專利名稱：鏈條式海浪發電的制作方法
技術領域：
本專利涉及機電技術領域
背景技術：
目前我們使用的能源大都是太陽能量在地球上億萬年中長期積累的化石能源，是 不可再生能源。由于分布不均、且儲量有限，隨著人類的進步和發展不斷提高對能源的需 求，產生了對世界上這些不可再生的能源-化石能源的掠奪性開發。據學者估計按照目前 的消費水平煤的儲量只能夠人類使用220年，天然氣儲量只夠使用60年，而石油的儲量只 能夠人類使用40年。因此人類將不可避免地面臨能源危機。能源問題正將成為激化世界 各國之間的政治、領土、宗教等各種矛盾并引起的紛爭的最主要原因。另外人類在不斷消耗 化石能源的同時也不斷地向大氣排放燃燒廢氣C02、S203等溫室氣體造成環境污染。引起酸 雨、天氣變化無常使得有的地方干旱有的地方水災等溫室效應、森林植被的破壞引起生態 嚴重的失衡，海平面上升和各種自然災害泛濫。極大的影響了人類生活質量、身體健康等甚 至直接威脅到人類生存的問題。化石能源將消耗殆盡、氣候正在變壞、人類要生存要發展。 急需尋找清潔能源。這是人類面臨的兩大難題問題有待解決。這也是世界各國大力探索研 究的重要課題。目前世界主要利用不可再生的能源-化石能源發電外，還有少量的利用可再生的 能源。例如風能、太陽能、水能、地熱、及潮汐發電等。由于各地的地理地貌等條件不同和資 源特殊性、資金、技術等原因而不能廣泛使用。而地球的面積70%以上是海洋，海洋中的潮 汐、海浪是大自然各種能量綜合反映。包括太陽和月亮的引力對地球的作用，地球自轉的作 用、地球各地受太陽輻射的偏差上引起海水溫差形成的暖流以及風等的作用(俗話說海上 無風三尺浪等)。由于海水的密度很高，以海水作為能量傳遞介質要比空氣做能量傳遞介質 來說要大得多(約832倍)。作為能量載體海浪能的能量密度是可再生能源中最高的，海浪 的量能一般是以每米中具有千瓦(KW/m)。(據資料在北大西洋近岸平均60kw/m的能量)。 據世界能源署(IEA)估計，世界的波浪能功率資源為2TW(2*1012W)，約(1. 75*1013KWh)電度 相當于現在世界每年的用電量。海洋是世界上最大的能量轉換器和存儲器，僅海浪中就蘊 藏了巨大的源源不斷的可再生能源。在人類生活中長時間的觀察積累大量的經驗，海浪、潮汐的大小基本上是可預見 的，加上現代科技完全可以預測和跟蹤氣候的變化，因此風險大都可以防范。世界上大多數國家都有很長的海岸線，因此利用海浪來發電，是非常有潛力的發 電方法。好好的利用將會給各國帶來永久性的綠色能源。利用海浪發電它不消耗任何其它 不可再生的能源，也沒有任何有害物質排放。廣泛地應用會使我們大大的減少對化石能源 的依賴和消耗，同時也會大大的減少向空中排放有害氣體。因此很好的利用它人類將大大 的受惠于此。雖然海浪的波浪能是大自然賜予我們的巨大財富，目前利用海浪發電的方法很 多，但影響海浪發電發展主要原因是1、能否足夠大的吸收海浪能(有效長度)，2、能量轉換率，3、有效工作時間，4、建造和運行成本，5、抗風險能力等因素。但由于目前設計方法原 因不可能做得很大和有效工作時間低，中間轉換環節的原因造成能量轉換率低，基建投資 大等原因，使得海浪發電目前還不能進入商業運營。我利用簡單的機電原理構思一種方法 可以直接吸收一段海浪能量，不用建造大型基建、可全天候工作、維護保養簡單、可規避風 暴，通過齒輪傳動直接轉化為動能并帶動發電機轉動發電的方法。簡稱鏈式海浪發電。
發明內容
