名称：一种动能收集装置
专利号：202611111145.8
专利权人：李欣恩
技术领域
本发明涉及可再生能源动能收集与转换技术领域，具体为一种动能收集装置。
背景技术
水能、潮汐能、风能均为储量丰富的清洁可再生能源，广泛分布于江河流域、沿海区域与开阔风场。现有动能收集与发电装置多为单一能源形式，受自然条件波动影响显著，例如枯水期水流动力不足、无风期风力发电中断、潮汐存在间歇性，单一能源输出稳定性差，难以持续稳定供电。
现有多能源互补系统多采用电能并网整合的方式，需经过多次能量转换，能量损耗大，且配套变电、储能设备成本高；缺乏以气压为能量载体的统一收集与储运架构，无法实现水流、潮汐、风力多源动能的直接并联汇聚。同时，潮汐能利用多仅利用涨潮水位差推动水轮机做功，退潮过程的负压势能未被有效回收，潮汐能量利用率低；高压气体与负压气体缺乏独立的储存、长距离输送体系，无法平稳驱动汽轮机组持续发电，能源转化效率受限。
因此，亟需提供一种动能收集装置，解决上述多源动能无法并联整合、潮汐能量利用率低、能量储运体系不完善、发电输出不稳定的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种动能收集装置，具备多源动能并联汇聚、潮汐涨退双向做功、正负压独立储运、稳压持续发电的优势，可整合水流、潮汐、风力三类可再生能源，以气压为能量载体实现统一收集、储存与发电转换。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种动能收集装置，包括水流动能收集设备、潮汐动能收集设备、风力气压收集设备、压力管道、真空管道、压力罐、真空罐、增压机、汽轮机和发电机。
所述水流动能收集设备和风力气压收集设备的压缩空气输出端均与所述压力管道连接，所述潮汐动能收集设备设有压力口和真空口，所述压力口连接于所述压力管道，所述真空口连接于所述真空管道；所述水流动能收集设备、风力气压收集设备、潮汐动能收集设备通过压力管道和真空管道实现并联组网。三类动能收集设备可独立运行，也可多台并联接入主管路，适配不同规模的能源采集场景，多源能量互补可平抑单一能源的波动，提升输出稳定性。
所述与压力口连接的一段压力管道的另一端连接至所述压力罐的进气口，所述与真空口连接的一段真空管道的另一端连接至所述真空罐的进气口，所述真空罐的出气口通过压力管道连接于所述增压机的进气端。压力罐用于存储高压压缩空气，兼具缓冲与储能功能；真空罐用于存储负压气体，二者独立储运互不干扰；真空罐内的低压气体经增压机增压至额定压力后，可汇入高压气路参与做功，充分回收退潮产生的负压能量。
所述压力罐的出气口通过压力管道连接于所述汽轮机的进气端，所述增压机的出气端通过压力管道连接至所述汽轮机的进气端；所述汽轮机的输出端通过传动轴驱动连接所述发电机，所述汽轮机下侧设有排气管。高压气体冲击汽轮机叶片做功，将气压能转化为旋转机械能，再通过传动轴带动发电机转化为电能；做功后的气体经排气管排出，形成完整的能量转换回路。压力罐可平抑气压波动，保障汽轮机进气压力稳定，实现持续平稳发电。
优选地，所述水流动能收集设备包括流水渠，所述流水渠连接于水电站排水出口或自然水流通道处，流水渠内安装有叶轮机，流水渠内侧设有进水槽，所述叶轮机驱动连接于第一气缸，所述第一气缸两侧设有第一气压泵，所述第一气缸的出气口通过第一止回阀连接于所述压力管道。水流经进水槽收束增速后冲击叶轮机旋转，将水流动能转化为机械能，再通过第一气缸带动第一气压泵压缩空气，产生的高压气体经第一止回阀汇入压力管道；第一止回阀可控制气路通断，便于单支路检修与流量调节，不影响整体系统运行；所述第一气压力表连接于第一止回阀，可实时监测输出气压。
