CN102108933A - 一种参数共振的近岸波能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种参数共振的近岸波能发电系统，包括：在最低潮位的岸边水下设立宽大的水口，水口通过外水道与安装有水轮机转子的整流罩的底部连接，整流罩的上部通过内水道截面为矩形的水箱的底部连接，水箱的上部设有与水箱截面同为矩形的压缩气室，压缩气室与水箱之间安装有空气阀；水箱中安装有水位传感器，水位传感器与空气阀控制器电连接，空气阀控制器与空气阀电连接。本发明所述参数共振系统比常规共振的振幅增大一倍，可以有效的捕捉波浪能。整个波浪发电装置的设计更易于把握，并特别适用于波浪这种频率和振幅不断变化的自然能量。在外部激励振幅大幅度增大的情况下，水箱水位振幅只是小幅度的增加，所述系统具有抵抗外部大浪能力。

Description

一种参数共振的近岸波能发电系统

技术领域

本发明涉及一种参数共振的近岸波能发电系统，是一种新能源，是一种用参数共振的方式提高波能捕捉效率的方法和系统，是一种利用波浪发电的方法和系统。 

背景技术

关于波浪能转换的各种专利超过1500件，波浪能装置千变万化，但通常具有两个部分，一部分为采集系统，作用是捕获波浪能，另一部分为转换系统，将捕获的波浪能转换为特定形式的机械能或电能。现有的波浪能装置的共同缺点是捕获波浪能力的效率较低，虽然有一些效率较高的波浪能装置，但都过于复杂，并且在波浪不断的冲击下容易损坏。如何低成本的提高捕捉波浪能的效率，并且有效的防止波浪的冲击破坏，是波浪能装置所面临的共同课题。 

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种参数共振的近岸波能发电方法及系统，所述的系统建立在近岸的水下，避免了波浪的直接冲击。为提高捕捉效率，所述的系统设置了参数共振装置。所述的参数共振装置利用固有频率的扰动方法放大了共振，有效的提高了捕捉波浪能的效率。

本发明的目的是这样实现的：一种参数共振的近岸波能发电系统，包括：在最低潮位的岸边水下设立宽大的水口，所述的水口通过外水道与安装有水轮机转子的整流罩的底部连接，所述的整流罩的上部通过内水道与水箱的底部连接，所述水箱的上部设有与水箱截面相同的压缩气室，所述的压缩气室与所述的水箱之间安装有空气阀；所述的水箱中安装有水位传感器，所述的水位传感器与空气阀控制器电连接，所述的空气阀控制器与空气阀电连接。

 一种使用上述系统的参数共振的近岸波能发电方法，所述方法描述的是一个浪涌周期，即从浪涌的中间点到浪涌的最高点，再经过浪涌的中间点，进入浪涌的最低点，再回到浪涌的中间点这样一个周期；所述方法的步骤如下：

浪涌从中间点开始从水口通过外水道从底部涌入整流罩，形成进流旋流冲击水轮机转子，使水轮机转子转动，水轮机转子带动发电机发电；

浪涌冲击水轮机后通过整流罩上部的出口进入内水道，沿内水道进入水箱，水箱中的水位传感器将水位信号传至空气阀控制器，空气阀控制器根据上一个浪涌周期的中间点水位，确认本次浪涌周期的中间点水位；

空气阀控制器确认中间点水位后打开空气阀，水箱中的空气通过空气阀进入压缩气室，水箱上部和压缩气室中的空气压力逐渐大于大气压，干扰了水流入水箱；

浪涌继续使水涌入水箱，水箱中的空气继续进入压缩气室，当水箱的水位达到最高点，空气阀控制器根据水位传感器水位数值记录水位最高点，并关闭空气阀；

浪涌回落，水箱中的水通过内水道流向整流罩形成回流旋流，回流旋流以进流旋流相同的旋流方向冲击水轮机转子，水轮机转子带动发电机发电，水箱中的空气由于水流走逐渐变得稀薄，低于大气压，干扰了水流走；

浪涌继续回落，水箱中的水位到达上次浪涌周期的中间点，空气阀控制器确认已经到达上次浪涌周期的中间点，打开空气阀，压缩气室中的有压气流迅速进入水箱，平衡了水箱中的空气，促使水流快速的出水箱；

