CN101737242A - 一种强容错、高效漂浮式波浪能利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种强容错、高效的离岸漂浮式波浪能利用装置。包括漂浮在水面上的鸭体；鸭体由鸭体外壳和中心轴组成；鸭尾呈圆弧状，中心轴的轴心处于圆弧中心；鸭头背波部位体积较大；鸭体下面安装有与中心轴固定连接的悬垂于鸭体之下的水下附体；鸭体内部安装囊状泵作为能量转换机构，囊状泵为封闭的柔性水囊，其内注入液体并留有褶皱、可伸缩，固定在鸭体内的中心轴上，有一水管将囊状泵与囊状活塞连接；囊状活塞的上端连接能量转换机构；囊状泵和囊状活塞内非完全注满液体；水下附体通过蓄能型系泊系统与海底连接。本发明安装精度要求很低、容错能力强、成本低，且组装简单易实现，投放简单。有望成为一种大规模应用的漂浮式波浪能发电装置。

Description

一种强容错、高效漂浮式波浪能利用装置

技术领域

本发明设计波浪能利用技术领域，尤其涉及一种离岸漂浮式波浪能利用装置。

技术背景

当今，开发漂浮式波浪能发电装置主要面对以下几个方面的问题：1、大多漂浮式波浪能发电装置俘获波浪能效率低，主要原因是装置自身运动造波、透射和反射所致。2、转换效率较高的波浪装置难以在台风等恶劣天气环境中生存。原因是效率高的漂浮式装置往往需要较小的约束，在大浪中运动过大，容易造成锚链断裂，或转换装置运动幅度或速度超过极限，导致破坏。3、海洋波浪能发电装置存在着相对运动部件，这些部件尺寸粗大，要求密封，故加工和安装精度难以达到要求，且加工费十分高昂。4、波浪的峰值功率是平均功率的7-10倍，装置各机构受冲击载荷大，若各部件间为硬性连接，冲击载荷会大大降低装置的使用寿命。综上所述，目前的波浪能发电装置均存在结构复杂、能量转换效率低、不易于维护、成本高等缺点，不适应大规模推广应用。提高漂浮式波浪能发电装置的能量转换效率，增强装置抵抗恶劣海况的能力，降低装置各部件组装难度和建造成本是开发波浪能发电装置的努力方向。

现有技术中存在一种点头鸭式波浪发电装置，由英国的S.Salter在1974年正式发表在Nature杂志上。该装置的外形犹如鸭子的身体，浮于海面，在波浪冲击下，鸭体可绕其中心轴上下摇摆，就像鸭子在水面点头，因而得名(见图1)。但是该装置存在以下缺点：1、鸭体内部装有复杂的机械和发电机构，制造和安装难度大，而且缺乏缓冲环节，受突发性的大波作用下容易损坏。2、鸭体内部复杂的机械和发电系统需要体积较大的密封腔，装置密封难度很大。原因是鸭式装置靠鸭体外壳与中心轴相对运动做功，吸收波浪能。中心轴从鸭体外面横穿鸭体，要想密封，必须控制鸭体外壳与中心轴之间的间隙，使之足够小，且间隙处的光洁度足够高，才能实现。而鸭体外壳和中心轴均属大型构件，两者结合面高光洁度必然导致巨大的加工成本；两者的小间隙必然导致安装困难。再者，鸭体外壳属于焊接结构，必然存在着焊接变形、时效变形以及运行后的受力变形，鸭体外壳与轴之间的小间隙无法保障。这是造成鸭式装置造价昂贵的原因，而且也造成装置维护困难。3、漂浮于海面的鸭体吃水深度小，波浪有从装置底部透射的可能性，降低了波浪能利用效率。4、装置采用图2、图3方式系泊，其系泊系统需要进行特殊的海底固定、缆绳张紧或刚性铰接杆与鸭体的连接，难度较大。图2装置采用张紧的缆绳固定中心轴，容易在涨潮时吃水增大，导致角运动造波；在落潮是缆绳松弛，导致线运动造波，效率下降。图3装置的系泊系统刚性太强，大浪会对装置或刚性杆铰接点产生突发负载，导致破坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种强容错、高效的离岸漂浮式波浪能利用装置。

