一種與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，包括波力動能模塊，其架設于海洋上，利用海水波動起伏產(chǎn)生的動能進行發(fā)電，并將波力發(fā)電并入風力發(fā)電設備而達成持續(xù)發(fā)電的目的，所述波力動能模塊包括波力獲取模塊、傳動軸、發(fā)電機、變速模塊、自動控制模塊；所述波力獲取模塊用于獲取海水波動起伏產(chǎn)生的動能，所述傳動軸利用所述波力獲取模塊的輸出動能傳動，所述發(fā)電機接收所述傳動軸的動能并轉換為電力，所述變速模塊安裝在所述傳動軸上，用于調整所述傳動軸的轉矩，所述自動控制模塊具有微處理器與海洋感測單元，通過感測海水波動起伏的變化，控制所述變速模塊調整所述傳動軸的轉矩，以及控制所述發(fā)電機的動作。
【專利說明】
一種與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)電相關領域，尤其涉及一種結合風力發(fā)電和波力發(fā)電以提高發(fā)電效能，穩(wěn)定持續(xù)產(chǎn)生電能的自然能源發(fā)電系統(tǒng)?！颈尘凹夹g】
[0002]風力發(fā)電是常見的自然能源系統(tǒng)，人類利用風能的歷史相當悠久，技術也較為成熟，而且設置較為簡易，維護成本較為低廉。因此，無論效率高低，多數(shù)國家都有鼓勵建設風力發(fā)電的輔助方案。然而，風力發(fā)電也存在缺點，因為自然界的風力是人難以掌握的不穩(wěn)定現(xiàn)象，當風力過低時將無法產(chǎn)生驅動風力發(fā)電的能量，導致能量輸出中斷；而當風力過強時，為避免機械損壞，也必須關閉風力發(fā)電系統(tǒng)，故無法產(chǎn)生電力。
[0003]而另一種常見的自然能源系統(tǒng)，是利用海水起伏進行的波力(wave)發(fā)電，波力是發(fā)生在海洋表面上的表面波，即沿著水與空氣界面間傳行的一種波動，屬于重力波的一種類型。當風吹起時，風所帶來的壓力及摩擦力對海洋表面的平衡態(tài)產(chǎn)生擾動，一些能量自風轉移到水上。
[0004]由于海洋占有地球表面七成的面積，且經(jīng)常保持波動起伏，相對于風力發(fā)電，波力發(fā)電的效能相當強大，能夠經(jīng)常持久性的產(chǎn)生動能。故利用海水波力進行發(fā)電的技術，也成為業(yè)界重視的對象。
[0005]然而，波力發(fā)電屬于較為新興的技術，若要單獨構建，需要龐大的預算。而且波力發(fā)電所設置的地點，與離岸風力發(fā)電系統(tǒng)有所重疊，如果要改建風力發(fā)電系統(tǒng)，顯然不符合現(xiàn)實與經(jīng)濟考慮。
[0006]根據(jù)觀察，無論是風力或波力能量，都是屬于具有周期變化的能量，波力與風力的能量周期相關性系數(shù)達0.8且波力比風力更容易預測。其能量較低時，不具有發(fā)電效益，而能量過大時，則可能破壞發(fā)電設備而無法有效產(chǎn)生能量。故風力或波力能量在開始啟動直到穩(wěn)定發(fā)電的期間，都會有能量無法利用的「過渡時期」。而無論是何處海域，風力與波力的過渡時期相互具有時間間隔，若能使風力與波力互補，則可確保長時間保持有效的發(fā)電， 而增加能源收益，圖5至圖7所示為隨著時間過程得到的波力、風力大小變化圖。圖5至圖 7 出自:H0KIM0T0, Tsukasa.Predict1n of wave height based on the monitoring of surface wind.0ceanography, 2012， 169-188〇
[0007]為此，發(fā)明人考慮一種能與風力互補的波力供電裝置，以現(xiàn)有的風力發(fā)電系統(tǒng)為基礎，增加波力發(fā)電以提高電能產(chǎn)量。經(jīng)多年悉心研究，終于研發(fā)完成本發(fā)明的自然能量發(fā)電系統(tǒng)。
【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的主要目的在于提供一種與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，結合風力發(fā)電和波力發(fā)電以提高電能產(chǎn)量，減少閑置時間，因此能長期穩(wěn)定的進行供電，成為最佳的自然能源替代方案。
