专利名称：海上可再生能源转换装置和系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及能源转换装置和系统技术领域，特别涉及可再生能源转换装置和 系统技术领域，具体是指一种海上可再生能源转换装置和系统。
背景技术：
波浪是由于风和水的重力作用在海洋表面形成的海水的起伏运动，它具有一定的 动能和势能。波浪能在海洋中无处不在，储量丰富。波浪能发电系统一般有能量吸收装置 和能量转换装置，能量吸收装置吸收波浪能并将其转换成规则运动形态(如直线运动、圆 周运动)的机械能，再通过能量转换装置将规则运动形态的机械能转换成电能输出。从吸 收波浪能的结构形式来划分，可以分为振荡水柱式、浮子式、摆式和点头鸭式等。能量转换 系统有空气叶轮、低水头水轮机、液压系统、机械系统以及发电机等。自1964年，实用新型世界上第一台小型气动式波浪能发电装置；到目前为止，世 界上已有日本、英国、爱尔兰、挪威、西班牙、瑞典、丹麦、印度、美国等国家相继在海上建立 了波浪发电装置。我国广州能源研究研建了 lOOkW岸式振荡水柱装置。振荡水柱+空气叶 轮的波浪能装置由于采用空气传递能量，其优点是避免了波浪对脆弱的发电系统的打击； 其缺点是空气叶轮转换效率底，而且发电不稳定。现有创新技术(曲面绳轮波浪能转换与发电系统，200610128746. 6)把主要波浪 能转换部件和发电系统置于水下，缺点是不易安装，尤其是水比较深的时候，电缆在海底， 留有安全隐患；日常维护也很不方便。现有技术(群船海浪动力发电机ZL200720133512.0 和用海浪与风能在近海领域用多体船发电法ZL200610021551. 1)利用群船起伏运动实现 对能量转换，发电系统虽然在水上，但没有考虑发电系统稳定性需求。在摇动的船体上放置 风电系统，没有考虑发电系统的相对稳定要求，遇到大浪，其结构、锚泊系统及输电线往往 容易被破坏。岸式波浪能装置固定于岸边，缺点是岸边的波浪能能流密度往往偏小。也与 我们期待的远离陆地的海洋开发提供能源的想法不符。另外，海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，海上风能资源丰富。从20世纪 70年以后，欧洲开启了风能利用的新时代以来。现在荷兰、丹麦有长期2020年和2030年海 上风能开发计划，欧洲海上风电场2010年后将会大规模开发。中国也有丰富的海上风能资 源。从目前技术水平看，更需要与成本相对低的海上风电结合起来考虑。因此，需要提供一种海上可再生能源转换装置和系统，其能有效利用海上可再生 能源，为远离陆地的海洋开发提供能源，且安全、稳定、可靠，便于工程实施和日常维护。
实用新型内容本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种海上可再生能源转 换装置和系统，该装置和系统设计巧妙、能有效利用海上可再生能源，为远离陆地的海洋开 发提供能源，适用于边远海岛、钻井平台、深海采矿等常规能源难以供应的场所，且安全、稳 定、可靠，便于工程实施和日常维护。为了实现上述目的，在本实用新型的第一方面，提供了一种海上可再生能源转换装置，其特点是，包括海洋平台和波浪能发电机，所述波浪能发电机安设在所述海洋平台的 台面上。较佳地，所述波浪能发电机包括波浪浮体和机械传动发电部件，所述机械传动发 电部件安设在所述台面上，所述波浪浮体包括浮体和安设在所述浮体上的直条齿轮，所述 机械传动发电部件包括直条齿轮限位组件、第一转轴和安设在所述第一转轴上的第一齿 轮，所述浮体位于所述台面下方，所述直条齿轮从下至上穿设所述台面并与所述第一齿轮 啮合，所述直条齿轮限位组件抵靠限位所述直条齿轮。