CN102661231B - 一种具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其包括鹰头型吸波浮体、船型水下附体和门型支撑臂，鹰头型吸波浮体与门型支撑臂的上端固定连接，门型支撑臂的下端与第一铰链连接，第一铰链通过底座与船型水下附体固定连接，门型支撑臂连同鹰头型吸波浮体可绕第一铰链旋转运动，船型水下附体的两端安装有L型水下附体，L型水下附体通过第二铰链与船型水下附体连接，L型水下附体可绕第二铰链旋转，船型水下附体的正上方和鹰头型吸波浮体的下方安装有主浮体，船型水下附体设有浮力舱和设备舱，船型水下附体甲板上端两侧中间部位设有浮力调节舱。采用本发明有利于降低投放和维护成本；有利于提高抗台风能力，提高工作寿命。

Description

一种具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及波浪能发电领域，尤其涉及的是一种具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置。
背景技术
海洋中蕴藏着丰富的波浪能资源，如何低成本、高效地开发利用波浪能是全球各国海洋波浪能研究者所面临的课题。目前全球波浪能技术均还处于研究阶段，有多种多样的波浪能发电装置正在进行实验室研究或实海况试验。目前阻碍波浪能装置规模化应用的技术问题诸多：1、能量转换效率低，波能转换是一级、二级、三级转换的串联系统，任何一级效率不高，都将导致转换效率低。例如：振荡水柱的空气透平因工况变化剧烈而导致效率低下；点吸收波能装置中的直线电机因低速下无法提供浮子所需的最佳负荷而效率低下。2、波能具有很强的随机性。许多装置无法适应这种功率的剧烈变化，降低了波浪能俘获能力和转换效率，同时还造成输出的不稳定。3、建造成本高。波浪能装置重量和尺寸比较大，建造用材料量大、人工多。另外，海洋波浪能装置一般在陆地上建造，然后投放到工作海域。通常，建造地距装置工作海域比较远，需要采用浮吊、运输船、半潜驳等工程船运输和投放，施工费用昂贵。目前只有少部分装置适合采用拖轮长距离直接拖行。4、装置投放后难以维修，造成维护困难。波浪能装置运行过程中总要面临维护和维修问题。处于风浪较大海域的波浪能装置很难实现实海况条件下的维修或维护，因此装置的维修和维护需要回厂或回港进行。但回厂或回港所需要的装置回收，比装置投放难度更大。如何简单地实现地实现装置的投放、回收是保证装置能够长期运行的前提条件之一。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，旨在解决现有的波浪能装置效率低、建造与维护成本高和投放后难以回厂维护或维修的问题。
本发明的技术方案如下：
一种具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其包括鹰头型吸波浮体、船型水下附体和门型支撑臂，鹰头型吸波浮体与门型支撑臂的上端固定连接，门型支撑臂的下端与第一铰链连接，第一铰链通过底座与船型水下附体固定连接，门型支撑臂连同鹰头型吸波浮体可绕第一铰链旋转运动，船型水下附体的两端安装有L型水下附体，L型水下附体通过第二铰链与船型水下附体连接，L型水下附体可绕第二铰链旋转，船型水下附体的正上方和鹰头型吸波浮体的下方安装有主浮体，鹰头型吸波浮体下方的船型水下附体的甲板上安装有滑轮，钢索一端穿过滑轮与鹰头型吸波浮体上的吊耳固定连接，钢索另一端与船型水下附体的甲板上的液压缸的活塞杆顶端固定链接，船型水下附体设有浮力舱和设备舱。
所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其中，L型水下附体包括一水平板状结构和一竖直板状结构，所述水平板状结构上安装有浮箱和压载块。
所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其中，船型水下附体的前端两侧固定安装有锚系吊耳，船型水下附体两端底部固定安装有用于阻止L型水下附体向内运动的限位支撑。
所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其中，船型水下附体的甲板上设有用于起限制整个装置水平振荡的板状结构的尾部竖直附体，尾部竖直附体座落在甲板上，且有斜向支撑杆支撑，船型水下附体的甲板上端两侧中间部位设有浮力调节舱，浮力调节舱由支撑柱支撑在甲板上，浮力调节舱上端安装有进排气管，下端安装有进排水管。