[0009]本發(fā)明的另一目的在于提供一種與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，結合現(xiàn)有設備，架設容易，成本較現(xiàn)有技術更為低廉，容易維修，且能產(chǎn)生實用的能量輸出，有助于解決現(xiàn)有能源急迫的問題。
[0010]本發(fā)明所提供的與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，包括有波力動能模塊， 其架設于海洋上，利用海水波動起伏產(chǎn)生的動能進行發(fā)電，并將波力發(fā)電并入風力發(fā)電設備以持續(xù)發(fā)電；所述波力動能模塊包括波力獲取模塊、傳動軸、發(fā)電機、變速模塊、自動控制模塊；所述波力獲取模塊用于獲取海水波動起伏產(chǎn)生的動能，所述傳動軸利用所述波力獲取模塊的輸出動能傳動，所述發(fā)電機接收所述傳動軸的動能并轉換為電力，所述變速模塊安裝在所述傳動軸上，用于調整所述傳動軸的轉矩，所述自動控制模塊具有微處理器與海洋感測單元，通過感測所述海水波動的起伏變化，控制所述變速模塊調整所述傳動軸的轉矩并控制所述發(fā)電機的動作。
[0011]進一步的，所述波力獲取模塊具有浮筒，所述浮筒連接滾珠螺桿或齒條進行上下運動、推動所述滾珠螺桿的螺桿轉動，所述螺桿與主動齒輪連接，所述主動齒輪介于兩同向單向齒輪之間、嚙合帶動有兩反向的單向齒輪，所述單向齒輪連接所述傳動軸，利用海水波動起伏帶動所述浮筒上下運動，并在所述單向齒輪的限制下帶動所述傳動軸朝同一方向持續(xù)轉動，再利用所述傳動軸的轉動驅動所述發(fā)電機。
[0012]進一步的，所述發(fā)電機包括兩個同軸串接設置的發(fā)電機，每個所述的發(fā)電機具有不同的輸出功率，當所述海水僅有輕微波動起伏時，所述自動控制模塊首先驅動低輸出功率的所述發(fā)電機，以在低轉矩時獲得較高發(fā)電效率；當所述海水波動起伏變大時，切換到高輸出高功率的所述發(fā)電機，以在大轉矩時獲得較高的發(fā)電效率；而當所述海水波動起伏繼續(xù)變大時，同時驅動兩個所述發(fā)電機，達到最高的發(fā)電效率。
[0013]優(yōu)選的，所述發(fā)電機為無鐵芯盤式發(fā)電機。
[0014]優(yōu)選的，兩個所述發(fā)電機分別為2KW輸出功率的發(fā)電機與3KW輸出功率的發(fā)電機， 所述2KW輸出功率的發(fā)電機在浪高低于1.5m時啟動；所述3KW輸出功率的發(fā)電機在浪高介于1.5m~3.0m時啟動；而當浪高超過3.0m時，則同時啟動兩個所述發(fā)電機。
[0015]優(yōu)選的，所述變速模塊為增速機或無段變速機，具有降低轉速、增加扭矩的效果， 所述傳動軸上設置有扭力計，所述扭力計測量所述傳動軸的轉矩，并傳輸至所述的自動控制模塊，通過所述自動控制模塊控制所述變速模塊自動調整所述傳動軸達到所需的轉速。
[0016]進一步的，所述自動控制模塊還設置有電子調速器，所述電子調速器連接控制所述變速模塊，所述電子調速器用于穩(wěn)定所述變速模塊的轉速。
[0017]優(yōu)選的，所述海洋感測單元為海洋數(shù)據(jù)浮標，通過所述海洋數(shù)據(jù)浮標以得到所述海水波動起伏變化的數(shù)據(jù)。
[0018]優(yōu)選的，所述海洋感測單元為直線位移傳感器，以記錄所述海水波動起伏的位移量。
[0019]優(yōu)選的，所述海洋感測單元為超音波波高計或雷射波高計，利用超音波或雷射信號獲得所述海水波動起伏的位移量。
