CN218913055U - 一种潜筒直流电机波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

一种潜筒直流电机波浪能发电装置，包括潜筒和位于潜筒内的垂直方向直流电机、水平方向直流电机、铅球、直杆、配重、电机固定杆；垂直方向直流电机将海面波浪水质点运动的垂直方向分量转换为电能，水平方向直流电机将海面波浪水质点运动的水平方向分量转换为电能；电机固定杆的一端固定于潜筒内壁，另一端与直流电机的定子连接；动子和直杆螺接，动子可围绕螺栓旋转；铅球与直杆连接，铅球做惯性运动时通过推动直杆将惯性传递给动子，当潜筒随波浪作椭圆运动时，铅球与潜筒和定子产生相对运动，从而使定子与动子产生相对运动，产生电流，然后通过电机固定杆内部的电线输出到潜筒内壁，两个电机的电线通过潜筒密封小孔将电流输送到外部。

Description

一种潜筒直流电机波浪能发电装置

技术领域

本实用新型涉及波浪能发电领域，尤其涉及一种潜筒直流电机波浪能发电装置。

背景技术

当前的波浪能的开发利用尚有一定的技术难度，主要原因是波浪能的能量密度小，波浪是一种往复运动、运动速度慢、能量不稳定，而且波浪能发电装置的工作环境差、一次性投资大。波浪能研究方面较发达的国家目前波浪能的发电容量已经向MW级别迈进，并逐渐实现波浪能发电的商业化。我国目前还处于波浪能开发利用的试验阶段，尚需要大力投入资金和科研力量进行研发。

波浪能转化为电能，其转换过程一般可划分为三个环节：第一个环节是波能聚集，需要结合波浪运动特点和海域工作环境进行设计，对波能提取效率、设备安全最为重要；第二个环节是传递能量，将低速低压的波浪能转化为高速高压的机械能；第三个环节是发电机发电，以对现有的发电机进行适当改造为主。

波浪能聚集的主要开发利用原理有[1]：

(1)利用波浪垂直运动，如点头鸭式、波动筏式等；

(2)利用波浪静压力的变动，如拉塞尔整流器、气袋式等；

(3)利用水质点的运动，如水轮式；

(4)利用波浪水平运动的动压变化，如在破波区的水平往复式。

60年代中期，日本的益田善雄[2]首先开发成功航标灯的微型波力发电装置，并投入商业化生产。80年代，各国相继建成20多个波浪能转换装置或电站，开展波浪能利用研究的国家有20多个，以英国、日本、挪威等国对波浪能的研究最为活跃，额定功率以百KW为主。

目前，日本已建造1500多座波浪发电装置。从20世纪80年代中期至今建成的4座岸基固定式和防波堤式波力电站，单机容量为40～125KW。其中80年代初建造的“海明”号波能发电船最为有名。日本海洋科学技术中心于1987年组织研制名为“巨鲸”(Mighty whale)[3]的波浪发电装置，该装置于1997年末在三重县五所湾离岸海域下水，1998年投入商业运营。该装置不仅能吸收波浪能发电，具有独立能源平台的功能，并可起到平稳波浪的作用。1996年9月投运的固定式防波堤型130KW波电设备是日本当前容量最大的设备，由日本东北电力公司在原町火电站南部防波堤上装设。

从20世纪70年代开始，英国将波浪发电研究放在新能源开发的重要位置。20世纪80年代，英国已成为世界波浪能研究的中心。著名的Pelamis波力发电装置便是由英国的科学家弗朗西斯·法利和罗德·雷尼发明，Pelamis是一种利用海水起伏产生的浮体相对运动来发电的独特装置，该装置形如海洋生物水蛇，采用筏式+液压系统，装机容量达700KW。该装置的优点在于采用了蓄能器，输出稳定，抗风浪冲击能力强。目前，此装置已投入商业运行中。20世纪90年代初，英国在苏格兰伊斯莱岛和奥斯普雷建成75KW和20MW振荡水柱式和岸基固定式波力电站。世界上首台商用波浪发电机于1995年8月在英国克莱德河口海湾开始发电，装机容量达2 000KW。2000年11月，英国Wavegen公司在苏格兰Islay岛附近采用岸式波能装置LIMPET[5](Land-Installed-Marine-Powered Energy Transformer)，建成的波浪能电站，生产能力为500KW，能供400户家庭照明用电，该电站处波能功率密度为25KW/m。位于英国西海岸康沃尔(Corrwall)的海浪发电项目“海浪中枢”2010年底完成了全面测试，准备正式投入使用。“海浪中枢”耗资4200万英镑，是一个类似四头插座的巨型海浪能转换器。为更好地捕捉大西洋波浪能，该设备安装在离岸16公里处的海床下50米处。该装置创造了“世界最大”的海浪能源技术的试点。海浪中枢所发的电力经由33千伏的传输电缆输送上岸，然后通过一个新建的变电站并入电网。

