一种气囊式浮力发电装置

技术领域：

本发明属于液力机械或液力发动机技术领域，具体涉及一种气囊式浮力发电装置。

背景技术：

在节能环保、社会可持续发展的压力下，可再生能源的开发利用备受关注。海洋能是具有开发潜力大、可持续利用、绿色清洁等优势的可再生能源。传统的海洋能指海洋特有的依附于海水的潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能。除潮汐能和潮流能是月球和太阳引潮力的作用产生以外，其他的均产生于太阳辐射。国际潮汐能技术已达到商业化运行阶段，潮流能技术已进入全比例样机实海况测试阶段；波浪能技术已进入工程样机实海况测试阶段；温差能技术已进入比例样机实海况测试阶段，盐差能技术尚处于实验室验证阶段。有关上述传统海洋能开发利用方面的专利、文献和投资项目可谓举不胜数。

其实海水与江河湖泊水源本身具有的重力势能也可以借助浮力转化为电能或其它动力加以利用，转化为电能时，相应的装置即成为浮力发电装置。目前涉及浮力发电的专利也较多，但都因为或这或那的弊端，难以实用。以下为现有技术中公开的部分浮力发电装置：专利CN 201210438433.6公开了地心引力与液体浮力发电装置，主要由开口溶器、浮体、通气阀门、充气机等组成，工作中忽视了向固定容积的浮体内充气的能耗大于浮体浮力做功量的问题，再考虑发电机和压气机本身的工作效率，该装置输出的电能要明显小于压气机所消耗的电量。专利CN 201010248922.6公开了浮力、重力循环发电法，主要由浮力水塔、浮力箱体、重力箱体、循环链条、支撑塔架、转向轮体、压力空气储存仓库等组成，工作时存在的根本问题与专利CN 201210438433.6类似，如果压力空气储存仓库内的气体不是天然而成，整个系统的发电量要远远小于压力空气储存仓库内气体的内能。专利CN201910865178.5公开了一种利用浮力形成的发电系统，主要由气囊、环形筒、连杆、压力传感器、电磁阀、机架、充放气机构等组成，工作时在下面气囊充满气体，在上面放气，利用浮力驱动圆形机架转动带动发电机发电，多个气囊充气后体积在上升中不再增大，整个系统的发电量要小于压力能耗。专利CN 201220099290.6公开了一种气体浮力发电装置，主要由浮力装置、轮盘装置、发电装置、充放气装置、管道等组成，工作时存在的根本问题与专利CN201910865178.5类似。专利CN 201420517045.1公开了一种水浮力发电机组，主要由钢支架、顶齿轮、顶平台、底座、底齿轮、充气机、发电机及齿轮传动箱等组成，工作时存在的根本问题与专利CN 201910865178.5类似。当然类似的专利还有很多，工作效率太低，根本不能实用，归根到底是气体在上浮过程中体积不变，没有充分地利用浮力做功输出电能。

发明内容：

本发明在克服现有发明缺陷的基础上，寻求设计一种气囊式浮力发电装置，气囊式浮力发电装置使用时最好整个都放置在水中，气囊组件要始终在水面以下，气囊组件同时受到向下的重力和向上的浮力作用，浮力会随着气囊体积增大而增大、减小而减小，重力大于浮力时气囊组件下行，重力小于浮力时气囊组件上行。工作在上止点时，气囊组件依靠重力在水中下沉，在行程下止点时，通过压气机组件给气囊充一定量高压气体，因高压气体密度小于水，体积不断增大，浮力也不断增大，当气囊组件所受浮力大于重力时，气囊组件上浮，如此不断反复。上升的过程中通过浮力发电，下降的过程中通过重力发电，电能可储存起来或并网利用。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种气囊式浮力发电装置，包括气囊组件、支架、发电机、压气机组件、上带轮、传动带、下带轮和底板；气囊组件包括气囊排气接头、气囊上体、气囊上导块、气囊、气囊下导块、气囊充气接头和气囊下体；支架包括气囊导向槽、传动带内容槽和传动带外容槽；压气机组件包括电动机、压气机和储气罐；气囊是薄壁不透气的柔性皮囊，气囊的内腔充满气时呈筒状，气囊上端固定连接在气囊上体外周，下端固定连接在气囊下体外周，气囊排气接头安装在气囊上体上且与气囊的内腔连通，气囊充气接头安装在气囊下体上且与气囊的内腔连通，气囊上体和气囊下体两侧分别装有气囊上导块和气囊下导块，所述支架包括左右两立柱和顶部的横梁，左右两立柱连接在横梁两端构成门框状结构，支架左右两立柱底部连接在底板上表面两端，在横梁上设置上下贯通的传动带内容槽和传动带外容槽，立柱内侧开设气囊导向槽，传动带内容槽与气囊导向槽连通，在两横梁顶部的传动带内容槽和传动带外容槽之间分别安装一上带轮，至少一上带轮与发电机转动连接，在横梁底部的传动带内容槽和传动带外容槽之间开设容置槽，下带轮安装在容置槽内，传动带上端套在上带轮上，下端套在下带轮上，中间在传动带内容槽和传动带外容槽内，气囊下导块连接在传送带上，气囊上导块和气囊下导块均与气囊导向槽配合，沿气囊导向槽上下滑动，气囊组件运行到行程上止点时，气囊排气接头通过第一气体管路与压气机的进口连通，电动机与压气机连接，压气机的出口与储气罐的进口连通，电动机驱动压气机将气囊内气体压入储气罐，气囊组件下降，气囊组件运行到行程下止点时，气囊充气接头通过第二气体管路与储气罐的出口连通，储气罐内的高压气体进入气囊，气囊浮力增大带动气囊组件上升，气囊组件下降和上升的过程中均能够带动上带轮转动，进而驱动发电机发电。