优选地，所述风力气压收集设备包括塔筒和固定于塔筒顶部的机舱，所述机舱的前端可转动连接有旋翼叶片，机舱内部设有齿轮变速箱和第二气压泵；所述旋翼叶片依次驱动连接齿轮变速箱和第二气压泵；所述第二气压泵的出气口连接有气压管道，所述气压管道设于塔筒内部并连接于第二气压力表，所述第二气压力表连接于第二止回阀，所述第二止回阀连接于所述压力管道。旋翼叶片捕获风能产生旋转力矩，经齿轮变速箱调速后驱动第二气压泵压缩空气；气压管道将高压气体向下输送，第二气压力表实时监测输出气压，第二止回阀可防止主管路气体倒流，保障风力采集支路的单向稳定输出。
优选地，所述潮汐动能收集设备为安装于江海边的钢筋混凝土圆柱形结构体，其下部为设置于水面以下的水下层，上部为涨潮退潮工作层，所述水下层的壁面上设有均匀排列的进水出水仓；结构体的顶部设有顶盖，所述顶盖上设有压力口和真空口，所述压力口连接至压力管道，所述真空口连接至真空管道；所述顶盖中心设有排气口。圆柱形结构体宽度直径可达20m，高度可根据当地地质与潮汐条件设置，整体结构强度高、抗浪性好，适配沿海、沿江的户外安装工况。涨潮时海水经进水出水仓进入结构体内部，水位上升压缩内腔空气，形成高压气体从压力口输出；退潮时内部水位下降，内腔形成负压环境，通过真空口输出负压能，实现潮汐涨退双向能量采集。
优选地，所述潮汐动能收集设备内部设有垂直布置的水位控制器；涨潮时，水位上升压缩空气从压力口经压力管道输出；退潮时，装置内腔产生负压，通过真空口经由真空管道将负压抽走；每日涨潮两次、退潮两次，实现每日四次动能采集。水位控制器可实时监测内腔水位，配合阀门控制气路通断，保障涨压、抽真空过程有序切换；每日四次的做功周期可大幅提升潮汐能源的利用效率，相比单方向潮汐发电装置产能提升显著。
优选地，所述潮汐动能收集设备外侧还设有气压阀。当潮汐水位过高、内腔气压超出额定值时，气压阀自动开启泄压，避免设备超压损坏，实现无人值守安全运行，无需人员现场看管。
优选地，所述压力管道设置有多个分支入口，分别连接水流动能收集设备、风力气压收集设备和潮汐动能收集设备的气压输出端，最后接入汽轮机的进气端；所述真空管道与压力管道相互独立且不连通。压力管道同时具备能量汇集、长距离输送与缓冲存储三大功能，可实现多台设备并联组网与跨区域能量传输；真空管道独立承担负压气体的输送与缓存，提升系统整体能效。
本发明的有益效果在于：
本发明以气压为统一能量载体，整合水流、潮汐、风力三类可再生能源并联汇聚，多源互补可平抑自然条件带来的输出波动，供电连续性强。潮汐设备涨潮输出正压、退潮输出负压能，每日实现四次动能采集，大幅提升潮汐能源利用率。采用正负压独立管路搭配对应储能罐体，负压气体经增压机增压后回收汇入高压气路做功，能量回收充分。压力罐可缓存高压气体、平抑气压波动，稳定驱动汽轮发电机组持续发电，输出平稳。装置模块化设计，可灵活组网扩容，适配江河、沿海、风场等多种户外场景，运维便捷，综合能效与经济性突出。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明主体结构示意图；
图2为本发明潮汐动能收集设备内部结构示意图；
图3为本发明潮汐动能收集设备整体结构示意图；
图4为本发明风力气压收集设备结构示意图；
图5为本发明水流动能收集设备结构示意图。
附图标记说明：
1、水流动能收集设备；101、流水渠；102、叶轮机；103、进水槽；104、第一气缸；105、第一气压泵；106、第一止回阀；107、第一气压力表；2、潮汐动能收集设备；201、涨潮退潮工作层；202、水下层；203、进水出水仓；204、水位控制器；205、密封胶圈；206、排气口；207、顶盖；208、压力口；209、真空口；3、压力管道；4、真空管道；5、压力罐；6、真空罐；7、风力气压收集设备；701、机舱；702、塔筒；703、旋翼叶片；704、齿轮变速箱；705、第二气压泵；706、气压管道；707、第二气压力表；708、第二止回阀；8、增压机；9、汽轮机；901、排气管；10、发电机；11、传动轴。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