所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其中，鹰头型吸波浮体内部为空腔结构，其有足够的浮力使鹰头型吸波体按设计水位漂浮于水面。
所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其中，在静水浮态下，所述门型支撑臂与水平线的夹角设定在30度到60度之间。
所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其中，所述主浮体的截面以船型水下浮体横向中线为中线，对称分布，其中主浮体截面前段弧线以第一铰链的旋转中心为圆心的一条弧线。
所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其中，鹰头型吸波浮体上的吊耳与滑轮之间的钢索，与吊耳与第一铰链之间的第二连线垂直。
所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其中，L型水下附体水平结构上安装有固定浮箱，固定浮箱带有充排气管和进排水管。
所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其中，船型水下附体加装推进设备。
本发明的有益效果：1、本发明通过将波浪能发电装置设置成半潜船体特征，使装置可整体在海洋中拖行或航行，工作时装置下潜到设定深度即可达到工作状态，装置可将波浪能转换为电能或其他形式的能量，当装置需要回港维修或在海面检修时，装置整体上浮露出甲板，技术人员和设备可以上船维护。利用该发明可大幅减低海洋波浪能装置的建造、投放和维修成本，可高效、快速和安全的开发、利用海洋波浪能。2、鹰头型吸波浮体结构轻、质量小，且其形状降低了附连水质量，故鹰头型吸波浮体在大范围波浪频率里响应良好。3、船型水下附体和L型水下附体可以适应装置拖航以及高效俘获波浪能的需要。
附图说明
图1是本发明中具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置的侧视图。
图2是本发明中具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置的俯视图。
图3是图1的部分示意图。
图4是图1的部分示意图。
图5是本发明的使用状态参考图。
图6是本发明的发电装置投入使用的步骤图。
图7是本发明的发电装置收回的步骤图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
本发明的具体组成如下图1和图2所示，外形经过特殊设计的鹰头型吸波浮体1与门型支撑臂2的上端固定连接，门型支撑臂2的下端与第一铰链3连接，门型支撑臂2连同鹰头型吸波浮体1可绕第一铰链3旋转运动，第一铰链3通过底座与船型水下附体4固定连接，船型水下附体4的两端安装有L型水下附体5，L型水下附体通过第二铰链6与船型水下附体4连接，L型水下附体5可绕第二铰链6旋转，L型水下附体5的水平板状结构上安装有浮箱7和压载块8，压载块8的上端链接有浮力包9，船型水下附体4的正上方和鹰头型吸波浮体1的下方安装有形状经过特殊设计的主浮体10，鹰头型吸波浮体1上安装有吊耳11，鹰头型吸波浮体1下方，船型水下附体4的甲板上部安装有滑轮12，钢索13一端穿过滑轮12与吊耳11固定连接，钢索13另一端与液压缸14的活塞杆顶端固定链接，船型水下附体4的前端两侧固定安装有锚系吊耳15，船型水下附体4两端底部固定安装有限位支撑16，船型水下附体4设有浮力舱17和设备舱18。船型水下附体4的甲板上设有尾部竖直附体19，尾部竖直附体19座落在甲板上，且有斜向支撑20支撑，船型水下水下附体4的甲板上端两侧中间部位设有浮力调节舱21，浮力调节舱21由支撑柱22支撑在甲板上。液压缸14安装在船型水下附体的甲板上，但不限于这一种安装方式，液压缸14的安装也可一端直接铰接在船底，另一端直接铰接在鹰头型吸波体上。