具体地，在支架顶部横梁上部安装支架排气接口，在支架顶部横梁下部安装排气接头耦件，设置在支架的横梁内的第一气体管路将支架排气接口和排气接头耦件连通，支架排气接口与压气机的进口连通，下部排气接头耦件与气囊排气接头对接。

具体地，第二气体管路包括支架内的第一支路和底板内的第二支路，在底板上表面设有底板充气接口和充气接头耦件，充气接口和充气接头耦件分别与第二支路两端连接，充气接头耦件与气囊充气接头对接，在支架的顶部横梁上部设有立柱充气入口，支架的立柱底部设有立柱充气出口，立柱充气入口和立柱充气出口分别连接第一支路两端，立柱充气入口与储气罐的出口连通，立柱充气出口与底板充气接口对接，进而实现第一支路和第二支路的连通。

具体地，本发明涉及的支架还包括支撑孔，在横梁底部开设容置槽，容置槽两侧的立柱上均设置一个支撑孔，下带轮的转轴两端分别与两支撑孔转动连接。

具体地，本发明涉及的气囊上体和气囊下体的材料是树脂、塑料、复合材料或金属。

优选地，本发明涉及的两横梁上的上带轮均与一发电机转动连接。

具体地，本发明涉及的传动带为皮带、同步带或链条。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)通过气囊充气和放气改变气囊的浮力，进而实现气囊的上行和下行，气囊组件上行和下行过程中通过传动带和上带轮带动发电机工作，有效地将浮力和重力转换为电能；(2)第一气体管路和第二气体管路嵌入支架和底板中，提高装置的整体美观度；(3)整个装置结构巧妙，设计合理，是一种新型的浮力发电装置，具有较好的推广应用价值。

附图说明：

图1为气囊组件在行程中部时浮力发电装置结构示意图。

图2为气囊组件在行程上止点时浮力发电装置结构示意图。

图3为气囊组件在行程下止点时浮力发电装置结构示意图。

图4为浮力发电装置结构示意图。

图5为气囊组件结构示意图。

图6为支架结构简图。

图7为支架仰视图。

图8为压气机组件结构示意图。

图9为底板结构示意图。

其中，1为气囊组件、2为支架、3为发电机、4为压气机组件、5为上带轮、6为传动带、7为下带轮、8为底板、101为气囊排气接头、102为气囊上体、103为气囊上导块、104为气囊、105为气囊下导块、106为气囊充气接头、107为气囊下体、201为排气接头耦件、202为气囊导向槽、203为立柱充气入口、204为立柱充气出口、205为传动带内容槽、206为传动带外容槽、207为立柱排气接口、208为下带轮支撑孔、401为电动机、402为压气机、403为储气罐、801为底板充气接口、802为充气接头耦件。

具体实施方式：

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)描述，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于区分，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

实施例1：

如图1所示,本实施例涉及的一种气囊式浮力发电装置，主体结构包括气囊组件1、支架2、发电机3、压气机组件4、上带轮5、传动带6、下带轮7和底板8。

如图5所示，气囊组件1包括气囊排气接头101、气囊上体102、气囊上导块103、气囊104、气囊下导块105、气囊充气接头106和气囊下体107。

如图6-7所示，支架2包括排气接头耦件201、气囊导向槽202、支架充气入口203、支架充气出口204、传动带内容槽205、传动带外容槽206、支架排气接口207、下带轮支撑孔208。

如图8所示，压气机组件4包括电动机401、压气机402和储气罐403。

如图9所示，底板8包括底板充气接口801和充气接头耦件802。

气囊104是薄壁不透气的柔性皮囊，气囊104的内腔充满气时呈筒状，气囊104上端固定连接在气囊上体102外周，下端固定连接在气囊下体107外周，气囊排气接头101安装在气囊上体102上且与气囊的内腔连通，气囊充气接头106安装在气囊下体107上且与气囊的内腔连通，气囊上体102和气囊下体107两侧分别装有气囊上导块103和气囊下导块105，

