一种波浪能与太阳能联合发电装置及其发电站

1.本发明涉及利用可再生能源进行发电的新能源技术领域，特别是涉及一种波浪能与太阳能联合发电装置及其发电站。


背景技术：

2.在解决能源危机、气候变暖等问题上，可再生能源发电作为新能源发展的核心，在各个行业领域都有广泛的应用。
3.波浪能作为海洋中最主要的能源之一，是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，波浪能可以为远海域的国防、海洋开发等活动提供能量。目前波浪能利用率较低。
4.太阳能作为一种清洁可再生能源，没有地域限制，开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，并且太阳能的储量极大。太阳能光伏板作为光能转换主要的媒介，应用广泛，它是一种利用太阳能电池半导体材料，通过光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。目前光伏发电技术成熟，发电效率较高，是一种广泛应用的技术。
5.申请公布号为cn113726266a的中国专利公开了一种海洋波浪能与太阳能组合发电系统，包括设置在海岛周围的波浪能发电组件、架设在海岛上的太阳能发电组件、直流并网模块、储能模块和逆变器模块；波浪能发电组件、太阳能发电组件均和直流并网模块输入端连接，直流并网模块输出端和储能模块连接，储能模块通过逆变器模块连接电网。该方案必须基于海岛才能建立太阳能发电组件，无法在远海域和海洋开发等缺少海岛支撑的环境应用。
6.申请公布号为cn113148015a的中国专利公开了一种利用波浪能和太阳能发电的海洋浮标，包括外壳和压电俘能机构，外壳内设有传感器，外壳为多面体结构，外壳外铺设有太阳能板，压电俘能机构两端固定在外壳内；压电俘能机构包括支架，支架上均匀设有多个圆环壳体，圆环壳体通过支架位于外壳内，圆环壳体上设有压电陶瓷片；圆环壳体在海浪波的作用下在支架上振动发生形变，带动压电陶瓷片发生形变产生电能；太阳能板将太阳能转化成电能，给传感器供电。该方案太阳能板主要用于对其耗电组件进行供电，且整体结构作为浮标形式，太阳能的容量有限，太阳能利用效率较低。
7.因此，如何能够在海洋上利用太阳能和波浪能组合发电，且更为充分的利用太阳能和波浪能是本领域所面临的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种波浪能与太阳能联合发电装置及其发电站，以解决上述现有技术存在的问题，在波浪能的作用下利用铰接连接的浮箱上下摆动实现被动式活塞泵的动作，进而利用波浪能驱动水轮发电机运行进行发电，同时，在浮箱上还设置有光伏板，通过光伏板利用太阳能进行发电，整体上能够实现利用波浪能和太阳能联合发电，在浮箱摆动时，能够保持光伏板的朝向大致不变，进而在充分利用波浪能的基础上还能够保证光
伏板的利用效率。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
10.本发明提供一种波浪能与太阳能联合发电装置，包括浮箱和光伏板，相邻的所述浮箱在侧方铰接在同一水平轴上，所述光伏板倾斜朝南或水平布置在所述浮箱的表面，所述水平轴上铰接有垂直于所述水平轴的连杆，所述浮箱内设置有水轮发电机和用于驱动所述水轮发电机运行的被动式活塞泵，所述被动式活塞泵的活塞杆铰接在所述连杆上远离所述水平轴的位置，相邻的所述浮箱绕所述水平轴上下摆动时，所述被动式活塞泵完成进水和排水的动作并在排水时驱动所述水轮发电机运行。
11.优选地，所述浮箱绕所述水平轴上下转角不超过30
°
