CN212250320U - 一种波浪能储能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪能储能发电系统，主要涉及综合发电领域。包括集成储能平台模块、发电模块、海底锚定模块，其中集成储能平台模块包括灌流通道、灌流叶轮、增速机构、水泵和/或空气压缩机，灌流通道用于灌入海水，使灌流水轮单向旋转，灌流叶轮与增速机构的输入轴联动，所述增速机构的输出轴为水泵和/或空气压缩机提供动能；储能装置包括储能器；储能器与发电模块连接提供动能，海底锚定模块用于固定本系统。本发明的有益效果在于：将波浪能不稳定的发电转变成稳定可持续使用的电能，通过合理导流使得波浪能能量充分利用。

Description

一种波浪能储能发电系统

技术领域

本发明涉及综合发电领域，具体是一种波浪能储能发电系统。

背景技术

随着全球能源消耗日益增加，传统化石能源储量逐渐减少，能源问题变得越发严重。绿色无污染的新型能源得到了人们的广泛关注。可再生能源是指在自然界中可以不断再生并有规律得到补充或重复利用的能源，如太阳能、风能、海洋能、生物质能和水能等。

海洋占地球表面70％，蕴藏着巨大的能量，其中包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。其中，波浪能由于开发过程中对环境影响最小，且以机械能的形式存在，是海洋能利用研究中近期研究得较多的能源之一。

波浪能由于具有可再生、绿色环保和储量丰富的特点，日益受到世界许多国家的重视。在中国波浪能资源绝大部分分布在渤海及东南沿海地区，而其利用率占海洋能源的50％以上。对于波浪能的研究可以追溯到20世纪50年代世界第一台波浪能发电机的诞生。波浪能发电能够为海上作业设备供电，也可以为边远海域供电，显示出其独特优势。

波浪能发电装置

波浪能发电原理主要是将波浪力转换为压缩空气来驱动空气透平发电机发电。波浪能的转换一般有三级。第一级为波浪能的收集，通常采用聚波和共振的方法把分散的波浪能聚集起来。第二级为中间转换，即能量的传递过程，包括机械传动、低压水力传动、高压液压传动、气动传动，使波浪能转换为有用的机械能。第三级转换又称最终转换，即由机械能通过发电机转换为电能。

目前对于波浪发电装置的研究包括：振荡水柱式波浪能装置、摆式波浪能装置以及聚波储能式波浪能装置。振荡水柱式和摆式都是基于起伏的海面运动产生波浪能，进而使装置摆动旋转，带动涡轮机转动发电；聚波式是基于波浪增压，形成高压水冲击水轮机转动发电。

目前，虽然波浪能发电技术已经引起世界各国的广泛关注，但是还存在一些发展瓶颈问题。

独立技术不成熟

波浪能发电技术还处于发散状态，存在各种技术的不同发展方向，但发展趋势是不断地向高效率、高可靠性、低造价方向发展，以形成低成本的成熟技术，最后通过规模化生产和应用，可大幅度降低发电成本。

a)独立发电问题。最早波浪能发电装置需要与柴油机并联工作，易造成污染。后来依靠电网，先把波浪能转化的电能供应到电网上才可以使用，这样又受到电网覆盖范围限制，造成发电成本高、发电功率小、质量差等问题；

b)电能稳定问题。由于受技术限制，波浪能发电装置只能将吸收来的波浪能转化为不稳定的液压能，这样再转化的电能也是不稳定的；

c)能量控制问题。由于波浪的运动没有规律性和周期性，浪大时能量有剩余，浪小时能量供应不足。这就需要有一种设备在浪大时将多余的波浪能存储、在浪小时再利用。

专用材料不成熟

波浪能装置的材料应满足抗海水腐蚀性；廉价性；较好的耐久性和可靠性。不锈钢满足抗腐蚀性和耐久可靠性，但是不满足廉价性；工程塑料在强度上已有了显著提高，但是其耐久性和可靠性不能达标。因此，现有的波浪能装置只是采用普通钢材，靠表面涂层提高抗腐蚀能力，耐久性不显著。另外，工业产品系列太少，目前并不存在专门为波浪能利用而发展的工业产品，只能逐步发展。

