CN105065186B - 一种波浪能转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波浪能转换装置，该装置包括：至少两节漂浮于水面上的波浪能采集浮体，设置于相邻两节波浪能采集浮体之间的俘能摆板，分别设置于相邻两节波浪能采集浮体之间和俘能摆板与相邻两节波浪能采集浮体之间的液压装置，以及一端连接于其中一个波浪能采集浮体上、另一端锚固于海床的系泊装置；相邻两节波浪能采集浮体通过纵摇旋转轴对称地铰接在一起，且彼此能够绕纵摇旋转轴转动；俘能摆板的一端铰接于相邻两节波浪能采集浮体的同一纵摇旋转轴上，另一端延伸至水面以下，且能绕纵摇旋转轴相对于相邻两节波浪能采集浮体转动。本发明可以广泛应用于海洋中波浪能的开发，可以同时利用水面处和水面以下的波浪能，波浪能转换效率高。

Description

一种波浪能转换装置

技术领域

本发明涉及一种波浪能转换装置，尤其涉及一种筏式浮体与摆板相结合结构的波浪能转换装置。

背景技术

由于化石能源危机以及过量碳排放导致的环境污染和全球变暖等问题，人类对绿色可再生能源的需求日益增长。波浪能是海洋能中能流密度最大、分布最广、品味最高的一种清洁可再生能源，因而是各国海洋能研究开发的重点，它的开发利用将有利于缓解能源危机和环境问题。但是，由于波浪能量不稳定、极端海况下普通波浪能转换装置生存能力差和海水腐蚀性强等技术原因，以及开发成本高、规模小、效益差和投资回收期长等经济原因，一直限制着波浪能的大规模商业化开发利用。

波浪能开发最关键的技术在于波浪能转换装置。至今为止，国内已有数百项波浪能利用专利，但没有一项能够实现商业化利用；而国外的波浪能利用专利高达数千项，但没有一项十分完善。在各种类型的波浪能利用装置中，筏式波浪能利用装置因其具有较高的波浪能转换效率，而吸引着人们的广泛关注。目前主要的筏式波浪能利用装置包括科克雷尔(Cockerell)筏、麦凯波(MacCabe)波浪泵、海蛇(Pelamis)和戴克瑟波浪(DEXAWave)装置。其中，科克雷尔筏是一个筏式铰接式驳船，在每个铰结点处安装有液压马达，利用相邻驳船间的相对角运动驱动液压马达带动发电机发电；虽然通过优化阻尼系数和波长，理论上科克雷尔筏的效率可以达到100％，但该装置实际效率较低，因此从未得到应用。麦凯波波浪泵装置是一个铰接三驳船系统，驳船之间的相对纵摇运动驱动水泵，产生的高压水可以用来生产淡水或者发电，该装置下方安装的水平阻尼板可以增强驳船的相互转动，从而提高装置效率。海蛇装置是最接近商业化利用的筏式波浪能转换装置，其在每个铰接点处均有两个自由度，波浪不仅能使其发生相对纵摇，也能使其发生相对艏摇，从而驱动液压泵把液压油压入高压蓄能装置，进而驱动液压马达发电；研究表明海蛇装置最大效率可达150％，然而在葡萄牙安装的海蛇装置运行三个月后进行了大返修，其主要原因是能量传递装置出现了问题，它的液压油缸结构难以适应波浪以秒为间隔的频繁冲击。戴克瑟波浪装置是近年来提出的一种新型筏式波浪能利用装置，在公开号为WO2008135046A2、名称为“波浪能电站(Wave Energy Plant)”的专利文献中公开了该装置，它包括至少两节浮体，相邻浮体铰接在一起，在两个铰接的浮体之间安装至少一个能量吸收机械装置，能量吸收机械装置可以连接到发电机、反渗透膜工厂、海水淡化工厂或者其他机械装置，每节浮体由至少两个浮筒组成，浮筒最好是圆柱型且长度大于直径，两浮筒由刚性构件刚性连接，能量吸收机械装置最好是液压系统；戴克瑟波浪装置具有可移动部件少，制作及维护成本低，安置简单，小浪即可工作，大浪存活能力强等优点。

