CN102434368A - 一种波力发电的宽频带波能捕获装置和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波力发电的宽频带波能捕获装置和设计方法，包括：设置在水下宽大的水口，水口通过外水道与安装有水轮机转子的整流罩的上部连接，整流罩的底部通过内水道与水箱的底部连接，水箱与内水道相连的水箱底部较小，水箱上部较大，水箱底部和水箱上部平滑过渡连接，形成喇叭形，水箱的上口是敞开的。本发明采用的喇叭形的水箱，通过喇叭形水箱的变截面改变获取不同的固有周期，使得装置在外波浪激励下具有一个变化的固有周期范围，与波浪的周期范围相接近，最大限度的获取波浪中的能量。波能捕获装置的研制成功对波浪能的开发和利用具有重要的意义。

Description

一种波力发电的宽频带波能捕获装置和设计方法

技术领域

本发明涉及一种波力发电的宽频带波能捕获装置和设计方法，是一种可再生能源技术，是一种通过宽频带共振原理研究出的具有自动适应波浪频率变化范围的波能捕获单元装置和设计方法。

背景技术

关于波浪能转换的各种专利已超过1500项。波浪能装置千变万化，对波能采集系统来说，其作用是捕获波浪能，形式有振荡水柱式（OWC）、振荡浮子式（Buoy）、摆式(Pendulum)、鸭式(Duck)、筏式(Raft)、收缩坡道式(Tapchan)、蚌式(Clam)等，其中除了收缩坡道式与波浪的频率无关外，其他形式的波能采集系统的波能转化效率均与波浪的运动频率相关，只有装置的固有频率与波浪运动频率大致相等，即共振时，波能捕获效率才能最大化。绝大部分的波能采集装置没有自适应变化固有频率的能力，即使少部分波能捕获装置具有自适应改变自身固有频率的能力，也存在装置结构过于复杂，实际中根本无法正常工作。

传统的点吸收式波能捕获装置，只有装置的固有频率与波浪的主频率相近时，即发生共振时，波能捕获效率最高。此时存在两个问题，一是按共振理论设计的波能捕获装置过于庞大，如振荡浮子式的浮子直径要达到5m，重量要达到几十吨或更大；摆式则更大，如SEAREV的摆重达1000吨。即使这样，由于海上的波浪能量是由多个不同频率的能量组成的，而装置只有一个固有频率，所以很难发生共振，因此引申出第二个问题。二是为了使海浪的激励与装置在相位上一致，必须采用相应的控制算法，由此使得系统过于复杂，增加了系统工作的复杂度。

波浪能包括各种频率的能量，其能量频带是一个频率区间，相应地装置的固有频率是一个点，所以只有装置的固有频率与波浪的主频率相等时，装置才有较高的波浪能捕获效率，即使如此，装置也只是捕获了装置固有频率附近很窄范围的能量。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种波力发电的宽频带波能捕获装置和设计方法，所述的装置基于双击式水轮机的波能捕获系统，能够捕获波浪中大部分频率范围内的能量。所述的设计方法通过改变水箱的参数，有效的捕获波浪中的波能。

本发明的目的是这样实现的：一种波力发电的宽频带波能捕获装置，包括：设置在水下宽大的水口，所述的水口通过外水道与安装有水轮机转子的整流罩的上部连接，所述的整流罩的底部通过内水道与水箱的底部连接，所述的水箱与内水道相连的水箱底部较小，水箱上部较大，所述的水箱底部和水箱上部平滑过渡连接，形成喇叭形，水箱的上口是敞开的。

一种上述波能捕获装置的设计方法，所述方法的步骤如下：

确定启动力矩的步骤：用于依据波能捕获装置的机械动力性能设定波能捕获装置的启动力矩为M₀； 

确定周期范围的步骤：用于根据海浪谱确定波能捕获装置的固有角频率范围ω₁~ω₂，其中ω₁为固有角频率下限，ω₂为固有角频率上限，其中，固有周期下限T₁=2π/ω₂，固有周期上限T₂=2π/ω₁；

