基于船舶航行的水波自主發電系統和方法與流程

本發明涉及船舶發電領域，尤其涉及一種基于船舶航行的水波自主發電系統和方法。

背景技術：

隨著經濟的迅速發展，能源需求不斷地增加，傳統能源日益短缺，大量的化石原料的使用又引發出了嚴重的生態環境問題，這些已經成為全世界關注的焦點。為了應對資源枯竭和生態環境問題，解決能源供應在社會經濟發展的瓶頸問題，尋找替代的可再生能源刻不容緩。海洋能是一種蘊藏在海洋中的可再生能源，包括溫差能、海流能、波浪能、潮汐能以及海上的風能和太陽能等自然資源。其中海洋波浪能在海洋中無處不在，洶涌澎湃的海洋波浪蘊藏著極大的能量，波浪能的能流密度最大，可通過較小的裝置提供可觀的廉價能源。合理利用海洋波浪發電，既不消耗任何燃料和資源，又不產生任何污染，投資少，見效快。因此海洋波浪能等可再生能源在許多國家日益受到重視，尤其是研究和開發波浪能發電技術。

英國對波浪能的研究十分重視，英國致力于威爾斯氣動透平的利用、原型波力發電機組、導航浮標波力透平發電機組及小型波能轉換器等研究，它的波浪發電技術居世界領先水平。日本由于是個島國，國土狹小，資源緊張，因此對波浪能研究和開發也相當活躍，開展的波浪能研究項目有：海明號波能發電船、擺式波能裝置、導航用波力發電裝置等；波浪能轉換技術實用化方面走在了世界前列。挪威主要對波浪發電裝置的理論設計做出了貢獻，提出了相位控制原理和喇叭口收縮波道式波能裝置等。瑞典在上世紀80年代進行了30kW軟管泵原型裝置的現場試驗，并在西班牙大西洋岸外建了1座1000kW的波力示范電站。據不完全統計，已有28個國家(地區)研究波浪能的開發，建設了上千臺大小波力電站，總裝機容量超過80萬kW，其建站數和發電功率分別以每年2.5％和10％的速度上升，但是由于資源的限制，現在還上船舶的動力裝置資源浪費嚴重。

波浪發電的原理主要是利用波浪運動的往復力、浮力產生動力或位能差。利用海洋波浪發電的方法大致有3種：①是利用海洋波浪的上下運動所產生水流或空氣流，使水(氣)輪機轉動，從而帶動發電機發電；②利用海洋波浪裝置的前后轉動或擺動產生水流或氣流，使水(氣)輪機轉動，從而帶動發電機工作，產生電；③將低壓大波浪變為小體積的高壓水，然后把水引入高位水池積蓄起來，使它形成了水位的高度差，再來沖動水輪發電機發電。

浪能發電是通過波浪能裝置將波浪能轉換為往復機械能，再通過動力攝取系統轉換成所需的動力或電能。現有的波浪利用技術有很多種型式，按結構形式可分為振蕩水柱式、擺式、越浪式、筏式、鴨式、點吸收式等幾種形式。

(1)振蕩水柱式。振蕩水柱式波能裝置^[1]是最普通的海洋波浪能轉換器。其工作原理是利用一個與海水連通的容器裝置，通過波浪作用，驅動氣室內水柱作往復運動，使得水面位置發生變化，引起容器內的空氣體積變化，通過壓縮容器內的空氣產生作用力驅動葉輪工作，帶動發電裝置發電。振蕩水柱波能裝置的優點是相對脆弱的機械部分只與往復流動的水流或空氣流接觸，不與海水接觸，防腐性能好；通過氣室將低速波浪能量轉換成高速運動的氣流，傳遞方便，安全可靠，故障少、維護方便。其缺點是轉換效率低，建造費用高。