为达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明装置是在现有的鸭式波浪能装置和系泊系统上进行的改进，包括漂浮在水面上的鸭体；鸭体由鸭体外壳和中心轴组成；鸭体外壳在波浪的作用下绕其中心轴转动，将波浪能转换为往复机械能；鸭体外壳截面形状类似鸭蛋形状，其大头称为鸭尾，小头称为鸭头，其特征在于：鸭尾呈圆弧状，中心轴的轴心处于圆弧中心；鸭头背波部位体积较大；鸭体下面安装有与中心轴固定连接的水下附体，该水下附体挂于中心轴上，悬垂于鸭体之下，中心轴被水下附体固定；所述鸭体内部安装囊状泵作为能量转换机构，所述囊状泵为封闭的柔性水囊，囊状泵内注入液体并留有褶皱、可伸缩，固定在鸭体内的中心轴上，有一水管将囊状泵与另一柔性水囊——囊状活塞连接；囊状活塞的上端连接下级能量转换机构；所述囊状泵和囊状活塞内非完全注满液体；水下附体通过蓄能型系泊系统与海底连接，装置整体完全漂浮于海洋之中，与海底非固定式连接。

所述鸭体有较深的吃水深度，尽量避免波浪能透射。

所述囊状泵与囊状活塞均为柔性体，其受压时只能将其内部液体从一端推向另一端，而自身材料在薄膜平面内不能像气球材料一样伸张。囊状泵和囊状活塞内非完全注满液体，位于水下附体上的囊状活塞的一端始终受到其上结构及能量转换机构的压力，该压力维持囊状活塞的液体在没有其他外力作用时回到囊状泵内；当鸭体向上旋转，囊状泵受鸭体内腔上端较大力量的挤压，体积减小，向下端高压排水，推动囊状活塞向外做功。

囊状泵和囊状活塞内注入的液体一般为水或其他体积弹性模量较大的液体。

现有鸭式装置的截面形状如图1，系泊方式有张紧系泊法(图2)和刚性杆铰接法(图3)。

本发明装置(如图4所示)与现有技术鸭式装置有以下不同：

一、本发明装置采用水下附体约束鸭式装置的中心轴，而现有鸭式装置靠系泊系统约束鸭式装置的中心轴。

本发明装置通过水下附体约束鸭式装置中心轴，好处是：1、效率较高。水下附体增加了装置吃水，降低了波浪透射；在工作浪况下有效地限制了中心轴位移运动，降低了装置的线位移运动的辐射造波。相比较而言，图2和图3的现有鸭式装置都没有水下附体，其吃水比较，透射波比较大，效率比较低。图2装置在低潮位或大浪的波谷会缆绳松弛，使鸭体线位移约束消失，造成鸭体线位移运动造波；在潮位高时，吃水过深，甚至淹没于水中，导致鸭体角运动造波；图3在与刚性杆轴垂直的方向没有约束，会导致该方向线运动辐射造波，这些，都会导致波浪能俘获量下降。2、在巨浪作用下，本发明装置有很强的缓冲能力。首先，水下附体对鸭体的限制不是刚性限位，而是利用波浪运动深水水质点与表面水质点速度差阻碍处于表面的鸭体产生线位移运动。在大浪中，因波浪特性决定，水下附体周围的深水也会有所扰动，故水下附体也会随鸭体运动，但仍对鸭体线位移运动有柔和而有效的限制。再加上本发明装置的蓄能型系泊系统所具有的蓄能效果，缓冲能力更强。而图2的鸭式装置的张紧系泊方式，在潮位低或大浪波谷时缆绳容易松弛，失去对装置的约束力；如果此时遭受大浪波峰袭击时，装置因约束力小，会与装置周围的附连水以较大速度自由运动，产生较大的动能，在缆绳张紧的瞬间容易出现较大应力，出现走锚或导致系泊系统薄弱环节断裂。图3的鸭式装置在大浪时，因刚性杆对轴的约束过于刚强，在大浪中缺乏缓冲，容易导致轴和装置内机构损坏；另外，图3的刚性杆铰接机构无法承受斜浪打击，会造成鸭式装置或海底铰接点的破坏。3、本课题提出的漂浮式鸭式装置的水下附体有效地阻碍了装置的线运动，降低了对系泊系统的要求，故可采用松弛系泊方式。本发明装置采用的蓄能型系泊系统施工简单，只要把装置和系泊系统投入大海即可；而图2、图3中的鸭式装置的系泊系统都需要海底艰难的施工。