确定淹没深度的步骤：用于依据波能捕获装置的尺寸和波能捕获装置的平均固有周期确定波能捕获装置淹没于水下的深度；

暂定转子尺寸的步骤：用于初步设定或依据“判断T_1计是否等于T₁的步骤”的调整，确定一个转子暂定尺寸；

计算试算固有周期下限的步骤：用于依据转子暂定尺寸，按照波能捕获装置周期的计算方法计算出水箱最低水位时的试算固有周期下限T_1计； 

判断T_1计是否等于T₁的步骤：用于判断试算固有周期下限T_1计是否等于固有周期下限T₁，如果大于T₁则减小转子尺寸，并回到“暂定转子尺寸的步骤”；如果小于T₁则增大转子尺寸，并回到“暂定转子尺寸的步骤”，如果等于T₁则进入下一步骤；

估计水箱中波高的步骤：用于依据外部波浪设计波高估计水箱中的波高；

暂定水箱后箱板倾角的步骤：用于依据水箱中的波高或依据“判断T_2计是否等于T₂的步骤”调整的结果，设定一个后箱板与前箱板之间的试算倾角；

计算试算固有周期上限的步骤：用于依据试算倾角计算试算固有周期上限T_2计；

判断T_2计是否等于T₂的步骤：用于判断试算固有周期上限T_2计是否等于固有周期上限T₂，如果大于T₂，则减小后箱板倾角并回到“暂定水箱后箱板倾角的步骤”，如果小于T₂则增大后箱板倾角并回到“暂定水箱后箱板倾角的步骤”，如果等于T₂则进入下一步骤；

完成设计的步骤：用于依据转子尺寸和后箱板倾角完成波能捕获装置其他尺寸设计。

本发明产生的有益效果是：本发明采用的喇叭形的水箱，通过喇叭形水箱的变截面改变获取不同的固有周期，使得装置在外波浪激励下具有一个变化的固有周期范围，与波浪的周期范围相接近，最大限度的获取波浪中的能量。本发明所提供的设计方法将海浪谱作为重要的设计依据，以此确定波能捕获装置的固有周期范围，并以此最终确定整个波能捕获装置的各个参数。波能捕获装置的研制成功对波浪能的开发和利用具有重要的意义。

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是本发明的实施例一所述装置的结构示意图；

图2是某一特定地区的海浪谱；

图3是本发明的实施例五所述方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种波力发电的宽频带波能捕获装置，如图1所示。本实施例包括：设置在水下宽大的水口1，所述的水口通过外水道2与安装有水轮机转子4的整流罩3的上部301连接，所述的整流罩的底部302通过内水道5与水箱6的底部601连接，所述的水箱与内水道相连的水箱底部较小，水箱上部602较大，所述的水箱底部和水箱上部平滑过渡连接，形成喇叭形，水箱的上口是敞开的。

本实施例所述的水轮机转子为圆筒形，转子的回转轴与波浪前进的方向垂直。由于波浪从不同的流道进出水轮机，产生相同方向的推力，推动水轮机转速，这就是双击式水轮机。

本实施例通过设计双击式水轮机的进出流道，水轮机和它的进出流道一起组成了一个封闭式的水体（见图1），这个水体在波浪力的激励下产生振荡，振荡水体能够推动水轮机转子实现单向旋转，振荡水体能够周期性的改变所述波能捕获装置所包含水体的质量和刚度，从而改变所述波能捕获装置的固有周期，这样就使得所述波能捕获装置的固有周期是一个区间，在所述波能捕获装置的固有周期范围内，所述波能捕获装置具有高效捕获这一频段波浪能量的能力，解决了波浪能分布在很宽的频率范围内和传统点吸收波能捕获装置只在很小的频率范围内具有高效率这一矛盾。在设计所述波能捕获装置时，应当保证波能捕获装置的固有周期区间与波浪主要能量周期区间一致即可。本波能捕获装置的另一个优点是波能捕获装置尺寸不大，转子直径只有1m—2m之间，便于安装和维修。这一波能捕获装置目前已经在实验室取得成功，并且实海况原型样机也已经设计完成，初步设计涵盖的波浪周期范围为4.5s-7.0s，基本涵盖了我国海洋波浪能量谱组成的高能量范围。