(2)擺式。是商用波浪發電^[2]的重要方式。其工作原理較為簡單，即利用海洋波浪的運動推動機械擺發生轉動或擺動，將波浪能轉化為機械能。與機械擺相連的通常是液壓裝置，它將機械擺的機械能轉化成液壓泵的機械能與液壓能，再驅動發電機發電^[3]。擺式波浪能轉換裝置具有頻率響應范圍寬、結構簡單易制造、可靠性好、建造費用相對較低、常海況條件轉換效率高等許多優點；不足是機械部分與海水接觸極易損壞、不易維修、轉換效率較高但不穩定、可靠性差。

(3)越浪式。越浪式波浪能量轉換裝置在進行波浪能轉換時，通常有2個轉換過程：首先將波浪能轉化為可供渦輪電機運行的機械能，實現能量的1次轉換過程；然后通過渦輪電機將機械能轉化為電能進行輸出，實現能量的2次轉換過程。其優點是裝置活動部件較少，整體穩定性較高，可靠性好，波浪能量轉換效率較高，維護費用較低，在大浪時系統電力輸出穩定；不足之處是小浪下的系統轉換效率較低。

(4)筏式。筏式波浪能發電裝置利用海洋波浪筏通過鉸鏈互相鉸接在一起，組成波浪能量轉換系統(通常是液壓的)，轉換系統置于每一個鉸接處，波浪的運動使波面筏沿著鉸接處彎曲，從而反復壓縮液力活塞并輸出機械能。當裝置的固有頻率與波浪的頻率接近或相一致時，即形成共振，裝置的輸出效率最高。筏式技術的優點是波浪筏之間僅有角位移，即使在大浪下，該位移也不至于太大，故抗風浪性能較大。

現有技術中常用到的發電機多為永磁直線發電機，傳統電機的結構都是旋轉的，如果把發電機沿直徑方向剖開并展平，這時旋轉發電機就演變成直線發電機，其定子在上方，轉子磁極在下方，原來逆時針旋轉力向變成了向左直線運動的方向。應電動勢，這就是直線往復運動發電機的基本原理。

1)扁平式單邊型直線往復運動永磁發電機

N、S磁極不是由勵磁電流產生而是由永磁體產生的，那么該發電機就為直線往復運動永磁發電機，該永磁發電機由于不需要電流勵磁和電刷，具有結構簡單、材料利用率高、功率密度大、效率高、體積小等優點。旋轉式永磁發電機已在許多領域得到應用，但直線往復運動永磁發電機的研究與應用在國內尚不多見。由于直線往復運動永磁發電機的定子部分不動，仍可稱作定子；永磁磁極部分做直線往復運動而不旋轉，此時可稱作振子。由于振子做往復運動，在定子繞組中就會產生感應電動勢。該發電機從側面看是扁平結構，而且一邊是定子，一邊是帶永磁磁極的振子，所以稱為扁平式單邊型直線往復運動永磁發電機。如果把扁平式直線往復運動永磁發電機沿著與直線往復運動相垂直的方向卷成圓柱型，在往復運動的振子上放置永磁體，永磁體之間為非導磁材料。通過振子的往復運動，在定子繞組里產生感應電動勢。

2)定子永磁體直線往復運動永磁發電機

如果把圓柱式振子上的永磁體安裝到定子上，就變成了的永磁體安放于定子的直線往復運動永磁發電機的結構。這種結構的優點是振子上沒有永磁體，它可以使永磁體避免振動，對延長永磁體的使用壽命有好處。該發電機是靠振子往復運動時造成的磁阻變化，使定子繞組里產生感應電動勢。

現有技術的缺點是裝置順浪向布置，單位功率下材料的用量比垂直浪向布置的裝置大，可能造成裝置成本較高。

(5)鴨式。得名是由裝置的形狀^[4]和運行特性類似鴨的運動，波浪入射波的運動使得動壓力推動轉動部分繞軸線旋轉，流體靜壓力的改變使浮體^[5]部分作上下往復運動，動能和位能同時通過液壓裝置轉化，再通過液力或電力系統把動能轉換為電能。其優點：轉換效率較高，調節鴨身質心可以使其自有頻率與波浪運動頻率相同或者接近，從而形成共振，可以達到最大的轉換效率；缺點：裝備復雜從而造成可靠性較差，尤其在惡劣的海洋環境下，裝置極易損壞。

