波浪能发电装置及其发电方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 103758685 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103758685 A (21)申请号 201410007568.6 (22)申请日 2014.01.06 F03B 13/18(2006.01) (71)申请人 大连海事大学 地址 116026 辽宁省大连市高新园区凌海路 1 号 (72)发明人 张银东 杨杰 张兴明 李文华 沈岩 孙玉清 (54) 发明名称 波浪能发电装置及其发电方法 (57) 摘要 本发明提供了一种波浪能发电装置， 其包括 ： 用于固定在海底的海底沉箱 ； 通过张力索与海底 沉箱连接的中间浮体， 其完全浸入在海水中 ； 与

2、中间浮体连接的至少一个液压缸 ； 与液压缸活塞 杆连接且漂浮于海面的振荡浮子 ； 其中， 所述中 间浮体内安置有发电单元， 且发电单元与所述液 压缸的吸排油口连接 ； 其中， 所述振荡浮子随海 水的波浪运动时， 将波浪能转化为振荡浮子的机 械能， 而液压缸将所述机械能转化为液体压力能， 并通过所述发电单元将所述液体压力能转化为电 能。本发明的波浪能发电装置， 结构简单， 对波浪 能的提取方便， 发电过程持续、 可控， 工作可靠性 高， 输出电能质量高， 经济效率好 ； 此外， 本发明 还提供一种采用上述的发电装置进行发电的方 法。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附

3、图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103758685 A CN 103758685 A 1/2 页 2 1. 一种波浪能发电装置， 其特征在于， 包括 ： 固定在海底的海底沉箱 ； 通过张力索与海底沉箱连接的中间浮体， 其浸入在海水中， 且其浮力大于其自身重 力 ； 与中间浮体连接的至少一个液压缸 ； 与液压缸活塞杆连接且漂浮于海面上的振荡浮子 ； 其中， 所述中间浮体内安置有发电单元， 且发电单元与所述液压缸的排油口连接 ； 其中， 所述振荡浮子随海水的波浪运动时， 将波浪能转化为振荡浮子的

4、机械能， 而液压 缸将所述机械能转化为液体压力能， 并通过所述发电单元将所述液体压力能转化为电能。 2. 根据权利要求 1 所述的波浪能发电装置， 其特征在于， 所述发电单元包括 ： 与所述液压缸的吸油口连接的油箱， 用于向所述液压缸提供液压油 ； 与所述液压缸的排油口连接的蓄能器， 用于储存所述液压缸输出的液压油 ； 与所述蓄能器连接的液压马达， 用于在所述蓄能器提供的压力液压油流的作用下转 动 ； 与所述液压马达的输出轴连接的发电机， 其在液压马达的驱动下发电 ； 其中， 在所述油箱和所述液压缸的吸油口以及所述液压缸的排油口和所述蓄能器之间 分别设置有单向阀组。 3. 根据权利要求 2 所

5、述的波浪能发电装置， 其特征在于， 所述发电单元还包括设置在 所述油箱与所述蓄能器之间且与所述液压缸并列设置的溢流阀。 4.根据权利要求2或3所述的波浪能发电装置， 其特征在于， 所述发电单元还包括设置 在所述蓄能器与所述液压马达之间的电磁换向阀。 5.根据权利要求1或2所述的波浪能发电装置， 其特征在于， 所述液压缸的活塞杆通过 第一球铰与所述振荡浮子连接， 所述液压缸的缸体通过第二球铰与所述中间浮体连接。 6. 根据权利要求 5 所述的波浪能发电装置， 其特征在于， 所述液压缸的数量为三个， 且 连接在三个液压缸与所述振荡浮子之间的三个第一球铰均匀分布于第一圆上， 连接在三个 液压缸与所述