本实施例所述的喇叭形水箱的截面形状，可以是圆形的，或者椭圆形，或者是矩形的，或者是其他喇叭形状。关键在于水箱从下往上是变截面的，其截面从下往上不断增大的一种结构形状。这种不断增大的变截面形状，对波能捕获装置的固有周期产生了重要的影响。

为使水箱制造方便，可以将水箱截面制作为矩形。矩形的三个侧面是与水平面垂直的面，只有一个侧面与水平面是倾斜的，这样简单的结构也可以实现变截面。只要改变倾斜侧面与水平面之间的夹角，就可以十分容易的改变装置整个波能捕获装置的固有周期的范围。图1中所标明的θ角是倾斜侧面与水平面之间夹角的余角。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于水箱的细化。本实施例所述的水箱的水平截面是圆形、椭圆形、矩形中的一种。

水箱的截面形状，除了圆形、椭圆形、矩形之外，还可以是其他形状的，例如：四角是较大圆角的矩形，或者是超椭圆等等。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于水箱的细化。本实施例所述水箱的水平截面为矩形，所述水箱靠近水轮机转子并与水轮机转子回转轴平行的前箱板与水平面垂直，所述的前箱板与水轮机转子回转轴垂直的左、右侧箱板连接，所述的左、右侧箱板与水平面垂直，所述的左、右侧箱板与后箱板连接，所述的后箱板与左右侧箱板垂直，所述的后箱板与前箱板成一定倾角，图1中的θ角。

本实施例最大的特点在于便于制造，成本低廉。因为要制造一个截面为圆形的变截面的喇叭形状，费用会很高，完全不值得。其他截面形状的水箱都不如矩形水箱成本低廉。而矩形水箱形成喇叭形十分方便，只要一个侧面是倾斜的就可以了。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于倾角的细化。本实施例4所述的后箱板与前箱板之间的倾角为0 ~ 52度。

下表列出了后箱板不同倾斜角度时，波能捕获装置的固有周期

当后箱板的倾斜角度是42°时，波能捕获装置被波浪激励后，水箱内的水体振荡，当水体振荡到波谷时，波能捕获装置的固有周期为2.43s（见表格与42度对应的第二栏），当波能捕获装置中的水体振荡到波峰时，波能捕获装置的固有周期为3.73s（见表格与42度对应的第三栏）。也就是波能捕获装置能够捕获海浪谱密度范围内周期为2.43-3.73s的能量（周期是频率的倒数）。因此，如果实际海浪谱的主要能量密度范围区间确定后，以实际海浪谱为依据设计波能捕获装置，使得波能捕获装置的固有周期区间与海浪谱的周期区间相对应。

实施例五：

本实施例是一种上述实施例所述波能捕获装置的设计方法。图2为某一区域的海浪谱。海浪谱表明海浪的能量是由不同周期、不同波高和不同方向的谐波构成的。

为使波能捕获装置的水轮机转子转动，需要一定的启动力矩，假设启动力矩为M ₀，那么波浪某个周期的谐波作用在转子上的力矩同波高成正比，也就是波高越大则力矩越大，假设波高为H₀时的力矩为M ₀，则所有波高大于H ₀的谐波都能够驱动转子，也就是能发电。对应图2，横向在启动力矩对应的波高上画一条直线，则与海浪谱，比如Jonswap谱交与两点，角频率分别为ω₁和ω₂，则波能捕获装置能够捕获频率区间[ω₁,ω₂]的波能。根据区间[ω₁,ω₂]来设计波能捕获装置的大小。

所述方法的具体步骤如下，流程图见图3所示：

确定启动力矩的步骤：用于依据波能捕获装置的机械动力性能设定波能捕获装置的启动力矩为M₀。波浪由各种不同的波高、频率的谐波构成，波高小到一定程度，则不能推动转子旋转，所以要求一定的波高，也就是一定波高以上的谐波的能量才能被波能捕获装置吸收，推动转子并带动发电机发电。波能捕获装置的机械传动系统制造水平高，机械动力性能好，则启动力矩很小，较小的波高，就可以推动转子转动。例如使用磁悬浮轴承的波能捕获装置，很小的波高就可以发电。而使用传统的轴承的波能捕获装置，由于摩擦阻力较大，机械动力性能相对较差，需要较大的波高，才能推动转子发电。波能捕获装置制造出来后，其机械动力性能就确定了，能够测量出它的启动力矩。