(6)點吸收式。點吸收式波浪能發電裝置^[6]是目前發展較好的波浪能轉換裝置。該技術采用浮子捕獲波浪能，通過浮子連接的液壓裝置將波浪能轉化為液壓能，再通過發電機工作輸出電能。點吸收裝置的優點是捕獲波浪能效率以及轉換效率均較高；浮子制造的成本相對較低；能量易收集，可以多個裝置組合成大規模發電系統。不足是抵抗極端天氣的能力差。

綜上，微型波浪發電技術已經成熟，并已商品化，小型岸式波浪發電技術也已進入世界先進行列。但是中國波浪發電裝置示范試驗的規模遠小于挪威和英國，試驗的開發方式類型遠少于日本，且小型裝置距實用化還有一定距離，裝置運行的穩定性和可靠性等還有待提高。

參考文獻：

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技術實現要素：

根據上述提出的已有海上船舶都主要采用石油、柴油等礦產資源發電，不能充分的利用周圍環境資源，有故障率高，分油機殘油多，能量利用效率低等缺點且新研究的潮流發電嚴重受限于浪流的速度，不能給船提供穩定高效的電流等技術問題，而提供一種基于船舶航行的水波自主發電系統和方法。本發明主要通過船舶動力系統、水波發電系統、變壓供電或蓄電池儲電系統和船舶日常生活用電之間的互相配合完成水波發電過程，從而實現提高水波能源的利用，同時節約了燃油消耗。

本發明采用的技術手段如下：

一種基于船舶航行的水波自主發電系統，其特征在于，包括：

船舶動力系統；目前，船舶的主要動力來源為蒸汽機，蒸汽機由三個部分組成：蒸汽爐、汽缸和冷凝器。在蒸汽爐中，通過燃燒過程水沸騰為蒸汽。通過管道蒸汽被送到汽缸。閥門控制蒸汽到達汽缸的時間。蒸汽在汽缸內推動活塞做功，冷卻的蒸汽通過管到被引入冷凝器重新凝結為水。這個過程在蒸汽機運動時不斷重復。一般的蒸汽機有三個汽缸組成一個組。蒸汽機直接將活塞的上下運動轉化為船軸的旋轉運動。有的蒸汽機中還包含了一個小的渦輪機，從汽缸中出來的蒸汽還可以利用它的余熱在推動這個渦輪機來提高整個驅動裝置的效率，這個渦輪機也與船舶的螺旋漿軸相連。蒸汽機還有其它提高其效率的機構，如有多個汽缸連在一起。蒸汽從一個汽缸出來后還被輸入下一個汽缸，這些汽缸的直徑一個比上一個大，這樣雖然蒸汽的壓力在每通過一個汽缸后不斷減小，但它對每個活塞施加的總的力卻是相同的，通過這種原理，輪船完成動力系統，同時也消耗了大量的燃油能源。

水波發電系統，包括浸水位置確定模塊：利用浮力公式ρgV＝mg＝G確定輪船在水中的浮力，再確定船舶在水中的浸水位置，并在輪船兩側做好記錄，此過程需要反復測量，最終確定精確位置；動力轉輪安裝模塊：在確定輪船兩側浸水位置之后，利用流體力學在輪船兩側將發電轉輪安裝到預設位置，通常情況下，應該在增加轉輪的重量后重新進行浮力的確定(即重復浸水位置確定模塊這一步驟)，但是轉輪的重量遠遠小于輪船自身重量，所以近似浮力相等，找到合適位置安裝發電轉輪即可；電磁感應發電模塊：在船體內部，通過發電機將其與輪船船體外側的發電轉輪相連接，船舶航行時帶動發電轉輪轉動從而帶動發電機發電；

