CN105240203A - 筏式柔性结构波能发电装置 - Google Patents

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余海涛
白志刚
杨武
戴磊
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Abstract

本发明公开了一种筏式柔性结构波能发电装置，包括涡轮发电机、锚杆和由柔性材料制作的敞口式腔体，所述敞口式腔体的一端设有喇叭口状的进水段，另一端设有涡轮发电机，所述敞口式腔体由自进水段至发电机安装区之间依次贯通连接的筏式脉动形成区、膨胀波波能汇集区和波能转换区构成；所述膨胀波波能汇集区的横截面是由大到小自筏式脉动形成区过渡至波能转换区；所述发电机安装区位于所述波能转换区的尾部；水流的流动带动涡轮发电机的叶片转动，进而转化为电能。本发明结构简单，能量转换环节少，很大程度上提高了波能利用率，并且该装置还可以布设在防波堤前方，一方面可以用来发电，另一方面也能起到消波的作用，大大缓解了防波堤的挡浪压力。

Description

筏式柔性结构波能发电装置
技术领域
本发明涉及波浪发电装置，特别涉及一种波浪能发电装置。
背景技术
随着陆上资源难以满足人类社会发展的需要，世界各国均把海洋可再生能源作为解决能源短缺和应对气候变化的战略资源。特别是进入到21世纪，面对煤、石油等化石性能源日益匮乏和减少环境污染、应对气候变化的巨大压力下，国际社会对海洋可再生能源在未来能源领域的战略地位己形成共识，海洋开发利用成为21世纪全球高新技术的重要内容之一。
波浪能作为一种清洁的可再生能源，早在一个世纪前，人类就开始着手对它进行研究，但那时的波浪能研究主要集中在波能转换装置的发明上，真正实用的波能装置很少。直至上世纪70年代中期，人们才开始认真地研究波浪能的实际利用技术。经过长期研究，美国、丹麦、英国、日本等发达国家在波浪能研究技术上发展迅速，并取得突破，开展了规模化应用示范试验。中国也是世界上主要的波能研究开发国家之一。从80年代初开始主要对固定式和漂浮式振荡水柱波能装置以及摆式波能装置等进行了研究。
波浪能吸收装置虽然有了一定的发展，但是与其他形式的能源利用装置相比较，例如风能，尚处于不太成熟的状态。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。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。2、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能力转化级数较少，避免了多级转化过程中的能量损失，但是其在应付极端天气情况时的可靠性差。3、将波浪能转化为流动的压缩空气，进而发电，主要是采用在防波堤中通过增设与海水连通的空间结构，随着波浪的涌动形成水位的升降，进而推动发电机叶轮转动，最终带动发电机发电，使用过程中，水位振幅较低，其能量吸收的效率比较低。上述几种波浪能发电装置各有优缺点，都存在改善发电装置、提高发电效率的需求。因此，在现有波浪能发电技术发展的基础上，亟需一种波能吸收率高、成本低、长期运行可靠性高的波能发电装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种筏式柔性胶囊波能发电装置,其结构简单、波浪能捕获率较高，能量吸收的效率较高，制造成本和维护成本低、长期运行可靠。