基于船舶航行的水波自主发电系统和方法与流程

本发明涉及船舶发电领域，尤其涉及一种基于船舶航行的水波自主发电系统和方法。

背景技术：

随着经济的迅速发展，能源需求不断地增加，传统能源日益短缺，大量的化石原料的使用又引发出了严重的生态环境问题，这些已经成为全世界关注的焦点。为了应对资源枯竭和生态环境问题，解决能源供应在社会经济发展的瓶颈问题，寻找替代的可再生能源刻不容缓。海洋能是一种蕴藏在海洋中的可再生能源，包括温差能、海流能、波浪能、潮汐能以及海上的风能和太阳能等自然资源。其中海洋波浪能在海洋中无处不在，汹涌澎湃的海洋波浪蕴藏着极大的能量，波浪能的能流密度最大，可通过较小的装置提供可观的廉价能源。合理利用海洋波浪发电，既不消耗任何燃料和资源，又不产生任何污染，投资少，见效快。因此海洋波浪能等可再生能源在许多国家日益受到重视，尤其是研究和开发波浪能发电技术。

英国对波浪能的研究十分重视，英国致力于威尔斯气动透平的利用、原型波力发电机组、导航浮标波力透平发电机组及小型波能转换器等研究，它的波浪发电技术居世界领先水平。日本由于是个岛国，国土狭小，资源紧张，因此对波浪能研究和开发也相当活跃，开展的波浪能研究项目有：海明号波能发电船、摆式波能装置、导航用波力发电装置等；波浪能转换技术实用化方面走在了世界前列。挪威主要对波浪发电装置的理论设计做出了贡献，提出了相位控制原理和喇叭口收缩波道式波能装置等。瑞典在上世纪80年代进行了30kW软管泵原型装置的现场试验，并在西班牙大西洋岸外建了1座1000kW的波力示范电站。据不完全统计，已有28个国家(地区)研究波浪能的开发，建设了上千台大小波力电站，总装机容量超过80万kW，其建站数和发电功率分别以每年2.5％和10％的速度上升，但是由于资源的限制，现在还上船舶的动力装置资源浪费严重。

波浪发电的原理主要是利用波浪运动的往复力、浮力产生动力或位能差。利用海洋波浪发电的方法大致有3种：①是利用海洋波浪的上下运动所产生水流或空气流，使水(气)轮机转动，从而带动发电机发电；②利用海洋波浪装置的前后转动或摆动产生水流或气流，使水(气)轮机转动，从而带动发电机工作，产生电；③将低压大波浪变为小体积的高压水，然后把水引入高位水池积蓄起来，使它形成了水位的高度差，再来冲动水轮发电机发电。

浪能发电是通过波浪能装置将波浪能转换为往复机械能，再通过动力摄取系统转换成所需的动力或电能。现有的波浪利用技术有很多种型式，按结构形式可分为振荡水柱式、摆式、越浪式、筏式、鸭式、点吸收式等几种形式。

(1)振荡水柱式。振荡水柱式波能装置^[1]是最普通的海洋波浪能转换器。其工作原理是利用一个与海水连通的容器装置，通过波浪作用，驱动气室内水柱作往复运动，使得水面位置发生变化，引起容器内的空气体积变化，通过压缩容器内的空气产生作用力驱动叶轮工作，带动发电装置发电。振荡水柱波能装置的优点是相对脆弱的机械部分只与往复流动的水流或空气流接触，不与海水接触，防腐性能好；通过气室将低速波浪能量转换成高速运动的气流，传递方便，安全可靠，故障少、维护方便。其缺点是转换效率低，建造费用高。