电力成本不经济

目前，波浪能发电的成本是常规发电的10倍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波浪能储能发电系统，他通过储能发电，将波浪能不稳定的发电转变成稳定可持续使用的电能，通过合理导流使得波浪能能量充分利用，操作性强、维护性强，不仅能实现能源的优化配置，而且能促进节能减排，具有重大意义。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种波浪能储能发电系统，包括：

集成储能平台模块，包括漂浮与海面上的安装平台，所述安装平台上设置波浪能集能装置和储能装置，

所述波浪能集能装置包括灌流通道、灌流叶轮、增速机构、水泵和/或空气压缩机，所述灌流叶轮水平可转动的安装在灌流通道的中部，所述灌流通道垂直海浪方向布置，所述灌流通道在中部相对来浪端和去浪端都形成收紧，使灌流水轮旋转，所述灌流叶轮与增速机构的输入轴联动，所述增速机构的输出轴为水泵和/或空气压缩机提供动能；

所述储能装置包括储能器，所述储能器内部为密闭空腔，所述储能器上连接通气管道、进水管、出水管，所述通气管道用于注入大于1个大气压的压缩空气，所述进水管通过水泵控制向储能器内泵入海水；

发电模块，安装在集能储能平台模块上或海岸上，使用背压式透平机或水轮机进行发电，势能来自储能装置中出水管的高压气体或高压海水；

海底锚定模块，通过锚定方式对本系统进行固定。

还包括太阳能集能模块，包括太阳能板，安装在安装平台上。

所述集能储能平台模块为多个并排设置，每排集能储能模块之间通过弹性连接装置连接，所述弹性连接装置包括连接座、液压弹簧、限位链条，所述连接座为两个，分别与液压弹簧在伸长量上的两端固定连接，所述限位链条也为两根，两端分别固定在同侧的连接座上，所述限位链条的长度与液压弹簧伸长量最大量时的长度相等。

所述安装平台前后两端设置有防撞栏。

所述安装平台的下方设置箱体，所述箱体的四轴侧面均为封闭结构，且相对海浪的垂直的两个端面为敞口结构，在箱体的左右内壁上设置中部收缩而开口处敞开为喇叭口结构的侧导波板，在导波板之间安装位于海面以下的灌流水轮，在叶轮的来浪方设置下导波板，对来浪方向上水轮的下半部进行遮挡，在灌流叶轮的去浪方设置上导波板，对去浪方向上水轮的上半部进行遮挡，使水轮可以单向旋转。

相邻的侧导波板之间形成的空腔为主储能器，所述下导波板与箱体下侧内壁形成下导流储能器，所述上导波板与箱体的上侧内壁形成上导流储能器，所述主储能器上部及上导流储能器与通气管道连接，通过空气压缩机在储能器中充入大于1个大气压的压缩空气；主储能器中部及下导流储能器的上部与进水管道连接，接受水泵汲取来的海水并存储于储能器中；主储能器底部及下导流储能器的底部与出水管道连接；所有平台上的出水管路与发电模块相连，冲击水轮机带动发电机进行发电。

所述第二种方案在安装平台的顶部居中的设置门型架，在门型架门型架之间安装位于海面上的灌流水轮，所述灌流水轮的下方设置下导波板，所述下导波板在中部拱起与灌流水轮的底侧周面形成切面，所述灌流水轮的中下部设置上导波板，所述上导波板在中部凹陷，与下导波板共同形成灌流通道，所述灌流通道在中部相对来浪端和去浪端都形成收紧，使灌流水轮双向旋转。