确定周期范围的步骤：用于根据海浪谱确定波能捕获装置的固有频率范围ω₁~ω₂，其中ω₁为固有频率下限，ω₂为固有频率上限，其中，固有周期下限T₁=2π/ω₂，固有周期上限T₂=2π/ω₁。如图2所示的海浪谱中，竖直的纵轴代表能量密度的大小，而能量密度与波高成正比，波高与波浪作用在波能捕获装置上的力矩成正比，所以纵轴近似的可以认为是波高与波浪作用在波能捕获装置上的力矩；水平的横轴代表波浪频率。依据给定波能捕获装置的启动力矩，在对应的纵轴上划出一条与横轴平行的直线，与波能曲线相交的两个点，如图2所示，即为ω₁和ω₂，进而可以确定周期范围[T₁，T₂]。

确定淹没深度的步骤：用于依据波能捕获装置的尺寸和波能捕获装置的平均固有周期确定波能捕获装置淹没于水下的深度。一般是平衡水位刚淹没转子，过深或太浅都会降低捕获波能的效率。波浪周期会根据季节发生变化，而波能捕获装置一旦制造成型，其固有周期范围就确定了。为适应波浪周期的变化，可以适当的调节淹没深度，以获得最高效率的波能捕获。

暂定转子尺寸的步骤：用于初步设定或依据“判断T _1计是否等于T ₁的步骤”的调整，确定一个转子暂定尺寸。转子的尺寸中最重要的是转子的直径，如何确定转子直径十分重要。但为确定波能捕获装置的固有周期范围，转子的直径必须不断的调整才能达到满意的效果，因此，在波能捕获装置的设计过程中先初步定一个转子的直径，然后再根据后面的计算不断调整，最终达到基本符合海浪频谱的效果。

计算试算固有周期下限的步骤：用于依据转子暂定尺寸，按照波能捕获装置周期的计算方法计算出水箱最低水位时的试算固有周期下限T _1计。

判断T_1计是否等于T₁的步骤：用于判断试算固有周期下限T_1计是否等于固有周期下限T₁，如果大于T₁则减小转子尺寸，并回到“暂定转子尺寸的步骤”；如果小于T₁则增大转子尺寸，并回到“暂定转子尺寸的步骤”，如果等于T₁则进入下一步骤。

估计水箱中波高的步骤：用于依据外部波浪设计波高估计水箱中的波高。虽然波浪进入波能捕获装置的水道会一些损失，但基本上可以达到与外部相同的高度，因此，可以直接使用外部波高确定水箱内的波高，即水箱内的波高等于水箱外的波高。

暂定水箱后箱板倾角的步骤：用于依据水箱中的波高或依据“判断T_2计是否等于T₂的步骤”调整的结果，设定一个后箱板与前箱板之间的试算倾角。

计算试算固有周期上限的步骤：用于依据试算倾角计算试算固有周期上限T_2计。

判断T_2计是否等于T₂的步骤：用于判断试算固有周期上限T_2计是否等于固有周期上限T₂，如果大于T₂，则减小后箱板倾角并回到“暂定水箱后箱板倾角的步骤”，如果小于T₂则增大后箱板倾角并回到“暂定水箱后箱板倾角的步骤”，如果等于T₂则进入下一步骤。

完成设计的步骤：用于依据转子尺寸和后箱板倾角完成波能捕获装置其他尺寸设计。 

设计实例：

实例所使用的装置结构如图1所示。为方便起见，在计算过程中，将水箱中的波浪假设为正弦波，则水箱中的最高水位803和最低水位801之间的中点，认为是平衡水位802。这样的假设在实际设计中基本符合实际情况。

