CN103573542B - 分层越浪式波能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分层越浪式波能发电装置。其包括蓄能机构、自启闭机构、水力发电机构和工作平台；所述自启闭机构，包括驱动电机、螺旋升降器、盖板、管道A和控制器；管道A两端分别固接盖板A和用于闭合出水口B的盖板B，盖板A上设有与管道A连通的出水口A，出水口A上设有盖板C，管道A位于上下蓄水池之间。驱动电机通过联轴器分别与螺旋升降器A和螺旋升降器B连接，螺旋升降器A的升降杆A与盖板C连接，螺旋升降器B的升降杆B与盖板A连接，控制器与驱动电机电连接。本发明保证了波能装置对潮位变换的自主适应，提高了装置的能量转换总量；保证每次发电水头均能保持在理想条件下运行，极大的提高了发电效率。

Description

分层越浪式波能发电装置
技术领域
本发明涉及波浪能发电技术领域，特别涉及一种能自主适应潮差的变化、提高发电效率的分层越浪式波能发电装置。
背景技术
目前大功率靠岸式波能电站仍以振荡水柱式为主，振荡水柱波能发电装置的水下活动部件少，装置可靠性高，但其能量转换效率过低，只能达到10％～15％，因此岸式装置的输出功率难以达到较高水平。而且岸式装置由于固定位置的限制，与深水区相比其波能利用率较低，同时还会受到岸线地形、潮差及海岸保护等多方面因素的制约。
以往研发的越浪型波能发电装置，对潮位变化适应性很差，这将严重影响对水位变化极为敏感的工作水头，导致装置有效工作时间短，整体工作效率与时均发电出力水平都处于比较低的水平。大多越浪型波能装置的发电水头保持主要依靠入射波越浪量超过装置额定出流量，该类蓄水方式对入射波条件要求较高。由于入射波的随机性与不规则性，导致上述水头保持模式仅在大浪条件下工作性能较好，因此在欧洲波浪能流密度较高的区域应用较多，但在我国波浪能周期短、波高小的情况下整体利用率较低。
申请号201010575362.5发明专利公开了一种越浪式波浪发电装置，其采用单层结构设计，对潮位变化适应性很差，对入射波条件要求较高，发电效率较低。而且其属于漂浮式波浪发电装置，一般安置于深水区，生存环境极端恶劣，极易发生破坏，环境适应性较低，安装布放与回收均较困难。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种对潮位变化适应性强，波能转换率高的分层越浪式波能发电装置。
本发明的技术方案是：一种分层越浪式波能发电装置，包括蓄能机构、自启闭机构、水力发电机构和工作平台；其中：
所述蓄能机构为分层式结构，包括上下两层半圆台型中空蓄水池，分别为上蓄水池和下蓄水池；上蓄水池顶部设有入水口A，上下蓄水池之间设有半环形空隙，为下蓄水池的入水口B，下蓄水池的底部设有出水口B；
所述自启闭机构，包括驱动电机、螺旋升降器、盖板、管道A和控制器；管道A两端分别固接盖板A和用于闭合出水口B的盖板B，盖板A上设有与管道A连通的出水口A，出水口A上设有盖板C，管道A位于上下蓄水池之间。所述螺旋升降器包括螺旋升降器A和螺旋升降器B,驱动电机通过联轴器分别与螺旋升降器A和螺旋升降器B连接，螺旋升降器A的升降杆A与盖板C连接，螺旋升降器B的升降杆B与盖板A连接，控制器与驱动电机电连接；
所述水力发电机构包括管道B、水轮机和发电机，管道B的上端连通出水口B，下端引入所述波能发电装置底部，管道B上端设有“Z”形弯道，下端设有“L”形弯道，“L”形弯道引入所述波能发电装置后侧，发电机安装于所述工作平台上，水轮机设于“L”形弯道的拐弯处，水轮机的轮轴与发电机的输入轴连接；
所述工作平台安装于所述蓄能机构的入水口A上方。
所述蓄能机构的上、下蓄水池外侧面坡道上设有由导浪板均匀分割成的多个楔形坡道。
所述楔形坡道坡度为2:3，适于波浪爬升与攀越。
所述导浪板为不规则四边形，优选不规则梯形。
所述上、下蓄水池内分别设有内验潮井，所述波能发电装置外侧设有外验潮井，内、外验潮井内均设有水位感应器，水位感应器与所述自启闭机构的控制器电连接。
所述自启闭机构的驱动电机、螺旋升降器A的机头和螺旋升降器B的机头均安装于所述工作平台上，螺旋升降器A的升降杆A穿过工作平台与盖板C连接，螺旋升降器B的升降杆B穿过工作平台与盖板A连接。