可见，筏式波浪能利用装置确实具有波浪能转换效率相对较高的优点，但是现有筏式波浪能利用装置的结构相似，均是相邻浮体(或驳船)铰接，利用相邻浮体之间的相对转动俘获波浪能。从提高效率方面考虑，与最早期的筏式波浪能利用装置科克雷尔(Cockerell)筏相比，麦凯波(MacCabe)波浪泵在中间驳船下方增设了一块水平阻尼板从而增强相对转动，并提高效率；海蛇(Pelamis)通过改变连接铰的结构，使浮体之间不仅可以纵摇还可以艏摇，从而提高效率，戴克瑟(DEXA)通过将浮筒置于浮体的最外侧，提高浮体的静水恢复力，从而提高效率。

然而，郑思明等通过数值研究发现，浮体纵摇运动方向的回转半径对筏式波浪能利用装置的俘能效率有较大影响，对于特定的周期，存在最优的回转半径，并且波浪周期越大，对应的回转半径越大。另外，传统的筏式波浪能利用装置基本上只利用了水面处的波浪能，水面以下的一些波浪能则没有得到利用。因此，波浪能转换装置的转换效率还有很大的提升空间。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种波浪能转换装置，将筏式浮体与摆板相结合，既能利用水面处的波浪能，也能利用水面以下的波浪能，有效提高波浪能转换效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种波浪能转换装置，其特征在于，该装置包括：至少两节漂浮于水面上的波浪能采集浮体，设置于相邻两节所述波浪能采集浮体之间的俘能摆板，分别设置于相邻两节所述波浪能采集浮体之间和所述俘能摆板与相邻两节所述波浪能采集浮体之间的液压装置，以及一端连接于其中一个所述波浪能采集浮体上、另一端锚固于海床的系泊装置；相邻两节所述波浪能采集浮体通过纵摇旋转轴对称地铰接在一起，且彼此能够绕所述纵摇旋转轴转动；所述俘能摆板的一端铰接于相邻两节所述波浪能采集浮体的同一所述纵摇旋转轴上，另一端延伸至水面以下，且能绕所述纵摇旋转轴相对于相邻两节所述波浪能采集浮体转动。

所述波浪能采集浮体包括大浮筒、小浮筒和连接桁架，所述大浮筒和小浮筒的两端均分别设置一套箍，所述连接桁架通过所述套箍将所述大浮筒和小浮筒连接成一个整体；所述小浮筒两端的套箍上均分别设置两个带有球铰座的刚性支柱和一个铰接轴座，所述刚性支柱用于安装所述液压装置，所述铰接轴座用于安装所述纵摇旋转轴；通过调节所述大浮筒与所述小浮筒的直径比，能改变所述波浪能采集浮体绕所述纵摇旋转轴的回转半径。

所述大浮筒和小浮筒采用钢筋混凝土预制而成，或者采用钢管制作而成；所述大浮筒和小浮筒均为中空结构，所述大浮筒和小浮筒的平均密度与水相同；所述连接桁架采用钢、合金钢或铸造锌合金制作而成，并做防止海水腐蚀的保护措施。

所述大浮筒和小浮筒的截面为圆形、椭圆形或长方形。

所述俘能摆板顶部靠近两端处分别设置一铰接轴座，用于安装所述纵摇旋转轴；所述俘能摆板前后两侧面靠近两端的中上部分别设置一球铰座，用于安装设置在所述俘能摆板与相邻两节所述波浪能采集浮体之间的所述液压装置；所述俘能摆板的宽度等于所述波浪能采集浮体的宽度，所述俘能摆板沿悬挂方向的水下长度小于所述波浪能转换装置工作海域主要波况下的半个波浪波长。

所述俘能摆板为长方形板，或者为长方形框架内从上到下设置相邻的圆柱筒而形成的复合板；所述俘能摆板采用聚氯乙烯制成。

所述液压装置为杆式液压缸，其包括活塞、活塞连杆、液压缸、设置在所述活塞连杆端部和液压缸缸底的球铰以及进水单向阀和出水单向阀；所述液压装置使用海水作为工作液体，所述进水单向阀与进水软管相连通，用于从海水中取水，所述出水单向阀与出水软管相连通，用于将海水送到液压马达带动发电机发电或送到反渗透膜系统进行海水淡化。

