浮体绳轮波浪能发电系统.pdf

本发明涉及一种波浪能发电系统。本发明是利用浮体来接受波浪的推动，通过一端系在其上而另一端缠绕在转轮上的绳拉动转轮，将获得的无规律的波浪推力转换成旋转动力，波浪回落阶段，依靠蜗簧，带动转轮反转，将绳收回。对于浮标灯塔，转轮可以直接接发电机，进行整流蓄电，对于大规模波浪能发电，浮体可组成阵列面，而转轮则通过棘轮、液压系统实现能量传递、汇集，最后经发电机组实现发电。本系统能够适应大多数波形的波浪，并能高效率的吸收波浪能，抗风浪性强、造价低、不必依赖岸基作业。

1、  一种波浪能发电系统，包括波浪能采集部分、传动与转换部分，其特征于：其波浪能采集部分，包括浮体(1)、绳(2)、转轮(3)、蜗簧(4)；绳(2)一端系在浮体(1)上，另一端缠绕在转轮(3)上，转轮(3)一侧与蜗簧(4)轴联。

2、  一种波浪能发电系统，包括波浪能采集部分、传动转换部分，其特征于：其波浪能采集部分，包括浮体阵列面(5)、绳(2)、转轮(3)、蜗簧(4)，浮体阵列面(5)是由多个板状的浮体(1)在一个平面内铺开，相邻浮体(1)间通过弹性衔接面(6)衔接而成的；弹性衔接面是弹性材料做成的面；绳(2)一端系在浮体阵列面(5)上，另一端缠绕在转轮(3)上，转轮(3)一侧与蜗簧(4)轴联。

3、  根据权利要求1所述的一种波浪能转换与发电系统，其特征在于：所述的转换部分包括发电机(19)、整流电路、蓄电池；转轮(3)、蜗簧(4)、发电机(19)、整流电路、蓄电池放在一个容器(25)内，该容器(25)拴有一系向海床的绳(26)，或该容器(25)在垂直投影面积比较大，使其上下水的阻力很大。

4、  根据权利要求2所述的一种波浪能转换与发电系统，其特征在于：所述的浮体(1)呈正三圆角板、或圆板、或圆角矩形板或其它种凸多边形板。

5、  根据权利要求2所述的传动系统，其特征在于，所述的绳(2)在近浮体(1)一侧，与若干支绳(7)连接，支绳(7)系在彼此相邻的多个浮子(1)上；或绳(2)通过钢架(8)间接连接多个支绳(7)。

6、  根据权利要求2所述的传动系统，其特征在于，所述的浮体阵列面(5)的外围有一框架(29)，系向框架的绳(28)向外扯着浮体阵列面(5)。

7、  根据权利要求2所述的波浪能转换与发电系统，其特征在于：所述的绳(2)通过一滑轮(31)，该滑轮的支架(9)固定在一轴承(10)内环上。

8、  据权利要求1所述的波浪能转换与发电系统，其特征在于：转轮(3)两侧的轴，分别通过水密封圈(11)再与蜗簧(4)和传动机构或发电机(19)轴联；蜗簧(4)、发电机(19)及其附属设备都在水密性的容器(25)内，转轮外涂防腐材料或本身用抗腐蚀材料制作。

9、  据权利要求2所述的波浪能转换与发电系统，其特征在于：转轮(3)两侧的轴，分别通过水密封圈(11)与蜗簧(4)和棘轮(12)轴联，棘轮(12)再与液压传动系统输入端(13)相连；蜗簧(4)、棘轮(12)、液压系统、发电机(19)及附属设备都在水密性的容器(25)内，转轮(3)用抗腐蚀材料制作或外涂防腐材料。

10、  据权利要求2所述的波浪能转换与发电系统，其特征在于：所述的转换部分包括液压系统、发电机(9)及辅助设备；液压系统包括柱塞泵输入端(13)、高压管(14)、回油管(15)、蓄能器(27)、柱塞泵输出端(17)；柱塞泵输出端(17)有自控换向阀(18)，该阀上下两端分别接通高压管(14)和回油管(15)，自控换向阀(18)内有一个同轴双活塞(22)，同轴双活塞(22)的每个活塞高度大于高压管(14)、回油管(15)直径，两活塞间距小于高压管(14)、回油管(15)间距；换向活塞(22)的上下两端各有轴(21)，伸出自控换向阀(18)外，液压系统的输出端(17)柱塞泵活塞上的连杆上固结有两个撞击杆(23)，分别对应同轴双活塞(22)的两个轴(21)。