所述螺旋升降器B207数量为2个，对称设置于联轴器的左右两侧。
所述水力发电机构还包括与所述发电机电连接的蓄电池组，所述蓄电池组位于所述工作平台上。
所述水轮机为轴流式水轮机。
本发明所述分层越浪式波能发电装置还包括支撑机构，所述支撑机构包括底座和桩柱，底座固定于基岩上，桩柱均布在底座上，一端连接底座，另一端连接蓄能机构的下蓄水池底部。
所述工作平台通过支撑件与上蓄水池固定连接。工作平台外部设有用于保护工作平台上部件的保护罩。
所述蓄能机构，因其外侧为斜坡设计，可与防波堤及护岸工程相结合。可以设置于防坡堤的堤头灯塔处，一方面可以变防波堤的被动消能为越浪型装置的主动吸能，对防波堤而言可减轻海工建筑的波浪荷载，增加可靠性。此外，波能装置可直接为堤头处灯塔提供电力支持，实现真正的全天候绿色供电。
所述导浪板不但可以防止波浪爬升过程中往两侧滑落，以尽可能多的捕获波浪能，而且有利于波浪爬升过程中增加波高。研究发现：未设置导流叶片的装置基本只有正向有波浪越入蓄水池中，波浪沿坡道爬高后往两侧滑落的现象较严重，且每次越入蓄水池中的水体并不多，灌满整个蓄水池需要较长的时间，波浪在爬升过程中易破碎，能量的损耗较大。采用导浪板可有效提高正向波浪的越浪量(增加20～30％)，降低侧面坡道回流并减轻后部波能集中现象。
所述自启闭机构连通所述蓄能机构的上、下蓄水池，当自启闭机构全部关闭时，上、下蓄水池全部进入蓄水状态。当上层蓄水池需要放水发电时，盖板B依靠螺旋升降器打开(延时关闭)，上蓄水池通过管道A与管道B连通，实现上蓄水池放水，此时下蓄水池处于(接近)淹没状态，上下蓄水池之间无直接通路，上蓄水池蓄水不会通过下蓄水池返回大海。当下蓄水池需要放水发电时，盖板B、盖板A和管道A共同由螺旋升降器带动上提(延时关闭)，下蓄水池出水口B与管道B连通，实现下蓄水池放水发电。此时，上蓄水池同样不与下蓄水池连通，从而实现了上、下两层蓄水池各自独立蓄水，但共用管道B出水的设想。自启闭机构保证每次水体回流冲击带动水轮机均在额定工作水头条件下进行，将有效提高装置的发电出力水平、能量转换效率。
所述水力发电机构的“Z”形弯道主要是为了避免与自启闭机构冲突，并将发电机安装于波能发电装置上部。“L”形弯道的设计并引至波能发电装置底部后侧，其目的是为了避免波浪海流等造成的反向回流，影响水轮机的工作状态。
所述支撑机构为混凝土配重块预埋桩柱结构，结构整体性好，稳定性高，并且方便工作人员驾船靠泊，易于维护检修。相较于“L”型沉箱结构，其可以适用于水深较深的区域，不长期占用岸线资源，不消耗一次性能源，无废气、噪声及粉尘，对环境不造成破坏。
本发明的有益效果在于：本发明提供的分层越浪式蓄能机构对应不同设计水位与入射波况，保证了波能装置对潮位变换的自主适应，提高了装置的能量转换总量，单位时间发电量将明显提高；而本发明提供的自启闭机构，控制蓄水池仅在满载时出水冲击水轮机，虽然采用间歇式发电模式，但每次发电水头均能保持在理想条件下运行，极大的提高了发电效率。本发明提供的分层越浪式蓄能机构不仅可以固定于岸边，也可以用于深海区。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的部分结构示意图；
图3是本发明中图1的剖面示意图；
图4是本发明中自启闭机构的结构示意图；
图5是本发明中工作平台的结构示意图；
图6是本发明中高水位时工作状态示意图；
图7是本发明中低水位时工作状态示意图。
其中，101上蓄水池，102下蓄水池，103入水口A，104入水口B，105出水口B，106导浪板，107楔形坡道，108内验潮井，109外验潮井，110出水口A；201驱动电机，202管道A，203盖板A，204盖板B，205盖板C，206螺旋升降器A，207螺旋升降器B，208联轴器，209升降杆A，210升降杆B；301管道B，302水轮机，303发电机，304“Z”形弯道，305“L”形弯道，306蓄电池组；401工作平台，402支撑件；501桩柱，502底座。
具体实施方式
以下结合附图和实施例具体说明本发明。
实施例1：
如图1所示，本发明包括蓄能机构、自启闭机构、水力发电机构和工作平台401。