[0020]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:本發(fā)明所提供的一種與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力系統(tǒng)，能長期穩(wěn)定的進行供電，架設容易，成本較現(xiàn)有技術更為低廉，容易維修，且能產(chǎn)生實用的能量輸出，有助于解決現(xiàn)有能源急迫的問題?！靖綀D說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的波力動能模塊與風力發(fā)電設備的結構示意圖；圖la為本發(fā)明的波力獲取模塊采取滾珠螺桿方式的結構示意圖；圖lb為本發(fā)明的波力獲取模塊采取齒條方式的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的波力動能模塊完整結構示意圖；圖3為本發(fā)明的發(fā)電機能量獲取范圍參考圖；以及圖4為一般發(fā)電機的能量獲取范圍參考圖。
[0022]圖5至圖7為隨著時間過程得到的波力、風力大小的一種實施例的變化圖。[〇〇23] 其中，10、波力動能模塊；100、波力獲取模塊；101、浮筒；102、滾珠螺桿；1021、螺帽；1022、螺桿；1023、連桿；103、主動齒輪；104、單向齒輪；105、齒條；110、傳動軸；120、 發(fā)電機；130、變速模塊；131、無段變速機；140、自動控制模塊；141、微處理器；142、海洋感測單元；1421、海洋資料浮標；1422、直線位移傳感器；1423、超音波波高計或雷射波高計； 143、扭力計；144、電子調速器；20、風力發(fā)電設備；30、海水?！揪唧w實施方式】
[0024]請參閱圖1、圖2所示，為本發(fā)明所提供的一種與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，包括有波力動能模塊10,其架設于海洋上，利用海水30波動起伏產(chǎn)生的動能進行發(fā)電，并將所述波力發(fā)電并入風力發(fā)電設備20以持續(xù)發(fā)電。因此，所述波力動能模塊10可利用現(xiàn)有的風力發(fā)電設備20直接架設，共享海底電纜，節(jié)省土地資源以及土木工程成本，同時可利用所述的風力發(fā)電設備20直接對所述波力動能模塊10進行后期維修。
[0025]所述波力動能模塊10包括有波力獲取模塊100、傳動軸110、發(fā)電機120、變速模塊 130、自動控制模塊140。
[0026]所述波力獲取模塊100放入所述海水30中，用于獲取所述海水30波動起伏產(chǎn)生的動能。
[0027]所述傳動軸110利用所述波力獲取模塊100的輸出的動能傳動，以傳輸至所述發(fā)電機120進行發(fā)電。
[0028]所述發(fā)電機120接收所述傳動軸110的動能，并轉換為電力。
[0029]所述變速模塊130裝置在所述傳動軸110上，用于調整所述傳動軸110的轉矩。
[0030]所述自動控制模塊140具有微處理器141與海洋感測單元142,通過感測所述海水30波動起伏的變化，控制所述變速模塊130調整所述傳動軸110的轉矩，并控制所述發(fā)電機120的動作。
[0031]具體來說，所述波力獲取模塊100具有浮筒101，所述浮筒101沉入所述海水30 中，受到所述海水30波動起浮而上下運動，用于獲取動能；所述浮筒101連接有滾珠螺桿 (Ballscrew) 102,所述滾珠螺桿102隨著所述浮筒101進行上下運動；所述滾珠螺桿102 帶動有主動齒輪103,所述主動齒輪103則嚙合帶動有單向齒輪104,所述單向齒輪104限制轉向以保持同一方向的轉動，所述單向齒輪104連接所述傳動軸110 ;因此，所述浮筒101 隨著所述海水30波動起浮而上下運動，并帶動所述滾珠螺桿102同步運動，再經(jīng)由所述主動齒輪103分配到所述單向齒輪104,由所述單向齒輪104帶動所述傳動軸110朝同一方向持續(xù)轉動，再經(jīng)由所述傳動軸110轉動所述發(fā)電機。由于所述海水30波動起浮為經(jīng)常性的運動，故所述發(fā)電機120可以持續(xù)發(fā)電，并配合所述風力發(fā)電設備20互相補足過渡時期，故可以達成持續(xù)穩(wěn)定輸出可用電力的目的。
[0032]如圖la所示，如前所述滾珠螺桿102,包括有螺帽1021與螺桿1022,其中所述螺帽1021通過連桿1023連接所述浮筒101，而所述螺桿1022連接所述主動齒輪103,因此， 所述螺帽1021會隨著所述浮筒101而在所述螺桿1022上移動，然后帶動所述螺桿1022旋轉以驅動所述主動齒輪103轉動。
