一种海面小型波浪能光热联合发电系统的制作方法

1.本发明属于海面多能源联合发电领域，更具体地说，涉及一种利用波浪势能、太阳 能、温差能联合发电用于向海上装备供电/储能的装置。


背景技术：

2.随着近年来我国大量海洋装备投建使用，深海装备难以依赖陆地电网系统供电，海 上能源系统构建逐渐成为海上军民用装备建设过程中的重要掣肘。目前海上能源发电按 照能源利用类型可以分为风能、波浪能、潮汐能、盐差能、太阳能及多能联合发电技术 等。单一的海上发电技术存在明显的弊端，如太阳能光伏发电量对于光照强度、温度十 分敏感，太阳能中通过光伏效应转化为电能的效率较低，大量低品位能量耗散在环境中。 风力发电量受风速、风向及地理位置影响较大，当天气条件不利于光伏板、风机运行时， 电力供应将出现显著短缺。而潮汐能发电、盐差能发电多为建立在海湾的大型电站，投 资成本高亦不适用于远洋装备供电。通过将储能电池与太阳能/风能、风能/潮汐能、太 阳能/波浪能等多种能源互补的海上多能联合发电技术不仅增加空间利用率，还可以大幅 提高发电量，已然成为新兴的海洋能源供应装备研究的新热点。例如专利us8624416b2 报道了一种固定于海床的海上风力发电单元与波浪发电单元组合的海上发电系统；专利 cn105391376b提供了一种太阳能温差联合发电装置，通过温差发电片、光伏电池、菲 涅尔透镜等装置实现对太阳光的自动跟踪，最大程度利用太阳能，提高光伏发电效率。 专利cn104948380b公开了一种光伏风浪联合发电系统，通过基础桩、风力机、升压站 以及波浪发电装置提高了波浪能、风能、太阳能发电的实用性与经济性。
3.因地制宜的利用海上清洁可再生能源发电能改善我国能源结构、缓解陆地能源危 机，对于海上装备能源供应、海洋经济建设亦有切实意义。单一能源发电技术问题突出、 缺陷明显，目前大多多能联合发电技术是以提高成本的代价来换取发电量的提升，对于 发电效率和经济性改善不明显。此外，潮汐能发电、风能发电、盐差能发电技术等技术 自身规模较大、安装布设复杂、投资成本高，不适用于海上中小型装备独立供电。


