CN101603497A - 海洋浪潮能量利用及发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋浪潮能量利用及发电设备，由能量采集装置、能量传递装置、能量转换装置、蓄能装置和做功机械组成；能量采集装置通过与其活动连接的推拉杆将能量通过活塞传递给液压缸内的液体，液压缸内的液体与具有弹性功能的稳压蓄能装置相连通，同时还与供能管道相连通，该供能管道的液体带动发电机工作。本发明利用的能源为无污染能源，可将海水上下前后左右及旋转等三维方向的低速、分散、间断、无序的机械能量采集利用，除用于发电外，还可作为制氢、淡化海水、食品及各种工农业品加工的能量。

Description

海洋浪潮能量利用及发电设备

技术领域

本发明涉及一种将海洋浪潮的上下、前后及左右三维波动的低速无序的低品位机械能量转换为高品位能量的海洋浪潮三维能量利用设备，尤其是一种海洋浪潮能量发电设备。

背景技术：

海洋面积占地球表面的70％以上，海洋中的海水由于在不同时间段受月球引力的不同，每天都要有两次涨潮和落潮，潮差在2米至6米之间，有时甚至可达10米以上，同时还有时大时小的起伏波浪。这种潮汐和波浪具有极大的能量。

现有的潮汐发电是利用收缩水道将涨潮时的海浪引入高位水库形成水位差(水头)，再利用水头下流直接驱动水轮发电机组发电的，所利用潮汐的能量微乎其微。

风作用于海水会引起风浪，地震及海底的火山爆发等也会引起浪涌。因此，海浪能是地球能源中最丰富、最普遍、取之不尽、用之不竭而又较好利用的最可靠资源。波浪能又是海洋能中所占比重较大的海洋能源。海水的波浪运动产生十分巨大的能量，这种能量以海水的上下波动、前后、左右波动、晃动以及涌动为表现形式。据估算，世界海洋中较容易利用的波浪能达千亿千瓦以上。

潮汐能和波浪能是最清洁的可再生资源，它的开发利用，将从根本上缓解由于矿物能源逐渐枯竭的危机，改善由于燃烧矿物能源对环境造成的破坏。

以往，人们把海浪能和潮汐能看作是无序、分散、间断、不可控的低速、低品位机械能，认为不容易利用，要利用必须经过中间环节使之有序、集中、连续、可控，再变为高速后才可利用。

100多年来，世界各国科学家不懈努力，提出了数百种设想，发明了各种各样的利用海浪能发电的装置。目前经研究开发，已比较成熟的海浪发电装置除上述潮汐发电装置外，还有下列二类：

一是“波浪压缩空气型”，用一个容积固定的、与海水相通的容器装置，通过波浪产生的水面位置变化引起容器内的空气容积发生变化，压缩容器内的空气，借助空气作中间介质，用压缩空气驱动叶轮，带动发电装置发电；

二是“机械驱动液体型”，利用波浪的运动推动中间装置的活动机械部分——鸭体、筏体、浮子等，活动机械部分驱动油或水等中间介质，通过中间介质推动发电装置发电。

其它类型的机械能转换装置由于难以达到持续、稳定、集中、匀速可控的程度，利用起来较困难，应用较少。

这三种类型的海浪发电装置虽然各有优点，但它们共同的缺点是：1、海浪能转换成电能的中间环节多，设备复杂，效率低，不容易形成规模；2、只能部分的利用海浪机械能量中的一维能量，不能把无序的、分散的、低密度的、不稳定的三维波浪能吸收起来，发电成本高；3、海浪能量转换装置及其构筑物承受灾害性海洋气候的能力差，不容易抵抗台风、海啸的破坏，安全隐患较大。这是当今海浪能开发利用的主要难题。

最近英国等西欧国家开发出了浮筒式海蛇技术，他们使用几个串接在一起的浮筒骑在海浪上，利用海浪的起伏坡角的变化来推动浮筒的活塞发电，这种方式的确可以使得系统的抗风浪性得以增强，但因为波浪的起伏本身其实很平缓，角度变化也很小，且它是垂直于波峰线的，所以一串浮筒只能对应很小宽度的波浪，效率并不理想，其抗台风、海啸的能力也不够强，并没有克服上述难题。