[0033]采取所述滾珠螺桿102是考慮到其穩(wěn)定性與強大的負荷力，因此可以得到最佳的發(fā)電效果。當然，也可為其它傳動方式，如圖lb所示，所述浮筒101連接齒條105嚙合帶動所述主動齒輪103轉動，同樣可以達成發(fā)電目的。
[0034]所述主動齒輪103與所述單向齒輪104采取斜齒輪方式帶動，所以兩個所述單向齒輪104同時反向設置在所述主動齒輪103兩側，無論所述浮筒101處于上浮或下沉狀態(tài)， 都可帶動任一個所述單向齒輪104傳輸動力，進而提高傳輸功率。
[0035]請配合圖3所示，所述發(fā)電機120包括兩個采取同軸串接的發(fā)電機120,分別為 200KW輸出功率的發(fā)電機與300KW輸出功率的發(fā)電機。當所述海水30浪高低于1.5m時而僅有輕微波動起伏時，所述自動控制模塊140首先驅動200KW輸出功率的所述發(fā)電機120， 可在低轉矩時獲得較高發(fā)電效率；當所述海水30浪高介于1.5m?3.0m時使波動起伏變大時，切換300KW輸出功率的所述發(fā)電機120,以在大轉矩時獲得較高發(fā)電效率；而當所述海水30浪高超過3.0m時，波動起伏繼續(xù)變大，同時驅動200KW與300KW輸出功率的兩個所述發(fā)電機120,甚至是采取一部500KW高輸出功率的所述發(fā)電機120,以達成最高的發(fā)電效率。
[0036]詳細比較圖如圖3、圖4所示，其中的曲線呈現(xiàn)海水30的波譜密度(Wave spectral Density)與波能譜(Wave energy spectrum)的關系變化，即浪高(Wave Height)與頻率 (Frequency)的關系變化圖。參見圖4所示，顯示傳統(tǒng)一般發(fā)電機的能量獲取范圍，由于無法選擇發(fā)電機，所述一般發(fā)電機僅能在有限浪高范圍內獲取能量；反之，如圖3所示，本發(fā)明具有200KW與300KW輸出功率的所述發(fā)電機120,故在所述浪高發(fā)生變化時，可根據(jù)實際需求由所述自動控制模塊140切換適當?shù)陌l(fā)電機進行發(fā)電。因此，本發(fā)明采取積分觀念，可在不同階段的浪高變化分別獲取最大的所述海水30波動起浮能量，累積成最大的能量進行輸出。
[0037]為適應使用環(huán)境并方便操作，并降低維修次數(shù)，所述發(fā)電機120為無鐵芯盤式發(fā)電機，可以減少磨耗而降低故障率，當然亦可為其它低轉速發(fā)電機。
[0038]所述變速模塊130為無段變速機131，具有降低轉速、增加扭矩的效果，所述傳動軸110上設置有扭力計143,所述扭力計143測量所述傳動軸110的轉矩并傳輸至所述的自動控制模塊140,通過所述自動控制模塊140控制所述變速模塊130自動調整所述傳動軸 110達到所需的轉速。所述變速模塊130還可以是增速機。
[0039]所述自動控制模塊140還設置有電子調速器144,所述電子調速器144連接控制所述變速模塊130,當所述海水30波動起浮產(chǎn)生非周期性的變化時，所述電子調速器144可用于穩(wěn)定所述變速模塊130的轉速。
[0040]所述海洋感測單元142種類繁多，可以設置一種或同時多種設置，其一為海洋數(shù)據(jù)浮標1421，通過觀察所述海洋數(shù)據(jù)浮標以得到所述海水30波動起伏變化的數(shù)據(jù)。
[0041]或者，所述海洋感測單元142為直線位移傳感器1422,以記錄所述海水30波動起伏的位移量。
[0042]或者，所述海洋感測單元142為超音波波高計或雷射波高計1423,利用超音波或雷射信號獲得所述海水30波動起伏的位移量。
[0043]上列詳細說明是針對本發(fā)明的一可行實施例之具體說明，惟所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所為的等效實施或變更，均應包含于本案專利范圍中。
【主權項】