海洋中的波動是海水的重要運動形式之一。從海面到海洋內部處處都可能出現波 動。波浪能可以以最小的能量消耗的方式從其形成區傳播開去，因此主要反映在水面的運 動。波動的特點是，在外力的作用下，水質點離開其平衡位置做周期性或準周期性的運動 (作恢復平衡的運動)。由于流體的連續性，必然帶動其臨近的質點，導致其運動在空間傳 播，因此運動隨時間與空間的周期性變化為波動的主要特征。實際上海洋中的波動是一種復雜的現象，嚴格說，它們都不是真正的周期變化。但 是，作為最低近似可以把海洋波動看作是簡諧波動(正弦波)或簡諧波動的疊加，不斷的將 海浪能向前傳遞。據我們觀察海浪運動的表現形式有兩種波峰與波谷在固定點不斷升降 交替的駐波和一種波形不斷向前傳播的前進波。前進波；海灘由于海水變淺前方沒有海水 可以傳遞能量因此能量得以釋放。波浪會使能量集中浪高變大、傳遞方向也改變，在很遠的 距離形成的涌流。前進波浪能流密度雖低，但其橫向作用產生的能量密度很高，且沿海岸線 分布，有利于開發大功率波力發電站。全球的波能如能全部轉換為電能，則每年可達23650億kWh。當波高為2m，波浪 起伏周期為2. 5s時，發電功率為24kW。波高3m、周期lis時為130kW。由于波浪運動不規 則，只能采用統計學來處理數據，可將波能E用下式表達(波浪橫向長度為Im時的波能平 均值)E = 0. 5(Η1/3) X2X (Tl/3) kff/m式中H1/3和T1/3分別為波高H和波周期T的算術平均值，單位分別為m和S。計算表明，日本近海的波能平均值為7kW/m，其岸線總長約5200km，日本波能總共 約為3600萬kW。而我國僅大陸的岸線長就達1. 8萬km，還有島岸線長1. 4萬km，波能總計 約達22400萬kW。前進波它的特點是；有方向性的、是間歇性的、源源不斷地、近似有規律的進行，周 期大約8秒左右。每次浪峰間的高度是漸進變化的不會突變，因此會更好控制。本專利就 是針對海浪的前進波這種間歇涌流特點，設計了一款簡單經濟可靠的幾乎可吸收一段海浪 動能的發電系統。在相距一定距離的三個地點建基礎。分別用于固定兩條纜繩的兩個頭和用于安裝 發電機系統的基礎平臺如圖1、2、3。基礎的3個點形成一個銳角三角形。將兩條纜繩的另 外的兩個頭用一段金屬鏈條連接起來，金屬鏈條部分則掛接在發電機基礎端的三個鏈輪上 如圖4。兩條纜繩上分別掛接若干個雙體浮船。在固定纜繩的固定點可以對纜繩進行調節， 如前后、纜繩的長短及纜繩間的距等。防止浮船不會在退潮時擱淺使得系統工作平穩及提 高工作效率，同時大大提高系統的有效工作時間。如圖4在浮船上我們采用雙體流線型(類似潛水艇型)目的是減少水的阻力、穩定性好，雙體船上方固定的一塊擋水吸能板，受沖擊面成為弧面。弧面適應波浪能吸收、轉 換效率高；弧形的整個面在與波浪接觸時，弧面的連續、不漏水，這在很大程度上避免了波 浪能的流失使能量聚集。在兩個船體之間大約貼近水面的位置前后各安裝一塊與水平面形 成一定角度流線型的固定板。可起到固定兩條船體并形成兩塊水翼板的作用，使浮船在浪 峰沖擊時水翼板使船體適當的下沉。擋水板安裝位置不在船體中心位置，(偏近船頭)在 海浪沖擊時會使船頭產生一定的下壓。當擋水板底部觸及到海水時浮船的浮力及擋水板底 部的平面形成一個劃水板時會產生一定量的向上升力，防止浮船被水覆蓋，得以最大程度 的吸收海浪能量。由于纜繩掛接在船的尾部，當船被纜繩拉回時船的水翼板作用使船體尾 部上浮以減少阻力。因此最大的提高工作效率，同時提高浮船強度。在兩個船體之間的水 翼板上和船體底部位置安裝兩塊舵板，并與船體也形成一定的角度，在浪峰沖擊時纜繩變 為弧形的過程中使得船體有利于向遠離發電機方向偏擺，而被拉值的過程中船體運動方向 正好有利于發電機方向運動偏擺。即在纜繩張弛的過程中使船體的運動方向有利于纜繩的 傳遞從而使鏈條很好的來回拉動做功發電減少阻力提高工作效率。當海浪沖擊到第一道纜繩上的那排浮船時，在海浪的沖擊推動下浮船隨波逐流使 得纜繩向前推進造成第一道的纜繩形成弧形如圖1。由于纜繩和金屬鏈條的總長是不變的 因此造成第二道纜繩被拉直后而停下來。海浪繼續推進到已被拉直的第二道纜繩時，第二 道纜繩上的那排浮船在海浪的沖擊推動下浮船隨波逐流使得纜繩向前推進造成第二道的 纜繩形成弧形如圖2。同理由于纜繩和金屬鏈條的總長是不變的因此造成第一道纜繩被拉 直后而停下來。