CN103266982B - 一种波能转换气动发电方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波能转换气动发电方法和装置，所述的装置包括：设置在最低潮位以下水中的进水口，所述的进水口连接竖直的水塔，所述水塔接近顶端的部位设置空气流通道，所述的空气流通道中设置叶轮和与叶轮同轴的发电机，其特征在于，所述叶轮的叶片为扇形，叶片一部分刚性一部分柔性。本发明所述方法和装置采用直接捕获波能的上下往复运动，将水流的往复运动变为空气的流动，吹动叶轮转动。并采用一种无论往复运动的空气向那个方向运动都能向一个方向转动的叶轮，还使叶轮与发电机同轴。本发明汽轮机叶轮的特点是，重量轻，在弱波浪气流下也能正常旋转，保证发电机连续发电。

Description

一种波能转换气动发电方法和装置

技术领域

本发明涉及一种波能转换气动发电方法和装置，是一种对现有的振荡水柱（OWC）的改进，特别是对威尔斯（Wells）汽轮机作了重大改进。是一种可再生、无污染的发电方法和装置，是一种利用海浪发电的方法和装置。

背景技术

相对于风能、太阳能等可再生能源，波能发电有着十分重要的优势，受天气变化的影响较小，只要捕捉海浪能量的措施得当，在任何天气条件下，都能够发电。由于这个特点当今有岛屿和海岸线的各个国家都在大力开发波能发电。波能发电的关键在于如果有效的捕捉波能并转换为电能。现代波能发电还没有形成主流，各种方式五花八门，各有特点。总得来讲，大多数波能发电装置都是利用水能转换为势能或机械能，再转换为电能的路数。在海浪捕获方面，大致有两种方式：一种是利用海浪爬升的能力，形成水头，利用传统的低水头发电系统发电，还有一种则是直接利用波浪的振荡水柱（OWD）往复运动发电。前一种方式的水工工程规模大比较复杂，后一种相对较简单一些，但是为了将波浪往复振荡运动转换为单向的旋转运动以往均使用威尔斯汽轮机和其配套装置，该汽轮机的轮叶是对称的机翼曲面，比较笨重，需要能量大的气流才能推动。还有以往捕获波浪的水塔未考虑聚波设施，在小波浪下气压小，气流速度达不到驱动汽轮机的要求，往往不能连续发电，因此使这种波能转换气动发电装置的应用受到一定的限制。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种波能转换气动发电方法和装置。所述的方法提供了一种简化捕获波能的发电思路，所述的装置根据所述方法提出的思路简化了发电装置的设计，使整个捕获和发电系统十分简单高效。

本发明的目的是这样实现的：一种波能转换气动发电方法，所述方法的步骤如下：

聚能的步骤：用于将海水引入一个面积逐渐缩小的通道，使海水涌入的能力逐渐集中；

转换为空气动能的步骤：用于在海浪的作用下将海水涌入和退出时所产生的水流往复动能推动空气，使空气形成带有能量的往复运动气流；

往复运动的气流吹动叶轮的步骤：用于所述的往复运动气流吹动叶轮上，使叶轮旋转；

发电的步骤：用于所述的叶轮旋转，带动与叶轮同轴的发电机发电；

所述叶轮的叶片截面一部分厚一部分薄，即一部分刚性一部分柔性，当气流沿叶轮轴向吹动叶轮时，叶片柔性的部分弹性弯曲，气流在弯曲的叶片面上产生侧向力，推动叶轮旋转，无论往复运动的空气向那个方向运动，都使气流在弯曲的叶片上产生相同方向的侧向力，使叶轮总是绕一个方向旋转。

一种根据上述方法设计的波能转换气动发电装置，包括：设置在最低潮位以下水中的进水口，所述的进水口连接竖直的水塔，所述水塔接近顶端的部位设置空气流通道，所述的空气流通道中设置叶轮和与叶轮同轴的发电机，所述叶轮的叶片为扇形，叶片的横截面一部分厚一部分薄，厚的部分呈刚性薄的部分呈柔性。