浪涌继续回落，水箱中的水位到达到最低点，空气阀控制器根据水位传感器水位数值记录水位最低点，并与本次浪涌的最高点进行比较，计算出本次浪涌的中间点，同时关闭空气阀；

浪涌涨起，水流经外水道冲击水轮机转子，并涌入水箱，水箱中的空气开始压缩，由于水箱中的压力逐渐加大，对流入的水干扰逐渐变大；

浪涌升高至本次浪涌已计算得到的中间点，空气阀控制器确认中间点后打开空气阀，水箱中的压缩空气进入压缩气室中，促使水流快速进入水箱，回到第一步骤，开始又一个浪涌周期。

本发明产生的有益效果是：本发明通过设置压缩气室和水位传感器，以及空气阀和空气阀控制器的方式形成参数共振系统，有数据表明这个系统在参数扰动的情况下比常规共振的振幅增大一倍，可以有效的捕捉波浪能。参数共振的振幅大小取决于系统的参数设计，使整个波浪发电装置的设计更易于把握。参数共振对外部激励频率的变化有一定范围的适应性，这个特性特别适用于波浪这种频率和振幅不断变化的自然能量。实验表明本发明所述系统在外部激励振幅大幅度增大的情况下，水箱水位振幅只是小幅度的增加，以此本发明所述系统具有抵抗外部大浪的能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一所述系统的示意图；

图2是本发明实施例五所述带有安全阀的系统的示意图；

图3是本发明的实施例六所述方法参数扰动示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种参数共振的近岸波能发电系统，如图1所述。本实施例包括：在最低潮位的岸边水下设立宽大的水口1，所述的水口通过外水道10与安装有水轮机转子9的整流罩2的底部连接，所述的整流罩的上部通过内水道8与水箱7的底部连接，所述水箱的上部设有与水箱截面相同的压缩气室4，所述的压缩气室与所述的水箱之间安装有空气阀3，所述的水箱中安装有水位传感6，所述的水位传感器与空气阀控制器5电连接，所述的空气阀控制器与空气阀电连接。

水箱中的水柱在重力和水箱上部压缩空气双重作用下，其运动特征是有阻尼简谐振荡，当系统的固有频率和波浪的自然频率接近时，水柱产生共振，水柱的振幅线性增加，直到阻尼损失达到一定值时，振幅达到最大值。很多波浪能发电装置都是根据这一现象设计的。然而，研究发现，水柱的振荡与几个参数密切相关，这几个参数主要是，水体的质量和系统的弹性。当这几个参数中的一个做微幅周期性扰动时，水柱的振幅会成指数级增长，这种现象称之为参数共振。从古典力学知识可以知道，参数共振的能量传输效率远远高于一般的共振，所以在水室的上部设置一个空气阀，当水柱位于最高点和最低点时，空气阀关闭，当水柱位于中间位置时，空气阀打开，这样就形成了阻尼参数的周期性扰动，同波浪激励一起形成了参数共振现象。以达到最大限度吸收波浪能的目的。

本实施例所述的系统关键在于参数共振。改变系统的参数可以引起参数共振。系统参数中系统的固有频率是关键，而系统的固有频率与系统的大小，体积等等有许多的联系。如何改变系统的固有频率面临着许多的困难，需要选择的因素很多，当然也有许多种方式。本实施例采用改变水箱上部气室体积的方式，适时的增大或减小水箱中容纳空气部分的体积，以此改变系统的固有频率，并把握改变水箱体积的时机，实现参数共振，有效捕捉波浪能量。

具体做法是在水箱的上部再增加一个压缩气室，在水箱与压缩气室之间设置空气阀，空气阀打开时相当于水箱增大了容纳空气的体积，减小系统的刚性，空气阀关闭时，相当于水箱缩小了容纳空气的体积，增大系统的刚性。以此来改变系统的固有频率。但仅此改变固有频率还不够，因此本实施例在水箱中设置了水位传感器，水位传感器与空气阀控制器组成一个智能系统对水位进行检测，并根据需要打开或关闭空气阀，通过周期性改变水箱上部空气室体积，从而使气室的弹性呈周期性微扰动，由于整个系统的动力学运动满足马修方程，从而能够达到参数共振的目的，加快了水体振荡的速度，充分捕获波浪能。

本实施例所述的水轮机两侧有水道的设计是一种双击式水轮机转子的进出流道，使得在水流正反冲击水轮机时，转子能够始终按一个方向旋转。同时优化设计水流加速的流道，在加速流道和参数共振的共同作用下提高水流正反两个方向冲击双击式水轮机时的流速，从而提高波浪能的捕获效率。水轮机两侧的水道称为内、外水道。内外水道可以有多种设计，如喇叭曲线形，或其他形式。