技术实现要素：

4.本发明的目的：为降低成本和能源供应装备体积，有效提高发电单元容量，保证供 电的可靠性，本发明采用光伏发电与半导体温差发电效应相结合，充分利用太阳能的同 时与能量密度更高的波浪能耦合的方式发电，不仅装置体积小、海上电网组网布设简单， 对环境变化的兼容性更高、工作时长更具持久性。
5.本发明的技术方案：为了实现上述目的，提出一种海面小型波浪能光热联合发电系 统，所述波浪能光热联合发电一方面包含波浪能发电，具体方案是通过波浪能发电单元 将周期性上下起伏的波浪势能转化为机械能带动电机转子转动从而实现发电的过程。另 一方面包含光热发电，是指利用光伏发电与温差发电相结合的方式，来实现将太阳能的 最大程度的利用。光伏发电是利用半导体的光生伏特效应，采用封装串联的太阳能电池 板作
为太阳能发电的光电转换单元。温差发电是将太阳能光电转化单元作为太阳能吸收 器产生的余热用蓄热装置存储，充当温差发电的热源端，冷端直接与海水接触。温差发 电的原理是利用半导体的赛贝克效应，将温差势能直接转化为电能的过程。当太阳光照 射至太阳能电池板界面时，一部分通过太阳能电池转化为电能被储能电池存储，另一部 分转化为自身的显热。这部分显热进一步通过绝缘导热胶与薄铜皮传导至温差能热电转 化单元的蓄热肋片，较高温的蓄热肋片与低温海水形成温差，并作为温差发电片的热端 与冷端，形成电流向储能电池充电。在波浪发电单元中，本发明设计了钟摆式发电法。 将摆锤与大齿轮固定，发电机转子与小齿轮固定，大齿轮与小齿轮啮合。周期起伏的波 浪能带动摆锤左右转动，在弹簧约束下摆锤实现往复运动，在机械传动作用下，小齿轮 带动电机转子高速旋转，从而产生电能被储能电池存储。通过将这种波浪能光热发电联 合发电，不仅结构高度集成，在不占用更多空间资源的条件下，亦可获得远超单一能源 发电的发电量。
6.具体地，所述一种海面小型波浪能光热联合发电系统，包括漂浮舱、太阳能光伏发 电单元、温差能热电转化单元、波浪能发电单元、基座、重心调节单元、储能单元；所 述漂浮舱内上部具有平台，下部具有密闭腔体；所述温差能热电转化单元设置于所述平 台上；所述太阳能光伏发电单元安装于所述漂浮舱顶端；所述太阳能光伏发电单元与所 述温差能热电转化单元面接触；所述基座固定于所述漂浮舱的密闭腔体内，所述波浪能 发电单元、重心调节单元、储能单元设置于所述基座上；所述太阳能光伏发电单元、温 差能热电转化单元、波浪能发电单元与所述储能单元电连接。
7.在一个可能的实施例中，所述漂浮舱整体呈水滴状。
8.在一个可能的实施例中，所述温差能热电转化单元包括蓄热肋片、温差发电片、蓄 水箱、出口管道、进口管道；所述蓄水箱位于所述温差能热电转化单元底部；所述进口 管道一端与所述蓄水箱底部连通，其另一端穿过所述平台，从所述漂浮舱位于海面以下 的底部穿出；所述出口管道一端与所述蓄水箱侧面连通，另一端从所述漂浮舱浮于海面 以上部分穿出；所述温差发电片具有热端与冷端，所述冷端与所述蓄水箱接触，所述热 端与所述蓄热肋片接触。
9.优选的，所述蓄热肋片由包裹保温材料的铜条弯曲而成。
10.在一个可能的实施例中，所述太阳能光伏发电单元包括透明板、太阳能电池片层、 绝缘导热胶层、薄铜片、保温填充材料；所述薄铜片所述与所述温差能热电转化单元面 接触；所述太阳能电池片层通过所述绝缘导热胶层固定于所述薄铜片上；所述透明板位 于所述太阳能电池片层上方，与所述漂浮舱顶部可拆卸连接；所述保温填充材料填充于 所述太阳能光伏发电单元、温差能热电转化单元与所述漂浮舱之间的空隙中。
11.优选的，所述透明板选用透明亚格力板。
12.优选的，所述太阳能电池片层选用eva热融胶封装的串联太阳能电池片层。
13.在一个可能的实施例中，所述储能单元、重心调节单元固定于所述基座中心，位于 所述漂浮舱重心位置；所述波浪能发电单元包括沿所述漂浮舱重心所在垂直平面镜像对 称布置的铅球，连杆，弹簧，电机，大齿轮，小齿轮，弹簧固定栓；所述电机固定于所 述基座上，所述小齿轮与所述电机转子相连；所述连杆一端垂直固定于所述基座上，另 一端为自由端，固定连接有所述铅球；所述弹簧一端通过所述弹簧固定栓与所述漂浮舱 相连，另一端与所述连杆侧面相连；所述大齿轮与所述连杆固定连接；所述大齿轮与所 述小齿轮相互
层22、绝缘导热胶层23、薄铜片24、保温材料25构成。与传统的太阳能电池组成不同， 本专利直接利用绝缘导热胶，具体为硅酮胶粘剂，将eva封装的串联太阳能电池片固 定在薄铜片上。在传统的太阳能电池板上进行了一定的优化，不影响太阳能光伏发电过 程的同时，可以将太阳能电池片吸收的太阳能以热能的形式传导至蓄热肋片31，便于将 热能存储并用于温差能发电。
29.温差能热电转化单元3由蓄热肋片31、温差发电片32、陶瓷片33、蓄水箱34、海 水出口35、海水入口36、出口管道37、进口管道38构成。太阳能电池片22接收的未 转化为电能的太阳能一部分耗散至环境中，剩余能量转化为自身显热透过硅酮胶23由 薄铜片24传导至蓄热肋片31。蓄热肋片31由包裹保温材料25的铜条弯曲而成，底部 与温差发电片固定。温差发电片32与蓄水箱34直接接触，箱内做防腐处理。蓄水箱34 底部设海水出口35、海水入口36，分别连接进出口管道37、进口管道38。其中进口管 道用于向蓄水箱34内输入水平面以下的低温海水，出口管道37直接向外排出加热后海 水。该方案可以有效提高温差发电片冷热端的温差，热端为比热容较小的铜制蓄热肋片 31，当输入的热流一定时，温差发电片32热端快速升温。且经保温处理的蓄热肋片可 以在没有太阳光照射的夜间仍然能维持高温。蓄水箱34中引入海底低温海水，迎浪设 计的敞开海水出口35能促进蓄水箱34中能量的交换，带走温差发电片冷端的热量，扩 大温差并维持温差，使得温差发电片发电效率提升。
