一種波力發電法及波力發電裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于新能源技術領域，具體講，是一種環境友好、對地質生態平衡沒有不良影響的可進行大規模開發利用波浪能的方法及其波力發電裝置。
【背景技術】
[0002]越是發達的地區或國家對能源的清潔要求越高，尤其是保護地質生態平衡的意識逐漸加強。對于在大江河流上修建大型攔河大壩儲水發電，地面上的與地下的水系之水量分布變化對應地殼質量分布變化。地殼質量分布是地質生態的最重要的基本參數，也是影響地殼運動的、地質動力學狀態的重要的、關鍵因素之一。理由是將它們看作許多的質量不同的質點而隨著地球的自轉作圓周運動，它們各自針對轉軸的離心力也不同，正因如此，而導致它們彼此之間存在巨大的離心力差，離心力差造成它們各自的位移量不同而引起它們所在之處的地質構件重新排列來求得消除離心力差而達到新的動力平衡。地質構件的重新排列必然引起地震。連續集中地在某一區域或某一地帶發生密集的地震之事實已經證明了上述理論的正確，也是板塊漂移理論無法說清楚的地震動力學起因的地方。到目前為止，吸取海浪能是少數幾種真正既對地面環境和大氣生態清潔，不影響地球氣候又不影響地球地質生態平衡的換能方式之一。理由是海浪拍打在礁石上或船舷上與拍打在波力機的拾能器上的運動學、動力學、氣候學、氣象學、海洋學、地質學等種種效果無異。在防生網的保護之下，對海洋生物的不良影響很小。
[0003]風能與光能相比，中國東海海域的風能之年平均面能量密度約300w / m2，要比不同緯度的光能50到10w / m2的面均能量密度要高出6到3倍；而中國沿海不同海域海浪的年平均線能量密度6kw / m到1kw / m，又比風能的年平均面能量密度高出20到30倍，波浪能是最值得投資開發的能源。
[0004]近一百多年以來，人們發明了許多利用海浪能發電的裝置。例如，A.點頭鴨式；B.筏式；C.隨波柔動壓電式和機械式；D擺式；E.蛙式；F.固定振蕩氣柱式；G.漂浮振蕩氣柱式等，以及與海流風能光能混合式。但這些吸能的方式、方法、形式與結構往往只能針對波浪的某一種形式的能量的吸收，或者針對一個浪向的能量進行吸收，或者面臨難以克服海浪的潮汐、波長、浪高、相位、波列短、浪高變化范圍等不穩定因素所造成的問題與缺陷。例如，傳聞于全世界的“海蛇”波浪能發電技術，雖然具有一些優點，但其許多缺陷對它卻是致命的否定因素。顯而易見的是其拾能器對于波浪能的接收阻力采用了最小化方式與處理，使得大量的拍岸浪能量擦身而過，其拾能結構是不科學的、不合理的。又例如，點頭鴨式發電裝置的吸能器違反了全程全力全力矩的“三全”設計原則；僅此一項就限制了鴨頭型拾能器的拾能效率，且存在著無功功率，違反了有功功率最大化等多項設計原則。此外，還需要改進的是將鴨頭型拾能器安裝在漂浮的基座上，以致產生鴨頭型拾能器與其承載基座同起同落的運動現象，違反了拾能器的結構與其運動特征的設計必須遵循拾能頭相對其基座位移最大化的設計原則。拾能器不是不能安裝在漂浮的基座上，而是將拾能器安裝在漂浮的基座上之后，必須采取阻止拾能器與漂浮的基座同起同落和擴大兩者之間相對位移最大化的措施。否則其拾能效率將小得導致整個方案被否定。此外，還必須改進鴨頭型拾能器的聚能拾能比接近于I的結構與狀態，因為現有波浪能發電技術中鴨頭型拾能器的設計違反了拾能器之設計必須遵循的聚能拾能比趨大化原則和靈敏度閾值最小化的設計原則。總之，鴨頭型的吸能發電方法與裝置中還存在許多設計理念、設計原則和設計結構方面的缺陷，不宜在此一一指出。