所述系泊装置为锚链，所述系泊装置连接在所述波浪能采集浮体的所述连接桁架上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的波浪能转换装置，由于俘能摆板的设置，不仅可以俘获水面处的波浪能，还可以俘获水面以下的波浪能，从而提高波浪能转换效率。2、本发明的波浪能转换装置，通过改变大浮筒与小浮筒的直径比，可以调节提高波浪能采集浮体的回转半径，从而可以进一步提高波浪能转换效率。3、本发明由于采用海水作为工作液体，没有使用液压油，因此不存在液压油泄漏的危险，更加环保。4、本发明液压装置采用杆式液压缸直接将波浪能转换为液压能，结构简单，功能可靠，提高了波浪能转换装置的安全性，而且维护成本低。5、本发明的大小浮筒可以由钢筋混凝土预制而成，成本较低，而且耐腐蚀，延长波浪能转换装置的使用寿命。6、本发明由于系泊锚链连接在波浪能采集浮体的连接桁架处，因此在防止波浪能转换装置发生漂移的同时，减弱了锚链对波浪能采集浮体运动的约束，更有利于波浪能转换装置俘获波浪能。

附图说明

图1是本发明在静水状态下的主视结构示意图；

图2是本发明在波浪运动状态下的主视结构示意图；

图3是本发明的俯视结构示意图；

图4是本发明波浪能采集浮体的主视结构示意图；

图5是本发明波浪能采集浮体的俯视结构示意图；

图6是本发明俘能摆板的结构示意图；

图7是本发明液压装置的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1～图3所示，本发明提供的一种波浪能转换装置，其包括至少两节波浪能采集浮体1、俘能摆板2、液压装置3和系泊装置4，其中，俘能摆板2与相邻两节波浪能采集浮体1共同铰接于同一纵摇旋转轴，相邻两节波浪能采集浮体1对称于纵摇旋转轴地漂浮在水面上，且一节波浪能采集浮体1可以相对于另一节波浪能采集浮体1绕纵摇旋转轴转动，用于俘获水面处的波浪能；而俘能摆板2的一端悬挂于纵摇旋转轴上，另一端延伸至水面以下，且可以绕纵摇旋转轴相对于相邻两节波浪能采集浮体1转动，用于俘获水面以下的波浪能；液压装置3设置在相邻两节波浪能采集浮体1之间以及俘能摆板2与相邻两节波浪能采集浮体1之间，用于将波浪能采集浮体1和俘能摆板2的运动转化为高压液能，从而驱动发电机发电或者驱动反渗透膜系统进行海水淡化；系泊装置4一端连接在其中一个波浪能采集浮体1上，另一端锚固于海床，用于防止波浪能转换装置发生漂移。

上述实施例中，如图4、图5所示，波浪能采集浮体1包括大浮筒11、小浮筒12和连接桁架13，大浮筒11和小浮筒12的两端均分别设置一套箍14，连接桁架13通过套箍14将大浮筒11和小浮筒12连接成一个整体；小浮筒12两端的套箍14上均分别焊接(仅以此为例，并不限于此)设置两个带有球铰座的刚性支柱15和一个铰接轴座16，刚性支柱15用于安装液压装置3，铰接轴座16用于安装纵摇旋转轴；通过调节大浮筒11与小浮筒12的直径比，可以改变波浪能采集浮体1绕纵摇旋转轴的回转半径，从而提高波浪能转换效率。

上述实施例中，大浮筒11和小浮筒12采用钢筋混凝土预制而成，或者采用钢管制作而成，大浮筒11和小浮筒12均为中空结构，以使大浮筒11和小浮筒12的平均密度基本与水相同；连接桁架13可由钢、合金钢或铸造锌合金等具有较大刚度的材料制成，并做好防止海水腐蚀的保护措施。