挪威主要对波浪发电装置的理论设计做出了较大贡献，提出了相位控制原理和喇叭口收缩波道式波能装置等[6-8]。挪威当时在波浪发电理论研究和实验方面投入一亿克朗，并于1985年在Toftestallen岛建立了装机容量分别为500KW和350KW的振荡水柱式和聚波水库式波浪能电站。目前挪威正与印度尼西亚合作，在Java岛兴建一座收缩波道电站。

葡萄牙的波浪发电研究起步较晚，技术以引进为主。但葡萄牙波浪能的自然条件优越，政府和科研机构对波浪能资源越来越重视。世界上第一个商业波浪发电厂——“海蛇”位于葡萄牙北部海岸，2008年投入运转，由葡萄牙可再生能源公司Enersis在距离葡萄牙北部的海岸约4.8km处建造。该电站由3组“海蛇”发电机组组成，发电机由苏格兰一家波浪能发电公司设计与建造，设计发电能力750KW。

其他国家也陆陆续续进行过一些波浪发电方面的研究，如在2000年，德国西门子Vioth水电子公司首先将波浪发电并网。美国将于2011年在加利福尼亚的洪堡湾运行五个商业化的波浪发电装置，单机发电可达1000KW。澳大利亚、荷兰、丹麦、以色列、加拿大、印度尼西亚等国家对波浪发电也进行了一些研究开发，但主要仍停留在波浪发电装置、原理等方面研究，商业应用较少。

我国的波浪发电研究起始于20世纪70年代。1975年我国制成了1KW波电浮标，并在浙江省嵊山岛试验。自1985年起，我国研制了多种小型产品，其中有600多台作为航标灯用，并出口到日本等国[9]。1990年在广东大万山岛研建3KW岸基振荡水柱型波力发电站成功，广州能源研究所后已将其改建成一座20KW的波力电站，并于1996年2月试发电成功，在逐步完善后向岛上提供补充电源。2005年初，由广州能源研究所建设的汕尾市遮浪半岛100KW岸式振荡水柱波力电站波浪能独立稳定发电系统第一次实海况试验成功，从10KW级别向100KW级别迈进。由天津国家海洋局海洋技术所研建的100KW摆式波力电站，也已在l999年9月在青岛即墨大官岛试运行成功。清华大学等单位在漂浮式波浪发电装置方面也开展了一些设计和研究工作。

目前为止，主要的波浪能电机形式可分为两大类，一类为旋转电机形式，另一类为直线电机形式。波浪能发电的第二个环节，传递能量环节，与发电机种类、型号的选择关系密切，如果只攫取波浪直线运动的能量，并且采用直线电机发电形式，则第二环节可被略去。采用旋转电机的波力发电系统包括著名的Pelamis装置。Pelamis装置由5个采用铰链连接的圆筒形部件组成，由波浪驱动各个部件之间相对运动，通过杠杆原理压缩液体，进而驱动水轮发电机。采用旋转电机的静力式波力发电系统有Wave Dragon等。Wave Dragon的发电原理是，当波浪来的时候，让海水涌进蓄水池，海水带动安装在蓄水池中间的低水头水轮发电机旋转发电。Limpet是由爱尔兰的Wavegen有限公司开发的波浪发电装置，Limpet安装在海岸边上，工作原理是振荡气柱，再由气动式涡轮机发电。广州能源研究所在十五期间立项开发了振荡浮子式波浪发电，其发电原理是，在波浪中上下运动的浮子驱动液压系统，将水提升至高位蓄水池，再利用高位蓄水池流下来的水驱动水轮机发电。

Archimedes Wave Swing(AWS)是由Teamwork Technology公司开发的世界上第一个直接驱动式的波浪发电装置[10]，其工作原理是利用定点上方波浪峰谷水体重量的差别驱动直线电机。当波峰到达装置的上部时，由于水的重力将空腔的盖子向下压，空腔中的气压增加；当波谷到达装置上部时，由于空腔中的空气压力，将盖子向上顶，这样盖子进行上下往复运动，同时盖子与直线电机的Translator直接相连，形成直线电机的定子和动子之间的相对运动，将波浪能转化为电能。

