CN101649802A

CN101649802A - 柔性波浪能转换装置和系统

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Publication number: CN101649802A
Application number: CN200810142439A
Authority: CN
Inventors: 徐旭文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2028-08-15
Also published as: CN101649802B

Abstract

本发明公开了一种柔性波浪能转换装置，通过在跨接两根浮梁的刚性平板下悬挂大量柔性转换单元来吸收波浪能转换成介质的动能。其中，每个柔性转换单元具有由刚性隔层分隔出的上腔室和下腔室，下腔室充满水，上腔室具有塑料等制成的柔性侧壁以及用于与刚性平板连接的刚性顶板，并设有单向输入阀和单向输出阀，单向输出阀在上腔室受波浪挤压变形时输出高压介质流。此外，本发明还公开了一种将多组柔性波浪能转换装置串联形成的柔性波浪能转换系统。由于本发明的柔性转换单元采用了塑料等柔性材料制成的侧壁，利用其变形来吸收波浪能转换成动能，因而不受波浪运动方向的影响，转换效率高，并且这种柔性波浪能转换装置结构简单、成本低廉。

Description

柔性波浪能转换装置和系统

技术领域

本发明涉及能量转换装置，更具体地说，涉及一种柔性波浪能转换装置和系统。

背景技术

地球上有将近70％的面积是水域，其中在海洋和大型湖泊中存在浪高很大的波浪，这些波浪蕴涵着巨大的能量。在能源短缺的今天，如何有效地利用这些取之不尽的可再生清洁能源，已经成为大家所关注的焦点，并且也已经提供了各种转换波浪能的解决方案。

现有的各种波浪能转换装置，通常利用浮在水面的浮体随波浪的起伏来驱动活塞泵做功，将波浪能通过活塞泵转换成流体的势能，以将流体从低处输送到高处，或者直接利用该具有势能的流体来发电，进而转换成电能。这种波浪能转换装置需要在水中架设庞大且复杂的活塞泵系统，安装难度较大，并且由于海水具有腐蚀作用，对活塞泵及其它各种部件的材质要求很高，使得整个波浪能转换系统的成本很高。此外，由于活塞泵的活塞运动具有方向性，只有在活塞运动方向与波浪运动方向一致的情况下，活塞泵才能充分将波浪能转换成势能，否则活塞泵的工作效率将大大降低。为此，现有的各种波浪能转换装置都需要增设调节转换装置方向的定向调节系统，进一步增加了整个装置的复杂度和成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述结构复杂、成本高、转换效率受限制等缺陷，提供一种成本低且能充分有效地利用波浪能的柔性波浪能转换装置和系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种柔性波浪能转换装置，包括：浮于水面的两根浮梁；跨接在所述两根浮梁上的一刚性平板，所述刚性平板下悬挂有多个柔性转换单元，其中每个所述柔性转换单元具有由刚性隔层分隔出的上腔室和下腔室，所述下腔室充满能使所述柔性转换单元由于重力作用而复原的物质，所述上腔室具有柔性侧壁和刚性顶板，所述刚性顶板与所述刚性平板固接并设有连通上腔室的进口和出口，所述进口连接有单向输入阀以与外部介质源相连，所述出口连接有单向输出阀以在上腔室受波浪挤压变形时输出高压介质流；与每个所述柔性转换单元上的单向输出阀相连以汇集高压介质流的主流管。

本发明的一个实施例中，所述上腔室的侧壁由塑料或橡胶制成。一个实施例中，所述上腔室的刚性顶板与所述刚性平板下表面紧贴固定，且所述刚性平板上对应设有贯通的进口和出口以连接所述单向输入阀和单向输出阀。

本发明的一个实施例中，所述上腔室内的介质为空气，所述下腔室内充满水。或者，所述上腔室内的介质为水，所述下腔室内充满水。

本发明的一个实施例中，所述刚性平板在其两端分别通过支架支撑在所述两根浮梁上方。此外，所述两根浮梁对称悬挂有至少一对平板，所述平板具有一定表面积且水平悬置于水中。

本发明的一个实施例中，所述两根浮梁由密闭的空心件制成，并设有向所述空心件充水的进水机构以及将所述空心件内的水排出的排水机构。

本发明还提出一种柔性波浪能转换系统，包括浮于水面的至少两根浮梁，所述至少两根浮梁间隔一定距离并行排列，所述至少两根浮梁中每两根相邻的浮梁上跨接有一刚性平板，每个所述刚性平板下悬挂有多个柔性转换单元，其中每个所述柔性转换单元具有由刚性隔层分隔出的上腔室和下腔室，所述下腔室充满能使所述柔性转换单元由于重力作用而复原的物质，所述上腔室具有柔性侧壁和刚性顶板，所述刚性顶板与所述刚性平板固接并设有连通上腔室的进口和出口，所述进口连接有单向输入阀以与外部介质源相连，所述出口连接有单向输出阀以在上腔室受波浪挤压变形时输出高压介质流给主流管。