[0005]再例如，一段時間里，國際國內比較流行的，也是失敗比較多的海浪發電形式是振蕩氣柱式的發電裝置，尤其是日本。日本曾經牽頭，多個科技和工業發達的國家參與，在“海明號”船上，一條長80米、寬12米的區域里安裝了 13個振蕩氣柱室，進行了波浪能發電技術的試驗，但最后以其嚴重的缺陷引起的失敗而告終。缺陷何在？缺陷一，水工質換成氣工質，僅工質的變換就令其工質攜帶的能量小了 775倍；缺陷二，振蕩氣柱腔的墻體就阻檔了水表面的拍岸浪，只吸取了水層下一定深層的較小的部分涌浪能，即無論拾能器的吸能效率多么高，它所能吸取到的能量永遠超過不了波浪所攜帶的能量的一半；缺陷三，沒有消除潮差對拾能的不良影響，而且在墻體尺寸另外增加了潮差尺寸，使得在漲潮期內，對涌浪的能量拾能效率更低；缺陷四，氣室腔體的工程性要求高，不能漏氣。然而，氣室與透平機的連接區屬于一種開放型的區域，大量的壓縮氣體從此處漏掉，而且這個漏洞還不能堵。因為它還兼有進氣口的功能；缺陷五，氣室作為拾能器，其靈敏度極低，無法吸取小浪的能量，無法讓發電機組在額定功率的狀態下穩定運行；缺陷六，聚能拾能比極低，導致氣能與電能之間的轉換率極低，甚至當氣壓低于傳動構件啟動過程中的靜摩擦力閾值時，就無法讓透平機轉動起來；缺陷七，氣室腔體龐大，如果沒有配置儲氣包，則其組合性差，海域利用率低；缺陷八，只要沒有多個振蕩氣柱室的聯合運行，就無法做到吸能單體之間的海浪波動特性之優勢互補，發電機組難以進入在額定功率條件下發電的狀態，而且處于“轉少停多”的狀態......其缺陷不宜列舉。
[0006]基于當前國際國內波浪能發電裝置的現狀，本發明就是在分析了波浪能發電裝置眾多現有波浪能發電技術的種種缺陷，吸取種種教訓，糾正其中不妥之處的結果，放棄運用錯選的原理，科學地采用一些合理與適宜的原理。將波力發電裝置的海上部分簡稱為波力機，制定波力機設計原則來確保科學合理運用原理。例如，制定波力機全能量拾能原則，即設計的波力機，既要能吸取涌浪的能量，也要能吸取拍岸浪的能量；制定波力機的拾能范圍最大化原則，即波力機設計時，既要能吸收驚濤駭浪的能量，也要能吸收小浪花的能量；還制定聚能最大化、聚能拾能比趨大化、有效功最大化、“三全”、性價比最大化、設備自身安全確保、易操作、易維修等多于四十項的設計原則，藉以確保波力機設計中正確選擇所用原理和正確運用之。遵循科學合理而適宜的設計原則越多，設計出來的設備越科學合理，適用和適應范圍越寬，吸能效率、傳動效率、裝機容量年利用率和穩定性越高。

【發明內容】

[0007]本發明的目的在于提供一種針對將水體表層運動方向雜亂的波浪所具有的大小不一的斷斷續續的不穩定的雜碎波浪能聚集起來并將其整流為規則的恒定單向旋轉的動力用于發電的方法，并按該方法設計的波力發電裝置。
[0008]本發明的波力發電法包括的組成部分以及波力發電裝置的技術方案如下:
