一种感知调频的重力势波浪能发电装置

本发明涉及波浪能发电，特别涉及一种能适用于中浅水海域的感知调频的重力势波浪能发电装置。

背景技术：

1、海洋覆盖了地球70％的表面。波浪冲击蕴藏着巨大的能量，在1平方公里海面上产生的能量可达20万kw左右，由此计算全球波浪能储量约为25亿kw，能源储量十分巨大。

2、目前，全球可开采的波浪能已达到2.5tw。我国波浪能资源丰富，在近海发现了1.5×108kw左右的波浪能，其可开采量在2.3×107-3.5×107kw之间。波浪能作为一种洁净、可再生的能量来源，在利用波浪能的过程中不会产生任何环境污染。由于波浪能发电站安装在近海，因此可以为某些岛屿提供电力。波浪能能量密度高、分布广、易于直接利用、清洁无污染、取之不尽用之不竭。

3、在中国沿海地区，渤海、黄海沿海地区的波浪高度很低，多数地区的年平均波浪高度在0.5m左右；东海近海有很强的波浪，在福建北部的北屿站，其年平均波浪高可以达到1.3m；南海海浪高度较低，年平均仅为0.8m左右，与东海近海相比，相对较低。我国近海离岸20km一线的波浪能储量为1599.52×104kw，理论年发电量为1401.17×108kw·h，技术可开发装机容量为1470.59×104kw，年发电量为1288.22×104kw·h。

4、近年来，国际上越来越重视新能源的开发，利用具有储量大、能量密度高、清洁环保等特点的波浪资源，被认为是解决未来化石能源紧缺和全球变暖的最有前途的途径之一。然而，目前波浪能发电装置仍主要存在三个方面的问题：一是波浪能的转化效率较低；二是在捕获波浪能的区域，台风等极端海况对波浪能收集转化为电能有很大的影响；三是在现阶段，波浪能发电装置的维护成本很高，且有生物附着和海水侵蚀等伴生问题。

5、因此，在业界亟待开发出一种结构简单，成本低廉，适用性广，自适应能力强，发电效率高的波浪能发电装置，以有效利用近海丰富的波浪能资源，推动世界能源领域的可持续发展。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种感知调频的重力势波浪能发电装置，其适用性广，自适应能力强，发电效率高，可靠性高，各系统之间相互干涉小，维修简便且成本低，装置在风暴等环境下安全性高，非常适合中浅水海域的波浪能发电。该装置具有自我感知调频功能，可大幅提高波浪能利用效率，缓解世界能源压力，推动人类社会健康可持续发展。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种感知调频的重力势波浪能发电装置，包括支撑系统、发电系统和感知调频系统；所述支撑系统与海底固定连接以用于支撑所述发电系统和所述感知调频系统，所述发电系统用于重力势波浪能驱动其发电并部分供电给所述感知调频系统使用，所述发电系统包括发电浮子，所述发电浮子在所述支撑系统中做升沉运动，所述感知调频系统用于根据海域的波浪卓越周期变化而调整所述发电浮子的固有周期以最大化所述发电浮子的升沉位移幅值。

4、优选地，所述感知调频系统包括波浪浮标、分析控制系统、水箱、水泵、阀门、排水管和进水管；所述排水管和所述进水管均分别连通所述水箱和所述发电浮子的内腔，所述水泵位于所述水箱内并与所述排水管连接，所述阀门连接在所述进水管上，所述水泵、所述阀门和所述波浪浮标均与所述分析控制系统通信连接；所述波浪浮标位于所述发电系统附近的海域上，用于采集波浪数据并发送至所述分析控制系统，所述分析控制系统用于根据波浪数据分析海域的波浪卓越周期变化而计算并调整所述发电浮子的质量，从而调整所述发电浮子的固有周期以最大化所述发电浮子的升沉位移幅值。

5、优选地，所述分析控制系统被配置为用于执行如下过程：当波浪卓越周期增大预定值时，计算得到所述发电浮子需要增加的质量，控制所述阀门打开以从所述水箱通过所述进水管向所述发电浮子的内腔注水，增加所述发电浮子的质量，从而所述发电浮子升沉运动的固有频率降低，固有周期增加以使所述发电浮子的固有周期等于当前的波浪卓越周期，进而最大化所述发电浮子的升沉位移幅值；当波浪卓越周期减小预定值时，计算得到所述发电浮子需要减少的质量，控制所述水泵打开以从所述发电浮子的内腔通过所述排水管向所述水箱抽水，减小所述发电浮子的质量，从而所述发电浮子升沉运动的固有频率增加，固有周期减小以使所述发电浮子的固有周期等于当前的波浪卓越周期，进而最大化所述发电浮子的升沉位移幅值。