。
12.优选地，所述被动式活塞泵在所述水平轴的上下两侧均有设置，不同侧的所述被动式活塞泵用于驱动同一所述水轮发电机。
13.优选地，所述被动式活塞泵在所述水平轴的轴向方向上对称设置在所述水轮发电机的两侧，同一所述浮箱上的所述被动式活塞泵驱动同一所述水轮发电机。
14.优选地，所述浮箱上设置有水舱，调整水舱内部的水量来调整所述浮箱的浮力，调节所述浮箱的吃水深度满足所述被动式活塞泵进水。
15.优选地，所述水舱间隔设置在所述被动式活塞泵的两侧，所述水轮发电机位于整个浮箱的中部。
16.优选地，所述被动式活塞泵的活塞上安装有单向阀，向外移动所述活塞时，活塞腔内进水，向内移动所述活塞时，活塞腔向外排水。
17.本发明还提供一种应用如前文记载的所述的波浪能与太阳能联合发电装置的发电站，包括由若干所述浮箱串联组成的发电组，所述发电组的排布方向与投放地的主导风向一致，所述光伏板的方向倾斜向南，在风向不确定的地区，所述光伏板水平布置。
18.优选地，端部的浮箱只在与相邻的浮箱连接的一侧设置有所述被动式活塞泵。
19.优选地，包括多个所述发电组，相邻的所述发电组之间通过缆绳横向连接，所述发电组的端部通过缆索连接在水平横梁，所述水平横梁飘浮在海面上且通过锚泊系统固定在海底。
20.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
21.(1)本发明在波浪能的作用下利用铰接连接的浮箱上下摆动实现被动式活塞泵的动作，进而利用波浪能驱动水轮发电机运行进行发电，同时，在浮箱上还设置有光伏板，通过光伏板利用太阳能进行发电，整体上能够实现利用波浪能和太阳能联合发电，在浮箱摆动时，能够保持光伏板的朝向大致不变，进而在充分利用波浪能的基础上还能够保证光伏板的利用效率；
22.(2)本发明浮箱绕水平轴上下转角不超过30
°
，既能够有效利用波浪能，又能够有效避免浮箱转角过大造成的被动式活塞泵卡滞的情况发生，保证浮箱上下摆动的正常运行，保证被动式活塞泵的顺利运行；
23.(3)本发明被动式活塞泵在水平轴的上下两侧均有设置，同一浮箱上设置的被动式活塞泵均连接同一水轮发电机，无论是浮箱向上摆动还是向下摆动均能够驱动水轮发电机运行，保证对波浪能的利用效率；
24.(4)本发明被动式活塞泵在水平轴的轴向方向上对称设置在水轮发电机的两侧，
水舱间隔设置在被动式活塞泵的两侧，水轮发电机位于整个浮箱的中部，整个浮箱上的被动式活塞泵围绕唯一的水轮发电机进行设置，能够提高对水轮发电机的驱动效率，且整体上布置均匀，保证浮箱上下摆动的顺利，进一步提高对波浪能的利用效率；
25.(5)本发明在浮箱上设置有水舱，通过调整水舱内部的水量来调整浮箱的浮力，能够调节浮箱的吃水深度满足被动式活塞泵进水的需求，保证被动式活塞泵能够顺利运行，同时，保证合适的吃水深度还能避免海水淹没光伏板，避免对光伏板进行光伏发电的影响。
附图说明
26.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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明单个浮箱俯视图；
28.图2为图1中a-a剖视图；
29.图3为图1中b-b剖视图；
30.图4为本发明浮箱连接处结构示意图；
31.图5为本发明浮箱结构透视图；
32.图6为本发明相邻浮箱连接示意图；
33.图7为本发明浮箱随波浪波动的状态图；
34.图8为本发明浮箱串联组成的发电组结构示意图；
35.图9为本发明多个发电组连接成的发电站示意图；