二、本发明装置的鸭体内部只有囊状泵，其下级转换机构均位于水下附体上，而现有鸭式装置的所有转换机构均位于鸭体内部。

本发明装置的囊状泵，即一种柔性水囊作为能量转换机构。其要点是：1、鸭体中心轴与鸭体内腔之间的体积，在相对旋转过程中按设计规律变化，如两者之间体积随鸭体绕轴向上旋转逐渐变小，向下旋转逐渐变大。2、囊状泵固定在鸭体的中心轴上，中心轴被水下附体固定，基本保持稳定。3、囊状泵通过管与囊状活塞相连。囊状泵、囊状活塞内注入一定体积的水，管内注满水，使得囊状泵排出的水的体积约等于囊状活塞的体积增量，以此将鸭体内腔对囊状泵的做功转换成囊状活塞对下级能量转换机构的做功。当鸭体抬头时，鸭体内腔与中心轴之间的空间逐渐缩小，受到挤压的囊状泵将水通过水管排进囊状活塞，推动下级能量转换机构做功；当鸭体低头时，鸭体内腔与中心轴之间的空间逐渐扩大，给囊状泵留下体积增加的空间，而囊状活塞在下级能量转换机构的重力压迫下逐步减小体积，将水通过水管挤回囊状泵。重复上述过程，本发明装置可以不断地将波浪能转换成下级能量转换装置的输出能量。

采用囊状泵的好处是：1、囊状泵不怕海水。如果鸭体内只有囊状泵，则鸭体内不必密封。2、囊状泵具有很强的容错能力，可以允许鸭体外壳和中心轴产生很大的变形。3、囊状泵完成了往复机械能向液压能转换，后续的能量转换可以在密封舱内进行，管路成为唯一的能量输入渠道，而管路与密封舱之间的密封属于静密封，很容易实现。

总而言之，本发明的优点是：1、能量转换效率高。本发明装置采用具有水下附体的鸭体进行一级能量转换，使其在降低辐射、透射方面具有其他形式的装置不可比拟的优越性，提高了装置的转换效率。2、容易制造和安装。利用囊作为能量转换的二级机构，增强了装置在安装上的容错能力，鸭体内部不再需要密封腔，加工精度要求大幅下降，降低了鸭式装置内部机构的制造和安装难度。3、可以抗大浪。水下附体、蓄能型系泊系统和囊为本发明装置增加了缓冲环节，提高了大浪中的生存能力。4、易于海上投放。由于水下附体对本发明装置线运动的阻碍，以及本发明装置的蓄能型系泊系统的缓冲作用，降低了对海底锚定的要求，因此，本发明装置施工简单，只要把装置和系泊系统投入大海即可。

本发明是一种新型离岸漂浮式波浪能发电装置，集鸭式波浪能发电装置的高效率、安装方便、强容错能力于一身。不但可以使该波浪能发电装置具有较高的能量转换效率，且易建造易施工，可使装置开发成本大幅降低。本发明装置为开发波浪能发电装置提供了一条简捷之道，该装置的成功应用将有利于高效且低成本的转换海洋波浪能。该发明装置使用范围广，有望成为一种大规模应用的飘浮式波浪能发电装置。

附图说明

图1、图2、图3是现有技术鸭式波浪发电装置结构示意图；

图4是本发明实施例结构示意图。

附图标记说明：1、中心轴，2、鸭体外壳，3、囊状泵，4、囊状活塞，5、管路，6、下级能量转换机构，7、水下附体，8、缆绳，9、潜浮子，10、动沉块，11、漂浮子，12、静沉块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步详细说明：

如图4所示，本实施例装置包括漂浮在水面上的鸭体2，鸭体由头部和尾部组成，鸭体尾部中心轴线位置装有中心轴1，鸭体2可以随波浪的往复绕其中心轴1转动。中心轴在鸭体外壳内的部分为圆缺形截面，其暴露在鸭体外壳外的轴端为圆柱形，直径大于鸭体外壳的中心轴安装开孔；鸭体尾部呈圆弧状；鸭体头部背波部位增大体积；鸭体2下面安装有与中心轴固定连接的水下附体7，水下附体7由面积较大的水平板和垂直板组成。该水下附体7挂于中心轴1轴端上，悬垂于鸭体2之下，中心轴1被水下附体7固定；所述鸭体2内部安装囊状泵3，将往复旋转的鸭体运动能量转换为液压能；囊状泵3为封闭的柔性水囊，安装于中心轴1在鸭体外壳内圆缺形截面所形成的平台上，内注入水，但非完全注满，使囊状泵3留有褶皱，可伸缩。囊状泵3与管路5连接。管路5从中心轴1的轴端穿出，连接囊状活塞4。囊状活塞4位于水下附体上，其上端装有下级能量转换机构6，囊状活塞4可推动下级能量转换机构6做功。能量转换机构6可以采用现有技术，如液压缸驱动的曲柄连杆机构或液压马达等。水下附体7通过缆绳8、潜浮子9、动沉块10、漂浮子11和静沉块12系泊，装置整体完全漂浮于海洋之中。