为清晰描述本发明装置中各组成部分的功能与设计要点，分图3和图4分别介绍：如下图3，鹰头型吸波浮体1的截面轮廓经过了特殊设计，其轮廓主要由第一弧线1a、第二弧线1b和第三弧线1c组成，其中第一弧线1a为迎波面曲线，其前端伸出水线以上，并在水线之上保持一定的弧线长度，另一端向下伸展，末端离船型水下附体4的甲板距离较近，即第一弧线1a的吃水较深，第三弧线1c以第一铰链3的旋转中心为圆心，以支撑臂2的长度为半径R1，第三弧线1c的上端点与第二弧线1b的交点1d静水浮态时在正常水线以上，第三弧线1c的下端向下伸展，末端离船型水下附体4的甲板距离较近，即第三弧线1c也吃水较深，且第一弧线1a和第二弧线1b末端点在静水浮态时保持在同一水平线上，且两点距离较近。鹰头型吸波浮体1内部为空腔结构，空腔可通过进气排水增大浮力，或通过排气进水减小浮力，浮力调节可使其下水投放时准确达到设计状态。鹰头型吸波浮体1的内部也可填充轻质材料，保证鹰头型吸波体能按设计水线漂浮。静水浮态下支撑臂2与水平线的夹角设定在30度到60度之间，通常按45度设定，该角度设计可使装置最大程度的与波浪运动特征匹配。主浮体10的截面以船型水下附体4横向中线为中线，对称分布，其中主浮体10截面前段弧线同样以第一铰链3的旋转中心为圆心，半径为R2，R2略小于R1，主浮体10的横向宽度小于门型支撑臂2两杆间的宽度，主浮体10为固定浮力舱，其提供的浮力基本等于除鹰头型吸波浮体1外装置在水中的重量。吊耳11与滑轮12之间的第一连线1e，吊耳11与第一铰链3之间的第二连线1f，第一连线1e与第二连线1f垂直，该设计可使钢索13的运动线位移最大,液压缸14的行程要足够长，或者采用多个液压缸串联以使总的液压缸行程满足运动距离要求，另外，如果空间距离够大，液压缸14也可直接按第一连线1e线布置，即一端铰接在船舱或甲板上，另一端直接或通过钢丝绳沿1e线与鹰头型吸波浮体1上的吊耳11连接。如果采用液压缸14一端铰接于船型水下附体4另一端铰接于鹰头型吸波体1的方案，两铰接点的连线垂直于吊耳11与第一铰链3之间的连线。船型水下附体4的造型类似方形驳船的船体，可根据使用条件决定是否加装航行推进器，船型水下附体4前后端均成倾斜状态，以减小拖行或航行时的阻力。
如下图4所示，船型水下附体4的两侧通过第二铰链6安装有L型水下附体5，其水平结构和竖直结构越长越有利于装置的稳定，L型水下附体5水平结构上安装有固定浮箱7，固定浮箱7带有充排气管和进排水管，可以控制固定浮箱7内的浮力，固定浮箱7内充气排水浮力增大，或放气进水浮力减小，L型水下附体5水平结构的外侧可以安放压载块8，压载块8连接浮力包9，浮力包9带有充排气管和绳索，通过给浮力包9充排气，压载块8可以在绳索导向作用下由水下上浮到水面，或由水面下落至预设的安装位。船型水下附体4前端两侧设有锚系吊耳15，锚系吊耳15用于系锚泊系统，船型水下附体4的底部四角设有有限位支撑16，有限位支撑16用于阻止L型水下附体5向内运动，船型水下附体4内设置的浮力舱17和设备舱18，其大小和个数可按实际需要确定，浮力舱17带有充排气管和进排水管，可以控制浮力舱17内的浮力。船型水下附体4的甲板上设置的尾部竖直附体19，为板状结构，起限制装置水平振荡的作用，其通过斜向支撑20得到加强，船型水下附体4的甲板上端两侧中间部位设有浮力调节舱21，正常状态下调节浮力舱21部分体积在水下，部分体积在水上，浮力调节舱21上端安装有进排气管，下端安装有进排水管，通过进气排水增加浮力，或通过排气进水减小浮力，可以实现装置浮态的调整，其由支撑柱22支撑在甲板上。
本发明装置为漂浮式波浪能装置，其在海洋中的存在状态如下图5所示：图中所示的装置状态为正常工作姿态，装置大部分浸没于水面之下，船型水下浮体4内的浮力舱17全部进水，L型水下附体5水平结构上安装的固定浮箱7全部进水，装置除了鹰头型吸波浮体1、主浮体10和浮力调节舱21外其他结构件腔体均排净内部气体，主浮体10基本承担装置在水中的全部重量，鹰头型吸波浮体1内浮腔调节鹰头型吸波浮体1的姿态，浮力调节舱21调节装置整体浮态。装置最终调整到准确状态时仅有鹰头型吸波浮体1的部分体积和浮力调节舱21的部分体积露出水面，其露出水面的高度以鹰头型吸波浮体1尾部两弧线交点1d露出水面，装置无前后左右倾斜为准。船型水下附体前端两侧的锚系吊耳15用于系锚泊系统，本发明装置的锚泊系统采用具有蓄能能力的锚泊系统，其布置方式如图5所示。