36.其中，1、浮箱；2、被动式活塞泵；3、活塞杆；4、水轮发电机；5、叶轮；6、导管；7、水舱；8、水平轴；9、球铰；10、连杆；11、光伏板；12、水平横梁；13、缆索；14、缆绳。
具体实施方式
37.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，所描述的实施例仅仅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。
38.本发明的目的是提供一种波浪能与太阳能联合发电装置及其发电站，以解决现有技术存在的问题，在波浪能的作用下利用铰接连接的浮箱上下摆动实现被动式活塞泵的动作，进而利用波浪能驱动水轮发电机运行进行发电，同时，在浮箱上还设置有光伏板，通过光伏板利用太阳能进行发电，整体上能够实现利用波浪能和太阳能联合发电，在浮箱摆动时，能够保持光伏板的朝向大致不变，进而在充分利用波浪能的基础上还能够保证光伏板的利用效率。
39.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
40.如图1～9所示，本发明提供一种波浪能与太阳能联合发电装置，包括浮箱1和光伏板11，相邻的浮箱1在侧方铰接在同一水平轴8上，浮箱1为长方体箱体时，在其中长边的一
侧设置铰接结构，铰接结构可以采用三角形耳板的形式，在三角形耳板的尖端进行铰接，保证相邻的浮箱1能够相对转动且不会干涉。光伏板11能够接收太阳光照并将太阳能转换成电能，为更好的接收太阳光照，根据不同的应用环境，光伏板11可以倾斜朝南或水平布置在浮箱1的表面。水平轴8平行于浮箱1的侧边，两浮箱1在受到波浪冲击时能够绕水平轴8相对转动或摆动，在进行转动或摆动时，各浮箱1整体动作，能够达到相对稳定的摆动状态，能够充分的利用波浪能。水平轴8上铰接有垂直于水平轴8的连杆10，连杆10用于连接活塞杆3，能够将浮箱1的摆动传递到活塞的移动，并约束和限定活塞杆3的相对位置，保证活塞的顺利运行。具体的，浮箱1内设置有水轮发电机4和用于驱动水轮发电机4运行的被动式活塞泵2，被动式活塞泵2可以设置有一个或多个，在设置多个时，不同的被动式活塞泵2可以连接在同一水轮发电机4上。被动式活塞泵2包括活塞腔和设置在活塞腔内的活塞，活塞连接有活塞杆3，活塞杆3未连接活塞的一端通过球铰9铰接在连杆10上，并且该铰接位置位于远离水平轴8的位置，在相邻的浮箱1绕水平轴8上下摆动时，活塞杆3可以带动活塞移动，进而改变活塞腔的容积，实现进水和排水的动作。被动式活塞泵2的排水口通过导管6连通到水轮发电机4的叶轮5，在排水时，可以驱动水轮发电机4运行，通过水轮发电机4后的余水可以再排放到海水中。本发明在波浪能的作用下利用铰接连接的浮箱1上下摆动实现被动式活塞泵2的动作，进而利用波浪能驱动水轮发电机4运行进行发电，同时，在浮箱1上还设置有光伏板11，通过光伏板11利用太阳能进行发电，整体上能够实现利用波浪能和太阳能联合发电，在浮箱1摆动时，由于浮箱1只是上下起伏摆动，能够保持光伏板11的朝向大致不变，进而在充分利用波浪能的基础上还能够保证光伏板11的利用效率。
41.结合图7所示，浮箱1绕水平轴8上下转角具有一定的范围，例如不超过30
°
，该角度范围，既能够有效利用波浪能，又能够有效避免浮箱1转角过大造成的被动式活塞泵2卡滞的情况发生，保证浮箱1上下摆动的正常运行，保证被动式活塞泵2的顺利运行。除了连杆10对活塞杆3的限定外，还可以通过设置在相邻浮箱1之间的限位结构约束浮箱1的偏转角度范围，例如，通过设计三角形耳板的角度，使得三角形耳板的两边作为限位部。