由于各种技术问题，目前海浪发电成本比热电高10倍左右且存在安全隐患。

科技不是越复杂越好，正相反，能用最简单的设备和方法解决人们一直认为不容易解决的问题就是高科技。要想提高海浪发电的实用化水平，必须解决现有技术存在的上述主要难题，摆脱现有观念的束缚，减少中间环节，利用简单方便的可靠设备，适应海浪运动的实际情况，实现海洋浪潮三维能量的转换。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述难题而提供的一种能量转换装置，尤其是一种机构简单、中间介质少、中间环节少、运行安全、可将海浪上下、前后、左右以及旋转等三维方向的无序的机械能比较充分地转换为电能的海洋浪潮能量发电设备。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种海洋浪潮能量利用设备，由能量采集装置、能量传递装置、能量转换装置、蓄能装置和做功机械组成；特征在于能量采集装置为海上漂浮物，能量传递装置为与其活动连接的推拉杆，能量转换装置为液压缸，能量采集装置得到的能量经推拉杆通过活塞传递给液压缸内的液体，液压缸内的液体与蓄能装置连通，同时还通过液压流量调节阀与供能管道连通，供能管道的液体流动带动做功机械工作。

能量采集装置为漂浮在海水里的固体漂浮物，其底部有垂直于海平面与海岸平行的板，其底部设有若干个大口朝下的与海水相通的漏斗状垂直波浪能采集装置，漏斗状结构的尾部为液压筒，内有活塞接受能量并实现转换。

该能量传递装置的垂直力传递为杠杆带动活塞，能量传递装置水平力传递为一传动杆，其一端与能量采集装置水平面部分呈活动连接，另一端通过套筒推杆可滑动地与摆动杠杆相连，套筒推杆套在摆动杠杆外，可随海面的升降而升降。

摆动杠杆为一可摆动地固定在摆杆支座上的杠杆，其下方一端与套筒推拉杆连接，上方端与另一机械传动装置连接，驱动活塞装置做功。

利用活塞做功的装置其活塞杆为一丝杠，居于液压缸中心，可随液压缸顶部的螺母的转动而上下移动，螺母通过棘轮齿轮与摆动齿条啮合连接；棘轮齿轮分为直接齿轮驱动和通过变向齿轮间接驱动两种，均与驱动液压缸活塞的螺母相连。

液压动力液体为密封循环使用，其流出压力及流量根据需要可调，由液压流量调节阀控制。

蓄能装置为带有活塞的缸，活塞的一端所处空间与液压缸及做功液体管相连通，里面充满液体，活塞的另一端所处空间内为弹性物资，可以是弹簧，也可是气体，该气体的进出或封闭由位于其端部的进出气阀控制。

与能量采集装置长轴两端相连的能量传递装置中的推拉杆支座为一可滑动地固定在与长轴垂直的侧壁上的水平滑槽内，水平滑槽可随海平面的升降而升降。

位于离岸较远的能量采集装置为套在固定于海底支柱上的漂浮物，上部为盆或船样结构，下面围绕支柱套管呈放射状连接有若干个可旋转的门扇样能量采集板，能量采集板转轴上连接转轴齿轮，该齿轮通过传动棘轮与活塞杆上的驱动螺母啮合，带动活塞往复运动做功。

能量采集装置为漂浮在海水里的固体漂浮物，其吃水深度大于1米，其上可修建房屋、游泳池及其它生活、娱乐场所。

除发电以外的能量利用装置为制氢、淡化海水、食品加工装置以及其它工业机械。

下面结合附图进一步说明：

图1为本发明的海洋浪潮能量利用装置结构原理图；

图2为本发明的海洋浪潮能量发电装置示意图；

图3为本发明的能量转换装置示意图；

图4为本发明的海洋浪潮能量利用装置向岸视示意图；

图5为本发明的能量采集装置示意图；

图中：1、能量采集装置，2、能量传递装置，3、能量转换装置，4、蓄能装置，5、做功机械，1′、垂直波浪能采集装置，10、垂直支柱，101、门扇样能量采集板，11、垂直挡板，20、水平推拉杆，201、转轴齿轮，21、垂直推拉杆，211、齿条主动轮，2111、双向式棘轮机构，2112、双向式棘轮机构，212、从动轮，22、摆动杠杆，23、摆杆支座，23′、滑动支座，24、可升降水平滑槽，31活塞，32、活塞杆，33、活塞杆螺母，40、蓄能活塞弹性物，401、气压调节阀，41、液压流量调节阀，42、供能管道。