所述下导波板拱起，其下方形成空腔，作为储能器，所述储能器通过管路与发电模块相连接。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发电系统与传统海上风电项目相比具有以下特点：

第一，集能效率高。本系统采用聚波+冲击水轮结构，利用海浪的动能，比利用海浪势能效率更高。根据海浪基本理论，深海的波浪能动能和势能基本相等，水质点轨迹为直径与海浪高度相等的圆；在浅海水质点轨迹为长轴大于海浪高度的椭圆，波浪的动能大于势能；本设计中将大于叶轮长度和直径的波浪能聚集后冲击水轮，集能效率高于一般利用海浪势能发电的技术，在一定波高范围内集能效率可超过50％；

第二，转换效率高。本系统采用压缩空气+高压水储能发电模式，使用的是汲水储能发电技术，转换效率更高，可达80％。(使用空气转换储能发电模式一般不超过50％)

第三，生存能力强。平台框架结构设计，抗损能力强；前后两端设置有防撞栏，可防止海洋大的漂浮物冲击；水轮前后设置有导波板，可控制接收海浪的大小，实现系统高效安全运行，在大风大浪或者需要修理时，可停止水轮的旋转，系统安全性更高。

第四，可维护性强。系统采用模块化设计，主要部分均可快速拆装；主要部件均固定安装，水泵、空压机、水轮机、发电机等均在水面之上，仅集能模块的水轮部分在海上中。在需要维护更换时，可提出水面在平台上完成。

第五，施工简单，可实现大规模发电。可根据规模需要确定集成储能平台模块的数量，各平台模块可在厂区组装制造，在海里仅需要进行平台间的联接和锚定。

第六，适应性好。系统既可安装于深海，也可安装于岸线近海。安装在近海时，可建设桥梁与陆地相通，便于人员、设备、电力线缆敷设，发电模块可直接安装于陆地上，后期电站设备维护、更换部件相对简便。

附图说明

附图1是本发明的立面图。

附图2是本发明的集成储能平台模块俯视图。

附图3是本发明的集成储能平台模块侧视图。

附图4是本发明的集成储能平台模块剖视图。

附图5是本发明主储能器俯视图。

附图6是本发明主储能器侧视图。

附图7是本发明下导流储能器俯视图。

附图8是本发明上导流储能器俯视图。

附图9是本发明水轮相关结构主视图。

附图10是本发明水轮相关结构侧视图。

附图11是本发明水轮相关结构俯视图。

附图12是本发明A部放大图。

附图13是本发明实施例2相关结构主视图。

附图14是本发明实施例2相关结构侧视图。

附图15是本发明实施例2相关结构俯视图。

附图中所示标号：

1、安装平台；2、灌流叶轮；3、增速机构；4、侧导波板；5、下导波板；6、上导波板；7、收缩波道；9、主储能器；10、上导流储能器；11、下导流储能器；12、太阳能集能模块；13、发电模块；14、弹性连接装置；15、连接座；16、液压弹簧；17、限位链条。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。

实施例1：一种波浪能储能发电系统

本发电系统核心是由多个集成储能平台模块+发电模块13组成，在深海处垂直于海浪方向布置，漂浮于海面与海底锚定连接；在近海沿海岸线布置并与海底固定连接。还包括用于连接集成储能平台模块和发电模块13的平台弹性连接装置14、太阳能集能模块12、海底锚定模块。

1)集成储能平台模块

集成储能平台模块包括并排设置的多个安装平台1，所述安装平台1漂浮在海面上，在深海处垂直海浪方向布置，或沿着海岸线通过锚定固定在海底。采用框架结构的支撑结构。平台上布置集电线路、通气管道及进出水管道；平台前后两端设置有防撞栏，可防止海洋大的漂浮物冲击；

