CN104895735A - 一种鲸鱼形波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鲸鱼形波浪能发电装置，包括浮力舱、弯管和空气透平和发电机；空气透平的输出轴与发电机的输入轴通过机械机构相连；弯管设在浮力舱内；弯管的后端位于正常水线以下，弯管的前端伸出正常水线并且该前端连接空气透平，特别的，浮力舱沿其自身的纵向中轴面对称分布；浮力舱的最前端形成有呈鸭蛋形的鱼嘴部；鱼嘴部形成有可减少反射波能量损失的迎波面，该迎波面是外轮廓呈凸曲面形状的斜曲面；浮力舱的底部还形成有一可减少兴波能量损失的外轮廓呈凸曲面形状的消波面。本发明采用简单的腔体，用特殊的形状和柔性材料减少反射波能量、透射波能量和兴波能量，提高浮体把波浪能转换为气体能量的能力，提高整个装置的转换效率。

Description

一种鲸鱼形波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及波浪能发电技术，尤其是涉及一种鲸鱼形波浪能发电装置。

背景技术

波浪能蕴藏量丰富，开发利用潜力巨大，然而海水腐蚀、海生物附着、设备密封、超常波浪破坏力等均影响波浪能的利用，是波浪能利用技术必须克服的几大难题。

波浪能利用技术分为固定式和漂浮式，漂浮式波浪能利用技术因适应面广而成为世界发展的主流。目前基于转换载体(空气、海水、结构物)分类的漂浮式波浪能利用技术基本上可分为振荡水柱技术、越浪技术和振荡浮子技术。

漂浮振荡浮子技术是目前世界发展的主流(包括中国)。漂浮振荡浮子技术的特点是利用波浪能量推动一个浮体相对另一个浮体平动或转动输出能量，最有典型代表的是英国爱丁堡大学Stephen Salter发明的点头鸭(Nodding Duck),其最大的特点是用特殊形状减少反射波和兴波能量损失，后续转换机构通常采用液压系统。行业内的技术人员对此亦作出了相当的研究，如授权公告号为CN 202900523U的实用新型专利文件公开的一种漂浮型振荡浮子式液压波浪能发电装置，该装置包括一个漂浮于海面的大浮体，大浮体下有配重，大浮体外部有均匀分布的三个浮球，三个浮球分别通过三个弹簧复位液压缸固定在大浮体上，液压缸与油箱连接，弹簧复位液压缸与浮体连接的一端装有单向阀，通过油管，与大浮体内部的液压马达连接，液压马达与发电机系统连接，在马达的进口装有蓄能器，大浮体下部为油箱。该装置正是利用浮球与大浮体在波浪中的相对运动来获取波浪能。然而，基于振荡浮子技术发展的漂浮装置至少是双浮体而且必须潜入或半潜入海水中，这一特点意味着材料利用率较低，即漂浮装置至少是双浮体、两浮体在超常波浪力作用下超限运动导致机构受力超常不可避免，强度设计级别要求高，潜水密封级别高。

漂浮越浪技术是波浪推动海水爬升把波浪能转换为海水势能，然后通过水轮机和发电机把势能转换为电能，其特点是水轮机同海水接触，受海生物附着影响大，由于要支撑海水重量装置体积相对庞大，后续的布放费用相应增加，高效率的低水头水轮机是一个需要解决的关键问题。漂浮振荡水柱技术是通过空气把波浪能转换为可用的能量，公认的特点是结构简洁，材料利用率高，即漂浮装置可以是单浮体，机电部分在海面以上，不接触海水，故障率低，维护方便，密封级别要求低，海生物附着影响小。