6、中间浮体之间的 3 三个第二球铰均匀分布于第二圆上。 7. 根据权利要求 6 所述的波浪能发电装置， 其特征在于， 所述第二球铰与所述第二圆 圆心之间的距离大于所述第一球铰与所述第一圆圆心之间的距离， 以使所述液压缸的活塞 杆保持向内倾斜的姿态。 8. 根据权利要求 1 或 2 所述的波浪能发电装置， 其特征在于， 所述振荡浮子为半球形。 9. 一种采用如权利要求 1-8 任一项所述的波浪能发电装置进行发电的方法， 其特征在 于， 包括如下步骤 ： 利用海底沉箱的自重将其沉入预定的海底位置 ； 通过张力索将中间浮体与海底沉箱连接， 使得其内设置有发电单元的中间浮体完全浸 入在海水中， 并悬浮在

7、海水中 ； 通过液压缸将漂浮在海水上的振荡浮子与中间浮体连接， 且将发电单元与液压缸的排 油口连接 ； 其中， 所述振荡浮子随海水的波浪运动时， 将波浪能转化为振荡浮子的机械能， 而液压 缸将所述机械能转化为液体压力能， 并通过所述发电单元将所述液体压力能转化为电能。 权 利 要 求 书 CN 103758685 A 2 2/2 页 3 10. 根据权利要求 9 所述的波浪能发电方法， 其特征在于， 所述海底沉箱通过混凝土浇 筑制成， 所述中间浮体为由钢板焊接而成的水密中空箱体。 权 利 要 求 书 CN 103758685 A 3 1/4 页 4 波浪能发电装置及其发电方法 技术领域 000

8、1 本发明涉及海洋能源开发利用技术领域， 尤其涉及一种波浪能发电装置及其发电 方法。 背景技术 0002 海洋能的蕴藏量巨大， 其中波浪能的分布广泛， 是海洋能开发的重点。但是， 波浪 能虽然有巨大的蕴藏量， 但也有能量密度低、 提取困难的特点， 往往需要较大型的提取设 备， 并且由于海洋环境的恶劣， 海上工程结构的造价较高。 目前出现了许多单一开发波浪能 的技术， 但是由于这些开发技术需要建造专门的支持系统， 成本和维护费用太高， 因此很难 推广。现阶段制约波浪能开发的面临的主要问题是 ： 能量形式单一， 间歇性强 ； 发电过程不 可控， 输出电能质量差 ； 提取装置一次性投资大 ； 电价成

9、本高， 经济效益差 ； 建站对周围环 境影响大等。 发明内容 0003 本发明的目的就是为了克服上述缺点， 提供一种波浪能发电装置， 其结构简单， 对 波浪能的提取方便， 发电过程持续、 可控， 工作可靠性高， 输出电能质量高， 经济效率好 ； 此 外， 本发明还提供一种采用上述的发电装置进行发电的方法。 0004 为实现上述目的， 一方面， 本发明提供一种波浪能发电装置， 其包括 ： 用于固定在 海底的海底沉箱 ； 通过张力索与海底沉箱连接的中间浮体， 由于其浮力大于重力， 在张力索 的作用下悬浮在水中 ； 中间浮体上连接有三个液压缸 ； 与液压缸活塞杆连接且漂浮于海面 的振荡浮子 ； 其中

10、， 所述中间浮体内安置有发电单元， 且发电单元与所述液压缸的排油口连 接 ； 其中， 所述振荡浮子随海水的波浪运动时， 将波浪能转化为振荡浮子的机械能， 而液压 缸将所述机械能转化为液体压力能， 并通过所述发电单元将所述液体压力能转化为电能。 0005 其中， 所述发电单元包括 ： 与所述液压缸的吸油口连接的油箱， 用于向所述液压缸 提供液压油 ； 与所述液压缸的排油口连接的蓄能器， 用于储存所述液压缸输出的液压油 ； 与所述蓄能器连接的液压马达， 用于在所述蓄能器提供的液压油的作用下转动 ； 与所述液 压马达的输出轴连接的发电机， 其在液压马达的驱动下发电 ； 其中， 在所述油箱和所述液压

