CN103939269A - 大型活塞增压式波浪能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及波浪能发电装置，尤其是一种大型活塞增压式波浪能发电装置，包括安装在水轮机输出轴上的发电机，以及浮体；其中：所述水轮机和发电机位于浮体内，在浮体上的进水孔，在水轮机下方设置有导流管；浮体底部固定有活塞套筒，导流管位于活塞套筒内腔，在活塞套筒中安装有中心导向轴，中心导向轴上安装有两个限位装置，在两个限位装置之间的中心导向轴上通过中心轴套筒安装有活塞，活塞在海浪作用力下沿中心导向轴上下移动，活塞推动活塞套筒内腔中海水来回冲击水轮机的叶片转动，带动发电机发电。本发明由于所述结构而具有的优点是：结构简单、制造成本和维护成本低、提高了波浪能利用率和长期运行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及波浪能发电装置，具体是一种结构简单、制造成本和维护成本低、提高波浪能利用率和长期运行可靠性的大型活塞增压式波浪能发电装置。
背景技术
国家经济每年都在不断增速发展，与之相应，这种经济的增速发展必然导致对能量需求的增速，对电力需求的增加尤其明显。
现有的发电方式主要包括火力发电、水电、核电等等，由于水电和核电的开发会受到许多客观条件的限制，在整个社会的发电量中的比例还比较小，火力发电在中国占有了80%以上的份额。由于火力发电需要消耗大量的化石燃料，同时排放大量的二氧化碳，导致环境污染严重。
地球上化石燃料在不远的将来就会枯竭，人们必须尽快发展新的、清洁的、可再生的替代能源，以维持人类社会可持续发展及环保要求的需要。在这种背景之下，人们将注意力转向了风能和海洋能。海洋能蕴含在海洋的洋流和波浪之中，其中将波浪能转化为电能是一种非常有利用价值的清洁能源。因为波浪本身无处不在，而且蕴含丰富的能量，是一种取之不尽，用之不竭的能量来源。
目前，波浪能发电装置通常采用的方式有以下几种：
1、将波浪能转化为液压能，推动与发电机相连接的涡轮机转动，进而使发电机转动发电。例如苏格兰Pelamis波浪能公司的水蛇波浪能发电设备和美国海洋能技术（OPT）公司的OPT波浪能发电装置。但是采用该结构的波浪能发电装置设计相对比较复杂、造价高和维护成本较高，与目前占统治地位的火力发电和水力发电相比还是没有成本优势。
2、将波浪能转化为流动的压缩空气，推动汽轮机转动，进而使发电机转动发电，即所谓振荡水柱式发电。这种发电设施主要以岸式为主，其结构简单，性能可靠，维护成本低。但其能量转化的效率比较低，建造受地理位置的限制大，不利于推广等。海上漂浮式振荡水柱发电设备以日本已经实际运用的巨鲸最为典型，它避免了岸式设施的地理限制，但是其造价相对较高，与火电、水电相比仍然没有成本优势。
3、将波浪能转化为机械能，直接推动发电机转动发电。这种方式从理论上讲因其没有能量传输形式上的多次转化，避免了转化过程中的能量损失，其能量转化率也高于前面两种形式的波浪能发电装置。但是由于波浪运动的复杂性以及极端天气造成的巨浪等对装置的冲击，大大降低了这种系统的可靠性，使得这种波浪能发电装置难以应付极端的海洋状况，所以至今还没有完整成熟的设备应用。
直接利用海水冲击水轮机发电是一个理论上比较理想的方式，可以减少能量吸收及传输的中间环节，提高波浪能的利用率。通常的方式有利用波浪推动液压泵或者活塞将海水注入岸边的蓄水池中，利用形成的落差，利用水轮机发电。或者利用收缩水道的方式将波浪引入较高的地方，同样形成落差，利用水轮机发电。前面这两种方式的缺点是波浪能的收集在离岸很近的地方，受地理位置的影响比较大。
还有一种海上漂浮式发电装置，例如瑞典的WaveEL波浪能发电装置，采用一个与浮体连接的大约20米长的管状体，垂直伸入海里，这样就使得管状体内部的海水高度不受管外波浪的影响而保持相对稳定高度，水轮机与管状体相连接，跟浮体一起随波浪上下运动，水轮机的叶片就在管状体内部的海水中上下运动而发生转动，带动发电机发电。这种装置其结构简单，可靠性强，装置处于全密封状态，大部分结构在水下，所以抗风浪、抗腐蚀能力强，但是它仅仅利用内部海水的惯性做工，与水轮机叶片大小相关，所以该装置对波浪能的利用率偏低。