6、优选地，所述支撑系统包括支撑座、中心限位柱和甲板，所述中心限位柱和所述甲板均连接于所述支撑座上，所述中心限位柱上具有滑轨；所述发电系统包括一个所述发电浮子、两组发电机和蓄电池，所述发电浮子上具有齿条和滚轮，每台所述发电机上具有单向轴承和齿轮，所述发电浮子的齿条与所述齿轮啮合，所述单向轴承的一端连接所述齿轮，另一端连接所述发电机，所述发电浮子的内腔用于容纳可变水体，所述两组发电机位于所述甲板上，所述发电浮子通过所述滚轮与所述中心限位柱上的滑轨滚动连接，以在所述中心限位柱上做升沉运动；所述蓄电池位于所述甲板上与所述两组发电机连接，用于储存所述两组发电机产生的电能，所储存的电能一小部分供电给所述感知调频系统使用，大部分外输；所述分析控制系统和水箱均位于所述甲板上。

7、优选地，所述支撑座包括多条桩腿、多条横撑和多条斜撑，所述桩腿与海底固定连接，所述横撑和所述斜撑连接于多条桩腿之间，所述桩腿、所述横撑和所述斜撑之间通过刚性连接共同组成一个稳固的空间框架结构。

8、优选地，所述支撑系统还包括上层建筑，所述上层建筑围设在所述甲板的周围和顶面，以保护所述甲板上的设施。

9、优选地，所述中心限位柱的上端固定于所述甲板底面的中心点，下端固定于所述空间框架结构最低一榀水平横撑在平面内的交叉会聚点；所述滑轨有四条，在所述中心限位柱的柱面相邻90度设置；优选地，所述中心限位柱为空心圆钢管。

10、优选地，所述发电浮子包括浮子主体和桁架，所述浮子主体的中心为一空心柱形竖井，所述中心限位柱位于所述空心柱形竖井内，所述浮子主体的内腔用于容纳可变水体，所述桁架连接于所述浮子主体的顶部，所述齿条设置在所述桁架上；优选地，所述浮子主体为截顶倒锥形；优选地，所述浮子主体的底部与所述中心限位柱的底部之间通过可伸缩连接件密封连接；优选地，所述浮子主体的内腔可容纳水的质量为所述发电浮子自重的多倍。

11、优选地，所述滚轮有三组，分别置于所述发电浮子的三个高程，其中，最上面高程的一组滚轮置于所述桁架上，下面两个高程的两组滚轮设置在所述空心柱形竖井的壁上。

12、优选地，所述两组发电机均被配置为在齿轮顺时针或逆时针转动驱动时发电，且在所述发电浮子上升或下降时，所述两组发电机连接的相应齿轮的转向相反，使得当所述发电浮子上升或下降时，一组发电机发电，另一组发电机不发电；优选地，所述发电机有两台，一台发电机为一组，对应地，所述桁架有两个，一个桁架上的齿条对应啮合一台发电机上的齿轮。

13、本发明的有益效果包括：

14、(1)本发明发电效率高，自适应能力强，应用范围广，整体结构简单，刚度大，不易变形，稳定性和可靠性高，建造安装成本低廉，易于维护和检修，具有较好的经济性，可适应较大的水深范围。

15、(2)本发明具有感知调频功能，通过感知调频系统对波浪数据进行实时频谱分析，得到波浪卓越周期变化而调整发电浮子的质量，从而调整发电浮子升沉运动的固有周期以最大化发电浮子的升沉位移幅值，达到提高发电效率的目的。进一步优选的方案中，感知调频系统中的分析控制系统根据波浪卓越周期的变化计算出发电浮子需要增减的质量，接着通过水泵或阀门进行排水或注水从而保证发电浮子升沉运动的固有周期等于当前的波浪卓越周期，形成共振以最大化发电浮子的升沉位移幅值，从而提高发电效率；同时，在优选的方案中，发电浮子的内腔用于容纳可变水体以调节其总质量，可容纳水体的质量约为浮子自重的多倍，以此实现对发电浮子升沉运动的固有周期在较大范围内进行调节。

16、(3)在优选的方案中，波浪能转化的电能可以储存于蓄电池，方便取用，既可供电给感知调频系统使用，还可以外输用于海岛应急用电，也可用于陆上各种用电场合。

17、(4)在优选的方案中，本发明在甲板上对称布置两组发电机，通过齿轮传动以及单向轴承的限制，保证了波峰和波谷来临时装置均能正常高效率发电，大幅提高了波浪能的利用效率。

18、(5)在优选的方案中，本发明发电浮子与中心限位柱之间通过滚轮与滑轨配合，既限制了发电浮子的运动范围，又减少了发电浮子与中心限位柱之间的摩擦，减少了发电过程中的能量损失，提高了能量转换效率。

19、(6)在优选的方案中，本发明充分考虑了腐蚀对整个发电装置的影响，对甲板上的设施、滚轮以及滑轨都进行了较好的保护，很大程度上降低了海水腐蚀对发电装置的影响。