浮体绳轮波浪能发电系统
技术领域
本发明属海浪发电领域。
背景技术
目前的波浪能转换系统，通常具有两个部分：第一部分为采集系统，作用是俘获波浪能；第二部分为转换系统，即把俘获的波浪能转换为某种特定形式的机械能或电能。采集系统的形式有振荡水柱式(OWC)、振荡浮子式(Buoy)、摆式(Pendulum)、鸭式(Duck)、筏式(Raft)、收缩坡道式(Tapchan)、蚌式(Clam)等，提高波浪能俘获量的技术有通过波浪绕射或折射的聚波技术，以及通过系统与波浪共振的惯性聚波技术。转换部分有空气叶轮、液压系统、低水头水轮机、以及发电机等，提高转换效率的方法有可控叶片、变阻尼、整流、定压等，提高能量质量的方法有能量缓冲和调励磁等。目前最常见的是振荡水柱+空气叶轮的波浪能装置，另外，振荡浮子+液压系统也是目前发展势头最猛的波浪能装置，该技术采用浮子俘获波浪能，通过与浮子连接的液压装置将波浪能转换成液压能，再通过发电机转换成电能，或通过其它设备制造淡水或冰。
虽然波浪能转换的装置千变万化，但目前大多数仍无法适应变化多端的海浪，抗风浪能力也差，在海浪小的时候，对其吸收波浪能的部分，推动力太小，远远达不到其额定效果，吸收能力太差，而在海浪大的时候，又往往超过了它吸收波浪能装置的工作范围，导致系统受损。
就拿就要投入商业运营的“海蛇”来说，在海浪波长小于它的每节长度的时候，海浪对每节的作用几乎类同，无法让海蛇作“曲膝”的弯曲动作，因此无法吸收海浪能。如果海浪的1/4波长大于海蛇总长度，虽然海浪的波高大了，但波形变得平缓，所以仍然无法有效的吸收海浪能。
发明内容
本发明的目的是提供一种浮体绳轮波浪能发电系统，它能够在大部分波形的波浪下仍能够有效工作，有效工作时间长，抗风浪能力强。
本发明的技术方案(见图11)：
本系统利用浮体(1)来吸收波浪能，然后通过一端系在其上而另一端缠绕在转轮(3)上的绳(2)拉动转轮(3)，实现将获得的无规律的波浪推力，转换成旋转动力，转轮(3)一方面将动力输出给传动机构、发电机进行发电，另一方面收紧蜗簧(4)进行蓄能；在波浪回落阶段，绳(2)变松，蜗簧(4)释放势能带动转轮(3)反转，将松垮的绳(2)收回。
工作原理详细如下：
根据波浪理论，波浪上的点实际上是在作圆周运动，不管多大的浪，只是圆周运动的半径大小不同而已，所以漂浮在波浪上的浮体(1)也跟着在作圆周运动，这样浮体(1)与转轮(3)相对距离就会发生周期变化。当浮体(1)与转轮(3)的距离增大时，一端系在浮体(1)上，而另一端缠绕在转轮(3)上的绳(2)就会拉动转轮(3)旋转，从而将波浪不规则的推力转换成旋转动力，拉程(即拉绳的行程)等于圆周运动的直径即波浪波高，同时在此过程中也收紧了收绳用的蜗簧(4)。在波浪回落阶段，浮体(1)与转轮(3)之间距离减小时，波浪推力消失，绳(2)变松，这时蓄能的弹簧(4)的弹性势能释放，带动转轮(3)反向旋转，将绳(2)收回，波浪能采集，就是这样不断重复着拉、收两个过程。
对于简化型浮体绳轮波浪能发电系统(见图1)，转轮(3)输出的动力可直接给发电机(19)或通过变速器再给发电机进行发电。
而对于完整型浮体绳轮波浪能发电系统，转轮(3)输出的动力先通过棘轮(12)变为单向旋转动力，然后再通过液压系统输入端(13)、压力蓄能器(16)、液压系统输出端(17)进行能量的汇集、稳压、输出，最后由发电机(19)将机械能转化为电能，必要的时候也可以加辅助整流设备。