制约波浪能发电技术的应用的因素是多方面的，包括装置本身的能量吸收效率，能量传输效率和能量转化效率，还有装置长期运转的可靠性，装置抗风浪的能力以及抗海水腐蚀能力等等。
综上所述，现有技术的波浪能发电装置结构复杂、制造成本和维护成本偏高、波浪能利用率低和长期运行的可靠性低。
上述几种波浪能发电装置各有优缺点，都存在提高可靠性，提高波浪能的利用率，抗极端海况能力，以及发电效率的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、制造成本和维护成本低、提高波浪能利用率和长期运行可靠性的大型活塞增压式波浪能发电装置。
为实现本发明上述目的而采用的技术方案是：一种大型活塞增压式波浪能发电装置，包括安装在水轮机输出轴上的发电机，以及浮体；其中：
所述水轮机和发电机位于浮体内；在浮体上设置有进水孔，进水孔处于海平面以下，经弧形导流管连接水轮机，水轮机下方连接有导流管，导流管固定在浮体底部，浮体下面固定有活塞套筒，导流管伸入活塞套筒内腔；
由进水口、弧形导流管、水轮机、导流管、流水口构成了一个将发电装置外部海水与活塞套筒内腔连通的一个流水通道；在活塞套筒中安装有中心导向轴，中心导向轴的顶部与浮体底部的导流管接合为一整体，中心导向轴上安装有两个限位装置，其中一个限位装置位于活塞套筒内，另一个限位装置位于活塞套筒外，在两个限位装置之间的中心导向轴上通过中心轴套筒安装有活塞，活塞沿中心导向轴上下移动；
当浮体带动活塞套筒、中心导向轴随波浪上下运动时，活塞在水中保持相对静止状态，导致活塞与活塞套筒形成相对运动，使活塞套筒内腔中的海水形成交替的正压和负压，海水在流水通道中来回流动，实现对水轮机叶片的来回冲击，使转动的叶片带动发电机发电。
由于上述结构，本发明在海浪能的作用下，活塞与活塞套筒之间就产生了相对的运动，对活塞套筒中的海水就产生一个正压或负压， 推动海水流经水轮机进行发电。该装置结构简单，制造成本低；海水直接推动水轮机进行发电，能量转化过程简短，转化效率高。
为了保证装置运行稳定性，本发明的一个显著特征是一个将中心导向轴安装在发电装置的中心，上端固定在浮体上，由上而下穿过活塞套筒，及活塞和阻力盘的中心轴套筒，在活塞和阻力盘连接体的两端安放限位装置，使活塞及阻力盘的连接体被限制在中心导向轴上运动，避免海浪侧向力的影响。
本发明涉及的装置大部分结构在水平面以下，具有良好的抗风浪能力，因而可靠性强；发电设备及控制部件都密封在浮体中，可以有效避免海水的腐蚀，降低维护成本。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明外形结构示意图。
图3为本发明活塞与阻力盘以及中心轴套筒组装后的结构示意图。
图中：1、浮体；2、发电机；3、水轮机；4、中心导向轴；5、活塞套筒；6、活塞；7、阻力盘；8a和8b、限位装置；9、导轨；10、流水口； 11、进水孔； 12、中心轴套筒；13a、弧形海水导流管；13b、海水导流管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参见附图1至3，图中的一种大型活塞增压式波浪能发电装置，包括安装在水轮机3输出轴上的发电机2，以及浮体1；其中：所述水轮机3和发电机2位于浮体1内；在浮体1上设置有进水孔11，进水孔11处于海平面以下，经弧形导流管13a连接水轮机3，水轮机3下方连接有导流管13b，导流管13b固定在浮体1底部，浮体1下面固定有活塞套筒5，导流管13b伸入活塞套筒5内腔；由进水口11、弧形导流管13a、水轮机3、导流管13b、流水口10构成了一个将发电装置外部海水与活塞套筒5内腔连通的一个流水通道；在活塞套筒5中安装有中心导向轴4，中心导向轴4的顶部与浮体1底部的导流管13b接合为一整体，中心导向轴4上安装有两个限位装置8a、8b，其中一个限位装置8a位于活塞套筒5内，另一个限位装置8b位于活塞套筒5外，在两个限位装置8a、8b之间的中心导向轴4上通过中心轴套筒12安装有活塞6，活塞6沿中心导向轴4上下移动；当浮体1带动活塞套筒5、中心导向轴4随波浪上下运动时，活塞6在水中保持相对静止状态，导致活塞6与活塞套筒5形成相对运动，使活塞套筒5内腔中的海水形成交替的正压和负压，海水在流水通道中来回流动，实现对水轮机3叶片的来回冲击，使转动的叶片带动发电机2发电。该装置结构简单，制造成本低；海水直接推动水轮机3进行发电，能量转化过程简短，转化效率高；本装置大部分结构在水平面以下，具有良好的抗风浪能力，因而可靠性强；发电设备及控制部件都密封在浮体中，可以有效避免海水的腐蚀，降低维护成本。在该实施例中，流水口10为活塞套筒5与水轮机3之间的流水通道口；进水孔11为水轮机3与发电装置外部海水之间的流水通道口；弧形海水导流管13a为水轮机3与发电装置外海水之间的水流通道；海水导流管13b为活塞套筒5与水轮机3之间的水流通道。