更佳地，所述直条齿轮限位组件包括第二转轴和安设在所述第二转轴上的第二齿 轮，所述第二转轴与所述第一转轴平行设置，所述直条齿轮为直条双面齿轮，所述直条双面 齿轮位于所述第一齿轮和所述第二齿轮之间并分别啮合所述第一齿轮和所述第二齿轮。更佳地，所述机械传动发电部件还包括增速齿轮、棘轮和发电机，所述增速齿轮安 设在所述第一转轴上，所述发电机具有第三转轴，所述第三转轴与所述第一转轴平行设置， 所述棘轮安设在所述第三转轴上并啮合所述增速齿轮。较佳地，所述海洋平台是张力腿式海洋平台。更佳地，所述张力腿式海洋平台还包括立柱、浮箱和张力腿，所述立柱位于所述台 面和所述浮箱之间并分别连接所述台面和所述浮箱，所述张力腿位于所述浮箱下并固定于 所述浮箱。更进一步地，所述张力腿式海洋平台还包括基底模板，所述基底模板位于所述张 力腿下方并固定于所述张力腿。在本实用新型的第二方面，提供了一种海上可再生能源转换系统，其特点是，包括 工作平台、输出电线、至少一风力发电机和至少一上述的海上可再生能源转换装置，所述海 上可再生能源转换装置和所述风力发电机均安设在所述工作平台中且均与所述输出电线 电连接。较佳地，所述海上可再生能源转换装置为阵列式布置。较佳地，所述工作平台是固定式大框架集。本实用新型具有如下有益效果1.本实用新型包括海洋平台和波浪能发电机，所述波浪能发电机安设在所述海 洋平台的台面上，利用海洋平台的良好稳定性，实现波浪能发电机的高效、稳定运行，设计 巧妙、能有效利用海上可再生能源，为远离陆地的海洋开发提供能源，适用于边远海岛、钻 井平台、深海采矿等常规能源难以供应的场所，且安全、稳定、可靠，便于工程实施和日常维 护；2.本实用新型的波浪能发电机采用双面齿条和棘轮，把由浮体的往复运动转换 成旋转运动，设计巧妙、结构简单、易实施；易于获得较大面积采集海洋波浪能，相对成本较 低；3.本实用新型具体采用了张力腿式海洋平台，采用了波能转换装置工作框架与浮 体固定连接的漂浮式结构，使绝大部分工作构件设置于海面之上，只有浮体与海水接触，与 现有技术“曲面绳轮波浪能转换与发电系统”相比，便于系统的维护和减轻海水腐蚀对装置 主体的损害；也有利于安装和保护发电系统设备和增强装置抗巨浪的能力；4.本实用新型不受水深的限制，可适应于浅海，也可在深海工作，模块式发电结构
4便于组装和拆卸，可根据使用需求迁移整个发电站，发电规模大小可灵活设计，通过增加装 置的数量可以形成兆瓦级的发电站，可以用于海水淡化及其它的工业生产应用；5.本实用新型基于稳定平台上，容易实现波浪能和风能的综合利用。阵列式结构 布置可达到兆瓦级发电。按照Kinsman的公式，一个严格简单正弦波单位波峰宽度的波浪 功率P0为
<formula>formula see original document page 5</formula>,式中，H为波高；T为波周期；P为海水密度；g为重力加速度，如有一周期为10s， 波高为2m的波浪，波列的功率为40kw/m，本实用新型的浮体只有上浮时作功，因此单位波 峰宽带理想状态下最大转换功率为P = 0. ，而在实际工程应用中，考虑机械转换效率和 电能转换效率，设总体的转换系数为n ；按照本实用新型的阵列框架布置，有效利用横列 为100m，这样的结构有10行并排，考虑转换系数后(取n =0.6)，在上述单位波峰功率的 波浪驱动下可以获得有效发电功率为Pijs: 0. 5P0X 1000mX0. 6 = 12MW，可实现兆瓦级发 电，为各类海洋开发提供电力保障。