[0009]部分一，將安裝有聚浪罩、聚能缸、調向機、傳動軸、行走機構和控制器的波力機機架安裝在從岸上高處的機房延伸到深海的機架軌道上，將空氣渦輪機和發電機組及附件安裝在機房里，將儲氣包設置在機房附近的地方，將水輪機和儲水包安裝在貼近水面的岸上，從而將波力發電裝置分成海上部分和岸基部分，海上部分即波力機，兩者由機架軌道、傳動主軸、氣管道和水管道聯接成波力發電裝置；
[0010]部分二，安裝在波力機機架中的迎浪面可以調向的聚浪罩吸收水平方向上的拍岸浪能量和上下起伏的涌浪能量，通過將聚浪罩收集到比靜態海平面所對應的水體體積V。多出的水體增量Λ V。的波浪以其自身的能量將自己壓縮到聚能缸中去，推動缸內浮體單向活塞做遵循聚浪罩內水體體積增量等于聚能缸內浮體單向活塞運動對應的缸內容積增量(Λ V。= Λ Vg)，以及聚能缸的活塞之行程與大海的浪高之轉換比(Lg:LC)規律的相應運動，并且還安裝了可以拆換的、能擴大波力機的吸能寬度以及提高了波力機在微浪條件下的靈敏度、壓縮比和吸能能力的擴展招浪罩，在擴展招浪罩的迎浪口設有一張攔截海生物或雜物的防生網，在擴展招浪罩的后方也在平面彈子的動圈平面上固定連接了一個負責擴展招浪罩調向的風力調向舵II ;與浮體單向活塞聯動的傳能構件帶動小浪棘輪轉動，以及在摩擦過渡輪的參與下帶動大浪摩擦棘輪轉動，大浪摩擦棘輪的輸出軸通過超越離合器與小浪棘輪的輸出軸構成離合運行可控狀態之后，再由小浪棘輪的輸出軸與發電機組的前置變速器的輸入軸聯軸驅動發電機組，同時通過聚能缸所獲得的氣體去驅動空氣渦輪機，所獲得的水體去驅動水輪機；空氣渦輪機和水輪機的輸出軸分別的通過各自所配的超越離合器與發電機組的前置變速器的輸入軸，或與小浪棘輪的輸出軸構成離合運行速控狀態下，以實現小浪棘輪的輸出軸的轉速與扭矩足以令發電機組處于額定功率下發電時，空氣渦輪機或水輪機即在轉速測控器的控制下自動脫離運行，使得儲氣包再不向外送氣而處于儲氣狀態，儲水包再不向外送水而處于儲水狀態；當小浪棘輪的輸出軸的轉速與扭矩出現難以維持發電機組處于額定功率下發電時，轉速測控器發出指令啟動儲氣包向空氣渦輪機送氣或啟動儲水包向水輪機送水，空氣渦輪機或水輪機的輸出軸通過超越離合器與小浪棘輪的輸出軸構成離合運行速控狀態，與小浪棘輪和大浪摩擦棘輪的共同輸出軸一起驅動發電機組；
[0011]部分三，本方法中通過一個工藝功能特征和幾何形狀特征為“圓改長方”以及連接形式“單進復出”的其截面積與聚浪罩之出口端的導流截面積基本相同的轉向節之分支輸出口分別與等量的聚能缸連通，轉向節的輸入口為“圓”形，其輸出口為“長方形”，在長方形的輸出口的腔板上并排設置它的分支輸出口 ；除了指定與處在轉向節的軸線上的O號分支輸出口連通的O號聚能缸為控制缸之外，其它各個聚能缸均為受控缸，所有受控聚能缸的下端進水口均設有柵閥；在O號聚能缸的缸體上設有不同高度的控制信號排水口，分別與相應的常閉單向浮球排水閥、滴漏式變重桶和聚能缸一一對應而形成各自獨立的控制系統；
[0012]部分四，本方法設置了由靜態海平面高度測控器、自備行走機構和整機升降卷揚機所構成的系統，以靜態海平面高度測控器探測的海平面高度訊號控制波力機自備行走機構和整機升降卷揚機的運行自動調節波力機吸能工作面的高度來消除潮汐的不利影響和避災，確保波力機自身安全；