本发明产生的有益效果是：本发明采用直接捕获波能的上下往复运动，将水流的往复运动变为空气的流动，吹动叶轮转动。并采用一种无论往复运动的空气向那个方向运动都能向一个方向转动的叶轮，还使叶轮与发电机同轴。既有直接捕获波能的水工设施简单的优点，又有机械结构简单的优点。大大降低了整个发电设置的成本，提高了使用寿命。

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是本发明的实施例二所述装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例二所述叶轮的结构示意图；

图3是本发明的实施例二所述叶轮的叶片截面示意图；

图4是本发明的实施例二所述叶片的受力示意图,是图3中C-C截面的弹性变形弯曲的放大图；

图5是本发明的实施例四所述八字形收缩聚坡道的示意图，是图1中A方向视图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种波能转换气动发电方法。本实施例的基本思路是利用一个能够将往复运动转换为单向和质量轻的旋转叶轮，代替较重的威尔斯双面机翼曲面的叶轮，即占有了直接捕获往复海浪设施简单的优点，同时简化了传动结构，降低了设备成本，也提高了能量转换效率。本实施例的关键在叶轮，这个叶轮必须可以在往复运动的气流中，都能向一个方向转动。本实施例采用的是一种叶片是一部分为刚性一部分为柔性的叶轮。当气流经过叶片时，叶片柔性的部分随气流的流动方向弯曲，气流在弯曲的叶片面上产生侧向力，推动叶轮旋转。往复运动的气流，不论是叶片向那个方向弯曲，气流在叶片面上所产生侧向力总是朝着一个方向，这样就可以推动叶轮向一个方向旋转。

所述叶片可以采用弹性不锈钢片和玻璃钢复合材料制作，其刚性部分可以设计得厚实一些，而柔性的部分则较薄，使薄的部分可以稍微变形弯曲，能产生侧向力。这样可以有效的利用往复气流所产生的侧向力，推动叶轮向一个方向旋转。

本实施例所述方法的具体步骤如下：

聚能的步骤：用于将海水引入一个面积逐渐缩小的通道，使海水涌入的能力逐渐集中。使涌入的海水聚能可以采用八字形的聚能坡道，以及下大上小的水塔。聚能坡道是在迎海面的位置，设置左右两侧聚能墙，两道聚能墙沿海水冲向海岸的方向呈八字形逐渐收拢，是涌向海岸的海浪逐渐聚集，产生更高的海浪。而水塔下大上小，逐渐收缩，使海浪从下往上涌动的时候逐渐聚集能量，可以产生上下更高的浪涌。

转换为空气动能的步骤：用于在海浪的作用下将海水涌入和退出时所产生的水流往复动能推动空气，使空气形成带有能量的往复运动气流。海浪造成的往复运动水流在一个管道中犹如往复运动的活塞，在管道的作用下，可以产生往复运动的气流，往复运动的气流所携带的动能，就可以驱动汽轮机叶轮发电。

往复运动的气流吹动叶轮的步骤：用于所述的往复运动气流吹动叶轮上，使叶轮旋转。所述叶轮的叶片截面一部分厚一部分薄，即一部分刚性一部分柔性，当气流沿叶轮轴向吹动叶轮时，叶片柔性的部分弹性弯曲，气流在弯曲的叶片面上产生侧向力，推动叶轮旋转，无论往复运动的空气向那个方向运动，都使气流在弯曲的叶片上产生相同方向的侧向力，使叶轮总是绕一个方向旋转。

发电的步骤：用于所述的叶轮旋转，带动与叶轮同轴的发电机发电。发电机可以与叶轮同轴，也可以通过传动装置（如梯形增速齿轮可以加快发电机的转速）。

实施例二：

本实施例是一种根据实施例一所述方法设计的波能转换气动发电装置，如图1所示。本实施例包括：设置在最低潮位L（图1中L表示最低潮位、H表示最高潮位，箭头B表示空气的流动方向）以下水中的进水口1，所述的进水口连接竖直的水塔2，所述水塔接近顶端的部位设置空气流通道3，所述的空气流通道中设置叶轮5和与叶轮同轴的发电机6，所述叶轮的叶片为扇形，叶片的横截面一部分厚一部分薄，厚的部分呈刚性薄的部分呈柔性。