漂浮振荡水柱技术有三类：后弯管类(Backward Bent Ducted Buoy，BBDB)、斜管类(Sloped Buoy)和中心管类(Centre Pipe Buoy)，它们的俘获宽度比在目前实验研究成果上差别不大，但海洋工程差异大。后弯管装置整体吃水浅，一般江河可满足直接拖运要求，不需要进行现场浮态调节，现场施工时间短；斜管振荡水柱装置和中心管振荡水柱装置吃水较深，必须通过辅助方式(船)或通过特殊设计方式进行运输，在现场后还要进行必要的浮态调节工作，现场施工时间较长。它们的海洋工程费用明显高于后弯管振荡水柱装置。基于BBDB技术研建的装置有OE Buoy,基于中心管技术建造的装置有Orecon装置和Oceanlinx Mk3装置。1:4的OE Buoy装置2006以来就在爱尔兰的Galway海湾进行实海况试验，单体经过了3年海上恶劣环境的考验。Oceanlinx Mk3装置在2010年进行了实海况试验。

目前在振荡水柱技术中使用的空气透平主要有Wells透平和冲动式透平。冲动式透平按照导向叶片的不同又分为单向固定导叶冲动透平、单向自调节导叶冲动透平、双向固定导叶冲动透平、双向自调节导叶冲动透平及其他组合方式如双单向冲动透平结构(twinunidirectional impulse turbine topology)等。Wells透平结构简单，但转换效率低，只在特定的转速范围内转换效率高，而且最高大约是30％，容易失速，启动特性差，噪音大；冲动式透平低速效率转换效率高，频带较宽，启动特性佳，研究表明冲动式透平最高转换效率可达74％。实海况试验表明，冲动式透平的转换效率至少是Wells透平的3倍。采用双单向冲动透平结构有望使波浪能到电的转换效率达到50％。

对于一个波浪能装置，入射波浪的能量等于装置吸收的能量、反射波能量、装置运动兴波能量和透射波能量，在入射波能量不变的条件下，反射波能量、装置运动兴波能量的减少意味着装置吸收波浪能量的增加。而目前后弯管装置几乎是一个方形体，其淹没于水下的底部是一个平面，迎浪面也是一个平面，其波的反射系数大概为0.9，这种形式不利于减少反射波和兴波能量损失。

综上所述，后弯管类的波浪能利用技术由于只需一个简单漂浮腔体，其材料和建造成本低，且没有结构物相互作用问题，可靠性高、生存能力强；以空气作为转换载体的机构为透平和发电机，不与海水接触，机构简单，维护成本低，受海生物影响小，而且空气透平转换技术的进步使其转换效率得到较大地提高；点头鸭波浪能利用技术则利用特殊的形状，减少反射波和兴波能量损失，提高了装置把波浪能转换为可利用能量的能力。因此，结合后弯管技术和点头鸭技术优点发展新的利用技术具有更好的发展前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、造价低，性价比高的波浪能发电装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种鲸鱼形波浪能发电装置，包括浮力舱、弯管和空气透平和发电机；空气透平的输出轴与发电机的输入轴通过机械机构相连；弯管设在浮力舱内；弯管的后端位于正常水线以下，弯管的前端伸出正常水线并且该前端连接空气透平，特别的，浮力舱沿其自身的纵向中轴面对称分布；浮力舱的最前端形成有呈鸭蛋形的鱼嘴部；鱼嘴部形成有可减少反射波能量损失的迎波面，该迎波面是外轮廓呈凸曲面形状的斜曲面；浮力舱的底部还形成有一可减少兴波能量损失的外轮廓呈凸曲面形状的消波面。

本发明的原理如下：

正常水线即是水面处在静止状态时的水面线。波浪能推动浮力舱整体摇、荡运动，波浪能转换为浮力舱的机械能，浮力舱管道与管道内的水柱形成相对运动，推动管道内气液界面上方的空气运动，把浮力舱的机械能转换为气动能量，气动能量通过空气透平转换为空气透平的旋转机械能，空气透平的轴则带动发电机发电，这样波浪能就转换为电能。