所述支架2包括左右两立柱和顶部的横梁，左右两立柱连接在横梁两端构成门框状结构，支架2左右两立柱底部连接在底板8上表面两端，在横梁上设置上下贯通的传动带内容槽205和传动带外容槽206，立柱内侧开设气囊导向槽202，传动带内容槽205与气囊导向槽202连通，传动带内容槽205和传动带外容槽206的形状尺寸与传动带6的截面相符，在两横梁顶部的传动带内容槽205和传动带外容槽206之间分别安装一上带轮5，至少一上带轮5与发电机3转动连接，在横梁底部的传动带内容槽205和传动带外容槽206之间开设容置槽，下带轮7安装在容置槽内，传动带6上端套在上带轮5上，下端套在下带轮7上，中间在传动带内容槽205和传动带外容槽206内，气囊下导块105连接在传送带6上，气囊上导块103和气囊下导块105均与气囊导向槽202配合，沿气囊导向槽202上下滑动，气囊组件1运行到行程上止点时，气囊排气接头101通过第一气体管路与压气机402的进口连通。电动机401与压气机402连接，压气机402的出口与储气罐403的进口连通，电动机401驱动压气机402将气囊104内气体压入储气罐403，气囊104减小，气囊组件1下降，气囊组件1运行到行程下止点时，气囊充气接头106通过第二气体管路与储气罐403的出口连通，储气罐403内的高压气体进入气囊104，气囊104浮力增大带动气囊组件1上升，气囊组件1下降和上升的过程中均能够带动上带轮5转动，进而驱动发电机发电，发电机3与储电池或外部电网连接，发电机3发出的电传到储电池或并网使用。

需要说明的是，电动机401驱动压气机402将气体压入储气罐403时，为了加速气囊104减小，此时，发电机3当作电动机使用，通过传动带6带动气囊下体107上行促进排气，该过程中由储电池或电网给发电机3供电。

为了简化装置结构以及提高气体流通的顺畅性，第一气体管路和第二气体管路内置于支架的内。排气接头耦件201到压气机402之间，在支架2内的气体管路称为第一气体管路。充气接头耦件802、底板充气接口801、立柱充气出口204、立柱充气入口203和储气罐403的出口之间的充气管路称第二气体管路。

本实施例涉及的支架2还包括排气接头耦件201和支架排气接口207，气囊排气接头101通过第一气体管路与压气机402的进口连通具体为：在支架2顶部横梁上部安装支架排气接口207，在支架2顶部横梁下部安装排气接头耦件201，设置在支架2的横梁内的第一气体管路将支架排气接口207和排气接头耦件201连通，支架排气接口207与压气机402的进口连通，气囊组件1运行到行程上止点时，下部排气接头耦件201与气囊排气接头101对接。

本实施例涉及的支架2还包括立柱充气入口203和立柱充气出口204，底板8包括底板充气接口801和充气接头耦件802，气囊充气接头106通过第二气体管路与储气罐403的出口连通更具体为：第二气体管路包括支架内的第一支路和底板内的第二支路，在底板8上表面设有底板充气接口801和充气接头耦件802，充气接口801和充气接头耦件802分别与第二支路两端连接，气囊组件1运行到行程下止点时，充气接头耦件802与气囊充气接头106对接，在支架的顶部横梁上部设有立柱充气入口203，支架的立柱底部设有立柱充气出口204，立柱充气入口203和立柱充气出口204分别连接第一支路两端，立柱充气入口203与储气罐403的出口连通，立柱充气出口204与底板充气接口801对接，进而实现第一支路和第二支路的连通。

具体地，电动机401、压气机402和储气罐403置于支架顶部横梁上方。

具体地，本实施例涉及的支架2还包括支撑孔208，在横梁底部开设容置槽，容置槽两侧的立柱上均设置一个支撑孔208，下带轮7的转轴两端分别与两支撑孔208转动连接。

具体地，本实施例涉及的气囊上体102和气囊下体107的材料是树脂、塑料、复合材料或金属等，密度要足够大，保证气囊组件1在气囊104放气后能够在水中下沉，且表面尽量滑顺，以减小气囊组件1上浮或下沉的流体阻力。