如图1-2、6-7所示，蓄能机构为分层式结构，包括上下两层半圆台型中空蓄水池，分别为上蓄水池101和下蓄水池102；上蓄水池101顶部设有入水口A103，上、下蓄水池之间设有半环形空隙，为下蓄水池102的入水口B104，下蓄水池102的底部设有出水口B105。
如图2、4-6所示，自启闭机构，包括驱动电机201、螺旋升降器、盖板和管道A202；管道A202两端分别固接盖板A203和用于闭合出水口B105的盖板B204，盖板A203上设有与管道A202连通的出水口A110，出水口A110上设有盖板C205，管道A202位于上、下蓄水池之间。螺旋升降器包括螺旋升降器A206和螺旋升降器B207,驱动电机201通过联轴器208分别与螺旋升降器A206和螺旋升降器B207连接，螺旋升降器A206的升降杆A209与盖板C205连接，螺旋升降器B207的升降杆B210与盖板A203连接，控制器与驱动电机201电连接。
如图3所示，水力发电机构包括管道B301、水轮机302和发电机303，管道B301的上端连通出水口B105，下端引入波能发电装置底部，管道B301上端设有“Z”形弯道304，下端设有“L”形弯道305，“L”形弯道305引入波能发电装置后侧，发电机303安装于工作平台401上，水轮机302设于“L”形弯道305的拐弯处，水轮机302的轮轴与发电机303的输入轴连接。
如图1所示，工作平台401安装于蓄能机构的入水口A103上方。
实施例2：
除以下区别外，其他同实施例1。
如图1-2所示，蓄能机构的上、下蓄水池外侧面坡道上设有由导浪板106均匀分割成的多个楔形坡道107。楔形坡道107坡度为2:3，适于波浪爬升与攀越。导浪板106为不规则四边形，优选不规则梯形。上、下蓄水池内分别设有内验潮井108，波能发电装置外侧设有外验潮井109，内、外验潮井内均设有水位感应器，水位感应器与所述自启闭机构的控制器电连接。
如图4-5所示，自启闭机构的驱动电机201、螺旋升降器A206的机头和螺旋升降器B207的机头均安装于工作平台401上，螺旋升降器A206的升降杆A209穿过工作平台401与盖板C205连接，螺旋升降器B207的升降杆B210穿过工作平台401与盖板A203连接。螺旋升降器B207数量为2个，对称设置于联轴器的左右两侧。
实施例3：
除以下区别外，其他同实施例1和2。
如图5所示，水力发电机构包括与发电机303电连接的蓄电池组306，蓄电池组306位于工作平台401上。水轮机为轴流式水轮机。
实施例4：
除以下区别外，其他同实施例1-3。
如图1所示，本发明还包括支撑机构，所述支撑机构包括底座502和桩柱501，底座502固定于基岩上，桩柱501均布在底座502上，一端连接底座502，另一端连接蓄能机构的下蓄水池102底部。
实施例5：
除以下区别外，其他同实施例1-4。
工作平台401通过支撑件402与上蓄水池101固定连接。工作平台401外部设有用于保护工作平台401上部件的保护罩。
本发明的工作过程如下：
如图1-7所示：
低水位条件下，海水沿楔形坡道107从下蓄水池102入水口B104进入下蓄水池102，当水位感应器监测内、外验潮井检测水位差达到规定阈值时，控制器控制驱动电机201启动，驱动电机201驱动螺旋升降器A206和螺旋升降器B207工作，同时带动盖板C205和盖板B204上升，盖板B204带动管道A202和盖板A203随之上升，下蓄水池102出水至管道B301冲击水轮机302，水轮机302带动发电机303发电。
高水位条件下，海水沿楔形坡道107分别从上蓄水池101入水口A103进入上蓄水池101，从入水口B104进入下蓄水池102，当水位感应器监测到内、外验潮井检测水位差达到规定阈值时，控制器控制驱动电机201启动，驱动电机201驱动螺旋升降器A206工作，带动盖板C205上升，上蓄水池101出水经管道A202和管道B301冲击水轮机302，水轮机302带动发电机303发电。当水位感应器监测到仅下蓄水池102满载后，控制器控制驱动电机201驱动螺旋升降器A206和螺旋升降器B207工作，同时带动盖板C205和盖板B204上升，盖板B204带动管道A202和盖板A203随之上升，下蓄水池102出水至管道B301冲击水轮机302，水轮机302带动发电机303发电。