为了使转轮(3)位置能够尽量稳定，以配合转轮(3)与浮体(1)的相对运动，转轮(3)所基于的的容器(25)，在水中，其垂直投影面积尽量大，以提高水的阻力，因为深处的水几乎不流动。当然也可以不必用增加面积这个方法，而直接用系向海床的绳(26)拴住容器(25)就可以了。
浮体(1)可采用圆形、正三圆角形、圆角矩形或其它种凸多边形板形状(之所以采用圆角是为了防止尖角撕裂弹性衔接面)，多个板状的浮体(1)在一个平面内铺开，相邻浮体(1)间通过弹性衔接面(6)衔接，从而构成整个一个浮体阵列面(5)，从而增加了与波浪的接触面积，减少波浪绕过浮体而引起的能量流失，其容易弯曲性也使之能跟随各种形式的波浪弯曲起伏，能够自动适应，从而高效率的吸收波浪能。
因为浮体阵列面(5)上的相邻浮体(1)的运动状态、位置相近，所以绳(2)可以分叉成若干股支绳(7)，通过支绳(7)系在相邻的多个浮体(1)上，就可以获得多个浮体(1)的拉力，绳(2)也可用通过杆架(8)将更大范围的各个支绳(7)连接起来，以能够传递更大面积波浪的推力。
为了防止浮体阵列面(5)打卷，设置一个框架(29)，从该框架(29)引出的绳将整个浮体阵列面(5)向外扯，从而使浮体阵列面(5)保持展开状态。
为使转轮(3)能够更好的工作，使缠向转轮(3)的绳(2)保持稳定，让绳(2)经过一个滑轮(31)再通向转轮(3)。该滑轮的支架(9)固定在轴承(10)的内环上。这样由浮体(1)来的绳(2)的角度即使不断改变，滑轮(11)都可以适时调整方向，使得通向转轮(3)的绳(2)方向保持稳定。
转轮(3)的两侧应加挡板(30)，以限制绳缠绕的范围。
基于防腐的考虑，为了最大程度减少与海水的接触，对于简化型浮体绳轮波浪能发电系统，转轮(3)两侧的轴，分别通过水密封圈(11)再与蜗簧(4)和传动机构或发电机(19)轴联；蜗簧(4)、发电机(19)及其附属设备都在与水隔离的容器(25)内。而对于完整型浮体绳轮波浪能发电系统，转轮(3)两侧的轴，分别通过水密封圈(11)与蜗簧(4)和棘轮(12)轴联，棘轮(12)再与液压传动系统相连；蜗簧(4)、棘轮(12)、液压系统、发电机(19)及其附属设备都在与水隔离的容器(25)内。这样，只有浮体(1)、绳(2)、转轮  (3)浸在海水里，可以最大限度的减少海水对这个系统的腐蚀，参加图9，里面的外廓(24)下面保护的就是蜗簧(4)、棘轮(12)。
每个液压系统输出端(17)，都配有自控换向阀(18)，用自控换向阀(18)来控制液压系统输出端(17)的油缸与高压管(14)、回油管(15)的接通、断开。该自控换向阀(18)上下两端分别接通高压管(14)和回油管(15)，内设一同轴双活塞(22)，同轴双活塞(22)的两个活塞的间距小于高压管(14)、回油管(15)之间间距，每个活塞的高度又大于高压管(14)、回油管(15)的直径，同轴双活塞(22)的上下两端各有轴(21)，延伸出自控换向阀(18)外。液压系统的柱塞泵输出端的连杆上固结有两个撞击杆(23)，分别对应自控换向阀(18)的两个轴(21)。当液压系统输出端(17)的活塞推进到油缸底的时候，撞击杆(23)碰到换向活塞轴(21)，引起同轴双活塞(22)移动，同轴双活塞的一个活塞将回油管(15)堵住，而与此同时的另一个活塞的移开使高压管(14)能够导通，于是输出端在高压管(14)输入高压油的作用下，液压系统输出端(17)活塞离开油缸底。当快到顶部的时候，液压系统输出端的另一侧撞击杆(23)撞击自控换向阀(18)的另一轴(21)，从而导致其堵住高压管(14)，而接通回油管(15)，于是在惯性的作用下，液压系统的输出端活塞向汽缸底前进，排出油，然后再重复刚才这一过程。