具体实施方式

参见图1，说明本发明的基本工作原理。

本发明是一种海洋浪潮能量利用设备，由能量采集装置1、能量传递装置2、能量转换装置3、蓄能装置4和做功机械5组成；特征在于能量采集装置1为海上漂浮物，能量传递装置2为与其活动连接的推拉杆2，能量转换装置3为液压缸3，能量采集装置1得到的能量经活动推拉杆2通过活塞31传递给液压缸3内的液体，液压缸3内的液体与蓄能装置4连通，同时还通过液压流量调节阀41与供能管道42连通，供能管道42的液体流动带动做功机械5工作。

下面参照图2，提供一个较为优选的海洋浪潮能量发电设备实施例。

能量采集装置1为一放置在海里的固体漂浮物，呈长条状，其长轴与海岸平行，离岸距离超过半米，水深需超过3米，其吃水深度大于1米，其底部有垂直于海平面与海岸平行的板11，其上可修建房屋、游泳池及其它生活、娱乐场所。

能量采集装置1的底部设有若干个大口朝下的与海水相通的漏斗状垂直波浪能采集装置1′，接受波浪上下移动的能量，漏斗状结构的尾部为液压筒，内有活塞接受能量并实现转换。

能量采集装置1的顶部重心连接有接受潮汐变化能量及海浪起伏能量的条形传动杆21，条形传动杆21为齿条，与主动轮211啮合，带动活塞杆螺母33转动，使液压缸活塞31移动做功。

能量采集装置1靠岸一侧的中部水面处连接水平推拉杆20，水平推拉杆20一端与能量采集装置1水平面部分呈活动连接，另一端通过其套筒与摆动杠杆22相连，套筒推拉杆20套在摆动杠杆22外，可随海面的升降而升降。

由于海浪向岸运动时能量大，离岸能量小，为保证能量采集装置1向岸和离岸往复运动，也为了能量采集装置1的平稳移动，可在水平推拉杆20两侧的能量采集装置1与海岸之间加装若干个弹性装置。

摆动杠杆22为一可摆动地固定在摆杆支座23上的杠杆，其下方一端与套筒推拉杆20连接，上方端与能量转换装置的活塞杆32连接。

本发明的发电采用液压驱动，液压系统所用液体为密封循环使用，其流出压力及流量根据需要可调。

蓄能装置4为带有活塞的缸，活塞的一端所处空间与若干个液压缸3及液压流量调节阀4和供能管道42相连通，里面充满液体，活塞的另一端所处空间内为弹性物资，可以是固体，如橡胶、弹簧等，也可是气体，该气体的进出或封闭由位于其端部的进出气阀401控制。液压流量调节阀41是用于调节液体压力和液体流量的装置。当液压流量调节阀4关闭时，来自液压缸3的液体进入蓄能装置4，压力传至活塞，压缩该活塞另一端的弹性物质，压力越大，所蓄能量越大。当压力达到要求值时，液压流量调节阀4开启，流量大小根据需要确定，此时高压力的液体进入供能管道42，冲击水轮机，带动发电机5发电。

就发电而言，由于发电机要发出恒定频率与恒定电压的电，必须保证发电机转子的转速稳定。采用上述能量转换及蓄能措施，控制流入水轮机的液体压力和流量恒定，即可达到目的。由于海浪潮流的能量时常变化，其提供的能量也随之变化，为达到稳定发电，蓄能装置4可连接多个液压流量调节阀41和供能管道42，供多个发动机组工作。其中有一个为主发动机组，保持连续运行。当蓄能装置4内的压力超过所需数值时，开启备用的发动机组；当压力小于所需数字时，关闭相应的备用机组。发出电量的大小，取决于能量采集装置1所取得海浪能量的大小。