Claims (10)

1.一种分层越浪式波能发电装置，其特征在于：包括蓄能机构、自启闭机构、水力发电机构和工作平台(401)；其中：
所述蓄能机构为分层式结构，包括上下两层半圆台型中空蓄水池，分别为上蓄水池(101)和下蓄水池(102)；上蓄水池(101)顶部设有入水口A(103)，上、下蓄水池之间设有半环形空隙，为下蓄水池(102)的入水口B(104)，下蓄水池(102)的底部设有出水口B(105)；
所述自启闭机构，包括驱动电机(201)、螺旋升降器、盖板、管道A(202)和控制器；管道A(202)两端分别固接盖板A(203)和用于闭合出水口B(105)的盖板B(204)，盖板A(203)上设有与管道A(202)连通的出水口A(110)，出水口A(110)上设有盖板C(205)，管道A(202)位于上、下蓄水池之间；所述螺旋升降器包括螺旋升降器A(206)和螺旋升降器B(207),驱动电机(201)通过联轴器(208)分别与螺旋升降器A(206)和螺旋升降器B(207)连接，螺旋升降器A(206)的升降杆A(209)与盖板C(205)连接，螺旋升降器B(207)的升降杆B(210)与盖板A(203)连接，控制器与驱动电机(201)电连接；
所述水力发电机构包括管道B(301)、水轮机(302)和发电机(303)，管道B(301)的上端连通出水口B(105)，下端引入所述波能发电装置底部，管道B(301)上端设有Z形弯道(304)，下端设有L形弯道(305)，L形弯道(305)引入所述波能发电装置后侧，发电机(303)安装于所述工作平台(401)上，水轮机(302)设于L形弯道(305)的拐弯处，水轮机(302)的轮轴与发电机(303)的输入轴连接；
所述工作平台(401)安装于所述蓄能机构的入水口A(103)上方。
2.根据权利要求1所述的分层越浪式波能发电装置，其特征在于，所述蓄能机构的上、下蓄水池外侧面坡道上设有由导浪板(106)均匀分割成的多个楔形坡道(107)。
3.根据权利要求2所述的分层越浪式波能发电装置，其特征在于，所述导浪板(106)为不规则四边形。
4.根据权利要求1或2所述的分层越浪式波能发电装置，其特征在于，所述上、下蓄水池内分别设有内验潮井(108)，所述波能发电装置外侧设有外验潮井(109)，内、外验潮井内均设有水位感应器，水位感应器与所述自启闭机构的控制器电连接。
5.根据权利要求1所述的分层越浪式波能发电装置，其特征在于，所述自启闭机构的驱动电机(201)、螺旋升降器A(206)的机头和螺旋升降器B(207)的机头均安装于所述工作平台(401)上，螺旋升降器A(206)的升降杆A(209)穿过工作平台(401)与盖板C(205)连接，螺旋升降器B(207)的升降杆B(210)穿过工作平台(401)与盖板A(203)连接。
6.根据权利要求1或5所述的分层越浪式波能发电装置，其特征在于，所述螺旋升降器B(207)数量为2个，对称设置于联轴器(208)的左右两侧。
7.根据权利要求1所述的分层越浪式波能发电装置，其特征在于，所述水力发电机构包括与所述发电机(303)电连接的蓄电池组(306)，所述蓄电池组(306)位于所述工作平台(401)上。
8.根据权利要求1或7所述的分层越浪式波能发电装置，其特征在于，所述水轮机(302)为轴流式水轮机。
9.根据权利要求1所述的分层越浪式波能发电装置，其特征在于，所述分层越浪式波能发电装置包括支撑机构，所述支撑机构包括底座(502)和桩柱(501)，底座(502)固定于基岩上，桩柱(501)均布在底座(502)上，一端连接底座(502)，另一端连接蓄能机构的下蓄水池(102)底部。
10.根据权利要求1所述的分层越浪式波能发电装置，其特征在于，所述工作平台(401)通过支撑件(402)与上蓄水池(101)固定连接，工作平台(401)外部设有用于保护工作平台(401)上部件的保护罩。
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