本发明一个实施例的所述柔性波浪能转换系统中，所述上腔室的刚性顶板与所述刚性平板下表面紧贴固定，且所述刚性平板上对应设有贯通的进口和出口以连接所述单向输入阀和单向输出阀。

本发明的柔性波浪能转换装置和系统具有以下有益效果：本发明通过跨接在浮梁上的刚性平板下悬挂大量的柔性转换单元来吸收波浪运动的动能，转换成各柔性转换成单元内介质的动能，进而加以利用，例如直接进行发电。该柔性转换单元可在波浪的冲击下挤压变形，进而压缩其上腔室中的介质产生动能，并可进一步在波浪和自身重力的作用下恢复变形。由于本发明采用了塑料等柔性材料制成的柔性转换单元，利用其变形而体积缩小来吸收波浪能转换成介质的动能，因而不受波浪运动方向的影响，可以充分地利用波浪能，转换效率高。并且，这种柔性转换单元结构简单、成本低廉，大大降低了整个波浪能转换装置的安装难度和制造成本。

附图说明

图1是波浪前进过程中水面上质点的运动趋势示意图；

图2是多个波浪周期对框架产生的作用力的分解示意图；

图3是根据本发明实施例的柔性波浪能转换装置的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的柔性波浪能转换装置的侧视图；

图5是根据本发明实施例的柔性转换单元的结构示意图；

图6是图5所示的柔性转换单元恢复形变状态的示意图；

图7是图5所示的柔性转换单元受波浪挤压产生变形的示意图；

图8是根据本发明另一实施例的柔性波浪能转换装置的结构示意图；

图9是根据本发明实施例的柔性波浪能转换系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，随着波浪向前的推进，水面上任何位置的质点A在一个波浪周期内的运动轨迹近似一个圆或椭圆，如图1中虚线所示，在竖直方向和水平方向分解后不仅有上下的移动，还有在波浪行进方向的前后移动。因而，对于处于波浪中的一个覆盖了多个波浪周期的物体，多个波浪周期中各点对该物体的作用力可相互抵消，使该物体基本上可以在水中保持相对静止状态。如图2所示是多个波浪周期对物体产生的作用力的分解示意图，从图2中可以看出，在多个波浪周期中处于波峰上的各点A₁、A₂、A₃和A₄分别对物体产生向下和向前的作用力，而在多个波浪周期中处于波谷上的各点B₁、B₂、B₃和B₄分别对物体产生向上和向后的作用力。因而，多个波浪周期上对物体产生的作用力可以基本相互抵消，从而使浮在水中的物体基本保持在静止状态。

基于此原理，本发明的柔性波浪能转换装置设置有由两根浮梁101、102和安装在这两根浮梁101、102上的刚性平板16构成的框架，如图3所示。该浮梁101和102可沿波浪前进方向(如图中箭头所示)平行设置，其长度跨越多个波浪周期，从而保证整个框架可以在水中相对保持在静止状态。刚性平板16的两侧端安装在两根浮梁101和102上并跨越两根浮梁之间的距离。刚性平板16的下面悬挂有多个柔性转换单元12，用以吸收波浪能转换成柔性转换单元内介质的动能。构成框架的各浮梁101和102可以由密闭的空心件制成，以将整个装置浮在水面上。