在安装平台1上设置波浪能集能装置和储能装置

所述波浪能集能装置主要用于收集波浪能，由于波浪能为非连续且落差较大的自然势能，冲击力大小相差悬殊，如果不能解决好势能悬殊的问题，则很难实现有效利用。

包括灌流通道、灌流叶轮2、增速机构3、水泵、空气压缩机，

所述灌流叶轮2水平放置，安装在灌流通道的中部，可转动的安装，具体到本示例中，设置灌流叶轮2在海面以下，在安装平台1的下方设置垂直海浪涌动方向的箱体，所述箱体的四轴侧面均为封闭结构，且相对海浪的垂直的两个端面为敞口结构，用于灌入和通过海浪。在箱体的左右内壁上设置中部收缩而开口处敞开为喇叭口结构的侧导波板4，用于提高海水灌入效果，在导波板之间安装位于海面以下的灌流水轮，在叶轮的来浪方设置下导波板5，对来浪方向上水轮的下半部进行遮挡，在灌流叶轮2的去浪方设置上导波板6，对去浪方向上水轮的上半部进行遮挡，

所述侧导波板4、下导波板5、上导波板6均固定在箱体内壁上，从而在灌流叶轮2的来浪前方形成前收缩波道7和后收缩波道7。并分别对来波方向水轮的下半部和回波方向水轮的上半部进行遮挡，使水轮可以单向旋转，

所述水轮通过带传动与增速机构3的输入轴实现机械传动，所述增速机构3的输出轴连接和带动水泵及空气压缩机，通过水泵抽取海水，海水经过进水管压入储能器的下部，而空气压缩机用于对储能器进行加压。

所述增速机构3具体是齿轮箱，内部设有多个配合的齿轮，通过啮合实现输入轴与输出轴之间的传动。

波浪能集能装置由冲击水轮+增速机构3+水泵(/空气压缩机)组成。波浪能集能装置安装于集成储能平台模块的安装平台1上，位于储能模块组成的前后收缩波道7中间，水轮水平放置于海面下，当波浪来时，前收缩波道7将使聚集的波浪冲击叶轮的上半部分使其旋转，回波时，后收缩波道7将使聚集的波浪冲击叶轮的下半部分使水轮使其同向旋转，旋转的水轮经过增速机构3带动水泵抽取海水进行蓄能。

所述储能装置用于对波浪能技能装置获得的波浪能进行存储和转换，通过将波浪能置换为加压水再进行发电，对波浪能有很好的平衡作用。

储能模块由主储能器9和上下导流储能器11组成，通过管路连接，储能方式为压缩空气(或压缩空气+高压水)储能；储能器外形均经过特殊设计，安装在平台上组成前后收缩波道7，并分别对水轮的下半部和上半部进行遮挡。储能模块不但具有储能功能，还具有聚波功能，同时还对整个发电系统起浮动支撑作用。本设计中，采用压缩空气+高压水的储能方式，

在本示例中，结合上述描述，所述侧导波板4与箱体侧壁形成主储能器9，所述下导波板5与箱体下侧内壁形成下导流储能器11，所述上导波板6与箱体的上侧内壁形成上导流储能器10，结合导波板的形状及设置，对空间进行集成设计，综合利用。所述主储能器9上部及上导流储能器10与通气管道连接，通过空气压缩机在储能器中充入大于1个大气压的压缩空气；主储能器9中部及下导流储能器11的上部与进水管道连接，接受水泵汲取来的海水并存储于储能器中；主储能器9底部及下导流储能器11的底部与出水管道连接；所有平台上的出水管路与发电模块13相连，在需要时通过出水管路将海水压入发电模块13，冲击水轮机带动发电机进行发电。