由于已有的波浪能发电装置的波能捕获效率不高，所以为了达到一定的发电功率，常常设计的发电装置的尺寸过大，在加大造价的同时，也降低了装置的抗灾害打击能力。本实施例所述的系统由于提高了波浪能的捕获效率，能够减小装置的尺寸，从而增强了抗灾害打击的能力。

双击式水轮机转子封闭在圆柱形整流罩内，向波浪侧有进水流道（外水道），背波浪侧有出水流道（内水道），出水流道后连接立式水箱，水箱上侧有部分空间充满空气，再上侧通过空气阀连接一个空气室，空气室上部还可以设置安全阀。本实施例在外部波浪上下运动的波浪力激励下，保证双击式水轮机转子保持同一个方向转动，同时通过优化双击式水轮机进出口流道的形状和后部水箱尺寸的设计，达到加速冲击水轮机水流速度的目的，从而加大水轮机的输出功率。

本实施例可以采用直接驱动式低水头水轮机，通过整流加速装置的研究，提高水流的速度，并通过对水轮机结构，特别是叶片布置方式的优化设计，提高水轮机的波能捕获效率。

为了维修和安装方便，本实施例可选为岸边布置形式。选用直接驱动型低速永磁同步发电机系统，发电机直接与水轮机轴相连。以往的发电系统均采用了增速齿轮箱将发电机的低速低频变为高速工频，但齿轮箱一方面产生巨大的噪声，同时也降低了波浪能的利用效率，新型的波浪能发电系统采用多极低速永磁同步发电机，通过功率变换电路可以直接并入电网，省去了增速齿轮箱，从而可提高系统的效率，也可降低系统的噪声。

本实施例的发电机设置于干室中，同常规水轮机一样，防漏问题可以解决。同时，在干室中可以方便地进行水轮机转子和发电机系统的维修。

针对海洋中的防腐防污问题，在本实施例的进口处可以采用进水口前加拦污栅，流水道和水轮机转子部分定期刷防腐涂料的方式来解决。

本实施例在压缩气室的上部可以安装有安全阀，当波浪波幅过大时，安全阀完全打开，避免波浪力对装置的破坏。另外，波浪波幅过大时，系统完全淹没在水面以下，可以安全地避开大浪的打击。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一所述外水道和内水道的细化。本实施例所述的外水道是喇叭状曲线收缩形，所述的水口是喇叭状曲线收缩的外水道的扩张口，外水道与整流罩连接的部位是外水道收缩口；所述的内水道是喇叭状曲线收缩形，内水道与整流罩连接的部位是内水道收缩口，内水道与水箱连接的部位是扩张口。

本实施例将内外水道接近整流罩的位置设计为收缩流动，收缩流动可以加速水流的流速，可以提高水流冲击叶轮的动能，同时由于整流罩内部流速高，外部流速低，有利用保护海洋生物。设计的曲线形状应有利用对水轮机叶片的冲击，提供波能输出功率。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二所述整流罩和水轮机转子的细化。本实施例所述的整流罩为回转轴水平并与浪涌方向垂直的圆柱形；所述的水轮机转子为双击式水轮机转子。

本实施例所述的整流罩是一个圆柱形，圆柱形的回转轴水平卧置，回转轴与水流方向垂直，类似于一根横杠拦在水流上。水流从水轮机的外圆周面切线方向，切入冲击水轮机叶片，不论是外水道还是内水道，冲击叶轮的水口均按照统一切线方向设置，这样不论是进出的水流都形成对水轮同方向旋转的冲击，这就是双击式水轮机。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三所述水轮机转子的细化。本实施例所述的水轮机转子的转轴通过联轴器与多级低速永磁同步发电机连接。

本实施例所述的水轮机转子通过联轴节直接与发电机连接，中间不再安装增速器等装置。减少中间环节，可以提供机械效率。现代发电机技术的发展，使低速发电系统已经十分成熟，可以提供效率很高的低速发电装置，而无需任何变速机械装置。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例所述压缩气室的细化，如图2所示。本实施例所述的压缩气室的顶部安装有安全阀11。