请参见图1-4，一种动能收集装置，包括水流动能收集设备1、潮汐动能收集设备2、风力气压收集设备7、压力管道3、真空管道4、压力罐5、真空罐6、增压机8、汽轮机9和发电机10。
水流动能收集设备1和风力气压收集设备7的压缩空气输出端均与压力管道3连接，潮汐动能收集设备2设有压力口208和真空口209，压力口208连接于压力管道3，真空口209连接于真空管道4；水流动能收集设备1、风力气压收集设备7、潮汐动能收集设备2通过压力管道3和真空管道4实现并联组网。三类设备可根据现场能源条件灵活配置，既可单独接入系统运行，也可多类多台同时并联，通过统一的气压管路汇聚能量，系统扩展性强。
与压力口208连接的一段压力管道3的另一端连接至压力罐5的进气口，与真空口209连接的一段真空管道4的另一端连接至真空罐6的进气口，真空罐6的出气口通过压力管道3连接于增压机8的进气端。压力罐5作为高压气储能容器，可缓冲气压波动、储备富余能量；真空罐6缓存负压气体，避免负压能直接散失；增压机8可将真空罐内的低压气体升压至工作压力，重新汇入高压气路，实现负压能量的回收利用。
压力罐5的出气口通过压力管道3连接于汽轮机9的进气端，增压机8的出气端通过压力管道3连接至汽轮机9的进气端；汽轮机9的输出端通过传动轴11驱动连接发电机10，汽轮机9下侧设有排气管901。高压气体通入汽轮机9后膨胀做功，推动叶轮旋转，将气压能转化为旋转机械能，再通过传动轴11同步带动发电机10转子运转，输出电能；做功后的低压气体经排气管901排出系统。压力罐5可稳定供气压力，即使前端气源波动，也能保障汽轮机9持续平稳运转，提升发电质量。
具体的，水流动能收集设备1包括流水渠101，流水渠101连接于水电站排水出口、专用输水沟渠或自然水流通道处；针对大型水电站的尾水资源，可将发电后排出的水体统一管控，修建专用输水沟渠，沿沟渠的水流走向每隔50m～100m布设一台水流动能收集设备1，设备布设数量可随沟渠长度灵活扩展，沿水流全程可实现密集组网部署。流水渠内安装有叶轮机102，流水渠101内侧设有进水槽103，叶轮机102驱动连接于第一气缸104，第一气缸104两侧设有第一气压泵105，第一气缸104的出气口通过第一止回阀106连接于压力管道3。上游水电站受建站条件与枢纽规模限制，仅能布置有限数量的发电机组，而本水流动能收集设备可依托尾水沟渠密集并联布设，单台设备充分利用流经水体的剩余动能，多台组网后整体总装机容量与累计发电量具备显著规模优势，可深度挖掘尾水资源的能量价值。第一止回阀106可单独切断对应支路，便于单台设备检修维护，且不影响其余设备与主管路的正常运行，同时可防止主管路高压气体倒灌，避免能量回流损耗。第一气压力表107连接于第一止回阀106，可实时监测输出气压。
具体的，风力气压收集设备7包括塔筒702和固定于塔筒702顶部的机舱701，机舱701的前端可转动连接有旋翼叶片703，机舱701内部设有齿轮变速箱704和第二气压泵705；旋翼叶片703依次驱动连接齿轮变速箱704和第二气压泵705；第二气压泵705的出气口连接有气压管道706，气压管道706设于塔筒702内部并连接于第二气压力表707，第二气压力表707连接于第二止回阀708，第二止回阀708连接于压力管道3。自然风吹动旋翼叶片703旋转，将风能转化为旋转机械能，经齿轮变速箱704增速后传递至第二气压泵705，第二气压泵705压缩空气产生高压气体；高压气体沿塔筒702内的气压管道706向下输送，途经第二气压力表707实时监测压力参数，最终经第二止回阀708单向汇入压力管道3；第二止回阀708可防止主管路高压气体倒灌，避免风力停机时出现能量回流损耗。