迎波面是外轮廓呈凸曲面形状的斜曲面，曲面形状可根据入射波的周期和波高大小需求设计。迎波面的纵截面轮廓可包括第一迎波面弧线和第二迎波面弧线，其中在静水浮态时第一迎波面弧线处于正常水线以上，第一迎波面弧线的前端向浮力舱的顶部伸展，邻近弯管的前端，第一迎波面弧线的末端向浮力舱的底部延伸，邻接鱼嘴部的最凸端；在静水浮态时第二迎波面弧线处于正常水线以下，第二迎波面弧线的前端邻接鱼嘴部的最凸端，第二迎波面弧线的末端向浮力舱的底部延伸，邻近消波面。浮力舱处在静水浮态时，第一迎波面弧度的前端点与第二迎波面弧线的末端点可处在同一竖直线上。所谓静水浮态即是浮力舱漂浮在静止的水面上的状态。浮力舱在海面漂浮时，呈鸭蛋形的鱼嘴部可有效降低反射阻尼，从而减少浮力舱在摇荡运动时产生的反射波能量

消波面是以瞬时运动轴为圆心、瞬时运动轴到浮力舱尾部底端的距离为半径的一凸形近圆曲面。该瞬时运动轴即是某时刻浮力舱绕其转动的轴线，瞬时运动轴的空间位置与入射波的波长和波高有关。该消波面的外轮廓呈凸曲面形状，该曲面的纵截面轮廓是一弧度呈圆形或接近圆形的消波面弧线，该消波面弧线的前端邻近第二迎波面弧线的末端，消波面弧线的末端邻近弯管的最后端。形成于浮力舱底部的凸形近圆曲面则可有效降低兴波阻尼，从而减少浮力舱在摇荡运动时产生的兴波能量损失，同时凸形近圆曲面还能增加浮力舱的吃水深度，可减少透射波能量。

基于能量守恒定律，在波浪能转换过程中，波浪产生的入射波能量等于发电装置吸收的能量、发电装置在摇荡时产生的反射波能量、透射波能量和兴波能量。显然，形成于浮力舱的鱼嘴部的迎波面和形成于浮力舱底部的凸形近圆曲面减少了反射波能量、透射波能量和兴波能量损失，即间接地增加了发电装置吸收的能量，从而提高了发电装置的整体转换效率。

弯管优选呈L字形。为保证空气流动顺畅和推动空气透平的气流具有一定的气压差，弯管的前端伸出海平面一定高度后呈渐收缩状，管道收缩前与管道收缩后的管径比可达100：1。

为进一步减少发电装置在摇荡时所损失的兴波能量，浮力舱的后端可形成有半圆形曲面。此外，鱼嘴部迎波面可采用柔性材料，如聚脲弹体材料制成，进一步减少发电装置在摇荡时产生的反射波能量损失。

为避免本发电装置布置在海面时漂离布放位置，浮力舱的底前部安装有锚泊系统。锚泊系统可包括锚泊挂点、锚泊锚链、三角板、锚泊浮子、沉块和锚泊锚索，其中，锚泊挂点设在浮力舱的底前部；三角板处在海水面以下，锚泊锚链的一端、锚泊浮子、锚泊锚索的一端分别与三角板的三顶点连接；锚泊锚链的另一端则连接至锚泊挂点；锚泊锚索的另一端则连接至沉块。锚泊浮子作为标志物漂浮在海水面上；沉块则作为锚栓处在海水面以下。