安全阀是一个自动打开的阀门，当波浪幅度太大时压缩气室中的压力太大，安全阀自动打开，放出一部分空气，即可以启动缓冲的作用，也可以避免系统被大浪冲击损坏。

实施例六：

是实施例是一种使用上述实施例所述系统的参数共振的近岸波能发电方法。所述方法主要描述的是改变系统参数，形成扰动的过程。所述方法描述的是一个浪涌周期，即从浪涌的中间点到浪涌的最高点，再经过浪涌的中间点，进入浪涌的最低点，再回到浪涌的中间点这样一个周期。波浪的一个浪涌（一个周期）是一个复杂的带有多次谐波波浪，幅度和频率不断变化，是一个随机的连续函数。实践证明，一个浪涌可以近似的看作是一个正弦波，并且可以近似的认为波浪的两个相邻的浪涌的幅度大致相同。波浪不是阶跃函数，两个浪涌之间不可能有太大的变化。本实施例所述方法的步骤如下：

第一步骤：浪涌从中间点开始从水口通过外水道从底部涌入整流罩，形成进流旋流冲击水轮机转子，使水轮机转子转动，水轮机转子带动发电机发电。在下面的步骤中只要有水流经过整流罩，水流就能冲击水轮机叶片，使水轮机的转子转动，为方便起见，不再熬述。

第二步骤：浪涌冲击水轮机后通过整流罩上部的出口进入内水道，沿内水道进入水箱，水箱中的水位传感器将水位信号传至空气阀控制器，空气阀控制器根据上一个浪涌周期的中间点水位，确认本次浪涌周期的中间点水位。由于本实施例是一个不断进行的过程，并且认为两个浪涌之间的大小不会出现阶跃，因此，中间点的确定是根据上一个浪涌（周期）的水柱在水箱中的最高点和最低点折中而确定的。实验证明这样确定的中间点虽然不够精确，但已完全合乎要求。

第三步骤：空气阀控制器确认中间点水位后打开空气阀，水箱中的空气通过空气阀进入压缩气室，水箱上部的空气弹簧刚性变小，对水流起加速作用，能够增大水流振荡的振幅。

第四步骤：浪涌继续使水涌入水箱，水箱中的空气继续进入压缩气室，当水箱的水位达到最高点，空气阀控制器根据水位传感器水位数值记录水位最高点，并关闭空气阀。关闭空气阀后使得水箱上部的空气弹簧的刚度增加，阻止水位进一步的增加，为水流向下运动做准备。本步骤记录水位最高点十分重要，因为这个最高点，将是计算下一浪涌的中间点的重要依据。空气阀的关闭使水箱中水柱上部的空气容量大幅度减少，形成对水流的干扰，也就是系统的固有频率发生了变化。

第五步骤：浪涌回落，水箱中的水通过内水道流向整流罩形成回流旋流，回流旋流以进流旋流相同的旋流方向冲击水轮机转子，水轮机转子带动发电机发电，水箱中的空气由于水流走逐渐变得稀薄，低于大气压，干扰了水流流动。由于这时空气阀是关闭的，逐渐稀薄的是水箱上部的空气，不包括压缩气室中的空气，因此对流出水流的干扰较大。本步骤中浪涌回落，由于水流是以进流旋流相同的切线方向冲击水轮机转子，产生的旋流与进流旋流的方向相同，因此，水轮机以相同的方向旋转，这种旋转方式完全符合发电机的发电要求。

第六步骤：浪涌继续回落，水箱中的水位到达上次浪涌周期的中间点，空气阀控制器确认已经到达上次浪涌周期的中间点，打开空气阀，压缩气室中的有压气流迅速进入水箱，平衡了水箱中的空气，促使水流快速的出水箱。本步骤中的中间点的确定是按照上一个浪涌而确定的，依据还是浪涌是连续函数。空气阀的打开使水箱水柱上方的空气容积突然增大，空气弹簧的刚性减少，使得水流加速向下运动。

第七步骤：浪涌继续回落，水箱中的水位到达到最低点，空气阀控制器根据水位传感器水位数值记录水位最低点，并与本次浪涌的最高点进行比较，计算出本次浪涌的中间点，当实测水位达到最低水位时，关闭空气阀。如前所述，本步骤中记录浪涌最低点 也十分重要。计算得出的本次浪涌的中间点是下一个浪涌中间点的确定依据。关闭的空气阀使水箱中水柱上部的空气容量大幅度减少，形成对水流的干扰。