图1为本实用新型的海上可再生能源转换装置的一具体实施例的局部立体结构 示意图。其中波浪线代表波浪。图2为图1所示的具体实施例的直条双面齿轮处于第一齿轮和第二齿轮之间的局 部立体结构示意图。其中波浪线代表波浪。图3为图1所示的具体实施例的波浪能发电机的主体结构的俯视示意图。图4为本实用新型的海上可再生能源转换系统的一具体实施例的俯视结构示意 图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。请参阅图1 图3所示，本实用新型的海上可再生能源转换装置104包括海洋平 台1和波浪能发电机2，所述波浪能发电机2安设在所述海洋平台1的台面11上。较佳地，所述波浪能发电机2包括波浪浮体3和机械传动发电部件4，所述机械传 动发电部件4安设在所述台面11上，所述波浪浮体3包括浮体31和安设在所述浮体31上 的直条齿轮32，所述机械传动发电部件4包括直条齿轮限位组件、第一转轴41和安设在所 述第一转轴41上的第一齿轮42，所述浮体31位于所述台面11下方，所述直条齿轮32从下 至上穿设所述台面11并与所述第一齿轮42啮合，所述直条齿轮限位组件抵靠限位所述直 条齿轮32。在本实用新型的具体实施例中，所述直条齿轮限位组件包括第二转轴43和安设 在所述第二转轴43上的第二齿轮44，所述第二转轴43与所述第一转轴41平行设置，所述 直条齿轮32为直条双面齿轮，所述直条双面齿轮位于所述第一齿轮42和所述第二齿轮44 之间并分别啮合所述第一齿轮42和所述第二齿轮44。在本实用新型的具体实施例中，所述机械传动发电部件4还包括增速齿轮45、棘所述增速齿轮45安设在所述第一转轴41上，所述发电机47具有第三转 轴48，所述第三转轴48与所述第一转轴41平行设置，所述棘轮46安设在所述第三转轴48 上并啮合所述增速齿轮45。上述第一转轴41、第二转轴43和第三转轴48可以分别由轴承基座49支承，也可 以可以支承在机械传动发电部件4的壳体上，也可以直接支承在海洋平台1的台面11上， 直条双面齿轮由第一齿轮42和第二齿轮44限位，并将波浪能通过第一齿轮42传递给增速 齿轮45，再通过增速齿轮45传递给棘轮46，最终传递给第三转轴48，从而通过发电机47转 化为电能；直条双面齿轮不仅需要前后侧自由度约束，还需要左右方向自由度约束，才能保 证齿轮间的啮合和发电的安全稳定，满足机械传动发电部件4本身对稳定性的需要。较佳地，所述海洋平台1是张力腿式海洋平台。张力腿式海洋平台是海洋平台深 海油气平台中优秀的张力腿平台。张力腿平台的特点在于系泊腿中具有张力，较大的预张 力使平台平面外的运动(横摇、纵摇和垂荡)较小，近似于刚性。更佳地，所述张力腿式海 洋平台还包括立柱12、浮箱13和张力腿14，所述立柱12位于所述台面11和所述浮箱13 之间并分别连接所述台面11和所述浮箱13，所述张力腿14位于所述浮箱13下并固定于所 述浮箱13。在本实用新型的具体实施例中，所述张力腿式海洋平台还包括基底模板15，所 述基底模板15位于所述张力腿14下方并固定于所述张力腿14。台面11位于水面以上，通过4根立柱12与浮箱13连接，立柱12是平台波浪力和 海流力的主要承受部件，其主要作用是提供给平台本体必要的结构刚度。平台的浮力由立 柱12和位于水面以下的浮箱13提供。浮箱13首尾与各立柱12相接，形成环状结构。张 力腿14与立柱12的关系一般是一一对应的，每条张力腿14由4根张力筋键组成，上端固 定在浮箱13上，下端与位于海底的基座模板15相连，或者直接连接在桩基顶端。张力腿14 将台面11和海底固接在一起，可提供一个相对平稳安全的工作环境。