下面参照图3，进一步说明能量传递与能量转换的优选机构：

一种结构可靠、运行稳定、比较优选的能量传递装置2由齿条21、主动轮211、双向式棘轮机构2111和2112及从动轮212组成，能量转换装置3由液压缸3、活塞31、丝杠活塞杆32及丝杠螺母33组成。齿条21与能量采集装置1的顶部重心处相连接，随着海面的起伏，能量采集装置1带动齿条21上下移动，齿条21与主动轮211啮合，带动双向棘轮2111与2112转动，双向棘轮2111与2112的棘爪摆动方向相反且可在活塞31接近缸底时同时改变棘爪的摆动方向；活塞杆32为一丝杠，居于液压缸中心，可随液压缸顶部的螺母33的转动而上下移动，螺母33与双向棘轮2111与从动轮212啮合；从动轮212由双向式棘轮机构2112驱动。当能量采集装置1在海水的作用下位置升高时，其顶部的齿条21向上移动，主动轮211做逆时针方向转动，此时将双向式棘轮机构2111的棘爪摆动方向设置为逆时针方向做功，顺时针方向滑动，双向式棘轮机构2112的棘爪摆动方向设置为顺时针方向做功，逆时针方向滑动，则主动轮211带动双向式棘轮机构2111逆时针方向做功，驱动活塞杆螺母33做顺时针方向转动，带动活塞31向远端移动，双向式棘轮机构2112不做功，其棘爪逆时针方向滑动；当齿条21向下移动，主动轮211做顺时针方向转动，带动双向式棘轮机构2112顺时针方向转动做功，驱动从动轮212逆时针方向转动，从动轮212驱动活塞杆螺母33做顺时针方向转动，带动活塞31向远端移动，双向式棘轮机构2111顺时针方向滑动，不做功。齿条21如此往复则上下，则驱动活塞31向远端移动。移动至接近缸底时，通过行程开关机构(图中未示出)改变双向式棘轮机构2111和2112的摆动方向，则齿条21的上下移动使活塞31向近端移动做功，当活塞31移动接近至近端缸底时，通过行程开关机构(图中未示出)再改变双向式棘轮机构2111和2112的摆动方向，使活塞31再往相反方向移动。如此周而复始，实现间断、往复能量的传递与转换，通过蓄能装置4和液压流量调节阀41持续稳定地释放能量做功。

这种机构同样也适用于水平能量传递装置，将图2中摆动杠杆22上端连接的活塞杆32换成滑动齿条21及上述装置即可实现。

下面参照图4，说明能量采集装置的相对固定。

能量采集装置1是漂浮在海面上的固体物，可在任何海面上设置，为方便施工和降低成本，首先考虑在海水较深的岸边设置。为适应海浪潮流的变化，取得相应的能量，防止其漂移，必须有相对的固定和抗台风与海啸的设施。对于能量采集装置1的相对固定，除前述其顶部通过齿条21相对固定于齿轮支架上及向岸方向通过水平推拉杆20及其两侧的弹性装置相对固定外，在其长轴的两端(至少一端)还有相对固定装置。与能量采集装置1长轴两端相连的能量传递装置中的推拉杆20的推拉杆支座23′为一可滑动地固定在与长轴垂直的位于侧壁上的水平滑槽24内，水平滑槽24可随海平面的升降而升降。

为了防止台风和海啸的破坏，将其能量充分利用，制造能量采集装置1的材料应具有良好的防腐蚀和抗冲击能力，其重量及体积尽量大。垂直挡板11可做成可拆卸型，当海浪小时，挡板11全部按上，浪大时部分拆下，台风或海啸到来时将挡板11全部卸下。发电机组也应有足够的储备。放置发电机组的房屋应具有抗地震、抗台风和抗海啸的能力。

下面参照图5，介绍离岸较远的海洋中的能量采集装置

根据以上工作原理，能量采集装置1还可设置成位于离岸较远的海洋中套在固定于海底支柱10上的漂浮物。为防止折断，支柱10可在与海底连接处做成活动连接，成为垂直晃动的支柱，支柱10的上端为齿条。能量采集装置1上部为盆或船样结构，其上有与支柱10上的齿条啮合的齿轮传动机构(结构同图3所示)，能随海浪的上下浮动而转动做功。其下面围绕支柱套管呈放射状连接有若干个可旋转的门扇样能量采集板101，用于接受作用于该板上的海浪能量，能量采集板转轴上端连接转轴齿轮201，该齿轮相当于图3所示的21，通过传动棘轮211及双向式棘轮机构2111、212等与活塞杆上的螺母33啮合，带动活塞31往复运动做功。这样，即可实现海浪垂直能量和水平能量的较充分利用。

上述能量转换方式也可用于风力发电或其他低速无序能量的利用。上述所说的能量采集装置1可由其它形式的能量采集装置代替，推拉杆和摆动杠杆由其它方式的能量传递装置如齿轮、链条等代替，滑动齿条与棘轮齿轮传动变速也可不连接液压缸，而连接惯性飞轮蓄能等装置实现本发明的模式。