30.波浪能发电单元4由铅球41、连杆42、弹簧43、电机44、大齿轮45、小齿轮46、 弹簧固定栓47构成。在波浪的连续作用下，铅球41带动连杆42摇摆晃动，当波浪产 生的牵拉力小于弹簧43的反作用力时，弹簧43推动铅球41和连杆42偏移复原。连杆 42与大齿轮45焊接固定，连杆42往复运动时大齿轮45跟随转动，小齿轮46在与大齿 轮45机械传动的作用下带动电机44转子高速旋转，实现波浪能向电能的转化。基座5 选用l型角钢搭建，基座5上固定电机44、轴承与大齿轮45、蓄电池储能单元7、重 心调节单元6，储能单元7固定在基座定位槽中间，用于存储波浪能发电及太阳能光、 热发电三者的总电量。
31.如图2所示，所述发电系统还包括导流板8，所述导流板8整体呈一端开口向另一 端曲线收敛的对称鱼尾构型；所述导流板8开口一端与所述漂浮舱1外表面固定连接， 其中心对称面与所述连杆和所述弹簧所在竖直平面共面。导流板8垂直固定在波浪能光 热联合发电装置一侧，所在位面与连杆摇摆面在同一个平面上。用于调节连杆摆动方向 与来浪方向，使波浪能尽可能转化为连杆运动的机械能。导流板8与装置“水滴形杯 状设计”结合重心调节单元6可以大大提高波浪能向机械能的转化，同时还能抑制装置 倾覆，大大提高装置工作的可靠性。
32.本专利所述海面小型波浪能光热联合发电系统装置外形如水滴形杯状体。各部具体 构成、制备、功效、实施实例如下：
33.将串联后的太阳能电池片用eva热融胶封装自然风干，以保护太阳能电池板，延 缓老化避免受潮及侵蚀。
34.选取厚度为1mm厚度的薄铜片24朝太阳光线的一面打磨至镜面光滑，用超声波清 洗后，将碳粉均匀涂抹在薄铜片24镜面上，强化未被太阳能电池板遮挡位置对太阳光 的吸收。用绝缘导热胶23(硅酮胶)将eva热融胶封装的太阳能电池片22与涂抹碳粉 的薄铜片24一侧粘紧。
35.未打磨的薄铜片24一侧与蓄热肋片31通过点焊焊接，蓄热肋片31间呈同心环形 分布在薄铜24底部，蓄热肋片31底部与温差发电片32的冷端的陶瓷片接触并固定， 温差发电片32的发热端采用海水水冷的方式与蓄水箱34的顶端陶瓷片33接触。海水 入口36设置在漂浮舱1底部，与导流板8对立，海水入口管道37穿过波浪能发电4舱 的腹腔连通蓄水箱34的底部，蓄水箱右侧设海水出口35。从装置底部引入较低温海水， 对温差发电片32发热端带走热量，进一步扩大和维持温差发电片冷、热端温差，保持 发电效率，尤其当装置集群部署时效果更为明显。
36.将2kg铁球41与连杆42焊接固定，连杆42采用不锈钢管(长度400mm，内径5mm， 壁厚1mm)，钢管底部与大齿轮45焊接固定。连杆42下端150mm处与弹簧43固定， 弹簧43规格选用线粗1mm，外径为10mm，长度为300mm的碳素钢。大齿轮45与小 齿轮46咬合，小齿轮46与电机44转子固定。当连杆42在波浪及弹簧43的作用下往 复摇摆时，大齿轮45带动小齿轮46快速旋转，使得电机44产生电流。太阳能电池光 伏效应产生的电量、温差能发电量及波浪能发电量统一存储于蓄电池储能单元7。
37.重心调节单元6选用铁块，其主要功用是用于维持装置重心与中心在一条线上，且 重心低于中心。这种设计时为了使装置在随波浪摆动时，仍然有较好的抗浪性。即便在 恶劣的环境下装置倾覆仍然可以恢复。导流板8采用结构为底部镂空的中空壳体，用于 调节来浪方向与连杆摆动面的夹角。导流板8与漂浮舱1都是厚度为2mm的聚乙烯高 分子材料。
38.装置原理：
39.当太阳光透过透明亚格力板21照射至eva热融胶封装的串联太阳能电池片22上 时，太阳能电池片22内的半导体p-n节上开始形成电子-空穴对，在pn结电场作用下， 电子不断从p区移动至n区，当接通电路时便形成了电流存储于储能单元7向蓄电池充 电。剩余的太阳能中80％以上的太阳能仍然以热能的形式转化为太阳能电池板22的显 热及环境损耗。本发明设计了一种蓄热肋片31，通过吸收透过绝缘导热胶23、薄铜片 24传导的热能，使自身温度不断攀升。与此同时向蓄水箱34中引入低温海水制造冷源。 蓄热肋片31的温度与低温海水的温差可以迅速超过20℃，达到温差发电的要求。并通 过将多个温差发电片32的串并联，增加其发电功率。同时在波浪的连续作用下，铅球 41带动连杆42摇摆晃动，当波浪产生的牵拉力小于弹簧43的反作用力时，弹簧43推 动铅球41和连杆42偏移复原。连杆42与大齿轮45焊接固定，连杆42往复运动时大 齿轮45跟随转动，小齿轮46在与大齿轮45机械传动的作用下带动电机44转子高速旋 转，实现波浪能向电能的转化。为了进一步促进波浪能向电能的转化本专利设计一种导 流板8，来调节连杆42摆动面与来浪方向平行，使波浪能最大化转化为连杆42的机械 能。此外装置整体“类水滴形”杯状设计与重心调节单元6设计既可以扩大装置震动幅 度，亦可以维持装置稳定性，使系统更加安全可靠。