本发明波浪能装置的工作原理是这样的：在波浪作用下，鹰头型吸波浮体1通过门型支撑臂2绕第一铰链3往复旋转运动，当波浪由波谷变为波峰的过程中，波浪推动鹰头型吸波浮体1绕第一铰链3向上旋转，同时鹰头型吸波浮体1拉动钢索13向上运动，钢索13绕过滑轮12牵引液压缸14的活塞杆向外运动，液压缸14有杆腔内的液压油被挤压进入蓄能器，用以发电或做其他形式的功；当波浪由波峰变波谷的过程中，鹰头型吸波浮体1失去波浪推力，其在重力作用下绕第一铰链3向下旋转，钢索13不再具有向上的牵引力，液压缸14的活塞杆在外力作用下复位，并为有杆腔补充油液，为下次波浪推动鹰头型吸波浮体1向上旋转做功做好准备，液压缸14活塞杆的回复力可由压力油箱提供，也可采用其他方式，如果需要装置往复双向做功，可按照液压缸14的安装方式在装置后半部加装一组液压缸，实现双向做功，即鹰头型吸波浮体1上下旋转都做功，本发明装置的能量转换机构液压缸14也可以用直线电机等其他能量转换机构代替，不论采用哪种能量转换元件，其能量转换所需的动力均有鹰头型吸波浮体1提供，所以本发明能量转换部件不是仅限于液压缸的。能量转换过程中，装置除了允许鹰头型吸波浮体1通过门型支撑臂2绕第一铰链3往复旋转运动做功外，其他降低波浪能俘获量的运动都受到有效地抑制，本发明中船型水下附体4、L型水下附体5和尾部竖直水下附板19起稳定装置状态，防止装置整体高频垂荡、纵荡和纵摇的功能。本发明装置采用单点系泊方案，有利于装置自动对准浪向。
本发明波浪能装置的投放，如下图6：投放前，锚泊部件和压载块8等放置在船型水下附体4上，L型水下附体5向上旋转超出船型水下附体4的甲板面后固定，鹰头型吸波浮体1向下旋转落在甲板面上，装置整体类似为一艘运输驳船漂浮在水面。拖船牵引本发明装置，拖运至装置投放地后，先放下两端的L型水下附体5，再放置压载块8到设定位置，接着布放锚泊系统，然后船型水下附体4上的浮力舱17放气进水装置整体下潜，最后调整装置姿态到设计状态，装置投放完毕。
本发明波浪能装置的回收，如下图7：装置需要投放至新的使用海域或需要回厂维修时，装置的回收首先要给船型水下附体4上的浮力舱17充气排水，使装置整体上浮，船型水下附体4露出水面，接着给浮力包9加气，压载块8在浮力包9浮力的拉动下，浮出水面，通过牵引绳回收上船，然后给L型水下附体5上的浮箱7充气，使L型水下附体旋转出水面，通过牵引绳使其离开水面固定在船型水下浮体上。接着解开锚系，装置此时类似为一条可拖运的驳船，用拖船将其拖运至新的投放地或拖运回厂。
需要指出的是船型水下附体4如果加装推进设备，可满足自航的功能，其投放和回收过程中的动力问题可以自行解决；还有，如果船型水下附体4前端窄后端宽，使其俯视图看起来为梯形形状，可更有利于装置的自动对准浪向。
与以往波浪能装置相比，本发明装置的优势：1、优良的吸波体造型设计，鹰头型吸波浮体1的截面轮廓经过了特殊设计，为截止型吸波体，波浪能转换能力强，且尾部不造波，基本没有能量损失；且鹰头型吸波浮体质量小，其外形导致的附连水质量也很小，故该吸波浮体对相当大频率范围的波浪响应良好，具有较好的波浪能俘获能力。2、吸波体的运动位移经过特殊设计，静水浮态下支撑臂2与水平线的夹角约为45度，该角度设计可使装置最大程度的与波浪运动特征匹配，因此转换能力强。3、拉动液压缸14做功的牵引钢索13的布置经过了特殊设计，吊耳11与第一铰链3之间的连线1f,吊耳11与第一铰链3之间的连线1f,连线1e与连线1f垂直，该设计可使钢索13的运动线位移最大。4、装置浮态调整简单易实现，其中主浮体10的浮力已基本承担了装置在水中的全部重量，仅需鹰头型吸波浮体1自我调整浮态，调节浮力舱21微调节装置整体浮态即可。5、可旋转式L型水下附体5和其上面的浮箱7，和可拆卸压载块8，满足了L型水下附体5易旋转上船和向下投放的功能。6、船型水下附体4按照船型设计，可承载本发明装置的所有设备与结构，包括锚泊系统，船型水下附体4在海洋中拖行或航行时，水阻小、稳性好。船型水下水下附体4完全可满足远距离拖行要求，装置的投放与回收不再需要浮动吊船或浮船坞，其投放和回收成本大幅降低。
采用轻质的鹰头型吸波浮体，其外形经过了特殊设计，用以最大程度的吸收来波而最小程度的减少向后造波，浮体的运动轨迹基本与波浪运动相匹配；装置采用了液压转换系统作为二级能量转换系统，液压转换系统具有储能环节，装置在小浪情况下，间断发电，即在小浪作用下装置逐步蓄积能量，达到蓄能量的上限值时集中发电；大浪条件下，装置连续发电；装置具有水平水下附体和L型水下附体，水平水下浮体为平底船型结构，不但可以起到阻止装置垂荡运动的功能，而且可以作为装置在海上拖行的载体；安装在船型水平阻尼板两侧的L型水下附体为可旋转结构，装置工作时L型水下附体垂直海底向下，运输时其可以向上翻起搭载在船型水平水下附体上。装置采用单点系泊形式存在于海洋之中，该种系泊方式有利于装置自动对准浪向。总的来说，本发明装置有利于克服漂浮式波浪能效率低的缺点，可满足稳定发电；有利于批量制造，降低成本；有利于降低投放和维护成本；有利于提高抗台风能力，提高工作寿命。