述发电系统包括旋转励磁发电单元，至少一个线性励磁发电单元，及分别与线性励磁发电单元和旋转励磁发电单元相连的水下变电站(10)；所述线性励磁发电单元包括浮于水面、其上设有导水阀(8)的振动浮子(1)，置于水下、密封的外防护腔体(2)，置于外防护腔体(2)内、密封的线性励磁发电腔体(3)，置于线性励磁发电腔体(3)内部的直线发电机，及两端分别与振动浮子(1)和直线发电机的永磁体(4)相连的浮力导杆(5)；所述旋转励磁发电单元包括浮在水面、数量与所述线性励磁发电单元匹配的柔性浮带(6)和置于水中的水轮发电机，浮带(6)中部设有柔性导水管(7)，导水管(7)一端与振动浮子(1)的导水阀(8)相连、另一端送入水轮发电机的呈螺旋状的进水层。

2.根据权利要求1所述的水波能量发电系统，其特征在于：所述线性励磁发电单元还包括设于外防护腔体(2)与线性励磁发电腔体(3)之间、用于温差发电的半导体温差电偶模块(11)。

3.根据权利要求1或2所述的水波能量发电系统，其特征在于：所述旋转励磁发电单元还包括与水轮发电机转子(14)相连、万向受力的旋转捕风振子(15)，旋转捕风振子(15)的轴心与水轮发电机转子(14)同心、可带动水轮发电机转子(14)旋转。

4.根据权利要求1或2所述的水波能量发电系统，其特征在于：线性励磁发电腔体(3)内部、永磁体(4)的上方和下方均设有阻尼器(12)。

5.根据权利要求1或2所述的水波能量发电系统，其特征在于：线性励磁发电腔体(3)内部设有振动及噪声传感器(13)。

6.根据权利要求1或2所述的水波能量发电系统，其特征在于：浮力导杆(5)与永磁体(4)之间通过360度拉杆传输装置(16)相连。

7.根据权利要求5所述的水波能量发电系统，其特征在于：水下变电站(10)内部设有与振动及噪声传感器(13)进行通信的信号接口。

8.根据权利要求1或2所述的水波能量发电系统，其特征在于：水下变电站(10)内部设有逆变单元和光纤通信口。