11、缸的吸油口以及所述液压缸的排油口和所述蓄能器之间分别设置有单向阀组。 0006 进一步的， 所述发电单元还包括设置在所述油箱与所述蓄能器之间且与所述液压 缸并列设置的溢流阀。 0007 更进一步的， 所述发电单元还包括设置在所述蓄能器与所述液压马达之间的电磁 换向阀。 0008 其中， 所述液压缸的活塞杆通过第一球铰与所述振荡浮子连接， 所述液压缸的缸 体通过第二球铰与所述中间浮体连接。 0009 其中， 所述液压缸的数量为三个， 且连接在三个液压缸与所述振荡浮子之间的三 个第一球铰均匀分布于第一圆上， 连接在三个液压缸与所述中间浮体之间的三个第二球铰 说 明 书 CN 103758685 A

12、 4 2/4 页 5 均匀分布于第二圆上。 0010 优选的， 所述第二球铰与所述第二圆圆心之间的距离大于所述第一球铰与所述第 一圆圆心之间的距离， 以使所述液压缸的活塞杆保持向内倾斜的姿态。 0011 其中， 所述振荡浮子为半球形。 0012 另一方面， 本发明还提供一种采用上述的波浪能发电装置进行发电的方法， 其包 括如下步骤 ： 0013 利用海底沉箱的自重将其沉入预定的海底位置 ； 0014 通过张力索将中间浮体与海底沉箱连接， 使得其内设置有发电单元的中间浮体完 全悬浮在海水中 ； 0015 通过液压缸将漂浮在水面上的振荡浮子与中间浮体连接， 且将发电单元与液压缸 的排油口连接 ；

13、0016 其中， 所述振荡浮子随海水的波浪运动时， 将波浪能转化为振荡浮子的机械能， 而 液压缸将所述机械能转化为液体压力能， 并通过所述发电单元将所述液体压力能转化为电 能。 0017 其中， 所述海底沉箱通过混凝土浇筑制成， 所述中间浮体为由钢板焊接而成的中 空箱体。 0018 与现有技术相比， 本发明的波浪能发电装置具有结构简单、 对波浪能的提取方便、 发电过程持续、 可控、 工作可靠性高、 输出电能质量高、 经济效率好、 易于实现的突出优点。 0019 下面结合附图对本发明进行详细描述。 附图说明 0020 图 1 为本发明的波浪能发电装置的结构示意图 ； 0021 图 2 为本发明的

14、第一球铰所在平面示意图 ； 0022 图 3 为本发明的第二球铰所在平面示意图 ； 0023 图 4 为本发明的发电单元的结构示意图。 0024 附图标记说明 ： 1- 振荡浮子 ； 2- 液压缸 ； 3- 中间浮体 ； 4- 张力索 ； 5- 海底沉箱 ； 7-发电单元 ； 13-第一球铰 ； 13a-第一圆 ； 14-第二球铰 ； 14a-第二圆 ； 15-单向阀组 ； 17-溢 流阀 ； 18- 油箱 ； 19- 蓄能器 ； 20- 压力开关 ； 21- 电磁换向阀 ； 22- 液压马达 ； 23- 发电机。 具体实施方式 0025 如图 1 所示， 为本发明的波浪能发电装置的结构示意图

15、。由图 1 可知， 其包括 ： 依 靠自身重力固定在海底的海底沉箱 5 ； 通过张力索 4 与海底沉箱 5 连接的中间浮体 3， 其完 全浸入在海水中 ； 其缸体与中间浮体3连接的三个液压缸2 ； 与液压缸2活塞杆连接且漂浮 于海面的振荡浮子 1 ； 其中， 中间浮体 3 内安置有发电单元 7， 且发电单元 7 与液压缸 2 的排 油口连接 ； 其中， 振荡浮子1随海水的波浪运动时， 将波浪能转化为振荡浮子1的机械能， 而 液压缸 2 将机械能转化为液体压力能， 并通过发电单元 7 将液体压力能转化为电能。 0026 具体的， 如图 1 所示， 海底沉箱 5 是大质量的圆形箱体， 其在陆地上用