(2)摆式。是商用波浪发电^[2]的重要方式。其工作原理较为简单，即利用海洋波浪的运动推动机械摆发生转动或摆动，将波浪能转化为机械能。与机械摆相连的通常是液压装置，它将机械摆的机械能转化成液压泵的机械能与液压能，再驱动发电机发电^[3]。摆式波浪能转换装置具有频率响应范围宽、结构简单易制造、可靠性好、建造费用相对较低、常海况条件转换效率高等许多优点；不足是机械部分与海水接触极易损坏、不易维修、转换效率较高但不稳定、可靠性差。

(3)越浪式。越浪式波浪能量转换装置在进行波浪能转换时，通常有2个转换过程：首先将波浪能转化为可供涡轮电机运行的机械能，实现能量的1次转换过程；然后通过涡轮电机将机械能转化为电能进行输出，实现能量的2次转换过程。其优点是装置活动部件较少，整体稳定性较高，可靠性好，波浪能量转换效率较高，维护费用较低，在大浪时系统电力输出稳定；不足之处是小浪下的系统转换效率较低。

(4)筏式。筏式波浪能发电装置利用海洋波浪筏通过铰链互相铰接在一起，组成波浪能量转换系统(通常是液压的)，转换系统置于每一个铰接处，波浪的运动使波面筏沿着铰接处弯曲，从而反复压缩液力活塞并输出机械能。当装置的固有频率与波浪的频率接近或相一致时，即形成共振，装置的输出效率最高。筏式技术的优点是波浪筏之间仅有角位移，即使在大浪下，该位移也不至于太大，故抗风浪性能较大。

现有技术中常用到的发电机多为永磁直线发电机，传统电机的结构都是旋转的，如果把发电机沿直径方向剖开并展平，这时旋转发电机就演变成直线发电机，其定子在上方，转子磁极在下方，原来逆时针旋转力向变成了向左直线运动的方向。应电动势，这就是直线往复运动发电机的基本原理。

1)扁平式单边型直线往复运动永磁发电机

N、S磁极不是由励磁电流产生而是由永磁体产生的，那么该发电机就为直线往复运动永磁发电机，该永磁发电机由于不需要电流励磁和电刷，具有结构简单、材料利用率高、功率密度大、效率高、体积小等优点。旋转式永磁发电机已在许多领域得到应用，但直线往复运动永磁发电机的研究与应用在国内尚不多见。由于直线往复运动永磁发电机的定子部分不动，仍可称作定子；永磁磁极部分做直线往复运动而不旋转，此时可称作振子。由于振子做往复运动，在定子绕组中就会产生感应电动势。该发电机从侧面看是扁平结构，而且一边是定子，一边是带永磁磁极的振子，所以称为扁平式单边型直线往复运动永磁发电机。如果把扁平式直线往复运动永磁发电机沿着与直线往复运动相垂直的方向卷成圆柱型，在往复运动的振子上放置永磁体，永磁体之间为非导磁材料。通过振子的往复运动，在定子绕组里产生感应电动势。

2)定子永磁体直线往复运动永磁发电机

如果把圆柱式振子上的永磁体安装到定子上，就变成了的永磁体安放于定子的直线往复运动永磁发电机的结构。这种结构的优点是振子上没有永磁体，它可以使永磁体避免振动，对延长永磁体的使用寿命有好处。该发电机是靠振子往复运动时造成的磁阻变化，使定子绕组里产生感应电动势。

现有技术的缺点是装置顺浪向布置，单位功率下材料的用量比垂直浪向布置的装置大，可能造成装置成本较高。

(5)鸭式。得名是由装置的形状^[4]和运行特性类似鸭的运动，波浪入射波的运动使得动压力推动转动部分绕轴线旋转，流体静压力的改变使浮体^[5]部分作上下往复运动，动能和位能同时通过液压装置转化，再通过液力或电力系统把动能转换为电能。其优点：转换效率较高，调节鸭身质心可以使其自有频率与波浪运动频率相同或者接近，从而形成共振，可以达到最大的转换效率；缺点：装备复杂从而造成可靠性较差，尤其在恶劣的海洋环境下，装置极易损坏。