图5是悬挂在刚性平板16下面的多个柔性转换单元中的一个柔性转换单元12的结构示意图。如图5所示，该柔性转换单元12包括由刚性隔层120分隔出的上腔室121和下腔室122两个部分。下腔室122中充满水并予以密封，上腔室121中充满空气。上腔室121的侧壁130由柔性材料制成，例如塑料或橡胶。上腔室121的上端为一刚性顶板129，该刚性顶板129和下面的刚性隔层120确保了上腔室121的侧壁130在未受波浪挤压时能够得以伸展，而在受波浪挤压时仅在竖直方向上发生压缩变形。刚性顶板129可以通过现有的各种方式固定连接在刚性平板16上。例如如图5所示，刚性顶板129可紧贴刚性平板16下表面并通过螺钉等方式锁紧。刚性顶板129上设有连通上腔室121的进口123和出口126，刚性平板16上亦在对应位置设有贯通的进口162和出口164。进口162上连接有单向输入阀124并通过输入管125与外部气源13连接。出口164上连接有单向输出阀127并通过输出管128连接至主流管14。

当悬挂在刚性平板16上的各个柔性转换单元12在水中受到波浪的冲击时，波浪的向前和向上移动对柔性转换单元12尤其是刚性隔层120产生向上的作用力，使柔性转换单元12的上腔室121的柔性侧壁130因被挤压而变形，向上收缩，如图7中标号121b所示。此时，单向输入阀124被关闭，单向输出阀127被打开，上腔室121中因挤压而形成的高压气流从单向输出阀127中排出，压入主流管14中。随后，波浪的向后和向下移动使柔性转换单元12的上腔室121所受的挤压力消除，下腔室122中密封的水的重力带动刚性隔层120下沉，使上腔室121的柔性侧壁130伸展至原状，如图6中标号121a所示。此时，上腔室121中形成负压，单向输出阀127被关闭，单向输入阀124被打开，外部气源被吸入并充满上腔室121。至此，柔性转换单元12的一个转换周期完成。如此往复，柔性转换单元12便可在波浪上移过程中向主流管14提供高压气流，在波浪下移过程中从外部吸入气流。

刚性平板16上可悬挂有多个前述的柔性转换单元，这多个柔性转换单元最好能够在波浪前进方向上跨越至少一个波浪周期。因而，处于波浪中不同位置上的柔性转换单元所受到的波浪的作用力各不相同，从而保证了在每个时间点上总会有一部分的柔性转换单元正受波浪的上移而挤压，不断地向主流管14输送高压气流。

主流管14将各柔性转换单元送出的高压气流汇集，以提供给发电机发电。该发电机可以是现有的各种能利用高压气流发电的发电机，安装在框架上的合适位置处，再经由线缆将电能传回陆地。或者，主流管14将汇集的高压气流输送回陆地，以在陆地进行发电或作其它用途。并且，经过发电机组后的气体可通过输送管道送回各柔性转换单元的单向进气阀，从而实现循环利用。

本发明的另一个实施例中，各柔性转换单元内用以形成动能的介质可以是水，例如海水或淡水。柔性转换单元的下腔室亦充满水，以使上腔室在挤压变形后能在挤压力消除时在重力的作用下恢复变形。这样的话，柔性转换单元便可在波浪上移过程中因受挤压而向主流管提供高动能水流，在波浪下移过程中从外部吸入水流进行补充。主流管将从各柔性转换单元送出的高动能水流汇集，提供给水能发电机发电，从而实现波浪能到电能的转换。

图4是根据本发明一个实施例的柔性波浪能转换装置的侧视图，其中为简洁起见而省略了悬挂在刚性平板16下的多个柔性转换单元。图4所示实施例中，刚性平板16通过支架162安装在两根浮梁101、102的上方，以使刚性平板16的下表面稍微高出浮梁101、102。这种设计的目的是为了刚性平板16的下表面稍微高出波浪的波峰，充分利用波峰的作用力使柔性转换单元12得到最大可能的挤压，从而提高波浪能的利用率。并且这样设计也有利于柔性转换单元12恢复变形。

图7是本发明另一个实施例的柔性波浪能转换装置的结构示意图。考虑到在波浪冲击各个柔性转换单元12使其挤压变形的过程中，各柔性转换单元12会对浮梁101、102以及刚性平板16构成的框架产生向上的推力，可能导致框架被波浪掀起或产生摆动，如图7所示的实施例中，在两根浮梁101和102两侧下方的水中对称悬挂有两块平板151和152，平板151和152水平的悬置在水中，具有一定的表面积。因为欲使平板151和152上浮，需要克服水对平板上表面产生的极大阻力，借此便可防止整个装置被波浪掀起，保持柔性波浪能转换装置的相对稳定。