16、混凝土浇筑 制成， 然后将其沉入海底， 依靠其自重使其固定在海底的预定位置。 0027 中间浮体 3 为采用普通钢板焊接而成的中空箱体， 其自身浮力远大于其重力， 在 说 明 书 CN 103758685 A 5 3/4 页 6 水中能够呈正浮状态。 0028 海底沉箱 5 与中间浮体 3 通过张力索 4 相连， 张力索 4 采用船用钢缆制成， 连接时 设定张力索 4 的长度， 使中间浮体 3 完全浸入水中， 在浮力的作用下， 中间浮体 3 将拉紧张 力索 4 并悬停在水中。 0029 振荡浮子 1 为其上表面为圆面、 下表面为球面的中空浮体， 其采用普通钢板焊接 而成， 外部涂覆防腐漆， 且

17、在水面上呈正浮状态。由于振荡浮子 1 在海面上随着波浪运动， 因此将波浪能转化为振荡浮子 1 的机械能。 0030 如图 1 所示， 振荡浮子 1 的底部通过三个液压缸 2 与中间浮体 3 相连接。为保证 液压缸 2 能够自由摆动， 液压缸 2 活塞杆端部通过第一球铰 13 与振荡浮子 1 相连接， 液压 缸 2 的缸体底端通过第二球铰 14 与中间浮体 3 相连接， 中间浮体 3 上第二球铰 14 的设置 方式如图 2 所示， 三个第二球铰设置在位于同一平面的第二圆 14a 上， 且在第二圆 14a 的圆 周呈等间隔 120 度分布 ； 振荡浮子 1 上的第一球铰 13 位置与中间浮体 3

18、上的第二球铰 14 布置类似， 如图 3 所示， 即三个第一球铰设置在位于同一平面的第一圆 13a 上， 且在第一圆 13a的圆周呈等间隔120度分布， 只是每个第一球铰与第一圆13a的圆心之间的距离小于第 二球铰与第二圆圆心之间的距离。 0031 应用中， 液压缸 2 采用防水型液压缸， 以防止外界海水通过液压缸 2 渗入液压油 中。而第一球铰 13、 第二球铰 14 均采用防海水腐蚀的不锈钢制成。 0032 通过上述的布置方式， 可以让三个液压缸 2 的活塞杆保持向内聚拢的倾斜姿态， 从而保证每个液压缸 2 能够很好的跟随海面上振荡浮子 1 的升沉和摇晃动作， 并在振荡浮 子 1 与中间浮

19、体 3 距离变小时保持受压状态。 0033 当振荡浮子1随波浪运动时， 必然造成其与中间浮体3距离的变化， 通过拉伸或压 缩液压缸 2 活塞杆的动作， 使得液压缸 2 在推、 拉活塞杆的动作过程中产生吸、 排液压油的 作用， 从而将振荡浮子 1 随波浪运动产生的机械能转换为液压油压力能， 并输送到发电单 元 7 中， 从而将液压油压力能转化为电能。 0034 如图 1 所示， 发电单元 7 设置在中间浮体 3 内， 并通过液压油管与设置在中间浮体 3 之外的三个液压缸相连。而为了在其内安置发电单元 7， 在中间浮体 3 内预留用于安装发 电单元的道门 ( 图中未示出 )， 并在道门处设置防水密

20、封。 0035 其中， 如图4所示， 发电单元7为液压发电单元， 其包括 ： 与液压缸2的吸油口连接 的油箱18， 用于向液压缸2提供液压油 ； 与液压缸2的排油口连接的蓄能器19， 用于储存液 压缸 2 输出的液压油 ； 与蓄能器 19 连接的液压马达 22， 其在蓄能器 19 提供的液压油的作 用下转动 ； 与液压马达 22 的输出轴连接的发电机 23， 其在液压马达 22 的驱动下发电。 0036 其中， 如图4所示， 在油箱18和液压缸2的吸油口之间设置有单向阀组15， 以便液 压缸 2 的活塞杆伸出时， 可以使油箱 18 内的液压油从液压缸 2 的吸油口进入， 而在液压缸 2 的活塞