本发明采用简单的腔体，用特殊的形状和柔性材料减少反射波能量、透射波能量和兴波能量，提高浮体把波浪能转换为气体能量的能力，提高整个装置的转换效率。

附图说明

图1是本发明实施例中浮力舱的示意图；

图2是图1中A的局部放大图；

图3是本发明实施例中发电装置的示意图；

图4是本发明实施例中发电装置的俯视图；

图5是本发明实施例中发电装置工作的第一步骤示意图；

图6是本发明实施例中发电装置工作的第二步骤示意图。

附图标记说明：1-弯管；2-空气透平；3-空气室；4-水线面；5-鱼嘴部；6-迎波面；7-浮力舱；8-进出水端口；9-半圆形曲面；10-消波面；11-锚泊挂点；12-马鞍式锚链；13-连接环；14-锚泊浮子；15-三角板；16-锚泊锚索；17-沉块；61-第一迎波面弧线；62-第二迎波面弧线；71-纵向中轴面；101-消波面弧线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1-4所示，浮力舱7的整体外轮廓呈鲸鱼形，浮力舱7相对其纵向中轴面71对称分布。浮力舱7的最前端形成有呈鸭蛋形的鱼嘴部5，鱼嘴部5的上形成有迎波面6。迎波面6的外轮廓呈凸曲面形状，由聚脲弹体材料制成。本实施例中，迎波面6的纵截面轮廓由第一迎波面弧线61和第二迎波面弧线62构成，其中，在静水浮态时第一迎波面弧线61处于正常水线以上，第一迎波面弧线61的前端向浮力舱7的顶部伸展，邻近弯管1的前端，末端向浮力舱7的底部延伸，邻接鱼嘴部5的最凸端；在静水浮态时第二迎波面弧线62处于正常水线以下，第二迎波面弧线62的前端邻接鱼嘴部5的最凸端，末端向浮力舱7的底部延伸，邻近浮力舱7的锚泊挂点11。浮力舱7的底部则形成有消波面10。消波面10是凸形近圆曲面，消波面10的纵向截面轮廓是一弧度接近圆形的消波面弧线101，该消波面弧线101的前端邻近浮力舱7的锚泊挂点11，其末端邻近弯管1的最后端。而浮力舱7的后端还形成有半圆形曲面9。在静水浮态时，半圆形曲面9部分处在正常水线以下，部分处在正常水线之上。通过半圆形曲面9，可进一步减少浮力舱在摇荡运动时的兴波损失。弯管1呈L字型，内置在浮力舱7中。静水浮态时，弯管1的后端位于正常水线以下，弯管1的后端开口形成进出水端口8；弯管1的前端伸出海平面，且弯管1的前端伸出海水面一定高度后渐收缩形成喷射管；喷射管的管径D₁与弯管的管径D₂之比为1:100。空气透平2安装在喷射管内。空气透平2的输出轴通过机械机构与发电机的输入轴相连。

如图3、5、6所示，本实施例中的发电装置工作时，浮力舱7安置在海水面上后，海水经进出水端口8进入弯管1。弯管1内的水线面4与空气透平2之间形成有空气室3。此时，第一迎波面弧线61位于正常水线以上，第二迎波面弧线62和消波面弧线101位于正常水线以下。当波浪的波峰入射到鱼嘴部5时，鱼嘴部5会抬高，此时气室3内的空间体积增大，空气透平2外部的空气被吸入，推动空气透平2转动，进而带动发电机工作，将波浪能转换成电能，同时弯管1内部分海水通过进出水端口8被排出；当波浪的波谷入射到鱼嘴部5时，鱼嘴部5会降低，此时气室3内的空间体积减少，气室3内被排出，推动空气透平2转动，进而带动发电机工作，将波浪能转换成电能，同时部分海水通过进出水端口8被吸入弯管1内。空气透平2即可带动发电机发电。

浮力舱7在摇荡时，浮力舱7上的鱼嘴部5、迎波面6、消波面10和半圆形曲面9可有效降低浮力舱7在摇荡过程产生的反射波能量、透射波能量和兴波能量。基于能量守恒定律，在波浪能转换过程中，波浪产生的入射波能量等于发电装置吸收的能量、发电装置在摇荡时产生的反射波能量、透射波能量和兴波能量。显然，浮力舱7的鱼嘴部5、迎波面6和消波面10减少反射波能量、透射波能量和兴波能量的同时，即间接地增加了发电装置吸收的能量，从而提高了发电装置的整体转换效率。