1、给出有效波高为1.5m的海浪谱，确定波能捕获范围的周期为[4.51s,6.92s]；

2、确定淹没水深，图1中的平衡水位，淹没水深可以调整，但要淹没转子，淹没深度只是影响频带范围的移动。

3、试算计算出低水位时，当固有周期等于4.51s时，转子直径为1.25m。

4、估算出模型水箱的波高为1.5m，当水箱水位处于高水位时，通过改变水箱的后倾角来改变模型的固有周期，调整后倾角为42度时，模型的固有周期等于6.92s。设计完成。

不同季节可能海浪谱要有变化，通过调整淹没水深可以改变装置的固有周期范围，其规律是淹没变深时，则固有周期范围向右侧移动，即是最低固有周期和最高固有周期都变大。

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（比如变截面水箱的形状、设计步骤的前后顺序等）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 (5)

1.一种波力发电的宽频带波能捕获装置，包括：设置在水下宽大的水口，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，所述的水箱与内水道相连的水箱底部较小，水箱上部较大，所述的水箱底部和水箱上部平滑过渡连接，形成喇叭形，水箱的上口是敞开的。

2.根据权利要求1所述的波能捕获装置，其特征在于，所述的水箱的水平截面是圆形、椭圆形、矩形中的一种。

3.根据权利要求2所述的波能捕获装置，其特征在于，所述水箱的水平截面为矩形，所述水箱靠近水轮机转子并与水轮机转子回转轴平行的前箱板与水平面垂直，所述的前箱板与水轮机转子回转轴垂直的左、右侧箱板连接，所述的左、右侧箱板与水平面垂直，所述的左、右侧箱板与后箱板连接，所述的后箱板与左右侧箱板垂直，所述的后箱板与前箱板成一定倾角。

4.根据权利要求3所述的波能捕获装置，其特征在于，所述的后箱板与前箱板之间的倾角为0 ~ 52度。

5.一种权利要求3所述波能捕获装置的设计方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

确定启动力矩的步骤：用于依据波能捕获装置的机械动力性能设定波能捕获装置的启动力矩为M₀； 

确定周期范围的步骤：用于根据海浪谱确定波能捕获装置的固有角频率范围ω₁~ω₂，其中ω₁为固有角频率下限，ω₂为固有角频率上限，其中，固有周期下限T₁=2π/ω₂，固有周期上限T₂=2π/ω₁；

确定淹没深度的步骤：用于依据波能捕获装置的尺寸和波能捕获装置的平均固有周期确定波能捕获装置淹没于水下的深度；

暂定转子尺寸的步骤：用于初步设定或依据“判断T_1计是否等于T₁的步骤”的调整，确定一个转子暂定尺寸；

计算试算固有周期下限的步骤：用于依据转子暂定尺寸，按照波能捕获装置周期的计算方法计算出水箱最低水位时的试算固有周期限T_1计； 

判断T_1计是否等于T₁的步骤：用于判断试算固有周期下限T_1计是否等于固有周期下限T₁，如果大于T₁则减小转子尺寸，并回到“暂定转子尺寸的步骤”；如果小于T₁则增大转子尺寸，并回到“暂定转子尺寸的步骤”，如果等于T₁则进入下一步骤；

估计水箱中波高的步骤：用于依据外部波浪设计波高估计水箱中的波高；

暂定水箱后箱板倾角的步骤：用于依据水箱中的波高或依据“判断T_2计是否等于T₂的步骤”调整的结果，设定一个后箱板与前箱板之间的试算倾角；

计算试算固有周期上限的步骤：用于依据试算倾角计算试算固有周期上限T_2计；

判断T_2计是否等于T₂的步骤：用于判断试算固有周期上限T_2计是否等于固有周期上限T₂，如果大于T₂，则减小后箱板倾角并回到“暂定水箱后箱板倾角的步骤”，如果小于T₂则增大后箱板倾角并回到“暂定水箱后箱板倾角的步骤”，如果等于T₂则进入下一步骤；

完成设计的步骤：用于依据转子尺寸和后箱板倾角完成波能捕获装置其他尺寸设计。

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