21、杆缩回时， 使液压缸 2 内的液压油不能从液压缸 2 的吸油口回流到油箱 18 内。 0037 其中， 如图 4 所示， 在液压缸 2 的排油口和蓄能器 19 之间也设置有单向阀组 15。 当液压缸 2 的活塞杆缩回时， 可以使液压缸 2 内的液压油从液压缸 2 的排油口流出并进入 到蓄能器 19 内。 0038 由于波浪的作用， 液压缸的活塞杆连续发生伸缩运动， 从而在两组单向阀组 15 的 作用下， 液压油从油箱吸入液压缸并加压输送到蓄能器中储存。 说 明 书 CN 103758685 A 6 4/4 页 7 0039 优选的， 发电单元 7 还包括设置在油箱 18 与蓄能器 19 之间且

22、与液压缸 2 并列的 溢流阀 17， 以防止蓄能器 19 内液压油压力超过预定值。 0040 此外， 如图 4 所示， 发电单元 7 还包括设置在蓄能器 19 与液压马达 22 之间的电磁 换向阀 21。当蓄能器中储存的加压液压油达到设定压力值时， 压力开关 20 动作， 电磁换向 阀 21 开启， 蓄能器 19 中液压油被供给液压马达 22， 液压马达 22 转动驱动与其同轴的发电 机 23 进行发电， 从而实现了波浪能转化为液压油压力能、 液压油压力能转化为电能的转化 利用。 0041 发电单元 7 中的各元件在制作时选用的零部件与陆地设备使用的标准件相同， 只 是由于维修更换较难， 因此

23、应选择制造质量更高的元件来制造以提高系统的可靠性。 0042 此外， 本发明还提供一种采用上述的波浪能发电装置进行发电的方法， 其包括如 下步骤 ： 0043 利用海底沉箱的自重将其沉入预定的海底位置 ； 0044 通过张力索将其内设置有发电单元的中间浮体与海底沉箱连接， 使得中间浮体完 全浸入在海水中 ； 0045 通过液压缸将漂浮在海水上的振荡浮子与中间浮体连接， 且将发电单元与液压缸 的吸油口与排油口连接 ； 0046 其中， 振荡浮子随海水的波浪运动时， 将波浪能转化为振荡浮子的机械能， 而液压 缸将机械能转化为液体压力能， 并通过发电单元将液体压力能转化为电能。 0047 具体的，

24、当海面有波浪时， 振荡浮子 1 随着波浪运动， 在运动过程中振荡浮子 1 与 中间浮体 3 之间的相对距离发生变化， 使得连接两者的液压缸的活塞杆进行伸出或缩回的 动作。 0048 通过振荡浮子 1 拉伸或压缩液压缸 2 活塞杆的动作， 使得液压缸 2 在推、 拉活塞杆 的动作过程中产生吸、 排液压油的作用， 从而将振荡浮子 1 随波浪运动产生的机械能转换 为液压油压力能， 即从油箱吸入液压缸的液压油被加压输送到蓄能器中储存。 0049 输送到蓄能器中储存的液压油随着波浪的运动持续增加， 当蓄能器中储存的加压 液压油达到设定压力值时， 压力开关 20 动作， 电磁换向阀 21 开启， 蓄能器 19 中的加压液压 油被供给液压马达22， 从而驱动液压马达22转动， 液压马达22转动时驱动与其输出轴连接 的发电机 23 转动， 从而使发电机 23 进行发电。由此， 实现了波浪运动的波浪能转化为液压 油压力能、 液压油压力能转化为电能的转化利用。 0050 尽管上文对本发明作了详细说明， 但本发明不限于此， 本技术领域的技术人员可 以根据本发明的原理进行修改， 因此， 凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为 落入本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103758685 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103758685 A 8