2)太阳能集能模块12

为了弥补波浪能的不连贯性及潮汐性，结合海面上较为丰沛的太阳能资源，本系统结合太阳能综合集成发电，具体是太阳能板，安装在集能储能平台单元的安装平台1上；

本示例采用波浪能抽水储能+太阳能发电系统的设计思路，原理是：多组特殊设计的储能器组成海上集能储能发电平台，上部安装太阳能板进行太阳能发电，而平台下部安装波浪能集能装置，通过波浪能中的动能驱动将海水抽入带有一定压力的密闭腔室内，形成高压水头，然后由高压水头驱动水轮-发电机发电。海浪能集能部分采用收缩波道7设计+水轮方案：水轮水平放置，前后均设置收缩波道7，并分别对来波方向水轮的下半部和回波方向水轮的上半部进行遮挡，使水轮可以单向旋转，经过增速机构3带动水泵抽取海水进行蓄能。当波浪来时，经过收缩波道7集能的海水冲击水轮的上半部分使其旋转，同理，波浪的回波经过收缩波道7集能的海水冲击水轮的下半部分使其同向旋转，旋转的水轮经过增速机构3带动水泵抽取海水，海水经进水管压入蓄能器下部；而储能器中存有压力大于1个大气压的压缩空气，压缩空气使蓄能器中的海水具有一定压力，从而形成压力水头；压力水头经出水管冲击水轮机带动发电机进行发电。

在本示例中，由于并排设置多个集成储能平台模块，相邻的箱体的侧壁省略，而通过相邻的侧导波板4形成空腔，也就是主储能器9。

3)发电模块13

由电控阀、水轮机(或背压式透平机)、交流发电机、变流器、变压器组成。使用水轮机(或背压式透平机)进行发电，势能来自储能装置中出水管的高压海水或高压气体，储能器中存储的高压海水或者高压气体驱动水轮机(或背压式透平机)旋转，从而带动发电机进行发电。

储能器通过管路与组合发电模块13中的储能发电模块13相连接。

发电模块13可以安装在模块化的集成储能平台上，也可以安装在海岸上。

本示例采用与太阳能模块交替安装在集成储能平台的安装平台1上。

4)弹性连接装置14

用于连接相邻的两排安装平台1，包括连接座15、液压弹簧16、限位链条17，

所述连接座15为两个，分别与液压弹簧16在伸长量上的两端固定连接，所述限位链条17也为两根，两端分别固定在同侧的连接座15上，所述限位链条17的长度与液压弹簧16伸长量最大量时的长度相等。

通过弹性连接装置14实现前后两排的安装平台1的弹性连接，互相之间利用液压弹簧16具有一定缓冲，并通过限位链条17增强连接的可靠性，特别适合在海上为本系统提供可靠和有效的连接手段。

5)海底锚定模块

主要通过锚定方式对整个系统进行固定。

实施例2：一种波浪能储能发电系统

与实施例1的设计原理及思路相同，区别在于集成储能平台模块中部分组件的具体实现结构不同，分别列数如下：

1)灌流水轮的位置不同，在实施例1中，储能器是结合利用了导波板与箱体形成的空腔空间进行布局，在本示例中，将灌流水轮设置在海面上，对海面表面势能较大的部分波浪能进行收集。相应的具体结构如下：

所述安装平台1的顶部居中的设置一门型架，在门型架门型架之间安装位于海面上的灌流水轮，从而获得表层海浪的波浪能。

2)灌流通道的具体结构不同，

所述导波板包括下导波板5和上导波板6，所述下导波板5在灌流叶轮2的下方拱起，与灌流叶轮2的底侧周面形成切面，所述上导波板6为向下凹陷的弧形板，对灌流叶轮2的中部以上形成遮挡，并与下导波板5形成在灌流叶轮2来浪的喇叭口结构，和去浪方的喇叭口结构，从而在灌流叶轮2的来浪前方形成前收缩波道7和后收缩波道7。故上导波板6和下导波板5共同形成灌流通道。

3)储能器的具体结构不同

所述下导波板5拱起，其下方形成空腔，作为储能器，既起到储能作用，又可以作为浮动支撑平台。

储能器通过管路与组合发电模块13中的储能发电模块13相连接。

Claims (8)