42.如图4～7所示，被动式活塞泵2在水平轴8的上下两侧均有设置，不同侧的被动式活塞泵2用于驱动同一水轮发电机4，因此，无论是浮箱1向上摆动还是向下摆动均能够驱动水轮发电机4运行，保证对波浪能的利用效率。
43.被动式活塞泵2在水平轴8的轴向方向上对称设置在水轮发电机4的两侧，同一浮箱1上的被动式活塞泵2驱动同一水轮发电机4，本发明将水轮发电机4位于整个浮箱1的中部，整个浮箱1上的被动式活塞泵2围绕唯一的水轮发电机4进行设置，能够提高对水轮发电机4的驱动效率，且整体上布置均匀，保证浮箱1上下摆动的稳定性，进一步提高对波浪能的利用效率。
44.如图1、图2和图5所示，浮箱1上设置有水舱7，水舱7能够贮存一定的海水，通过调整水舱7内部的水量可以调整浮箱1的浮力，进而可以调节浮箱1的吃水深度，吃水深度首要满足的是被动式活塞泵2进水的需求，让整个浮箱1的90％都没入海面以下，保证每个被动式活塞泵2都完全没入水中，如此，能够不断地向水轮发电机4输送海水，保证被动式活塞泵2能够顺利运行，同时，保证合适的吃水深度还能避免海水淹没光伏板11，避免对光伏板11进行光伏发电的影响。水舱7可以采用活塞式水舱7，底部与海水连通，通过活塞的上下移动抽取海水或排出海水实现水舱7内水量的调节。
45.水舱7间隔设置在被动式活塞泵2的两侧，整体上在浮箱1上均匀分布，水轮发电机4位于整个浮箱1的中部，即浮箱1的形心处。使得浮箱1能够在受到波浪的冲击进行摆动时，能够保持相对平稳。
46.为实现被动式活塞泵2的顺利工作，被动式活塞泵2的活塞上安装有单向阀，向外移动活塞时，活塞腔内进水，向内移动活塞时，活塞腔向外排水。更具体的，当相邻两个浮箱1的连接处位于波峰时，位于浮箱1上部的被动式活塞泵2的活塞杆3被拉出，海水从单向阀被吸入活塞腔；而随着浮箱1下部的被动式活塞泵2的活塞杆3被压入，海水被泵出，并通过导管6流向水轮发电机4的叶轮5，推动叶轮5转动发电，通过水轮发电机4的下侧尾流管再次排回海中。当相邻两浮箱1的连接处位于波谷时，浮箱1及活塞运动方向相反效果类似。
47.如图8、图9所示，本发明还提供一种应用如前文记载的波浪能与太阳能联合发电装置的发电站，包括由若干浮箱1串联组成的发电组，为了充分利用波浪能，发电组的排布方向与投放地的主导风向一致。在主导风向为南北风的地区，整个发电组可沿南北方向布置且位置相对固定，此时，光伏板11的方向可以倾斜向南；在主导风向非南北方向但方向相对固定的地区，可把浮箱1的发电组沿主导风向布置，调整光伏板11的方向使之倾斜朝向南方；在风向不确定的地区，光伏板11也可以水平布置。浮箱1利用波浪能的同时成为了太阳能光伏发电装置的支撑系统，大大节约了海上光伏电站的投资。
48.通过在浮箱1上设置光伏板11，可以利用光伏板11形成对于风向的阻挡，能够配合波浪运动进一步加剧浮箱1的摆动频率或强度，从而能够更佳提高被动式活塞泵2的动作频率和强度，即能够驱动更大功率的水轮发电机4或提高水轮发电机4中叶轮5的转速，有效提高水轮发电机4的发电效率，因此，波浪能与太阳能不仅在能源形式上进行了联合，还在结构上起到了一定的促进作用。
49.由于浮箱1组成的发电组不可能无限长度，端部的浮箱1可以只在与相邻的浮箱1连接的一侧设置有被动式活塞泵2即可，另一侧可以为封闭结构。避免了尾部采用与中部相同的浮箱1而造成的浮箱1未连接一侧功能的浪费，降低了投资成本。
50.如图9所示，包括多个发电组，相邻的发电组之间通过缆绳14横向连接，发电组的端部通过缆索13连接在水平横梁12，水平横梁12飘浮在海面上且通过锚泊系统固定在海底。整个发电站中，同一发电组上的浮箱1之间通过水平轴8、连杆10和球铰9等连接，不同发电组上的浮箱1之间通过缆绳14实现柔性连接，单一发电组又通过缆索13与水平横梁12柔性连接，形成一体式稳定结构，各发电组的发电动作相对影响降低，既能够漂浮在海面上保持相对稳定，又能够顺利实现利用波浪能与太阳能的联合发电。