[0013]部分五，本方法通過三種不同類型的調向方式一風力自然控制、人力人工控制和電力自動控制來調整聚浪罩的迎浪面指向來消除波浪傳入方向的變化而對波力機吸能效率的不利影響的；
[0014]部分六，本方法中除了在海浪破壞力超過波力機抗風浪設計極限時，退出運行進入機房避災措施之外，還在聚浪罩設置了過壓釋放閘、在聚能缸的下端設置了由過大浪高量控制的過壓釋放閘，在其上端設置了由極限浪高量控制的極壓釋放閘，以此分等級地確保波力機的自身安全，同時拓寬了波力機工作域，即在設計浪高的海況下仍然能安全運行；
[0015]部分七，本方法中在聚能缸上端浮體單向活塞向上運動的極限位置上設有緊急避災開關，只要波浪浪高超過波力機抗風浪設計值時，緊急避災開關自動啟動自備行走機構和整機升降卷揚機將波力機送回岸上機房避災；
[0016]部分八，本方法中設有隨著儲氣包、儲水包的儲藏物增多與減少自動地減少與加多增壓重物來調節儲氣包、儲水包內的壓力和穩定輸出物的壓力；
[0017]部分九，本發明中的發電機組是多臺發電機通過各個發電機所配置的前置變速器輸入軸上的轉速測控器和超越離合器控制各個發電機的轉軸進入或退出運行的組合體；
[0018]部分十，可以通過本方法中的九大部分的取舍組合而設計出不同結構的波力發電裝置，即對于本方法中的九大部分，可以采用全部，也可以采用其中的一部分而形成獨特結構的波力發電裝置。
[0019]按照上述波力發電法所設計的波力機機架之下端面為斜坡面的、上半部為矩形的框架之所有立柱I的下端都安裝了能在機架軌道上行走的行走承重輪總成；以立柱I為固定基，在立柱I高出水平面的五分之三處安裝操作平臺，其平面與水平面保持一致；在操作平臺的下方安裝聚浪罩，聚浪罩的工作高度隨著機架整體接受靜態海平面高度測控器和升降卷揚機以及自備行走機構的共同控制，聚浪罩的入口指向受風控電動調控器的調向控制，聚浪罩的出口端與一個導流截面積基本相同的、“單進復出”的旋轉節的進口端連通，旋轉節的每一個分支輸出口分別與通過各自的柵閥與對應的聚能缸之下端口連通，各個聚能缸D的下端口處所設置的柵閥之閥門曲柄伸出了各自的缸體壁外，閥門曲柄的曲柄以水平線為準下轉二分之一閥門開啟度的對應角，滴漏式變重桶的重量變化通過控制繩傳遞給閥門曲柄，即可開啟與關閉柵閥；它以四根立柱I的外緣之包絡線為圓，以立柱I為固定基，安裝了一個平面彈子環，且在平面彈子環的動片上以大于聚浪罩的豎直兩側面的延伸線與入口中心線的夾角，設置一個可以拆換的擴展招浪罩，且在其迎浪口設有防生網，在擴展招浪罩的后方也在平面彈子的動圈平面上固定連接了一個負責擴展招浪罩調向的風力調向舵II ;各個聚能缸D里的浮體單向活塞都配有各自相連接的聚能齒條、小浪棘輪、大浪摩擦棘輪、摩擦過渡輪和聚能部件配重以及繩索A、繩索B，藉以構成各自的可控傳動機構，所有小浪棘輪都間隔一定距離地固定安裝在同一根傳動主軸上；由配有整機升降配重的升降卷揚機和自備行走機構共同調節聚浪罩的工作面相對于水平面的高低，以及可將波力機開進機房；在操作平臺的下方對著工作而上所設置的通孔安裝著一排聚能缸D，處于中間位置上的聚能缸D被指定為控制缸，并編號為O號聚能缸D，余者全部為受控缸，它們缸