本发明的海洋浪潮能量发电设备具有结构简单可靠、能适应海洋浪潮的无序变化、中间环节少、能量转换率高，可将海水上下前后左右及旋转等三维方向的低速、分散、间断、无序的机械能量采集利用，功率大、电压输出稳定、持久、能抵御灾害天气、成本低等特点。

本发明利用的能源为无污染能源，除用于发电外，还可作为制氢、淡化海水、食品及各种工农业品加工的能量。

最后所应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照上述实施方式对本发明进行了较详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，即使对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，只要不脱离本技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1、一种海洋浪潮能量利用设备，由能量采集装置(1)、能量传递装置(2)、能量转换装置(3)、蓄能装置(4)和做功机械(5)组成；特征在于能量采集装置(1)为海上漂浮物，能量传递装置(2)为与其活动连接的推拉杆，能量转换装置(3)为液压缸，能量采集装置(1)得到的能量经推拉杆(2)通过活塞(31)传递给液压缸(3)内的液体，液压缸(3)内的液体与蓄能装置(4)连通，同时还通过液压流量调节阀(41)与供能管道(42)连通，供能管道(42)的液体流动带动做功机械(5)工作。

2、根据权利要求1所述的海洋浪潮能量利用设备，其特征在于能量采集装置(1)为漂浮在海水里的固体漂浮物，其底部有垂直于海平面与海岸平行的板(11)，底部还设有若干个大口朝下的与海水相通的漏斗状垂直波浪能采集装置(1′)，漏斗状结构的尾部为液压筒，内有活塞接受能量并实现转换。

3、根据权利要求1所述的海洋浪潮能量利用设备，其特征在于该能量传递装置(2)的垂直力传递为齿条推拉杆(21)通过齿轮传动带动活塞(31)，能量传递装置(2)水平力传递为一传动杆(20)，其一端与能量采集装置1水平面部分呈活动连接，另一端通过套筒可滑动地与摆动杠杆(22)相连，带有套筒的传动杆(20)套在摆动杠杆(22)外，可随海面的升降而升降。

4、根据权利要求3所述的海洋浪潮能量利用设备，其特征在于摆动杠杆(22)为一可摆动地固定在摆杆支座(23)上的杠杆，其下方一端与套筒推拉杆(20)连接，上方端与另一机械传动装置(32)连接，该传动装置(32)为液压缸的活塞杆。

5、根据权利要求1所述的海洋浪潮能量利用设备，其特征在于能量传递装置(2)由齿条(21)、主动轮(211)、双向式棘轮机构(2111和2112)及从动轮(212)组成，双向棘轮(2111)与(2112)均由主动轮(211)带动，其棘爪摆动方向相反且可在活塞31接近缸底时同时改变棘爪的摆动方向，活塞杆(32)为一丝杠，居于液压缸中心，可随液压缸顶部的螺母(33)的转动而上下移动，螺母(33)与双向棘轮(2111)与从动轮(212)啮合；从动轮(212)由双向式棘轮机构(2112)驱动。

6、根据权利要求1所述的海洋浪潮能量利用设备，其特征在于液压系统所用液体为密封循环使用，其流出压力及流量根据需要可调，由液压流量调节阀(41)控制。

7、根据权利要求1所述的海洋浪潮能量利用设备，其特征在于蓄能装置(4)为带有活塞的缸，活塞的一端所处空间与液压缸(3)及供能管道(42)相连通，里面充满液体，活塞的另一端所处空间内为弹性物资(40)，可以是弹簧，也可是气体，该气体的进出或封闭由位于其端部的进出气阀(401)控制。

8、根据权利要求1所述的海洋浪潮能量利用设备，其特征在于与能量采集装置(1)长轴两端相连的能量传递装置中的推杆支座(23′)为一可滑动地固定在与长轴垂直的位于侧壁上的水平滑槽(24)内，水平滑槽(24)可随海平面的升降而升降。

9、根据权利要求1所述的海洋浪潮能量利用设备，其特征在于能量采集装置(1)为套在固定于海底支柱(10)上的漂浮物，上部为盆或船样结构，下面围绕支柱套管呈放射状连接有若干个可旋转的门扇样能量采集板(101)，能量采集板转轴上连接转轴齿轮(201)，该转轴齿轮(201)通过传动棘轮与活塞杆上的驱动螺母(33)啮合，带动活塞(31)往复运动做功。

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