(6)点吸收式。点吸收式波浪能发电装置^[6]是目前发展较好的波浪能转换装置。该技术采用浮子捕获波浪能，通过浮子连接的液压装置将波浪能转化为液压能，再通过发电机工作输出电能。点吸收装置的优点是捕获波浪能效率以及转换效率均较高；浮子制造的成本相对较低；能量易收集，可以多个装置组合成大规模发电系统。不足是抵抗极端天气的能力差。

综上，微型波浪发电技术已经成熟，并已商品化，小型岸式波浪发电技术也已进入世界先进行列。但是中国波浪发电装置示范试验的规模远小于挪威和英国，试验的开发方式类型远少于日本，且小型装置距实用化还有一定距离，装置运行的稳定性和可靠性等还有待提高。

参考文献：

[1]平丽.振荡浮子式波能转换装置性能的研究[硕士]:大连理工大学；2005.

[2]肖文平.摆式波浪发电系统建模与功率控制关键技术研究[博士]:华南理工大学；2011.

[3]赵海涛.浮力摆式波浪能装置的水动力性能研究[博士]:浙江大学；2012.

[4]王立国,游亚戈,盛松伟,吴必军.鸭式波浪能发电装置中蓄能工质的选择研究[J].太阳能学报.2014(12):2525-9.

[5]宋京晖.组合型振荡浮子波能发电装置系留系统设计研究[硕士]:中国海洋大学；2014.

[6]杨雨浓,谢鹏,郑雄波.点吸式波浪能装置的功率特性研究[J].应用科技.2015(02):75-8+82.

技术实现要素：

根据上述提出的已有海上船舶都主要采用石油、柴油等矿产资源发电，不能充分的利用周围环境资源，有故障率高，分油机残油多，能量利用效率低等缺点且新研究的潮流发电严重受限于浪流的速度，不能给船提供稳定高效的电流等技术问题，而提供一种基于船舶航行的水波自主发电系统和方法。本发明主要通过船舶动力系统、水波发电系统、变压供电或蓄电池储电系统和船舶日常生活用电之间的互相配合完成水波发电过程，从而实现提高水波能源的利用，同时节约了燃油消耗。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于船舶航行的水波自主发电系统，其特征在于，包括：

船舶动力系统；目前，船舶的主要动力来源为蒸汽机，蒸汽机由三个部分组成：蒸汽炉、汽缸和冷凝器。在蒸汽炉中，通过燃烧过程水沸腾为蒸汽。通过管道蒸汽被送到汽缸。阀门控制蒸汽到达汽缸的时间。蒸汽在汽缸内推动活塞做功，冷却的蒸汽通过管到被引入冷凝器重新凝结为水。这个过程在蒸汽机运动时不断重复。一般的蒸汽机有三个汽缸组成一个组。蒸汽机直接将活塞的上下运动转化为船轴的旋转运动。有的蒸汽机中还包含了一个小的涡轮机，从汽缸中出来的蒸汽还可以利用它的余热在推动这个涡轮机来提高整个驱动装置的效率，这个涡轮机也与船舶的螺旋浆轴相连。蒸汽机还有其它提高其效率的机构，如有多个汽缸连在一起。蒸汽从一个汽缸出来后还被输入下一个汽缸，这些汽缸的直径一个比上一个大，这样虽然蒸汽的压力在每通过一个汽缸后不断减小，但它对每个活塞施加的总的力却是相同的，通过这种原理，轮船完成动力系统，同时也消耗了大量的燃油能源。

水波发电系统，包括浸水位置确定模块：利用浮力公式ρgV＝mg＝G确定轮船在水中的浮力，再确定船舶在水中的浸水位置，并在轮船两侧做好记录，此过程需要反复测量，最终确定精确位置；动力转轮安装模块：在确定轮船两侧浸水位置之后，利用流体力学在轮船两侧将发电转轮安装到预设位置，通常情况下，应该在增加转轮的重量后重新进行浮力的确定(即重复浸水位置确定模块这一步骤)，但是转轮的重量远远小于轮船自身重量，所以近似浮力相等，找到合适位置安装发电转轮即可；电磁感应发电模块：在船体内部，通过发电机将其与轮船船体外侧的发电转轮相连接，船舶航行时带动发电转轮转动从而带动发电机发电；