變壓供電或蓄電池儲電系統，包括變壓器供電模塊：設置在船體內部與變壓器連接，將電磁感應發電模塊發出的電能轉換供給輪船上日常生活用電；以及蓄電池儲能模塊：設置在船體內部與蓄電池連接，將電磁感應發電模塊發出的電能直接儲存在蓄電池中作為備用能源供給輪船上日常生活用電；

船舶日常生活用電系統，由變壓供電或蓄電池儲電作為電源，與船舶電子設備相連提供用電。

作為進一步優選或替換方案，本發明中的發電轉輪可以不浸入水中，將其位置提升，改變轉輪形式為風電機組葉輪，使其利用風能轉動，但要確保轉動的頻率等因素能夠滿足發電需求；同時，蓄電池也應更換相應容量避免不必要的浪費。

本發明還公開了上述基于船舶航行的水波自主發電系統的發電方法，其特征在于，船舶航行于水中，在水面產生水波，水波帶動船體兩側的發電轉輪的轉動；通過發電轉輪的轉動帶動連接發電轉輪的軸承轉動，軸承轉動帶動電磁感應發電模塊中的轉子工作，閉合回路轉動切割磁感線產生感應電流，再通過電路將電磁感應發電模塊產生的感應電流一部分導入到蓄電池中收集，再通過蓄電池向船體的日常生活用電系統進行供電，另一部分直接導入日常生活用電系統，供應用電系統日常用電。

較現有技術相比，本發明將水波發電與船舶航行結合，利用水力發電原理，使船舶航行時水波可以帶動轉輪轉動，將發電轉輪與發電機有效的結合在一起，使得轉輪轉動的同時帶動發電機轉動，利用發電機自身原理即磁生電原理，便可發出有效的電力；利用水波發電，克服發電的困難，實現船舶航行晝夜發電機制，水波發電只要船舶航行，即只要為轉輪提供動力即可發電，可將資源的利用率達到最大；有效的提高了能源的利用率，真正的實現了綠色環保系統，發電原理是利用動力與電力的轉化，利用船舶航行時的水波提供動力，并利用發電機接收動力，從而進行合理有效的發電，這一技術可以保證將之前人們忽視的船舶航行時所收的阻力進行有效利用，進行綠色發電。

本發明具有以下優點：

1、通過船舶航行帶動水波發電，節約燃油能源，同時將水波能轉化成電能儲存在蓄電池中，維持船上日常的生活用電；

2、在船舶航行期間，還可以通過控制船速，讓其達到某一個最優值時，保證發電的效率最高。

本發明中輪船可以依靠水波動力自主發電，發電的效率最優，且減少了輪船發電其他能源的消耗，更加經濟環保。基于本發明的方法發的電可以實時利用，也可以儲存蓄電池里備用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明基于船舶航行的水波自主發電系統的結構框圖。

圖2為本發明水波發電系統的流程圖。

圖3為本發明變壓供電或蓄電池儲電系統的流程圖。

圖4為本發明水波自主發電方法的流程圖。

圖5為本發明電磁感應發電方法的流程圖。

圖6為本發明基于船舶航行的水波自主發電系統的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1所示，一種基于船舶航行的水波自主發電系統，包括：

船舶動力系統，可采用蒸汽機為船舶的主要動力來源；

如圖2所示，水波發電系統，包括浸水位置確定模塊：利用浮力公式ρgV＝mg＝G確定輪船在水中的浮力，再確定船舶在水中的浸水位置(如圖6所示，5為水面，6為船底，h表示水面5到船底6的距離，即吃水深度，吃水深度等于排水量)，并在輪船兩側做好記錄，反復測量，找到最優位置；動力轉輪安裝模塊：在確定輪船兩側浸水位置之后，利用流體力學在輪船兩側將發電轉輪安裝到預設位置，通常情況下，應該在增加轉輪的重量后重新進行浮力的確定(即重復浸水位置確定模塊這一步驟)，但是轉輪的重量遠遠小于輪船自身重量，所以近似浮力相等，找到合適位置安裝發電轉輪即可；