第八步骤:浪涌涨起，水流经外水道冲击水轮机转子，并涌入水箱，水箱中的空气开始压缩，由于水箱中的压力逐渐加大，对流入的水干扰逐渐变大。

第九步骤：浪涌升高至本次浪涌已计算得到的中间点，空气阀控制器确认中间点后打开空气阀，水箱中的压缩空气进入压缩气室中，促使水流快速进入水箱，回到第一步骤，开始又一个浪涌周期。

本实施例记录浪涌的最高点和最低点，以及计算中间点的重要性在于开闭空气阀时机的确定，也是能否实现参数共振的关键。本实施例由于使用带有智能计算的空气阀控制器，完全能够达到要求。空气阀的开闭所形成的水箱水柱上方的空气容积的变化，如图3所示。是一个方波13的变化，与近似于正弦波12的浪涌的波动叠加，形成参数扰动，实现参数共振。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如内外水道的形式、水轮机的选择、气室的截面形状等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

Claims (6)

1.一种参数共振的近岸波能发电系统，包括：在最低潮位的岸边水下设立宽大的水口，所述的水口通过外水道与安装有水轮机转子的整流罩的底部连接，所述的整流罩的上部通过内水道与水箱的底部连接，其特征在于，所述水箱的上部设有与水箱截面相同的压缩气室，所述的压缩气室与所述的水箱之间安装有空气阀；所述的水箱中安装有水位传感器，所述的水位传感器与空气阀控制器电连接，所述的空气阀控制器与空气阀电连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的外水道是喇叭状曲线收缩形，所述的水口是喇叭状曲线收缩的外水道的扩张口，外水道与整流罩连接的部位是外水道收缩口；所述的内水道是喇叭状曲线收缩形，内水道与整流罩连接的部位是内水道收缩口，内水道与水箱连接的部位是扩张口。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的整流罩为回转轴水平并与浪涌方向垂直的圆柱形；所述的水轮机转子为双击式水轮机转子。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的水轮机转子的转轴通过联轴器与多级低速永磁同步发电机连接。

5.根据权利要求1-4之一所述的系统，其特征在于，所述的压缩气室的顶部安装有安全阀。

6.一种使用权利要求1所述系统的参数共振的近岸波能发电方法，所述方法描述的是一个浪涌周期，即从浪涌的中间点到浪涌的最高点，再经过浪涌的中间点，进入浪涌的最低点，再回到浪涌的中间点这样一个周期；所述方法的步骤如下：

浪涌从中间点开始从水口通过外水道从底部涌入整流罩，形成进流旋流冲击水轮机转子，使水轮机转子转动，水轮机转子带动发电机发电；

其特征在于：

浪涌冲击水轮机后通过整流罩上部的出口进入内水道，沿内水道进入水箱，水箱中的水位传感器将水位信号传至空气阀控制器，空气阀控制器根据上一个浪涌周期的中间点水位，确认本次浪涌周期的中间点水位；

空气阀控制器确认中间点水位后打开空气阀，水箱中的空气通过空气阀进入压缩气室，水箱上部的空气弹簧刚性变小，对水流起加速作用，能够增大水流振荡的振幅；

浪涌继续使水涌入水箱，水箱中的空气继续进入压缩气室，当水箱的水位达到最高点，空气阀控制器根据水位传感器水位数值记录水位最高点，并关闭空气阀；

浪涌回落，水箱中的水通过内水道流向整流罩形成回流旋流，回流旋流以进流旋流相同的旋流方向冲击水轮机转子，水轮机转子带动发电机发电，水箱中的空气由于水流走逐渐变得稀薄，低于大气压，干扰了水流流动；

浪涌继续回落，水箱中的水位到达上次浪涌周期的中间点，空气阀控制器确认已经到达上次浪涌周期的中间点，打开空气阀，压缩气室中的有压气流迅速进入水箱，平衡了水箱中的空气，促使水流快速的出水箱；

浪涌继续回落，水箱中的水位到达到最低点，空气阀控制器根据水位传感器水位数值记录水位最低点，并与本次浪涌的最高点进行比较，计算出本次浪涌的中间点，当实测水位达到最低水位时，关闭空气阀；

浪涌涨起，水流经外水道冲击水轮机转子，并涌入水箱，水箱中的空气开始压缩，由于水箱中的压力逐渐加大，对流入的水干扰逐渐变大；

浪涌升高至本次浪涌已计算得到的中间点，空气阀控制器确认中间点后打开空气阀，水箱中的压缩空气进入压缩气室中，促使水流快速进入水箱，回到第一步骤，开始又一个浪涌周期。

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