变压供电或蓄电池储电系统，包括变压器供电模块：设置在船体内部与变压器连接，将电磁感应发电模块发出的电能转换供给轮船上日常生活用电；以及蓄电池储能模块：设置在船体内部与蓄电池连接，将电磁感应发电模块发出的电能直接储存在蓄电池中作为备用能源供给轮船上日常生活用电；

船舶日常生活用电系统，由变压供电或蓄电池储电作为电源，与船舶电子设备相连提供用电。

作为进一步优选或替换方案，本发明中的发电转轮可以不浸入水中，将其位置提升，改变转轮形式为风电机组叶轮，使其利用风能转动，但要确保转动的频率等因素能够满足发电需求；同时，蓄电池也应更换相应容量避免不必要的浪费。

本发明还公开了上述基于船舶航行的水波自主发电系统的发电方法，其特征在于，船舶航行于水中，在水面产生水波，水波带动船体两侧的发电转轮的转动；通过发电转轮的转动带动连接发电转轮的轴承转动，轴承转动带动电磁感应发电模块中的转子工作，闭合回路转动切割磁感线产生感应电流，再通过电路将电磁感应发电模块产生的感应电流一部分导入到蓄电池中收集，再通过蓄电池向船体的日常生活用电系统进行供电，另一部分直接导入日常生活用电系统，供应用电系统日常用电。

较现有技术相比，本发明将水波发电与船舶航行结合，利用水力发电原理，使船舶航行时水波可以带动转轮转动，将发电转轮与发电机有效的结合在一起，使得转轮转动的同时带动发电机转动，利用发电机自身原理即磁生电原理，便可发出有效的电力；利用水波发电，克服发电的困难，实现船舶航行昼夜发电机制，水波发电只要船舶航行，即只要为转轮提供动力即可发电，可将资源的利用率达到最大；有效的提高了能源的利用率，真正的实现了绿色环保系统，发电原理是利用动力与电力的转化，利用船舶航行时的水波提供动力，并利用发电机接收动力，从而进行合理有效的发电，这一技术可以保证将之前人们忽视的船舶航行时所收的阻力进行有效利用，进行绿色发电。

本发明具有以下优点：

1、通过船舶航行带动水波发电，节约燃油能源，同时将水波能转化成电能储存在蓄电池中，维持船上日常的生活用电；

2、在船舶航行期间，还可以通过控制船速，让其达到某一个最优值时，保证发电的效率最高。

本发明中轮船可以依靠水波动力自主发电，发电的效率最优，且减少了轮船发电其他能源的消耗，更加经济环保。基于本发明的方法发的电可以实时利用，也可以储存蓄电池里备用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于船舶航行的水波自主发电系统的结构框图。

图2为本发明水波发电系统的流程图。

图3为本发明变压供电或蓄电池储电系统的流程图。

图4为本发明水波自主发电方法的流程图。

图5为本发明电磁感应发电方法的流程图。

图6为本发明基于船舶航行的水波自主发电系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于船舶航行的水波自主发电系统，包括：

船舶动力系统，可采用蒸汽机为船舶的主要动力来源；

如图2所示，水波发电系统，包括浸水位置确定模块：利用浮力公式ρgV＝mg＝G确定轮船在水中的浮力，再确定船舶在水中的浸水位置(如图6所示，5为水面，6为船底，h表示水面5到船底6的距离，即吃水深度，吃水深度等于排水量)，并在轮船两侧做好记录，反复测量，找到最优位置；动力转轮安装模块：在确定轮船两侧浸水位置之后，利用流体力学在轮船两侧将发电转轮安装到预设位置，通常情况下，应该在增加转轮的重量后重新进行浮力的确定(即重复浸水位置确定模块这一步骤)，但是转轮的重量远远小于轮船自身重量，所以近似浮力相等，找到合适位置安装发电转轮即可；