1.一种波浪能储能发电系统，其特征在于，包括：

集成储能平台模块，包括漂浮于海面上的安装平台，所述安装平台上设置波浪能集能装置和储能装置，

所述波浪能集能装置包括灌流通道、灌流叶轮、增速机构、水泵和/或空气压缩机，所述灌流叶轮水平可转动的安装在灌流通道的中部，所述灌流通道垂直海浪方向布置，所述灌流通道在中部相对来浪端和去浪端都形成收紧，使灌流水轮单向/双向旋转，所述灌流叶轮与增速机构的输入轴联动，所述增速机构的输出轴为水泵和/或空气压缩机提供动能；

所述储能装置包括储能器，所述储能器内部为密闭空腔，所述储能器上连接通气管道、进水管、出水管，所述通气管道用于注入大于1个大气压的压缩空气，所述进水管通过水泵控制向储能器内泵入海水；

发电模块，安装在集能储能平台模块上或海岸上，使用背压式透平机或水轮机进行发电，势能来自储能装置中出水管的高压气体或高压海水；

海底锚定模块，通过锚定方式对本系统进行固定。

2.根据权利要求1所述一种波浪能储能发电系统，其特征在于，还包括太阳能集能模块，包括太阳能板，安装在安装平台上。

3.根据权利要求1所述一种波浪能储能发电系统，其特征在于，所述集能储能平台模块为多个并排设置，每排集能储能模块之间通过弹性连接装置连接，所述弹性连接装置包括连接座、液压弹簧、限位链条，所述连接座为两个，分别与液压弹簧在伸长量上的两端固定连接，所述限位链条也为两根，两端分别固定在同侧的连接座上，所述限位链条的长度与液压弹簧伸长量最大量时的长度相等。

4.根据权利要求1所述一种波浪能储能发电系统，其特征在于，所述安装平台前后两端设置有防撞栏。

5.根据权利要求1所述一种波浪能储能发电系统，其特征在于，所述安装平台的下方设置箱体，所述箱体的四轴侧面均为封闭结构，且相对海浪的垂直的两个端面为敞口结构，在箱体的左右内壁上设置中部收缩而开口处敞开为喇叭口结构的侧导波板，在导波板之间安装位于海面以下的灌流水轮，在水轮的来浪方设置下导波板，对来浪方向上水轮的下半部进行遮挡，在灌流叶轮的去浪方设置上导波板，对去浪方向上水轮的上半部进行遮挡，使水轮可以单向旋转。

6.根据权利要求5所述一种波浪能储能发电系统，其特征在于，相邻的侧导波板之间形成的空腔为主储能器，所述下导波板与箱体下侧内壁形成下导流储能器，所述上导波板与箱体的上侧内壁形成上导流储能器，所述主储能器上部及上导流储能器与通气管道连接，通过空气压缩机在储能器中充入大于1个大气压的压缩空气；主储能器中部及下导流储能器的上部与进水管道连接，接受水泵汲取来的海水并存储于储能器中；主储能器底部及下导流储能器的底部与出水管道连接；所有平台上的出水管路与发电模块相连，冲击水轮机带动发电机进行发电。

7.根据权利要求1所述一种波浪能储能发电系统，其特征在于，所述安装平台的顶部居中的设置门型架，在门型架之间安装位于海面上的灌流水轮，所述灌流水轮的下方设置下导波板，所述下导波板在中部拱起与灌流水轮的底侧周面形成切面，所述灌流水轮的中下部设置上导波板，所述上导波板在中部凹陷，与下导波板共同形成灌流通道，所述灌流通道在中部相对来浪端和去浪端都形成收紧，使灌流水轮双向旋转。

8.根据权利要求7所述一种波浪能储能发电系统，其特征在于，所述下导波板拱起，其下方形成空腔，作为储能器，所述储能器通过管路与发电模块相连接。

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