電磁感應發電模塊：在船體內部，通過發電機將其與輪船船體外側的發電轉輪相連接，船舶航行時帶動發電轉輪從而帶動發電機發電；

如圖3所示，變壓供電或蓄電池儲電系統，包括變壓器供電模塊：設置在船體內部與變壓器連接，將電磁感應發電模塊發出的電能轉換供給輪船上日常生活用電；以及蓄電池儲能模塊：設置在船體內部與蓄電池連接，將電磁感應發電模塊發出的電能直接儲存在蓄電池中作為備用能源供給輪船上日常生活用電；

船舶日常生活用電系統，由變壓供電或蓄電池儲電作為電源，與船舶電子設備相連提供用電。

如圖4所示，上述基于船舶航行的水波自主發電系統的發電方法，船舶航行于水中，在水面產生水波，水波帶動船體兩側的發電轉輪的轉動；通過發電轉輪的轉動帶動連接發電轉輪的軸承轉動，軸承轉動帶動電磁感應發電模塊中的轉子工作，閉合回路轉動切割磁感線產生感應電流，再通過電路將電磁感應發電模塊產生的感應電流一部分導入到蓄電池中收集，再通過蓄電池向船體的日常生活用電系統進行供電，另一部分直接導入日常生活用電系統，供應用電系統日常用電。

實施例1

下面結合圖6，對本船舶航行的水波動力自主發電方法為實現船體在波浪中通過航行利用水面波浪自主發電的技術問題所采取的技術方案的優選方式進行進一步的具體說明；

如圖6所示，自主發電輪船主要由船體1、發電轉輪2、電磁感應系統3、蓄電池4和用電系統構成。在船體1的外部兩側對稱位置設有發電轉輪2(發電轉輪2在船體1的兩側以對稱的方式進行安裝，以保持船體1的平衡性)，船體1的外部兩側發電轉輪2通過軸承與船體1的內側電磁感應系統3相聯，發電轉輪2帶有齒輪，當船體1在水中前行時能夠帶動發電轉輪2轉動。

船體1前行過程中，帶動發電轉輪2轉動，發電轉輪2的轉動通過軸承使電磁感應系統3切割磁場產生電流。

如圖5所示，電磁感應系統3由N、S兩個磁極、閉合回路、轉子組成，當轉子轉動，帶動閉合回路繞N、S磁極轉動，閉合回路切割磁感線，使穿過閉合電路的磁通量發生變化，閉合電路中產生感應電流。將閉合回路中的感應電流一部分導入蓄電池4中存儲供應用電系統，另一部分可直接導入用電系統，供應用電系統日常用電。

將蓄電池4在船體1內部，通過導線與船體1內部電磁感應系統3相連，當電磁感應系統3通過轉子切割磁感線產生感應電流電流時，電流通過線路流入蓄電池4中，通過蓄電池4進行收集，用電系統安裝在船體1外側，通過電路與蓄電池4相連，使蓄電池4能夠為用電系統進行供給電流。用電系統主要為船體1日常生活中光照等日常生活用電。

具體過程為：船體1在水中前行，在水面產生水波，水波帶動船體1兩側發電轉輪2的轉動，當船體1形成的水波帶動船體1兩側的兩個發電轉輪2轉動時，通過發電轉輪2的轉動帶動連接發電轉輪2的軸承的轉動，軸承轉動帶動電磁感應系統3轉子工作，閉合回路轉動切割磁感線產生感應電流，再通過電路將電磁感應系統3產生的感應電流一部分導入到蓄電池4中收集，再通過蓄電池4向船體1的用電系統進行供電，另一部分可直接導入用電系統，供應用電系統日常用電。這樣船體1在前行的過程中就實現了通過船體1前行產生的水波進行發電，就實現了船體1在波浪中通過航行利用水面波浪自主發電的目的。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。