电磁感应发电模块：在船体内部，通过发电机将其与轮船船体外侧的发电转轮相连接，船舶航行时带动发电转轮从而带动发电机发电；

如图3所示，变压供电或蓄电池储电系统，包括变压器供电模块：设置在船体内部与变压器连接，将电磁感应发电模块发出的电能转换供给轮船上日常生活用电；以及蓄电池储能模块：设置在船体内部与蓄电池连接，将电磁感应发电模块发出的电能直接储存在蓄电池中作为备用能源供给轮船上日常生活用电；

船舶日常生活用电系统，由变压供电或蓄电池储电作为电源，与船舶电子设备相连提供用电。

如图4所示，上述基于船舶航行的水波自主发电系统的发电方法，船舶航行于水中，在水面产生水波，水波带动船体两侧的发电转轮的转动；通过发电转轮的转动带动连接发电转轮的轴承转动，轴承转动带动电磁感应发电模块中的转子工作，闭合回路转动切割磁感线产生感应电流，再通过电路将电磁感应发电模块产生的感应电流一部分导入到蓄电池中收集，再通过蓄电池向船体的日常生活用电系统进行供电，另一部分直接导入日常生活用电系统，供应用电系统日常用电。

实施例1

下面结合图6，对本船舶航行的水波动力自主发电方法为实现船体在波浪中通过航行利用水面波浪自主发电的技术问题所采取的技术方案的优选方式进行进一步的具体说明；

如图6所示，自主发电轮船主要由船体1、发电转轮2、电磁感应系统3、蓄电池4和用电系统构成。在船体1的外部两侧对称位置设有发电转轮2(发电转轮2在船体1的两侧以对称的方式进行安装，以保持船体1的平衡性)，船体1的外部两侧发电转轮2通过轴承与船体1的内侧电磁感应系统3相联，发电转轮2带有齿轮，当船体1在水中前行时能够带动发电转轮2转动。

船体1前行过程中，带动发电转轮2转动，发电转轮2的转动通过轴承使电磁感应系统3切割磁场产生电流。

如图5所示，电磁感应系统3由N、S两个磁极、闭合回路、转子组成，当转子转动，带动闭合回路绕N、S磁极转动，闭合回路切割磁感线，使穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中产生感应电流。将闭合回路中的感应电流一部分导入蓄电池4中存储供应用电系统，另一部分可直接导入用电系统，供应用电系统日常用电。

将蓄电池4在船体1内部，通过导线与船体1内部电磁感应系统3相连，当电磁感应系统3通过转子切割磁感线产生感应电流电流时，电流通过线路流入蓄电池4中，通过蓄电池4进行收集，用电系统安装在船体1外侧，通过电路与蓄电池4相连，使蓄电池4能够为用电系统进行供给电流。用电系统主要为船体1日常生活中光照等日常生活用电。

具体过程为：船体1在水中前行，在水面产生水波，水波带动船体1两侧发电转轮2的转动，当船体1形成的水波带动船体1两侧的两个发电转轮2转动时，通过发电转轮2的转动带动连接发电转轮2的轴承的转动，轴承转动带动电磁感应系统3转子工作，闭合回路转动切割磁感线产生感应电流，再通过电路将电磁感应系统3产生的感应电流一部分导入到蓄电池4中收集，再通过蓄电池4向船体1的用电系统进行供电，另一部分可直接导入用电系统，供应用电系统日常用电。这样船体1在前行的过程中就实现了通过船体1前行产生的水波进行发电，就实现了船体1在波浪中通过航行利用水面波浪自主发电的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。