Wave Energy Conversion(WEC)是由Uppsala大学开发的一种直接驱动式波浪发电系统[11]，其工作原理是：由一个浮子和固定海底的直线电机发电装置构成，浮子和发电装置由钢缆相连，当波峰来临时，由于水的浮力，浮子向上运动，同时带动直线电机的动子向上运动，拉紧弹簧，当波谷来临时，浮子向下运动，同时弹簧也将直线电机的动子向下拉，形成直线电机的动子和定子之间的相对运动，将波浪能转化为电能。

现有技术中波浪能发电装置的缺陷主要有：波浪能量捕获率还不高；电能转换率也较低；裸露在海水中的活动部件太多容易腐蚀、附着，设备耐久性较差；受涨落潮影响较大；电站规模不容易扩大。

参考文献

[1]陈学雷编著.海洋资源开发与管理.北京，科学出版社，2000.

[2]宫崎武晃,益田善雄.Research And Development Of Wave PowerElectricity Generation System[J].Ocean Management Special Issue,1978

[3]Research And Development Of Wave Energy Utilization Technology-Development Of Offshore Floating Type Wave Energy Converter/Mighty Whale/,Jamstec(In Japanese),Japan(2004).

[4]Brochure Of Pelamis P-750 Wave Energy Converter,Pelamis Wave PowerLtd.(2008).

[5]Young-Do Choi,Chang-Goo Kim,You-Taek Kim,Etc.A Performance StudyOn A Direct Drive Hydro Turbine For Wave Energy Converter.Journal OfMechanical Science And Technology 24(11)(2010):2197～2206.

[6]Budal K,Falnes J.Energy Potential In Ocean Waves-Conversion OfWave Energy Into Useful Forms.Physica Norvegica,1976(3):175-175.

[7]Budal K,Falnes J.Optimum Operation Of Improved Wave-PowerConverter.Marine Science Communications,1977(2):133-150.

[8]Johannes Falnes.A Review Of Wave-Energy Extraction.MarineStructures,2007(20):185-201.

[9]李成魁,廖文俊,王宇鑫.世界海洋波浪能发电技术研究进展.装备机械,2010(2):68-73.

[10]H.波林德；马元珽.新型波能发电机系统的设计.水利水电快报,2005(7).

[11]J.Tedd,J.P.Kofoed,M.Jasinski,Etc.Advanced Control Techniques ForWEC Wave Dragon,Proc.The 7th European Wave And Tidal Energy Conference,Porto,Portugal(2007).

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种潜筒直流电机波浪能发电装置，具有更高的波浪能量捕获率和电能转换率。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种潜筒直流电机波浪能发电装置，包括潜筒和位于潜筒内的垂直方向直流电机、水平方向直流电机、铅球、直杆、配重、电机固定杆；

所述潜筒位于海表面附近，用于给发电装置提供浮力；所述配重位于潜筒底部，用于调节潜筒总重量，让潜筒总浮力仅略大于总重量；

所述垂直方向直流电机用于将海面波浪水质点运动的垂直方向分量转换为电能，所述水平方向直流电机用于将海面波浪水质点运动的水平方向分量转换为电能；所述电机固定杆设有水平和竖直方向两组电机固定杆，电机固定杆的一端固定于潜筒内壁，电机固定杆的另一端与垂直方向直流电机的定子或水平方向直流电机的定子固定连接；垂直方向直流电机的动子与水平方向直流电机的动子和直杆通过螺栓螺母连接，动子可围绕螺栓旋转，根据海面水质点椭圆运动轨迹的长、短轴参数，调整动子在直杆的相对位置；

所述铅球与直杆的一端固定连接，且铅球悬空，铅球做惯性运动时通过推动直杆将惯性传递给动子，当潜筒随波浪作椭圆运动时，铅球与潜筒和定子产生相对运动，从而使定子与动子产生相对运动，产生电流；垂直方向直流电机和水平方向直流电机产生的电流，通过电机固定杆内部的电线输出到潜筒内壁，两个电机的电线通过潜筒密封小孔将电流输送到外部。