上述实施例中，大浮筒11和小浮筒12的截面为圆形、椭圆形、长方形或者其他任意形状。

上述实施例中，如图6所示，俘能摆板2为一块长方形板，其顶部靠近两端处分别焊接(仅以此为例，并不限于此)设置有铰接轴座21，用于安装纵摇旋转轴；俘能摆板2前后两侧面靠近两端的中上部分别设置有球铰座22，用于安装设置在俘能摆板2与相邻两节波浪能采集浮体1之间的液压装置3；俘能摆板2的宽度等于波浪能采集浮体1的宽度，沿悬挂方向的水下长度小于波浪能转换装置工作海域主要波况下的半个波浪波长。根据微幅波理论可知，波浪的能量主要集中在水面以下半个波长范围内，且波浪能随离水面距离增大而迅速衰减，因此，当俘能摆板2的水下长度小于波浪能转换装置工作海域主要波况下的半个波浪波长时，可以使俘能摆板2的俘能效率达到最大化。

上述实施例中，俘能摆板2为长方形框架内从上到下设置相邻的圆柱筒而形成的复合板。当然，俘能摆板2也可以采用其他结构形式。

上述实施例中，俘能摆板2采用聚氯乙烯等轻质坚固材料制成，从而耐海水腐蚀并具有一定强度。

上述实施例中，如图7所示，液压装置3为杆式液压缸，其包括活塞31、活塞连杆32、液压缸33、设置在活塞连杆32端部和液压缸33缸底的球铰34以及进水单向阀35和出水单向阀36；液压装置3使用海水作为工作液体，进水单向阀35与进水软管相连通，用于从海水中取水，出水单向阀36与出水软管相连通，用于将海水送到液压马达带动发电机发电或送到反渗透膜系统进行海水淡化。当液压装置3的活塞连杆32带动活塞31相对于液压缸33向外运动时，出水单向阀36关闭，进水单向阀35开启，液压缸33后部产生的低压会将海水通过进水软管吸入液压缸33；当活塞连杆32带动活塞31相对于液压缸33向内运动时，进水单向阀35关闭，出水单向阀36开启，从而活塞31将吸入液压缸33内的海水通过出水软管送到发电机发电或反渗透膜系统进行海水淡化。当然，液压装置3也可以采用其他形式。

上述实施例中，如图1、图3所示，系泊装置4为锚链，具有较大的抗拉强度，可以防止恶劣天气下受力过大而断裂；系泊装置4连接在波浪能采集浮体1的连接桁架13上，在防止波浪能转换装置发生漂移的前提下，减弱了系泊装置对波浪能采集浮体1运动的约束，更有利于波浪能转换装置俘获波浪能。

本发明波浪能转换装置的工作过程为：首先根据波浪能转换装置工作海域主要波况下的半个波浪波长，确定俘能摆板2沿悬挂方向的水下长度，并计算出波浪能采集浮体1的大浮筒11与小浮筒12的最佳直径比，以得到最优的纵摇运动回转半径。将波浪能转换装置沿波浪传播方向布置，并通过系泊装置4锚固到海床上，防止波浪能转换装置发生漂移。当波浪传播过来时，波浪能采集浮体1的大浮筒11和小浮筒12由于处于波浪的不同位置而会产生上下相对运动，使波浪能采集浮体1发生转动，从而使相邻的两节波浪能采集浮体1之间产生相对转动，进而驱动设置在相邻两节波浪能采集浮体1之间的液压装置3产生往复运动，液压装置3的往复运动驱动发电机发电或反渗透膜系统进行海水淡化；由于波浪能采集浮体1处于最优的纵摇运动回转半径，可以使波浪能采集浮体1的俘能效率达到最大化。同时，当波浪传播到波浪能转换装置时，俘能摆板2受到波浪冲击，产生相对于相邻两节波浪能采集浮体1的转动，从而驱动设置在俘能摆板2与相邻两节波浪能采集浮体1之间的液压装置3往复运动，液压装置3的往复运动驱动发电机发电或反渗透膜系统进行海水淡化；由于俘能摆板2沿悬挂方向的水下长度小于波浪能转换装置工作海域主要波况下的半个波浪波长，可以使俘能摆板2的俘能效率达到最大化。通过波浪能采集浮体1和俘能摆板2的运动，驱动多个液压装置3工作，可以高效地吸收波浪能；因为波浪是无休止的，所以波浪能转换装置的工作过程会周而复始地进行，把蕴藏在海水中的波浪能源源不断地转化为需要的形式输出。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置、及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种波浪能转换装置，其特征在于，该装置包括：