本发明装置工作原理与工作过程是这样的：(1)来波时，波浪推动鸭体外壳2绕中心轴1向上旋转，将波浪能转换为鸭体外壳的往复机械动能。(2)鸭体外壳2绕中心轴1向上旋转时，鸭体外壳2与中心轴1间的体积按设计规律变小，安装于其间的囊状泵3受到挤压。(3)受挤压的囊状泵3通过管路5向囊状活塞4排水，使囊状活塞4向上膨胀，推动下级能量转换机构6做功。将鸭体动能转换为其他形式的能量。(4)受波浪力驱动，鸭体外壳在向上(顺时针)转动的同时，出现向上、向右的线运动，通过中心轴1带动水下附体7产生顺时针转动和向上、向右的平动，水下附体7的水平板产生阻力，阻碍中心轴1产生顺时针转动和向上、向右的平动，增大鸭体外壳2相对中心轴1的转动，并避免装置平动的造波。(5)水下附体的运动通过缆绳拉动潜浮子9、动沉块10、漂浮子11向右运动。动沉块的重力仅略大于潜浮子的浮力，故稍微拉动，便向右侧滑动，使漂浮子11略下沉，由此产生的浮力使动沉块离开海底。潜浮子9、动沉块10、漂浮子11形成限制装置水平运动的恢复力，作用相当于弹簧。(6)波浪退去时，鸭体外壳2绕中心轴1向下旋转，鸭体外壳2与中心轴1间的体积按设计规律变大，囊状泵3受压减小，下级能量转换机构6的重力压迫囊状活塞4将其内的水压回囊状泵3，为下一次波浪做功作准备。(7)作用在装置上向右的波浪力消失，装置在上述潜浮子9、动沉块10、漂浮子11形成水平恢复力作用下回到平衡位置。

Claims (7)

1.一种强容错、高效漂浮式波浪能利用装置，包括漂浮在水面上的鸭体；鸭体由鸭体外壳和中心轴组成；鸭体外壳在波浪的作用下绕中心轴转动，将波浪能转换为往复机械能；鸭体外壳截面形状类似鸭蛋形状，其大头称为鸭尾，小头称为鸭头，其特征在于：鸭尾呈圆弧状，中心轴的轴心处于圆弧中心；鸭头背波部位体积较大；鸭体下面安装有与中心轴固定连接的水下附体，该水下附体挂于中心轴上，悬垂于鸭体之下，中心轴被水下附体固定；所述鸭体内部安装囊状泵作为能量转换机构，所述囊状泵为封闭的柔性水囊，囊状泵内注入液体并留有褶皱、可伸缩，固定在鸭体内的中心轴上，有一水管将囊状泵与另一柔性水囊——囊状活塞连接；囊状活塞的上端连接下一级能量转换机构；所述囊状泵和囊状活塞内非完全注满液体；水下附体通过蓄能型系泊系统与海底连接，装置整体完全漂浮于海洋之中。

2.权利要求1所述的强容错、高效漂浮式波浪能利用装置，其特征在于：所述水下附体由面积较大的水平板和垂直板组成，且下挂在装置中心轴上的水下附体沉于水下。

3.权利要求1所述的强容错、高效漂浮式波浪能利用装置，其特征在于：所述蓄能型系泊系统是松弛的。

4.权利要求1或3所述的强容错、高效漂浮式波浪能利用装置，其特征在于：所述蓄能型系泊系统由潜浮子、漂浮子、动沉块、静沉块组成，所述蓄能型系泊系统的动沉块略重于潜浮子浮力，只有在系泊力、潜浮子浮力以及漂浮子浮力共同作用下才能离开地面。

5.权利要求4所述的强容错、高效漂浮式波浪能利用装置，其特征在于：所述蓄能型系泊系统的动沉块在系泊力消失时回到原来位置。

6.权利要求1所述的强容错、高效漂浮式波浪能利用装置，其特征在于：所述囊状泵、囊状活塞内注的液体为水。

7.权利要求1或6所述的强容错、高效漂浮式波浪能利用装置，其特征在于：所述囊状泵和囊状活塞为柔性体，其受压时只能将其内部液体从一端推向另一端，而自身材料在薄膜平面内不能像气球材料一样伸张。

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