优选地，本实施例涉及的两横梁上的上带轮5均与一发电机3转动连接，通过两侧的发电机3同时带动，防止一侧的气囊下导块105卡死在气囊导向槽202内。

具体地，本实施例涉及的传动带6可为皮带、同步带或链条等。

具体地，为了保证较好的平衡性，气囊排气接头101安装在气囊上体102中部且与气囊的内腔连通，气囊充气接头106安装在气囊下体107中部且与气囊的内腔连通。

本发明涉及的一种气囊式浮力发电装置工作时，工作时气囊组件1反复上下移动，最上端为行程上止点，最下端为行程下止点，气囊上导块103、气囊下导块105始终在支架2的气囊导向槽202内相应滑动。如图2所示，气囊104在上止点放完气后，折叠于气囊上体102、气囊下体107之间。此时气囊组件1的重力大于浮力，气囊排气接头101和排气接头耦件201自动脱开并分别关闭，气囊组件1开始往下移动。气囊上导块103、气囊下导块105沿着支架2的气囊导向槽202向下滑动，因气囊下导块105固定在传动带6上，传动带6在传动带内容槽105、传动带外容槽206分别向下、向上移动的同时，驱动上带轮5、下带轮7转动，上带轮5再驱动发电机3转动，此时发电机3可以对外发电，即利用气囊组件1的重力与浮力之差产生的转矩对外发电，电能存于储能电池或直接并网使用，气囊组件1向下移动时发出的电能较少。

当气囊组件1到行程下止点时(如图3所示)，气囊充气接头106与底板8的充气接头耦件802结合连通，压气机组件4的储气罐403内的高压气体，通过支架充气入口203、支架内部气路(第一支路)、支架充气出口204、底板充气接口801、底板内部气路(第二支路)、充气接头耦件802、气囊充气接头106进入气囊组件1，气囊104充气后逐渐增大，气囊上体102在气压作用下上升。随着充气量增加，气囊组件1的浮力不断增大，当大于重力时，气囊充气接头106和充气接头耦件802自动脱开并分别关闭，气囊组件1整体上行，因越往上液压越小，气囊104越来越大(如图1所示)，浮力越来越大。传动带6在传动带内容槽205、传动带外容槽206内分别向上、向下移动的同时，驱动上带轮5、下带轮7转动，上带轮5再驱动发电机3转动，此时发电机3转动方向与气囊组件1下行时相反，因浮力与重力之差较大，产生的驱动转矩较大，可以对外发出较多电能。随着气囊组件1不断上行，输出电功率也越来越大，直到气囊104体积达到最大时的圆柱形(如图4所示)，输出的电功率不再增加。发电机3发出的电可给储能电池充电或直接并网使用。

气囊组件1继续上行直到行程的上止点(如图2所示)，此时气囊排气接头101与排气接头耦件201对接连通，气囊104内的气体通过支架排气接口207进入压气机组件4的压气机402，电动机401驱动压气机402将空气压入储气罐403，电动机401可由储能电池或电网供电。在压气机组件4工作过程中，发电机3可以作为电动机使用，通过传动带6、气囊下导块105带动气囊下体107向上移动，辅助排气。当气囊104内气体排完后，压气机组件4停止工作，气囊104折叠于气囊上体102、气囊下体107之间，气囊组件1的重力大于浮力，气囊排气接头101和排气接头耦件201自动脱开并分别关闭，气囊组件1开始往下移动，重复上一个工作循环。如此往复，不断对外输出电能，实现浮力发电功能。

气囊排气接头101和排气接头耦件201的脱开关闭和连通，以及气囊充气接头106和充气接头耦件802的脱开关闭和连通，是通过机械结构的合理设计实现的，当然也可以通过电池阀等现有技术实现。

下面以海洋作为应用场景说明本发明“一种气囊式浮力发电装置”的可行性和实用性。

气囊在上止点时，压气机组件(压缩机和电动机)工作将气囊内气体抽出，该过程消耗的电能为：

其中，P

上止点放完气后，由于气囊组件的重力大于浮力，气囊开始下行，下行到下止点的过程中其对外作功为：

W

其中，G为气囊组件的重力，F

H＝H

气囊到达下止点，在压力的作用下储气罐内的气体进入气囊，该过程中假设储气罐内有足够多的气体，储气罐内的压强P

W

其中，F‘

F‘

整个过程中对外做功为：

W＝W

对做功工程进行热力学分析，假定气囊内的气体体积为V，以气囊组件在下止点时的位置为原点，向上为正，则有：

其中，ρ为海水的密度，g为重力加速度。

上面已经提到整个工作过程为等温过程，气体等温状态方程为

P

其中，P为气囊内空气的压力，C为常数。

又由于P＝ρgh，则

因为上止点时水深H

W≈-P

其中负号是因为从深到浅积分所致，对外输出的功式中是正的。所以对外做功与消耗电量的比例为(公式中的0.9为发电机的效率)：

H

即当气囊的中心位置在水下4.46m以上时，即可对外产生电能。当然，实际过程中该数值会随着发电机效率、电动机效率和压缩机效率等因素的改变而改变。

从能量守恒的角度来看，海洋给气囊做功，海洋的内能肯定有所消耗，但宏观上海洋温度的降低根本就不用考虑。