所述潜筒通过缆绳或锚链固定。

本实用新型中，多个潜筒可以串联后通过缆绳或锚链固定到海底或者其他固定点。

所述潜筒输出的电流，通过电线顺着缆绳或者锚链输送到陆地。

所述潜筒由高强度非金属材料制成。

所述潜筒的材质为塑料或PVC。

所述直杆为金属材料制成的刚体。

所述电机固定杆为金属材料制成的刚体。

所述电机固定杆是由与潜筒壁相同的材料一体浇筑形成的杆件。

相对于现有技术，本实用新型技术方案取得的有益效果是：

1、本实用新型结合波浪运动特点，与现有技术只关注波高不同，本实用新型根据水质点作椭圆运动的特征，在水面线附近捕捉水质点最大椭圆运动能量，波高只是它的椭圆短轴长，能捕获更多水质点能量。

2、本实用新型减少了波浪能发电能量传递环节，直接将水质点的椭圆运动分解为两个直线运动，驱动两个直流电机发电，有更高的能量转换效率。

3、本实用新型具有更高的波浪能量捕获率：在有限水深条件下，能捕获垂向、水平两个方向的波浪能量。

4、本实用新型具有更高的电能转换率：采用直流电机，能根据水深和波高设定长、短轴，参数当地化提高转换率。

5、本实用新型装置的外部活动部件少，防腐，防附着，高海况不易损坏。

6、本实用新型具有锚链形式的系泊结构，潮位涨落影响比较小，具备良好的转化前景。

7、通过本实用新型可方便扩大电站规模。

附图说明

图1为潜筒垂向位置的结构示意图。

图2潜筒内部结构的侧视示意图。

图3潜筒内部结构的前视示意图。

图4为潜筒直流电机波浪能发电装置的分解结构示意图。

附图标记：潜筒1，垂直方向直流电机2，水平方向直流电机3，铅球4，直杆5，配重6，电机固定杆7，垂直方向直流电机的定子21，垂直方向直流电机的动子22，水平方向直流电机的定子31，水平方向直流电机的动子32。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步详细说明。

如图1～4所示，图1展示了潜筒在工作时所处的水面线位置、潜筒运动方向和锚定位置，图2和图3展示了潜筒的内部结构；

本实施例一种潜筒直流电机波浪能发电装置，包括潜筒1和位于潜筒1内的垂直方向直流电机2、水平方向直流电机3、铅球4、直杆5、配重6、电机固定杆7。

所述潜筒1由塑料或PVC等高强度非金属材料制成，形状似油桶或酒桶。所述潜筒1用于给发电装置提供浮力；将波浪能量传递到内部发电装置；保护内部装置不受海水浸泡、腐蚀；保护内部装置不被波浪能量击打损坏，提供整个系统的系留连接。所述潜筒1位于海表面附近，通过缆绳或锚链固定到海底或者其他固定点；多个潜筒1可以串联后通过缆绳或锚链固定到海底或者其他固定点。潜筒1输出的电流，通过电线顺着缆绳或者锚链输送到陆地。

所述配重6由密度较大的金属或者其他材料制造，其位于潜筒1底部，固定在潜筒1内壁，用于调节潜筒1总重量，让潜筒1总浮力仅略大于总重量；保持潜筒1的垂直方向平衡，增加恢复力。

所述垂直方向直流电机2用于将海面波浪水质点运动的垂直方向分量转换为电能，所述水平方向直流电机3用于将海面波浪水质点运动的水平方向分量转换为电能。

所述电机固定杆7设有水平和竖直方向两组电机固定杆，电机固定杆7的一端固定于潜筒1内壁，电机固定杆7的另一端与垂直方向直流电机的定子21或水平方向直流电机的定子31固定连接；垂直方向直流电机的动子22与水平方向直流电机的动子32和直杆5通过螺栓螺母连接，动子可围绕螺栓旋转以保证动子在电机定子轨道上作平滑直线运动，直流电机的动子需要根据海面水质点椭圆运动轨迹的长、短轴参数，调整动子在直杆的相对位置。

所述铅球4由密度较大的金属或者其他材料制造，其与直杆5的一端固定连接，且铅球4悬空。利用惯性原理，质量大的物体惯性大，铅球4做惯性运动时通过推动直杆5将惯性传递给动子，当潜筒1随波浪作椭圆运动时，铅球4与潜筒1和定子产生相对运动，从而使定子与动子产生相对运动，产生电流；垂直方向直流电机2和水平方向直流电机3产生的电流，通过电机固定杆7内部的电线输出到潜筒1内壁，两个直流电机的电线通过潜筒1密封小孔将电流输送到外部。

所述直杆5和电机固定杆7为金属材料制成的刚体，变形系数要求较小。所述电机固定杆7也可为与潜筒1壁相同的材料一体浇筑形成的杆件。所述电机固定杆7内含电线，将电机产生的电流输出到潜筒1外。