浮力舱7可通过拖船带动，移动至合适的海域。随后，施工人员可在浮力舱7的锚泊挂点11连接锚泊锚链，即马鞍式锚链12。锚泊挂点11的位置要尽量减少对浮力舱7摇荡运动的影响。本实施例中，锚泊挂点11处在第二迎波面弧线62与消波面弧线101之间。马鞍式锚链12的一端连接至锚泊挂点11，另一端连接至三角板15的一顶点。三角板15的另一顶点上则连接有锚泊浮子14，锚泊浮子14作为标志物漂浮在海水面上。三角板15的最后一顶点则连接有锚泊锚索16。锚泊锚索16一端连接至三角板15，另一端连接至沉块17。安装完成后，浮力舱随即被锚固在该海域内。浮力舱在摇、荡运动时，即会将波浪能转换成自身运动机械能，并通过空气传递给空气透平，空气透平驱动发电机发电。发电机安装在浮力舱的平台上。

以上详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，更改实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种鲸鱼形波浪能发电装置，包括浮力舱、弯管、空气透平和发电机；所述空气透平的输出轴与发电机的输入轴通过机械机构相连；弯管设在浮力舱内；弯管的后端位于正常水线以下，弯管的前端伸出正常水线并且该前端连接空气透平，其特征是：所述浮力舱沿其自身的纵向中轴面对称分布；所述浮力舱的最前端形成有呈鸭蛋形的鱼嘴部；所述鱼嘴部形成有可减少反射波能量损失的迎波面，所述迎波面是外轮廓呈凸曲面形状的斜曲面；所述浮力舱的底部还形成有一可减少兴波能量损失的外轮廓呈凸曲面形状的消波面。

2.根据权利要求1所述的鲸鱼形波浪能发电装置，其特征是：所述迎波面的纵截面轮廓包括第一迎波面弧线和第二迎波面弧线；在静水浮态时所述第一迎波面弧线处于正常水线以上，第一迎波面弧线的前端向浮力舱的顶部伸展，邻近弯管的前端，第一迎波面弧线的末端向浮力舱的底部延伸，邻接鱼嘴部的最凸端；在静水浮态时所述第二迎波面弧线处于正常水线以下，第二迎波面弧线的前端邻接鱼嘴部的最凸端，第二迎波面弧线的末端向浮力舱的底部延伸，邻近消波面。

3.根据权利要求1所述的鲸鱼形波浪能发电装置，其特征是：所述消波面的纵截面轮廓是一弧度呈圆形或接近圆形的消波面弧线；所述消波面弧线的前端邻近第二迎波面弧线的末端，消波面弧线的末端邻近所述弯管的最后端。

4.根据权利要求1所述的鲸鱼形波浪能发电装置，其特征是：所述弯管呈L字形；所述弯管的前端伸出海平面一定高度后呈渐收缩状，管道收缩前与管道收缩后的比例为100：1。

5.根据权利要求1所述的鲸鱼形波浪能发电装置，其特征是：所述浮力舱后端形成有半圆形曲面。

6.根据权利要求1所述的鲸鱼形波浪能发电装置，其特征是：所述迎波面采用聚脲弹体材料制成。

7.根据权利要求1所述的鲸鱼形波浪能发电装置，其特征是：所述浮力舱的底前部安装有锚泊系统；所述锚泊系统包括锚泊挂点、锚泊锚链、三角板、锚泊浮子、沉块和锚泊锚索；所述锚泊挂点设在浮力舱的底前部；所述三角板处在海水面以下，锚泊锚链的一端、锚泊浮子、锚泊锚索的一端分别与三角板的三顶点连接；所述锚泊锚链的另一端连接至锚泊挂点；所述锚泊锚索的另一端连接至沉块。