51.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种波浪能与太阳能联合发电装置，其特征在于：包括浮箱和光伏板，相邻的所述浮箱在侧方铰接在同一水平轴上，所述光伏板倾斜朝南或水平布置在所述浮箱的表面，所述水平轴上铰接有垂直于所述水平轴的连杆，所述浮箱内设置有水轮发电机和用于驱动所述水轮发电机运行的被动式活塞泵，所述被动式活塞泵的活塞杆铰接在所述连杆上远离所述水平轴的位置，相邻的所述浮箱绕所述水平轴上下摆动时，所述被动式活塞泵完成进水和排水的动作并在排水时驱动所述水轮发电机运行。2.根据权利要求1所述的波浪能与太阳能联合发电装置，其特征在于：所述浮箱绕所述水平轴上下转角不超过30
°
。3.根据权利要求1或2所述的波浪能与太阳能联合发电装置，其特征在于：所述被动式活塞泵在所述水平轴的上下两侧均有设置，不同侧的所述被动式活塞泵用于驱动同一所述水轮发电机。4.根据权利要求3所述的波浪能与太阳能联合发电装置，其特征在于：所述被动式活塞泵在所述水平轴的轴向方向上对称设置在所述水轮发电机的两侧，同一所述浮箱上的所述被动式活塞泵驱动同一所述水轮发电机。5.根据权利要求4所述的波浪能与太阳能联合发电装置，其特征在于：所述浮箱上设置有水舱，调整水舱内部的水量来调整所述浮箱的浮力，调节所述浮箱的吃水深度满足所述被动式活塞泵进水。6.根据权利要求5所述的波浪能与太阳能联合发电装置，其特征在于：所述水舱间隔设置在所述被动式活塞泵的两侧，所述水轮发电机位于整个浮箱的中部。7.根据权利要求1所述的波浪能与太阳能联合发电装置，其特征在于：所述被动式活塞泵的活塞上安装有单向阀，向外移动所述活塞时，活塞腔内进水，向内移动所述活塞时，活塞腔向外排水。8.一种应用如权利要求1-7任一项所述的波浪能与太阳能联合发电装置的发电站，其特征在于：包括由若干所述浮箱串联组成的发电组，所述发电组的排布方向与投放地的主导风向一致，所述光伏板的方向倾斜向南，在风向不确定的地区，所述光伏板水平布置。9.根据权利要求8所述的发电站，其特征在于：端部的浮箱只在与相邻的浮箱连接的一侧设置有所述被动式活塞泵。10.根据权利要求8所述的发电站，其特征在于：包括多个所述发电组，相邻的所述发电组之间通过缆绳横向连接，所述发电组的端部通过缆索连接在水平横梁，所述水平横梁飘浮在海面上且通过锚泊系统固定在海底。

技术总结
本发明公开一种波浪能与太阳能联合发电装置及其发电站，属于利用可再生能源进行发电的新能源技术领域，包括浮箱和光伏板，相邻的浮箱在侧方铰接在同一水平轴上，光伏板倾斜朝南或水平布置在浮箱的表面，水平轴上铰接有垂直于水平轴的连杆，浮箱内设置有水轮发电机和用于驱动水轮发电机运行的被动式活塞泵，被动式活塞泵的活塞杆铰接在连杆上远离水平轴的位置，相邻的浮箱绕水平轴上下摆动时，被动式活塞泵完成进水和排水的动作并在排水时驱动水轮发电机运行。本发明整体上能够实现利用波浪能和太阳能联合发电，在浮箱摆动时，能够保持光伏板的朝向大致不变，进而在充分利用波浪能的基础上还能够保证光伏板的利用效率。能的基础上还能够保证光伏板的利用效率。能的基础上还能够保证光伏板的利用效率。


技术研发人员：马新伟 贺超男 金东日
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/16