如此在海浪不間斷的一波一波的沖擊下造成兩段纜繩來回張弛的變化使得 金屬鏈條來回拉動，在鏈條的來回拉動下使得鏈輪間歇的來回轉動。并通過棘輪及齒輪系 統把金屬鏈條的來回轉動轉變為同一個方向的圓周運動如圖5、6、7(由于鏈輪是單方向工 作的在鏈輪不受力時用離合器將鏈輪與系統脫離方便系統檢修)。再利用變速系統提高轉 速并帶動異步發電機旋轉發電。系統可通過一個大飛輪蓄能使得系統轉速初步穩定。在飛輪和發電機之間再加一套滑差離合器。通過發電機轉速反饋調整滑差離合器 的轉差率，實現進一步穩速。當發電機轉速下降逐漸提高滑差離合器勵磁電壓，降低轉差 率。當發電機轉速逐漸提高時降低離合器勵磁電壓，提高轉差率。如此通過調整轉差率從 而穩定發電機轉速。同時我們還需要控制發電機的勵磁電壓，可隨著發電電壓的變化適當 加減勵磁電壓來穩定發電機發出的電壓。更主要的是通過控制系統電量的輸出控制發電機 的反動勢，使系統工作穩定并可最大程度地吸收海浪能。本系統在機械方面；由于一排浪的推動下造成鏈條來回各拉動一次兩個棘輪各自 工作一次(都能做功)提高了做功頻率加上飛輪儲能。不但可以最大程度地吸收海浪能， 同時大大的減少發電機速度的變化。電器方面；參照風力發電系統通過半導體技術實現軟并網及控制方式。運行中控 制好系統輸出功率(調整發電機的反動勢)，就可以很好的控制發電機的轉速、確保發電質 量、實現集中自動控制。加上本系統工作在常溫下、沒有中間環節損耗且以齒輪直接傳遞能 量(不會打滑)因此工作效率最高。并網由于系統各發電機都采用滑差離合器做軟連接，可以很方便的調速穩速。如 圖8逐漸提高滑差離合器和發電機組的勵磁電壓，使發動機發出頻率接近同步頻率、電壓 接近工作電壓的預置工作切入點。接通發電機開關F1、開關JF1、JF2-使調壓變壓器和晶閘
5管并網裝置得電，此時調壓變壓器次級輸出電壓略低于線路電壓。再繼續通過調整滑差離 合器、發電機勵磁繞組電壓和調壓變壓器的檔位使發電機發出電電壓趨于同步。同時晶閘 管并網裝置通過逐漸打開晶閘管導通角逐漸并網，直至晶閘管完全導通實現系統軟并網。 并網完成后延時一段時間后接通系統并網開關，使晶閘管并網系統旁路完成并網全過程。 斷開開關F1、開關JF1、JF2晶閘管并網系統退出。控制在并網及控制過程中系統通過對滑差離合器、異步發電機勵磁及調壓變壓 器的控制等多種控制手段進行控制。各控制量可使用PID方式并設置控制優先等級，就可 以很平滑的對電壓、頻率、功率進行控制。功率因數可通過并接電容進行調節。停機；跳閘脫網后滑差離合器失電，使發電機失去動力而停止工作，為防止飛車必 要時可以接通Fz開關接通發電機的能耗制動裝置。正常停機時可以通過滑差離合器與負 荷控制系統的控制使負荷降到很低，再停并網開關防止飛車。由于系統結構采用浮船_鏈條_棘輪-滑差離合器-飛輪-異步發電機-發電 機軟并網系統_調壓變壓器_能耗制動等系統方式的連接與配合，系統可調控手段很多使 系統更加平穩可靠。并網時利用晶閘管并網裝置可以控制發電機的電流、減小并網時對電 網的沖擊。由于系統使用調壓變壓器提高工作適應范圍、供電質量同時提高有效工作時間。 系統采用滑差離合器軟連接，因此使系統控制更加靈活同時任何發電機可隨時退出進行檢 修。各晶閘管并網裝置并網后退出減少故障提高可靠性，可以實現自動程序控制。故障時 造成發電機飛車升速過高棘輪會脫扣不會對系統產生危害。為了提高發電的質量還可以向蓄電池充電并用逆變器將直流電壓變為交流電壓 再升壓由于使用蓄電池的充放電(在發電電壓高于蓄電池電壓時向蓄電池充電，在發電 電壓低于蓄電池電壓時通過蓄電池放電)因此可以保證并網電壓、頻率等供電的質量的可 靠。或使用到對用電質量要求不太高的照明和電解水生產氫氣等其他清潔能源。本系統可根據海浪高低任意增減浮船的個數，因此它可以最大可能的吸收一段浪 的能量提高工作效率。在颶風到來前可將浮船全部解除消除風險。