本实施例所述装置的主体是水塔。水塔最适于设置在岛屿上，也可以在海岸线上，底部设置在最低潮位之下。为了聚能，可以将水塔内部设计为下大上下，可以是圆锥形（圆台形），也可以是棱锥形（棱台形），如四棱台。使涌入水塔的水流聚集更高的水位，产生更高的势能。若在海岸线修建波能发电装置的水塔，可以同防波堤结合修建，采用水下钢筋混凝土沉箱法施工，即电站水塔本身就是防波堤。若在岛屿上修建，可以在大型造船厂采用钢筋混凝土框架结构或复合材料（如玻璃钢）制造装配式水塔，海运到岛屿上安装，也可以采用反井钻机法开挖竖井式水塔，进水口采用一次性爆破完成。

空气流通道为圆管状，圆管的内径略大于叶轮的直径。空气流通道可以水平或接近于水平设置，也可以竖直或倾斜设置，主要根据发电装置安装的地形和地质条件而确定。发电机安装在空气流通道中，即在空气流通道的进口段发电机主轴的一端或两端安装叶轮。叶轮的直径与空气流通道大小相适应，以便充分的利用空气中的动能。

叶轮叶片的形状如图2、3所示。本实施例所述的叶轮可以有四片叶片，也可以有五片、六片，甚至更多的叶片，主要取决于叶轮的直径的大小，直径越大可以设置更多的叶片。

为使叶轮在往复运动的流体中总是向一个方向转动，本实施例所述的叶片一部分刚性一部分柔性。所述的刚性指的是这部分叶片弹性变形很小，无论流体如何运动，叶片刚性部分基本不变化，保持原样。而柔性部分则在流体的作用下，出现弹性变形的弯曲。若叶片不变形，则无论往复运动的流体向那个方向运动，都不会产生推动叶轮旋转的侧向力。但是，当叶轮柔性部分弯曲的时候，弯曲部分的角度与叶轮平面成大于零度，小于20度的角度（角度越大阻力也越大）。当流体作用在弯曲的叶面上时，就会产生侧向力，如图4所示，推动叶轮转动。

往复运动的气流，从两个正反两个方向经过叶轮，而叶轮的叶片则在气流的作用下适时的弯曲，适时的产生侧向力，不论流体向那个方向流动，在叶片上都产生相同方向的侧向力，使叶轮总是向一个方向运动。图4中实线和虚线分别画出了叶片向两个方向弯曲的情况，由图中可以观察到，无论气流向哪个方向流动（图4中的箭头B）叶片向哪个方向弯曲，气流作用在叶面上的侧向力（图4中的箭头F）都与叶轮旋转的方向R一致，即推动叶轮向一个方向转动。

为产生叶片一部分刚性一部分柔性的效果，本实施例所述的叶片的截面形状类似于医用棉签的形状，见图3（为符合表达变截面物体形状的习惯，将叶片的三个截面画在同一个图中），细长的杆，连接一个大头。叶片刚性部分相对厚实，可以保持稳定的形状，而柔性部分相对轻薄，能够产生弯曲的弹性变形。图3中画出了叶片的三个断面C、D、E，分别位于扇形叶片外缘、中部和根部。外缘（C截面）的叶片截面形状是长水滴形的刚性部分，结合薄片状的柔性部分，中部（D截面）叶片形状是水滴形的刚性部分结合薄片状的柔性部分，根部（E截面）的叶片截面形状为近似圆形的刚性部分结合薄片状柔性部分。叶片可以由两部分材料组成，也可以由一整块材料组成。叶片薄的部分的材料应当采用弹性变形良好的材料，有利用叶片变形。