本实用新型的工作方式如下：

1、收集或观测工程点波浪、潮位、水深数据，掌握工程点波浪特性；

2、根据波浪特性和装机容量计划，确定直流电机的功率和潜筒数目；

3、在陆上将直流电机安装好，将潜筒密封锁紧，用船只拖到工程点布放；

4、单个潜筒可以用海底的沉块固定；多潜筒可考虑在海底建固定水泥桩柱固定潜筒。

本实用新型的原理如下：

在有限水深情况，在波浪的作用下，水质点并不是从波峰到波谷的直线往复运动，而是作椭圆运动，水面线附近水质点的椭圆运动的长、短半轴最长，也就是说波高是它的短轴长，长轴方向的能量被大部分实用新型所忽视。本实用新型通过缆绳系留和配重，将潜筒控制在水面线附近作椭圆运动(图1的潜筒垂向位置图)，捕获垂直和水平两个方向的波浪能量。

潜筒内部把水质点椭圆运动分解为垂直、水平两个方向，通过两个直流电机充分转换机械能。电机定子分别沿垂直方向、水平方向通过电机固定杆7固定在潜筒1内部，而铅球4悬空通过直杆5与电机动子连接，电机动子装在直杆5上可以绕直杆5运动平面的法向旋转。当潜筒1随波浪作椭圆运动时，铅球4因惯性留在原地，从而驱动直流电机的动子和定子相对运动，产生电能。将观察点放在潜筒1外部(海上的固定点或者船上)，是潜筒1随波浪作椭圆运动，带着电机定子绕铅球4作椭圆运动；将观察点放在潜筒1内部，则是铅球4绕圆心作椭圆运动驱动电机动子发电。

本实用新型能根据水深和波高、波周期设定长、短轴，参数当地化提高转换率；潜筒内部只通过一根电缆与外部联系，裸露在海水中的活动部件少，不会受到海水腐蚀、生物附着等问题困扰。灾害性天气情况下，由于潜筒大部分体积浸没在海水中，里面的电机等设备也不易被大浪巨浪摧毁。

Claims (7)

1.一种潜筒直流电机波浪能发电装置，其特征在于：包括潜筒和位于潜筒内的垂直方向直流电机、水平方向直流电机、铅球、直杆、配重、电机固定杆；

所述潜筒位于海表面附近，用于给发电装置提供浮力，所述潜筒通过缆绳或锚链固定，多个潜筒可以串联后通过缆绳或锚链固定；所述配重位于潜筒底部，用于调节潜筒总重量，让潜筒总浮力仅略大于总重量；

所述垂直方向直流电机用于将海面波浪水质点运动的垂直方向分量转换为电能，所述水平方向直流电机用于将海面波浪水质点运动的水平方向分量转换为电能；所述电机固定杆设有水平和竖直方向两组电机固定杆，电机固定杆的一端固定于潜筒内壁，电机固定杆的另一端与垂直方向直流电机的定子或水平方向直流电机的定子固定连接；垂直方向直流电机的动子与水平方向直流电机的动子和直杆通过螺栓螺母连接，动子可围绕螺栓旋转；

所述铅球与直杆的一端固定连接，且铅球悬空，铅球做惯性运动时通过推动直杆将惯性传递给动子，当潜筒随波浪作椭圆运动时，铅球与潜筒和定子产生相对运动，从而使定子与动子产生相对运动，产生电流；垂直方向直流电机和水平方向直流电机产生的电流，通过电机固定杆内部的电线输出到潜筒内壁，两个电机的电线通过潜筒密封小孔将电流输送到外部。

2.如权利要求1所述的一种潜筒直流电机波浪能发电装置，其特征在于：所述潜筒输出的电流，通过电线顺着缆绳或者锚链输送到陆地。

3.如权利要求1所述的一种潜筒直流电机波浪能发电装置，其特征在于：所述潜筒由高强度非金属材料制成。

4.如权利要求3所述的一种潜筒直流电机波浪能发电装置，其特征在于：所述潜筒的材质为塑料或PVC。

5.如权利要求1所述的一种潜筒直流电机波浪能发电装置，其特征在于：所述直杆为金属材料制成的刚体。

6.如权利要求1所述的一种潜筒直流电机波浪能发电装置，其特征在于：所述电机固定杆为金属材料制成的刚体。

7.如权利要求1所述的一种潜筒直流电机波浪能发电装置，其特征在于：所述电机固定杆是由与潜筒壁相同的材料一体浇筑形成的杆件。

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