至少两节漂浮于水面上的波浪能采集浮体，

设置于相邻两节所述波浪能采集浮体之间的俘能摆板，

分别设置于相邻两节所述波浪能采集浮体之间和所述俘能摆板与相邻两节所述波浪能采集浮体之间的液压装置，以及

一端连接于其中一个所述波浪能采集浮体上、另一端锚固于海床的系泊装置；

相邻两节所述波浪能采集浮体通过纵摇旋转轴对称地铰接在一起，且彼此能够绕所述纵摇旋转轴转动；所述俘能摆板的一端铰接于相邻两节所述波浪能采集浮体的同一所述纵摇旋转轴上，另一端延伸至水面以下，且能绕所述纵摇旋转轴相对于相邻两节所述波浪能采集浮体转动。

2.如权利要求1所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述波浪能采集浮体包括大浮筒、小浮筒和连接桁架，所述大浮筒和小浮筒的两端均分别设置一套箍，所述连接桁架通过所述套箍将所述大浮筒和小浮筒连接成一个整体；所述小浮筒两端的套箍上均分别设置两个带有球铰座的刚性支柱和一个铰接轴座，所述刚性支柱用于安装所述液压装置，所述铰接轴座用于安装所述纵摇旋转轴；通过调节所述大浮筒与所述小浮筒的直径比，能改变所述波浪能采集浮体绕所述纵摇旋转轴的回转半径。

3.如权利要求2所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述大浮筒和小浮筒采用钢筋混凝土预制而成，或者采用钢管制作而成；所述大浮筒和小浮筒均为中空结构，所述大浮筒和小浮筒的平均密度与水相同；所述连接桁架采用钢、合金钢或铸造锌合金制作而成，并做防止海水腐蚀的保护措施。

4.如权利要求3所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述大浮筒和小浮筒的截面为圆形、椭圆形或长方形。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述俘能摆板顶部靠近两端处分别设置一铰接轴座，用于安装所述纵摇旋转轴；所述俘能摆板前后两侧面靠近两端的中上部分别设置一球铰座，用于安装设置在所述俘能摆板与相邻两节所述波浪能采集浮体之间的所述液压装置；所述俘能摆板的宽度等于所述波浪能采集浮体的宽度，所述俘能摆板沿悬挂方向的水下长度小于所述波浪能转换装置工作海域主要波况下的半个波浪波长。

6.如权利要求5所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述俘能摆板为长方形板，或者为长方形框架内从上到下设置相邻的圆柱筒而形成的复合板；所述俘能摆板采用聚氯乙烯制成。

7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述液压装置为杆式液压缸，其包括活塞、活塞连杆、液压缸、设置在所述活塞连杆端部和液压缸缸底的球铰以及进水单向阀和出水单向阀；所述液压装置使用海水作为工作液体，所述进水单向阀与进水软管相连通，用于从海水中取水，所述出水单向阀与出水软管相连通，用于将海水送到液压马达带动发电机发电或送到反渗透膜系统进行海水淡化。

8.如权利要求5所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述液压装置为杆式液压缸，其包括活塞、活塞连杆、液压缸、设置在所述活塞连杆端部和液压缸缸底的球铰以及进水单向阀和出水单向阀；所述液压装置使用海水作为工作液体，所述进水单向阀与进水软管相连通，用于从海水中取水，所述出水单向阀与出水软管相连通，用于将海水送到液压马达带动发电机发电或送到反渗透膜系统进行海水淡化。

9.如权利要求1或2或3或4或6或8所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述系泊装置为锚链，所述系泊装置连接在所述波浪能采集浮体的所述连接桁架上。

10.如权利要求7所述的一种波浪能转换装置，其特征在于，所述系泊装置为锚链，所述系泊装置连接在所述波浪能采集浮体的所述连接桁架上。