水塔的顶部可以设置单向空气阀，以便浪涌过大、过快时空气的压力过大，破坏叶轮，打开单向阀，释放出部分空气，减轻叶轮的压力。

在空气流通道中安装的发电机，可以直接在电机轴上安装叶轮，也可以通过传动机构，将叶轮的转动传递到电动机轴上。叶轮单个安装在发电机轴的一端（在气流管道进口一端），也可以将电机轴的前后两端都安装叶轮。

必要时在水塔进水口处应当设置拦污栅，避免杂物破坏水塔和其他设施，因拦污栅水头损失较大，尽量不设置拦污栅，在杂物少的海面就可以不设。，

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于水塔的细化。本实施例所述的水塔圆（或方）锥形，由下往上逐渐收缩。

本实施例所述水塔内部由下往上逐渐收缩，形成圆台形，可以使涌入的海水在后浪的推动下，捕获更多的能量。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于进水口的细化，如图5所示。本实施例所述的进水口为设置八字形收缩聚坡道7。图5中并排设置了三个水塔，是一种联排设计，这样的设计也适合于防波堤。

八字形收缩坡道的作用也是为了能够更多的捕获海浪中的能量。八字形坡道的两边设置聚能墙，两道聚能墙之间的距离由宽变窄，形成八字形，同时两道聚能墙之间的底板也呈斜坡状，逐渐抬高涌入海浪的高度。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水塔的细化。本实施例所述的水塔顶部设置有单向空气阀4。

单向阀的开闭方式是：从内向外可以打开，外向内则关闭。单向阀可以有多种形式如T型阀，靠T型阀门的自重关闭，单向空气阀只有在异常的强气流下才能打开。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于进水口的细化。本实施例所述的进水口上设有拦污栅。

通常情况下由于拦污栅的水头损失较大，所以尽量不设置，但当海面的杂物较多时，这些杂物有可能冲进水塔，使其中的设施遭到破坏，在这种情况下就应当使用拦污栅。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于发电机的细化。本实施例所述的发电机，在靠气流通道进口段的发电机轴头上设置叶轮。

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（比如整个步骤的前后顺序、叶轮的形式和安装方式等）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 (7)

1.一种波能转换气动发电方法，所述方法的步骤如下：

聚能的步骤：用于将海水引入一个面积逐渐缩小的通道，使海水涌入的能力逐渐集中；

转换为空气动能的步骤：用于在海浪的作用下将海水涌入和退出时所产生的水流往复动能推动空气，使空气形成带有能量的往复运动气流；

往复运动的气流吹动叶轮的步骤：用于所述的往复运动气流吹动叶轮，使叶轮旋转；

发电的步骤：用于所述的叶轮旋转，带动与叶轮同轴的发电机发电；

其特征在于：

所述叶轮的叶片横截面一半厚一半薄，即一半刚性一半柔性，当气流沿叶轮轴向吹动叶轮时，叶片柔性的部分弹性弯曲，气流在弯曲的叶片面上产生侧向力，推动叶轮旋转，无论往复运动的空气向哪个方向运动，都使气流在弯曲的叶片上产生相同方向的侧向力，使叶轮总是绕一个方向旋转。

2.一种根据权利要求1所述方法设计的波能转换气动发电装置，包括：设置在最低潮位以下水中的进水口，所述的进水口连接竖直的水塔，所述水塔接近顶端的部位设置空气流通道，所述的空气流通道中设置叶轮和与叶轮同轴的发电机，其特征在于，所述叶轮的叶片为扇形，叶片的横截面一半厚一半薄，厚的部分呈刚性，薄的部分呈柔性。

3.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述的水塔为圆台形，由下往上逐渐收缩。

4.根据权利要求2或3所述的发电装置，其特征在于，所述的进水口设置为八字形收缩聚坡道。

5.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述的水塔顶部设置有单向空气阀。

6.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述的进水口上设有拦污栅。

7.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述的发电机在靠近空气流通道进口段的发电机轴头上设置叶轮。