进一步，由空心件制成的浮梁上可设置有进水和排水机构。在遇到强风暴雨等恶劣天气时，进水机构启用以对浮梁中空间充水，使整个转换装置沉入水中，以免被破坏。排水机构启用后，又可将浮梁内的水排出，从而浮梁又可浮于水面。此进水和排水机构可以通过现有的各种手段例如水泵或高压空气来实现。此外，还可在两根浮梁的四个角设置用于将其锚定在水中的八字锚，通过抛掷八字锚，可以将整个转换装置相对的限制在一定区域内，以免被风浪所破坏。

图9是设置有多组柔性波浪能转换装置的波浪能转换系统的示意图。该系统将多组前述的柔性波浪能转换装置串联起来，形成规模效应，从而可以提供更强的能量转换。如图9所示，多根浮梁10间隔一定距离并行排列，并在长度方向上与波浪前进方向保持一致。相邻的每两根浮梁10上跨接一刚性平板16，刚性平板16与浮梁10的连接方式可以参见前述结合图4的描述。跨接在每两根相邻的浮梁10上的刚性平板16下均悬挂有多个前述的柔性转换单元12。所有柔性转换单元12的输出汇集到主流管，便可进行发电等各种应用。

以上结合各种实施例介绍了本发明的柔性波浪能转换装置，显然，本发明的范围并不受以上具体实施例的限制。根据以上对本发明的介绍，本领域的普通技术人员能够对本发明的各实施例做出各种变更和替换而不脱离本发明的范围和精神实质。

Claims

1、一种柔性波浪能转换装置，其特征在于，包括：

浮于水面的两根浮梁；

跨接在所述两根浮梁上的一刚性平板，所述刚性平板下悬挂有多个柔性转换单元，其中每个所述柔性转换单元具有由刚性隔层分隔出的上腔室和下腔室，所述下腔室充满能使所述柔性转换单元由于重力作用而复原的物质，所述上腔室具有柔性侧壁和刚性顶板，所述刚性顶板与所述刚性平板固接并设有连通上腔室的进口和出口，所述进口连接有单向输入阀以与外部介质源相连，所述出口连接有单向输出阀以在上腔室受波浪挤压变形时输出高压介质流；

与每个所述柔性转换单元上的单向输出阀相连以汇集高压介质流的主流管。

2、根据权利要求1所述的柔性波浪能转换装置，其特征在于，所述上腔室的侧壁由塑料或橡胶制成。

3、根据权利要求1所述的柔性波浪能转换装置，其特征在于，所述上腔室的刚性顶板与所述刚性平板下表面紧贴固定，且所述刚性平板上对应设有贯通的进口和出口以连接所述单向输入阀和单向输出阀。

4、根据权利要求1所述的柔性波浪能转换装置，其特征在于，所述上腔室内的介质为空气，所述下腔室内充满水。

5、根据权利要求1所述的柔性波浪能转转装置，其特征在于，所述上腔室内的介质为水，所述下腔室内充满水。

6、根据权利要求1所述的柔性波浪能转换装置，其特征在于，所述刚性平板在其两端分别通过支架支撑在所述两根浮梁上方。

7、根据权利要求1所述的柔性波浪能转换装置，其特征在于，所述两根浮梁对称悬挂有至少一对平板，所述平板具有一定表面积且水平悬置于水中。

8、根据权利要求1所述的柔性波浪能转换装置，其特征在于，所述两根浮梁由密闭的空心件制成，并设有向所述空心件充水的进水机构以及将所述空心件内的水排出的排水机构。

9、一种柔性波浪能转换系统，其特征在于，包括浮于水面的至少两根浮梁，所述至少两根浮梁间隔一定距离并行排列，所述至少两根浮梁中每两根相邻的浮梁上跨接有一刚性平板，每个所述刚性平板下悬挂有多个柔性转换单元，其中每个所述柔性转换单元具有由刚性隔层分隔出的上腔室和下腔室，所述下腔室充满能使所述柔性转换单元由于重力作用而复原的物质，所述上腔室具有柔性侧壁和刚性顶板，所述刚性顶板与所述刚性平板固接并设有连通上腔室的进口和出口，所述进口连接有单向输入阀以与外部介质源相连，所述出口连接有单向输出阀以在上腔室受波浪挤压变形时输出高压介质流给主流管。

10、根据权利要求9所述的柔性波浪能转换系统，其特征在于，所述上腔室的刚性顶板与所述刚性平板下表面紧贴固定，且所述刚性平板上对应设有贯通的进口和出口以连接所述单向输入阀和单向输出阀。