为了增加活塞6推动海水的力量，上述实施例中，优选地：所述活塞6的底部具有阻力盘7，阻力盘7固定在中心轴套筒12外壁，阻力盘7端面面积大于活塞6底部端面的面积。该实施例中由于活塞6与阻力盘7连成一体，阻力盘7的作用使活塞6在海水中保持静止不动，增强了活塞6与活塞套筒5之间的相对运动，从而增强海水被推出或吸进活塞套筒5内腔中的力量，增加海水对水轮机3叶片的冲击力，也增加了海水流过水轮机的流量，提高海浪能转化为机械能的效率。
活塞上的中心轴套筒12与阻力盘上的中心轴套筒12可以连接的，也可以是分离的；为有效保证活塞6向上的行程，上述实施例中，进一步：所述活塞6通过连接杆与阻力盘7固定连接，连接杆的顶部固定活塞6的底部，连接杆的底部固定在阻力盘7的顶部。在该实施例中，本发明采用的连接方式是本发明的选择之一，不作为本发明的限制条件。
为提高本阻力盘结构的稳定性，上述实施例中，优选地：所述阻力盘7与中心轴套筒12外壁之间通过斜拉的加强筋固接。
为实现最大的海浪利用效率，上述实施例中，优选地：所述并阻力盘7的直径为2～10米。活塞6的直径为1～5米。阻力盘7由于具有很大的面积，面对运动的方向，其在水中上下运动必然受到水的很大的阻力而保持相对静止的状态，与之连接的活塞6也保持相对静止，当浮体1带动活塞套筒5上下运动时，活塞6就会对套筒内5的海水产生一个很大的正压力或负压，加快海水流经水轮机2的速度和流量。提高波浪能的利用率。
为延长本结构的使用寿命，上述实施例中，优选地：所述活塞6与活塞套筒5之间设置有导轨9。该实施例避免了活塞6与活塞套筒7之间的直接磨擦，延长了装置的使用寿命和提高了可靠性。
为了保证装置运行稳定性，本发明的一个显著特征是一个将中心导向轴4安装在发电装置的中心，上端固定在浮体1上，由上而下穿过活塞套筒5，活塞6和阻力盘7的中心，使活塞6及阻力盘7的连接体被限制在中心导向轴4上运动，避免海浪侧向力的影响。进一步：所述中心轴套筒12与中心导向轴4之间安装有导轨和滑轮。避免中心轴套筒12与中心导向轴4之间的直接摩擦。所述中心导向轴4为圆形或多边形，圆形中心导向轴4的直径或多边形中心导向轴4的内接圆直径为0.1～1.5米。
在波浪能较小的海域，上述实施例中，优选地：所述活塞6与活塞套筒5之间采用密封圈动密封连接。
为进一步提高本结构的稳定性，上述实施例中，优选地：所述浮体1与活塞套筒5通过连接柱固定连接，连接柱的顶部与浮体1底部固定，连接柱的底部与活塞套筒5的顶部固定连接。为了加强中心导向轴与浮体1连接的稳定性，另一种方案是将中心导向轴4固接在浮体1上，将导流管13b与中心导向轴4并排安装。
上述结构中，水轮机的功率可以由下式来计算：
P= HgV
其中：P为功率，H为水头（即流经水轮机的水的压力），G为重力加速度 （9.8米/秒）；V为流过水轮机的水的体积。
上述结构中：采用活塞6与阻力盘7连接的结构组合，可以有效的增加水的压力H和流量V，因此可以有效增加水轮机3的能量转化功率。本发明的装置中采用了一个中心导向轴4的设计，这个导向轴可以是圆柱形的，方形的，或是多边形的，实心的，或中空的，不受描述的限制，也可以在上面安装导轨，避免中心导向轴4与活塞6和阻力盘7的连接体直接摩擦。中心导向轴的直径或边长在0.1至1.50米之间。有了这个轴的存在，就可以在将活塞6与阻力盘7的连接体的轴向中心安装一个套筒，或者安装滑轮，这一部分就可以在中心导向轴4上滑动。在中心导向轴4上安装限位装置，就可以起到限制活塞移动的范围，使活塞套筒与活塞两个相对运动的部分保持在同一轴向上运动，防止海浪产生的侧向力破坏装置运行的稳定性。中心导向轴的另一个作用是在导向轴的底端悬挂重物，可以维持整个发电装置直立状态，减少海浪侧向力的影响。本发明还采用了在活塞上安装导轨，活塞套筒上安装滑轮的方法，可以防止活塞6发生转动，同时控制套筒与活塞间的缝隙宽度，避免发生套筒与活塞间的直接摩擦，损害装置的防腐涂层。本发明采用在中心导向轴上运动的活塞与阻力盘的连接体增压或减压活塞套筒中的海水，使海水直接冲击装置内部的水轮机转动，带动发电机发电。