1.一種與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，包括波力動能模塊，其架設于海洋上， 利用海水波動起伏產(chǎn)生的動能進行發(fā)電，并將波力發(fā)電并入風力發(fā)電設備以持續(xù)發(fā)電；所 述波力動能模塊包括:波力獲取模塊，用于獲取海水波動起伏產(chǎn)生的動能；傳動軸，利用所述波力獲取模塊輸出的動能傳動；發(fā)電機，接收所述傳動軸的動能并轉換為電力；變速模塊，安裝在所述傳動軸上，用于調整所述傳動軸的轉矩；以及自動控制模塊，具有微處理器與海洋感測單元，通過感測海水波動起伏的變化，控制所 述變速模塊調整所述傳動軸的轉矩并控制所述發(fā)電機的動作。2.根據(jù)權利要求1所述的與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，其特征在于，所述 波力獲取模塊具有浮筒，所述浮筒連接滾珠螺桿或齒條，所述滾珠螺桿帶動主動齒輪，所述 主動齒輪嚙合帶動單向齒輪，所述單向齒輪連接所述傳動軸，利用海水波動起伏帶動所述 浮筒上下運動，并在所述單向齒輪的限制下帶動所述傳動軸朝同一方向持續(xù)轉動，再利用 所述傳動軸的轉動驅動所述發(fā)電機。3.根據(jù)權利要求1所述的與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，其特征在于，所述 發(fā)電機包括兩個同軸串接設置的發(fā)電機，每個所述的發(fā)電機具有不同的輸出功率，當所述 海水僅有輕微波動起伏時，所述自動控制模塊首先驅動低輸出功率的所述發(fā)電機，以在低 轉矩時獲得較高的發(fā)電效率；當所述海水波動起伏變大時，切換到高輸出功率的所述發(fā)電 機，以在大轉矩時獲得較高的發(fā)電效率；而當所述海水波動起伏繼續(xù)變大時，同時驅動兩個 所述發(fā)電機，達到最高的發(fā)電效率。4.根據(jù)權利要求3所述的與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，其特征在于，所述 發(fā)電機為無鐵芯盤式發(fā)電機。5.根據(jù)權利要求3所述的與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，其特征在于，兩個 所述發(fā)電機分別為2KW輸出功率的發(fā)電機與3KW輸出功率的發(fā)電機，所述2KW輸出功率的 發(fā)電機在浪高低于1.5m時啟動；所述3KW輸出功率的發(fā)電機在浪高介于1.5m~3.0m時啟 動；而當浪高超過3.0m時，則同時啟動兩個所述發(fā)電機。6.根據(jù)權利要求1所述的與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，其特征在于，所述 變速模塊為增速機或無段變速機，所述傳動軸上設置有扭力計，所述扭力計測量所述傳動 軸的轉矩，并傳輸至所述的自動控制模塊，通過所述自動控制模塊控制所述變速模塊自動 調整所述傳動軸達到所需的轉速。7.根據(jù)權利要求6所述的與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，其特征在于，所述 自動控制模塊還設置有電子調速器，所述電子調速器連接控制所述變速模塊，所述電子調 速器用于穩(wěn)定所述變速模塊的轉速。8.根據(jù)權利要求1所述的與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，其特征在于，所述 海洋感測單元為海洋數(shù)據(jù)浮標，通過所述海洋數(shù)據(jù)浮標得到所述海水波動起伏變化的數(shù)據(jù)。9.根據(jù)權利要求1所述的與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，其特征在于，所述 海洋感測單元為直線位移傳感器，以記錄所述海水波動起伏的位移量。10.根據(jù)權利要求1所述的與風力互補以持續(xù)發(fā)電的波力供電系統(tǒng)，其特征在于，所述海洋感測單元為超音波波高計或雷射波高計，利用超音波或雷射信號獲得所述海水波動起 伏的位移量。
【文檔編號】F03D9/00GK105986965SQ201510097533
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年3月5日
【發(fā)明人】翁文凱, 翁源佑, 陳建榕
【申請人】翁文凱, 翁源佑, 陳建榕