本系統的特點是；系統建在沒有開發的淺海區，而發電機安裝在海岸上占地不大 不用制作大型的基建一次性投資應該不大。在一個浪涌的沖擊過程中造成鏈條來回拉動， 完全沒有多余的動作，它是直接將海水的勢能轉換為電能。在常溫下工作沒有中間環節損 失，也沒有任何生產排泄物，因此絕對不會造成環境污染。且系統完全沒有任何轉動部件在 水下大大的減少海水的腐蝕。而發變電系統安裝在岸上方便維護保養輸變電也較容易。由 于浮船的個數可以任意增減，纜繩長短及位置可以調整。因此可吸收一段海浪的能量，工作 能力大有效工作時間長。同時大大的降低了風險。由于安裝這套系統將大大的減少海浪對 海岸的沖擊，因此也有利于保護了海岸灘涂防止海浪的侵蝕。為了提高發電能力減少基建投資可建兩套發電系統共用中間的兩個固定纜繩的 基礎，由于兩套系統共用纜繩的基礎，應用力的平衡原理同時提高中間基礎抗拉能力，減少 了基建投資降低了風險還可大大的提高發電能力。
三
圖1、2、3是海浪沖擊纜繩時造成纜繩變形的示意圖。1纜繩基礎、2纜繩、3浮船、4金屬鏈條、5鏈輪、6傳動機構、7發電機。
圖4是吸收海浪能量的雙體船的示意圖。1浮船船體、2水翼板、3舵板、4檔水吸能板(弧面)布置圖。圖5是海浪發電機傳動系統(立體位置示意圖)。圖6是海浪發電機傳動系統布置圖。(正視位置示意圖)1、軸承座、2鏈輪、棘輪、3齒輪傳動、4飛輪、5滑差離合器、6發電機。圖7是海浪發電機傳動系統布置圖。(俯視位置示意圖)1、軸承座、2鏈輪、棘輪、3齒輪傳動、4飛輪、5滑差離合器、6發電機。圖8發電機軟并網控制。
四、具體實施方案本方案適合于有較平坦海岸的海邊(具有漏斗形的港灣內更佳)。在系統設計 安裝過程中要根據海浪涌流的行進速度、浪的周期、浪的頻率、全年平均浪高和地里環境以 及纜繩的強度、發電能力等因素，決定我們確定兩個纜繩基礎的位置和距離、懸掛浮船的多 少。根據兩根纜繩的基礎到發電機基礎的距離和纜繩形成的弧長考慮纜繩及金屬鏈條的長 度(兩個纜繩頭位置上可進行位置及纜繩長短的調整)。船體的大小、浮力、擋板的尺寸。 為使系統能夠提高有效工作時間，本系統運行中通過對兩個纜繩頭位置、纜繩長短及浮船 個數的調整調整來實現。在運行中應主要控制好發電系統的輸出負荷，使系統運行平穩，最 大程度的吸收海浪的能量，減少風險。在運行中根據浪峰的高度可隨時調整雙體浮船的個數的多少求得最大的發電能 力和系統的安全。在颶風到來前可以減少甚至解除所有的浮船來消除颶風帶來的危害。
權利要求
本設計是利用兩條纜繩(鋼絲繩)用鏈條串接形成兩道吸能鏈。在纜繩上連接若干個帶有擋水板的浮船，中間的鏈條跨接在發電機系統上的鏈輪上，使纜繩形成一個三角形。在海水沖擊下由于浮船的擋水作用使得兩條纜繩交替張弛變形。從而使鏈條來回促動拉動鏈輪，并通過鏈輪 棘輪 發電機系統將鏈條來回的促動變為一個方向的轉動，帶動發電機系統轉動發電。
2.利用浮船上的吸能板吸收海浪動能。
3.利用棘輪將來回促動轉換一個方向的圓周運動。
4.利用滑差離合器穩速。
全文摘要
鏈式海浪發電；適合在海灘上吸收岸邊的涌流。在三個相距一定距離處建基礎用于固定纜繩頭和發電機系統平臺。形成一個的銳角三角形，兩條纜繩用鏈條連接，纜繩上面分別固定若干個裝有擋水板的雙體浮船用來吸收浪涌沖擊。在海浪沖擊下使得兩段纜繩交替地張弛變化，帶動鏈條來回的促動。通過鏈輪-棘輪-變速系統-飛輪等將鏈條的來回拉動變為較穩定的圓周運動使發電機發電。優點是利用機械手段吸收-海浪能這種永久性綠色能源、系統可以吸收一段海浪涌流的能量、可以減少海浪對海岸的侵蝕、完全是常溫下工作完全沒有溫度損失、發電設備完全在岸上不用建設大型的水利設施一次性投資應該不會大、輸變電方便、完全沒有轉動部分在水下、維護保養方便。
文檔編號F03B13/16GK101963126SQ20101018698
公開日2011年2月2日 申請日期2010年5月24日 優先權日2010年5月24日
發明者黃晉德, 黃晉生 申請人:黃晉生;黃晉德