容器(25)加其内部设备的比重应大于水，依靠上面的浮体(1)通过绳(2)给与它向上的拉力，以使它能够在海水中悬浮，所以容器(25)加设备与水的比重不能差太大，以免整个下沉。容器(25)的垂直投影面积应该比较大，以使它在受到绳(2)的拉力时，能够受到很大阻力而保持稳定。也可用锚将容器(25)其锚定，以使它能够稳定。
本发明具有以下优点：
绳(2)与转轮(3)的组合传动，非常灵活，绳(2)在其工作平面内可以没有固定的运动轨迹，绳可以以各种角度拉动转轮(3)，绳(2)的系点与转轮(3)的工作距离可大可小，拉、收绳的行程也可大可小，从而能够适应浮体(1)上绳的系点的不同半径大小、不同位置的圆周运动，能够将不同波形的波浪推力转换成旋转动力。这种灵活使得系统能够适应各种不同大小的波浪，增加了有效工作时间，提高了效率，并且，结构简单，只有浮体(1)、绳(2)、转轮(3)。由于绳(1)的收放距离可以很长(可以达到数十米)，这就大大延长了波浪冲击过程中缓冲距离，减小了瞬时冲击力，抗风浪能力由此得以增强。
浮体阵列面(5)，增加了与波浪的接触面积，并避免了波浪的绕流带来的能量的流失，能更大程度的吸收波浪的推力。
由于只有浮体(1)、绳(2)、外涂防腐材料的转轮(3)浸在海水里，而它们都是不怕海水的，怕海水的都在水密性好的容器(25)内。所以该系统的抗腐蚀能力强。
图1：简化型浮体绳轮波浪能发电系统示意图
图2：正三圆角形浮体阵列面(含支绳)
图3：圆角矩形浮体阵列面(含框架)
图4：圆板形浮体阵列面(含支绳、钢架)
图5：用于规整绳方向的轴承、滑轮组合结构
图6：防腐结构设计示意图
图7：完整型浮体绳轮波浪能发电系统平面示意图
含自控换向阀平面示意图
图8：完整型浮体绳轮波浪能发电系统立体示意图
含自控换向阀立体示意图
图9：规模发电浮体绳轮波浪发电系统外观图
1-浮体
2-绳
3-转轮
4-蜗簧
5-浮体阵列面
6-弹性材料
7-支绳
8-杆架
9-滑轮的支架
10-轴承
11-水密封圈
12-棘轮
13-液压系统输入端
14-高压管
15-回油管
16-压力蓄能器
17-液压系统输出端
18-自控换向阀
19-发电机
20-储油缸
21-自控换向阀的轴
22-同轴双活塞
23-撞击杆
24-外廓
25-容器
26-系向海床的绳
27-压力蓄能器
28-系向框架的绳
29-框架
30-挡板
31-滑轮
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
(一)对于导航浮标用电来说，因为不需要太多的能量，所以可以采用简化型浮体绳轮波浪能发电系统(见图1)。用铁饼状海漂子作浮体(1)，面积具体大小视能量需求而定，例如直径1米，厚度0.3米。绳(2)应采用高强度、耐腐蚀、耐磨、光滑、柔韧性好的材料制作，例如尼龙，总长约50米即可，25米缠绕在转轮(3)上。转轮(3)用乙烯塑料做，转轮(3)两端有挡板(30)，转轮(3)直径为0.5米。转轮(3)经水密封圈(11)与容器(25)内的蜗簧(4)、变速器或发电机(19)轴联，容器壁是由高强度塑料加钢丝纤维复合而成，发电机引出的电路经桥式整流、电感后接蓄电池和负载。蜗簧(4)、变速器(28)、发电机(19)、整流电路、蓄电池都放置在此水密性好的容器(25)内，以防海水腐蚀。容器(25)可以做成扁平状，增大垂直投影面积，以提高水的阻力，也可以不必采用增加面积的方法而直接用系在海床的绳(26)拴住它。容器(25)加内部设备的比重比水大，但比重差要小于浮体(1)所能提供的最大浮力，以使得整个系统不至于下沉。