上述结构采用了大型活塞注水方式，直接带动水轮机发电，活塞因与阻力盘连接，使得这种活塞式波浪能发电装置能产生高压、高流速海水流，高效率利用波浪能发电，而且其结构简单，运行可靠，抗风浪，抗腐蚀能力强，维护简单等优点，可以降低波浪能的发电成本，增加其与传统能源生产的竞争力，可以解决海上偏远岛礁的供电及海水淡化的用电需求。
显然，上述描述的所有实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范畴。
综上所述，本装置结构简单、制造成本和维护成本低、提高了波浪能利用率和长期运行的可靠性。
Claims (10)
1. 一种大型活塞增压式波浪能发电装置，包括安装在水轮机（3）输出轴上的发电机（2），以及浮体（1）；其特征在于：
所述水轮机（3）和发电机（2）位于浮体（1）内；在浮体（1）上设置有进水孔（11），进水孔（11）处于海平面以下，经弧形导流管(13a)连接水轮机(3)，水轮机(3)下方连接有导流管(13b)，导流管(13b)固定在浮体(1)底部，浮体(1)下面固定有活塞套筒(5)，导流管(13b)伸入活塞套筒(5)内腔；
由进水口(11)、弧形导流管(13a)、水轮机(3)、导流管(13b)、流水口(10)构成了一个将发电装置外部海水与活塞套筒(5)内腔连通的一个流水通道；在活塞套筒(5)中安装有中心导向轴(4)，中心导向轴(4)的顶部与浮体(1)底部的导流管(13b)接合为一整体，中心导向轴(4)上安装有两个限位装置(8a、8b)，其中一个限位装置(8a)位于活塞套筒(5)内，另一个限位装置(8b)位于活塞套筒(5)外，在两个限位装置(8a、8b)之间的中心导向轴(4)上通过中心轴套筒(12)安装有活塞(6)，活塞(6)沿中心导向轴(4)上下移动；
当浮体(1)带动活塞套筒(5)、中心导向轴(4)随波浪上下运动时，活塞(6)在水中保持相对静止状态，导致活塞(6)与活塞套筒(5)形成相对运动，使活塞套筒(5)内腔中的海水形成交替的正压和负压，海水在流水通道中来回流动，实现对水轮机(3)叶片的来回冲击，使转动的叶片带动发电机(2)发电。
2.根据权利要求1所述的大型活塞增压式波浪能发电装置，其特征在于：所述活塞（6）的底部具有阻力盘（7），阻力盘（7）固定在中心轴套筒（12）外壁，阻力盘（7）端面面积大于活塞（6）底部端面的面积。
3.根据权利要求2所述的大型活塞增压式波浪能发电装置，其特征在于：所述活塞（6）通过连接杆与阻力盘（7）固定连接，连接杆的顶部固定活塞（6）的底部，连接杆的底部固定在阻力盘（7）的顶部。
4.根据权利要求2或3所述的大型活塞增压式波浪能发电装置，其特征在于：所述阻力盘（7）与中心轴套筒（12）外壁之间通过斜拉的加强筋固接。
5.根据权利要求2或3所述的大型活塞增压式波浪能发电装置，其特征在于：所述并阻力盘（7）的直径为2～10米。
6.根据权利要求1、2、3之一所述的大型活塞增压式波浪能发电装置，其特征在于：所述活塞（6）与活塞套筒（5）之间设置有导轨（9）。
7.根据权利要求1、2、3之一所述的大型活塞增压式波浪能发电装置，其特征在于：所述活塞（6）与活塞套筒（5）之间采用密封圈动密封连接。
8.根据权利要求1所述的大型活塞增压式波浪能发电装置，其特征在于：所述中心导向轴（4）为圆形或多边形，圆形中心导向轴（4）的直径或多边形中心导向轴（4）的内接圆直径为0.1～1.5米。
9.根据权利要求1所述的大型活塞增压式波浪能发电装置，其特征在于：所述中心轴套筒（12）与中心导向轴（4）之间安装有导轨和滑轮。
10.根据权利要求1所述的大型活塞增压式波浪能发电装置，其特征在于：所述浮体（1）与活塞套筒（5）通过连接柱固定连接，连接柱的顶部与浮体（1）底部固定，连接柱的底部与活塞套筒（5）的顶部固定连接。
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