內浮體單向活塞的上端與豎直安裝的聚能齒條之下端連接，聚能齒條上端通過繩索A與聚能部件配重的上端固定連接，聚能齒條的齒與小浪棘輪嚙合，大浪摩擦棘輪通過摩擦過渡輪與聚能齒條的背部摩擦面可控地相互作用，各個大浪摩擦棘輪各自配置的傳動副軸通過各自的超越離合器與所有小浪棘輪共軸的傳動主軸構成離合運行可控狀態，其后，由傳動主軸末端的傘齒輪與套在花鍵動力軸上的棘輪傘齒輪嚙合，花鍵動力軸通過另一臺超越離合器與發電機組中的一臺發電機之前置變速器輸入軸構成離合運行可控狀態；控制缸高出水平面的那一部分缸體上設有缸體排水口和缸體排氣口，以及高度不同的控制信號排水口 ；缸體排水口的排水與否控制大浪摩擦棘輪進退運行，由控制信號排水口的排水與否控制受控聚能缸D進退運行；受控的聚能缸D上不設控制信號排水口 ；由缸體排氣口排出的水一部分通過常閉單向排水閥排至O號滴漏式變重桶里，以其動態平衡的重量來控制控制缸浮體單向活塞的行程，另一部分水通過管道導入較深的水層排出，缸體排氣口排出的氣體經過自然脫水、增壓后進入高壓儲氣包，由高壓儲氣包通過止回閥和減壓閥可控地將高壓氣體送至空氣渦輪機的入口端；空氣渦輪機的輸出軸通過其所配超越離合器與發電機組的前置變速器輸入軸構成離合運行速控狀態；在控制缸的缸體上設有高度不同的控制信號排水口，與控制相應的聚能缸D的滴漏式變重桶一一對應，通過浮體單向活塞被波浪推至缸內不同的高度而使得不同高度的控制信號排水口向對應的滴漏式變重桶注水，并分別控制不同的聚能缸D ；當控制缸內的水位使得其缸體上的I號控制信號排水口向缸體外的I號滴漏式變重桶注水后，I號滴漏式變重桶因其中的水注多漏少而重且令其懸位下移，它的移動將開啟柵閥，對應的I號聚能缸D通水且接入運行，缸體內的浮體單向活塞即隨波上下運動時，I號聚能缸D上部的缸體排氣口通過低壓氣體輕實心球止回閥、低壓儲氣包、高壓氣體重實心球止回閥向高壓儲氣包供氣，高壓儲氣包受控地通過止回閥和減壓閥向空氣渦輪機供氣與停氣；I號聚能缸D上部的缸體排水口通過低壓水體輕浮球止回閥、低壓儲水包、排氣口 PQ、高壓水體重浮球止回閥向高壓儲水包供水，高壓儲水包受控地通過止回閥和減壓閥向水輪機供水與停水；同理，其它的聚能缸D也是如此接受控制缸的水位控制反之，風浪變小了，浪高降低了，控制缸內的水位相應降低，使得由高至低依次停止向缸外排水，以致各個滴漏式變重桶因其中的水注少漏多而輕且懸位上移，它們的上移使得對應的柵閥依次關閉而退出運行，聚能缸D進入與退出運行即實現了多個聚能缸D的不同組合，其結果改變了多缸組合等效壓縮比；發電機組是多臺發電機通過各個發電機所配置的前置變速器輸入軸上的轉速測控器和超越離合器控制各個發電機的轉軸進入或退出運行的組合體；多臺本波力機單元可以組合成波力機組。
[0020]按照上述波力發電法所設計的波力機機架之框架上所有的柱和梁都采用的是兩端密封的剛性空心管材，框架上端的平面保持水平，框架的長立柱I遠離岸邊，短立柱I靠近岸邊，斜梁將長立柱I與短立柱I連接起來，斜梁與水平面的夾角與機架軌道與水平面的夾角相等；機架軌道固定于水底硬質地基上，機架軌道中的兩根單軌兩兩相對的內側邊、軌面的反面裝有齒形向下的行走齒條；機架軌道的岸區端部設有限位樁并在其上裝有升降卷揚機的強