(二)如果要大规模的采集能量，则要采用完整型浮体绳轮波浪发电系统(见图7、见图8)。首先，要制作浮体阵列面(5)。在风浪比较多的海域，采用圆板形(半径0.2米)浮体或正三圆角板(边长0.4米)不错(见图2、图4)，在涌浪比较多的地方，采用圆角矩形(1米×0.3米)浮体板(见图3)，浮体(1)可以用泡沫塑料(海漂子上用的)加高强度塑料钢丝复合板，浮体板间的弹性衔接面(6)，可用橡胶材料来作。
负责展开浮体阵列面(5)的框架(29)，可用不锈钢管制作，并且内部空心不进水以保证有一定的浮力。
绳(2)，依然采用尼龙绳，总长50米，25米缠在下面的转轮上，要保证具备一定强度。支绳(7)长度在1米左右，也可以通过杆架(8)让绳(1)与更多的支绳(7)连接，但这一般适合于波浪比较规整、以涌浪为主的海域，则单根绳(2)所连接的多个浮体(1)的总面积可以达到6米×2米的矩形，而如果该海域以风浪为主，则单根绳(2)对应的多个浮体(1)的总面积在2～4平米就可以了，过多的浮体(1)的支绳(7)连结在一起，很可能引起“摇摆”动作，导致绳(2)不能有效运行。
为使通向转轮(3)的绳(2)方向能够稳定，让绳(2)经过一个滑轮(31)后，再通向转轮(3)。该滑轮的支架(9)固定在轴承(10)的内环上。这样由浮体(1)来的绳(2)的角度即使不断改变，滑轮(31)都可以适时调整方向，使得通向转轮(3)的绳(2)方向保持稳定。
对于转轮(3)，其两端有挡板(30)，转轮(3)的直径为0.5米，同时要具有防腐能力，可以用外表涂有光滑耐磨塑料的钢筋混凝土制作。转轮(3)的支架固定在容器(25)的顶板上面，转轮(3)的两侧的轴，通过水密封圈(11)分别与蜗簧(4)和棘轮(12)轴联，棘轮(12)接液压传动系统输入端。蜗簧(4)、棘轮(12)、液压系统、发电机(19)等都在与水隔离的容器(25)内，这样只有浮体(1)、绳(2)、转轮(3)浸在海水里，可以最大限度的减少海水对这个系统的腐蚀，图9里的外廓(24)下面保护的就是蜗簧(4)、棘轮(12)。
系统采用的液压系统，输入端(13)、输出端(17)均采用柱塞泵式。
液压管路系统的靠近输入端(13)部分，管路细而分支多，可以使用钢丝加强尼龙胶管制作，既可以防腐蚀，又可以灵活调整位置。而靠近输出端(17)的部分，管路要粗。液压能传输，应本着高压、低速、稳速的原则，这样可以减少摩擦损耗、避免脉冲波动。
每个液压系统输出端(17)，都配有自控换向阀(18)，用自控换向阀(18)来控制液压系统输出端(17)的油缸与高压管(14)、回油管(15)的接通、断开。该自控换向阀(18)上下两端分别接通高压管(14)和回油管(15)，自控换向阀(18)内有一同轴双活塞(22)，同轴双活塞(22)的两个活塞的间距小于高压管(14)、回油管(15)之间间距，每个活塞的高度又大于高压管(14)、回油管(15)的直径，同轴双活塞(22)的上下两端各有轴(21)，延伸出自控换向阀(18)外。液压系统的柱塞泵输出端的连杆上固结有两个撞击杆(23)，分别对应同轴双活塞的两个轴(21)。
发电机(19)则选用配套的即可，必要时可以再加整流设备。
容器(25)加其内部设备的比重应大于水，依靠上面的浮体阵列面(5)通过绳(2)给与它向上的拉力，以使它能够在海水中悬浮，所以容器(25)加设备与水的比重不能差太大，以免浮体阵列面(5)承受不住而整个下沉。容器(25)的垂直投影面积应该比较大，以使它在受到绳(2)的拉力时，能够受到很大阻力而保持稳定。用锚将容器(25)其锚定，以使它能够稳定。
未来海浪发电系统的外观模样可参见图9。