工作时，当双面齿条(即直条双面齿轮32)做上升运动时，带动第一转轴41上的 第一齿轮42转动，第二转轴43上的第二齿轮44也同时转动，与第一齿轮42反向；通过增 速齿轮组的增速齿轮45带动第三转轴48上的棘轮46做规定方向的转动，进而由发电机47 发电；当双面齿条下降时，第一转轴41做反方向的转动，主要目的是让浮体31复位，由棘轮 46保证单方向传动，此时第三转轴48停止运动。本实用新型的浮体31随着波浪的起伏生做往复运动，它的功能是把简单线性运 动通过直条双面齿轮传递给海洋平台1上固定放置的机械传动发电部件4，把往复运动转 换为圆周运动，由棘轮46保证单方向传动，其上升时，主要为浮体31的浮力做功，它的大小 取决于浮体31的排水量；其下降时，主要靠浮体31自身的重力复位，不用来发电。自身重 力对两阶段功是矛盾的选择。排水量一定条件下，浮体31自身重力小，上升阶段的有用功 就大，而下降时的辅助功变小，反之亦然。这里能量输出主要靠上升阶段的做功，因此合理 选择是尽量通过增加浮体31的排水量和减小浮体31自身重力。请参阅图4所示，本实用新型的海上可再生能源转换系统包括工作平台101、输出 电线102、至少一风力发电机103和至少一上述的海上可再生能源转换装置104，所述海上 可再生能源转换装置104和所述风力发电机103均安设在所述工作平台101中且均与所述 输出电线102电连接。在本实用新型的具体实施例中，所述海上可再生能源转换装置104 为阵列式布置，所述工作平台101是固定式大框架集。固定的大框架集由海洋平台1阵列
6式布置，平台稳定性好，抗风暴能力强。用现有的风力发电技术，在海洋平台1空余地方布 置风力发电机103，由多个波力发电和风力发电的并网运行，可实现兆瓦级发电，为各类海 洋开发提供电力保障。如有一周期为10s，波高为2m的波浪，需要10列组合波能发电平台布置，每列需要 作用的有效波峰为100m，就可以获得有效功率12MW。再加上风电的补充，完全可以为海上 工业作业所需电能提供能源支持。也可以充分利用环境已有海上作业平台，采集波浪能和 风能，达到节能减排目的。随着波浪能和风能技术的发展成熟，将来必然会成为重要的可持 续能源。本实用新型的系统利用张力腿式海洋平台为基础，阵列式放置发电系统，实现海 上波浪和风力的并网发电。波浪是横波，其最基本的能量表现为水波的上下起伏传递能量。 本实用新型把波浪的上下起伏运动，转化为直齿条近似的线性运动，再通过机械传动发电 部件4转化为单一的圆周运动，并由增速齿轮45增速，由棘轮46保证单方向传动，进而带 动单个发电机47，由并联的发电机47实现电能稳定调节，实现相对稳定的规模发电，输出 的电能直接通过稳压变换，直接为海洋作业提供能量支持。同时，利用海洋平台1上放置的 风力发电机103发电，与波浪能发电机2互为补充，解决由单一波浪能发电效率低的问题， 提供稳定持续的能源供应。富余的电能通过蓄电池存储起来备用。另外，机械传动发电部件4的材料应该选择具有抗海水腐蚀的特性、廉价、较好的 强度和可靠性。工程塑料在强度上已有了显著提高，但其耐久性和可靠性还未能满足要求。 因此，现有的波浪能装置只是采用普通钢材，靠表面涂层来提高抗腐蚀能力。波浪能发电机2涉及到的部件都有强烈的磨蚀作用。涉及到受损区内都要涂覆一 层耐磨材料。选择一种芳族聚酰胺或一种具有近似或相同冲击韧性的塑料形成纤维层。这 种纤维材料构成，其抗拉强度至少为2500兆帕斯卡，拉伸弹性模数至少为100千兆帕斯卡。与水邻接的表面只由耐海水腐蚀的保护层的材料构成，这种保护层可由聚氨基甲 酸酯构成。聚氨基甲酸酯简称为聚氨酯树脂，在船舶漆中主要来制造船舱漆及甲板漆，具有 很好的耐海水特性。综上，本实用新型的海上可再生能源转换装置和系统设计巧妙、能有效利用海上 可再生能源，为远离陆地的海洋开发提供能源，适用于边远海岛、钻井平台、深海采矿等常 规能源难以供应的场所，且安全、稳定、可靠，便于工程实施和日常维护。在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以 作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是 说明性的而非限制性的。