具体的，潮汐动能收集设备2为安装于江海边的钢筋混凝土圆柱形结构体，其下部为设置于水面以下的水下层202，上部为涨潮退潮工作层201，水下层202的壁面上设有均匀排列的进水出水仓203；结构体的顶部设有顶盖207，顶盖207上设有压力口208和真空口209，压力口208连接至压力管道3，真空口209连接至真空管道4；顶盖207中心设有排气口206。圆柱形结构体直径可达20米，高度依据当地潮汐落差与地质条件设定，采用钢筋混凝土浇筑而成，抗腐蚀、抗浪冲击能力强，可长期服役于滨水环境。涨潮时海平面上升，海水通过进水出水仓203进入结构体内部，内腔水位持续上升，压缩上部空气形成高压环境，高压气体经压力口208输出至压力管道3；退潮时海平面下降，内腔海水经进水出水仓203流出，水位下降使上部空腔形成负压，通过真空口209将负压能输送至真空管道4。
具体的，潮汐动能收集设备2内部设有垂直布置的水位控制器204；涨潮时，水位上升压缩空气从压力口208经压力管道3输出；退潮时，装置内腔产生负压，通过真空口209经由真空管道4将负压抽走；每日涨潮两次、退潮两次，实现每日四次动能采集。水位控制器204可实时检测内腔水位高度，联动控制压力口208与真空口209的阀门开关，确保涨潮阶段仅压力管路导通、退潮阶段仅真空管路导通，避免两路串气。受自然潮汐规律影响，每日通常出现两次涨潮与两次退潮，对应四次能量采集过程，相比仅利用涨潮的单向装置，潮汐能量利用率提升一倍。
具体的，潮汐动能收集设备2外侧还设有气压阀，当遭遇极端大潮、水位超出设计上限时，内腔气压随之升高，气压阀达到阈值后自动开启泄压，保护结构体与管路不受超压损坏；正常水位下气压阀保持关闭，确保内腔密闭性，整套装置可实现无人值守全自动运行。
具体的，压力管道3设置有多个分支入口，分别连接水流动能收集设备1、风力气压收集设备7和潮汐动能收集设备2的气压输出端，最后接入汽轮机9的进气端；真空管道4与压力管道3相互独立且不连通。压力管道3兼具能量汇集、长距离传输与缓冲储能三重功能，可将分散布置的各类动能设备产出的压缩空气集中输送至发电端；真空管道4独立传输负压气体，正负压管路完全隔离，保障系统能量转换效率。
工作原理：
水流动能收集支路：自然水流或水电站尾水进入流水渠101后，经进水槽103的收束结构提升流速，高速水流冲击叶轮机102叶片使其旋转，叶轮机102带动第一气缸104的活塞往复运动，驱动两侧第一气压泵105持续压缩空气，产生的高压气体经第一止回阀106输入压力管道3。
风力气压收集支路：旋翼叶片703捕获风能旋转，经齿轮变速箱704调速后驱动第二气压泵705压缩空气，高压气体沿气压管道706下行，经第二止回阀708汇入压力管道3。
潮汐动能收集支路：涨潮时，海水进入结构体内部，水位上升压缩内腔空气，高压气体经压力口208输入压力管道3并存入压力罐5；退潮时，内腔水位下降形成负压，负压气体经真空口209输入真空管道4并存入真空罐6，真空罐6内的低压气体经增压机8增压后汇入压力管道3。
发电过程：压力管道3内的高压气体稳定输出至汽轮机9，推动汽轮机9叶轮旋转，通过传动轴11带动发电机10发电，做功后的气体经排气管901排出。当单一能源支路输出波动时，压力罐5释放存储的气体维持供气压力，保障发电持续稳定。
综上所述
本发明以气压为能量载体，整合水流、潮汐、风力三类可再生能源，通过正负压独立管路实现多源并联汇聚，潮汐涨退双向采集动能，配合储能罐体与增压机构稳压输出，可稳定驱动汽轮发电机组持续发电。装置模块化程度高、组网灵活、能量利用率高、运行维护成本低，可广泛应用于江河流域、沿海滩涂、开阔风场等多种场景，具备显著的节能效益与经济价值。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。