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，包括鹰头型吸波浮体、船型水下浮体和门型支撑臂，鹰头型吸波浮体与门型支撑臂的上端固定连接，门型支撑臂的下端与第一铰链连接，第一铰链通过底座与船型水下附体固定连接，门型支撑臂连同鹰头型吸波浮体可绕第一铰链旋转运动，船型水下附体的两端安装有L型水下附体，L型水下附体通过第二铰链与船型水下附体连接，L型水下附体可绕第二铰链旋转，船型水下附体的正上方和鹰头型吸波浮体的下方安装有主浮体，鹰头型吸波浮体下方的船型水下附体的甲板上安装有滑轮，钢索一端穿过滑轮与鹰头型吸波浮体上的吊耳固定连接，钢索另一端与船型水下附体的甲板上的液压缸的活塞杆顶端固定链接，船型水下附体设有浮力调节舱和设备舱。
2.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，鹰头型吸波浮体的截面轮廓为一鹰头形状，其轮廓主要包括第一弧线、第二弧线和第三弧线，其中第一弧线为迎波面曲线，其前端伸出水线以上，另一端向下伸展，末端邻近船型水下附体的甲板，第三弧线以第一铰链的旋转中心为圆心，以门型支撑臂的长度为半径画的一条弧线，第三弧线的上端点与第二弧线的交点在静水浮态时处于正常水线以上，第三弧线的下端向下伸展，末端邻近船型水下附体的甲板，且第一弧线和第二弧线末端点在静水浮态时保持在同一水平线上。
3.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，装置的船型水下附体具有平底方形驳船外形。
4.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，液压缸一端铰接于船体，另一端铰接于鹰头型吸波体，两铰接点的连线垂直于吊耳与第一铰链之间的连线。
5.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，所述主浮体的截面以船型水下附体横向中线对称分布，其中主浮体截面前段弧线以第一铰链的旋转中心为圆心的一条弧线，其半径小于门型支撑臂的长度，主浮体的横向宽度小于门型支撑臂两杆间的宽度。
6.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，船型水下附体的甲板上端两侧中间部位设有浮力调节舱，常态下浮力调节舱部分体积在水下，部分体积在水上，浮力调节舱上端安装有进排气管，下端安装有进排水管，通过进气排水增加浮力，或通过排气进水减小浮力，其由支撑柱支撑在甲板上。
7.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，L型水下附体包括一水平板状结构和一竖直板状结构，所述水平板状结构上安装有浮箱和压载块，压载块的上端链接有浮力包，浮力包带有充排气管和绳索。
8.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，船型水下附体的前端两侧固定安装有锚系吊耳，船型水下附体两端底部固定安装有用于阻止L型水下附体向内运动的限位支撑。
9.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，船型水下附体的甲板上设有用于起限制整个装置水平振荡的板状结构的尾部竖直附体，尾部竖直附体座落在甲板上，且有斜向支撑杆支撑。
10.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，鹰头型吸波浮体内部为空腔结构，或填充轻质材料。
11.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，在静水浮态下，所述门型支撑臂与水平线的夹角设定在30度到60度之间。
12.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，鹰头型吸波浮体上的吊耳与滑轮之间的钢索，与吊耳与第一铰链之间的第二连线垂直。
13.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，L型水下附体水平结构上安装有固定浮箱，固定浮箱带有充排气管和进排水管。
14.根据权利要求1所述的具有半潜船特征的漂浮鹰式波浪能发电装置，其特征在于，船型水下附体加装有推进设备。
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