权利要求一种海上可再生能源转换装置，其特征在于，包括海洋平台和波浪能发电机，所述波浪能发电机包括波浪浮体和机械传动发电部件，所述机械传动发电部件安设在所述海洋平台的台面上，所述波浪浮体包括浮体和安设在所述浮体上的直条齿轮，所述机械传动发电部件包括直条齿轮限位组件、第一转轴和安设在所述第一转轴上的第一齿轮，所述浮体位于所述台面下方，所述直条齿轮从下至上穿设所述台面并与所述第一齿轮啮合，所述直条齿轮限位组件抵靠限位所述直条齿轮。
2.根据权利要求1所述的海上可再生能源转换装置，其特征在于，所述直条齿轮限位 组件包括第二转轴和安设在所述第二转轴上的第二齿轮，所述第二转轴与所述第一转轴平 行设置，所述直条齿轮为直条双面齿轮，所述直条双面齿轮位于所述第一齿轮和所述第二 齿轮之间并分别啮合所述第一齿轮和所述第二齿轮。
3.根据权利要求1所述的海上可再生能源转换装置，其特征在于，所述机械传动发电 部件还包括增速齿轮、棘轮和发电机，所述增速齿轮安设在所述第一转轴上，所述发电机具 有第三转轴，所述第三转轴与所述第一转轴平行设置，所述棘轮安设在所述第三转轴上并 啮合所述增速齿轮。
4.根据权利要求1所述的海上可再生能源转换装置，其特征在于，所述海洋平台是张 力腿式海洋平台。
5.根据权利要求4所述的海上可再生能源转换装置，其特征在于，所述张力腿式海洋 平台还包括立柱、浮箱和张力腿，所述立柱位于所述台面和所述浮箱之间并分别连接所述 台面和所述浮箱，所述张力腿位于所述浮箱下并固定于所述浮箱。
6.根据权利要求5所述的海上可再生能源转换装置，其特征在于，所述张力腿式海洋 平台还包括基底模板，所述基底模板位于所述张力腿下方并固定于所述张力腿。
7.—种海上可再生能源转换系统，其特征在于，包括工作平台、输出电线、至少一风力 发电机和至少一根据权利要求1 6中任一项所述的海上可再生能源转换装置，所述海上 可再生能源转换装置和所述风力发电机均安设在所述工作平台中且均与所述输出电线电 连接。
8.根据权利要求7所述的海上可再生能源转换系统，其特征在于，所述海上可再生能 源转换装置为阵列式布置。
9.根据权利要求7所述的海上可再生能源转换系统，其特征在于，所述工作平台是固 定式大框架集。
专利摘要本实用新型涉及一种海上可再生能源转换装置，包括海洋平台和波浪能发电机，波浪能发电机安设在海洋平台的台面上，较佳地，波浪能发电机包括波浪浮体和安设在台面上的机械传动发电部件，波浪浮体包括浮体和安设在浮体上的直条齿轮，机械传动发电部件包括直条齿轮限位组件、第一转轴和安设在第一转轴上的第一齿轮，浮体位于台面下方，直条齿轮从下至上穿设台面并与第一齿轮啮合，直条齿轮限位组件抵靠限位直条齿轮，海洋平台是张力腿式海洋平台，还提供了一种海上可再生能源转换系统，风力和波力并网发电，本实用新型设计巧妙、能有效利用海上可再生能源，为远离陆地的海洋开发提供能源，且安全、稳定、可靠，便于工程实施和日常维护。
文档编号F03D9/00GK201582043SQ200920209838
公开日2010年9月15日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22日
发明者李永国, 杨义, 王世明, 王永鼎 申请人:上海海洋大学