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种筏式柔性结构波能发电装置，包括涡轮发电机、锚杆和由柔性材料制作的敞口式腔体，所述敞口式腔体的一端设有喇叭口状的进水段，所述敞口式腔体与进水段之间设有止逆阀；所述进水段与所述锚杆固定，用以将所述敞口式腔体固定于水面之下；所述敞口式腔体的另一端设有发电机安装区，所述发电机安装部内设有支架，所述涡轮发电机通过一固定支架固定在发电机安装区；所述敞口式腔体由自进水段至发电机安装区之间依次贯通连接的筏式脉动形成区、膨胀波波能汇集区和波能转换区构成；所述膨胀波波能汇集区的横截面是由大到小自筏式脉动形成区过渡至波能转换区；所述发电机安装区位于所述波能转换区的尾部；水流由喇叭口状的进水段进入敞口式腔体，其中，所述筏式脉动形成区随着外部波浪的波峰波谷的变换收缩或扩张形成脉动，使所述筏式脉动形成区内的水体涌向膨胀波波能汇聚区，膨胀波波能汇聚区的膨胀波能量挤压水体汇入波能转换区，波能转换区内水体流动带动涡轮发电机发电。
进一步讲，本发明筏式柔性结构波能发电装置，其中，所述筏式脉动形成区由多个并排布置的敞口圆筒状硅胶管组成。所述波能转换区为一圆柱形通道，所述涡轮发电机固定于该圆形通道的中心轴上。所述锚杆的高度要满足在低水位或高水位时，筏式柔性结构波能发电装置的整体位于水面以下，所述锚杆的刚度要满足波浪的冲击和柔性结构运动所需要的承载力。
与现有技术相比，本发明筏式柔性结构波能发电装置中采用筏式柔性结构(即由自进水段至发电机安装区之间依次贯通连接的筏式脉动形成区、膨胀波波能汇集区和波能转换区构成的敞口式腔体)实现波能转换，其概念新颖、设计简单且极具创新性。其优势在于：
(1)橡胶管膨胀波与管尾汇集波大大增加了波浪能量，即便在小波浪的条件下运行，也会有很高的效率；
(2)采用直接的面式结构，以摄取更多的波浪能量，解决了点式和线式波能吸收装置捕获波能不足的瓶颈；
(3)设计简单、经久耐用保证了低廉的制造和维修成本；
(4)将该筏式结构布置在防波堤之前，波能转换区置于防波提中，既能发电又能起到消波的作用，减轻了防波堤的负担。
综上，本发明筏式柔性结构波能发电装置是一种波能吸收率高、结构简单、制造成本和维护成本低、长期运行可靠的波浪能发电装置。
附图说明
图1是本发明筏式柔性结构波能发电装置的主视图；
图中：1-锚杆，2-喇叭口，3-敞口式腔体，4-膨胀波波能汇集区，5-波能转换区，6-涡轮发电机，7-支架，8-止逆阀，9-筏式脉动形成区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明的一种筏式柔性结构波能发电装置，包括涡轮发电机6、锚杆1和由柔性材料制作的敞口式腔体3，所述敞口式腔体3的一端设有喇叭口状的进水段2，所述敞口式腔体3与进水段2之间设有止逆阀8；所述进水段2与所述锚杆1固定，用以将所述敞口式腔体3固定于水面之下，同时，所述锚杆1的高度要满足在低水位或高水位时，筏式柔性结构波能发电装置的整体位于水面以下，所述锚杆1的刚度要满足波浪的冲击和柔性结构运动所需要的承载力。所述敞口式腔体3的另一端设有发电机安装区，所述发电机安装部内设有支架7，所述涡轮发电机6通过一固定支架7固定在发电机安装区。
所述敞口式腔体3由自进水段2至发电机安装区之间依次贯通连接的筏式脉动形成区9、膨胀波波能汇集区4和波能转换区5构成，所述膨胀波波能汇集区4的横截面是由大到小自筏式脉动形成区9过渡至波能转换区5，所述波能汇聚区4的几何形状及大小根据所承受汇聚过来的膨胀波能量来确定，所述发电机安装区位于所述波能转换区5的尾部，所述波能转换区5为一圆柱形通道，所述涡轮发电机6固定于该圆形通道的中心轴上。水流由喇叭口状的进水段2进入敞口式腔体3，其中，所述筏式脉动形成区9随着外部波浪的波峰波谷的变换收缩或扩张形成脉动，使所述筏式脉动形成区9内的水体涌向膨胀波波能汇聚区4，膨胀波波能汇聚区4的膨胀波能量挤压水体汇入波能转换区5，波能转换区5内水体流动带动涡轮发电机6发电。
实施例：
主要包括起固定作用的锚杆1，一排或几排并列布置的弹性极强的硅胶管和其尾部的涡轮发电机6，硅胶管的两端开敞，硅胶管的一端用于海水进入，锚杆1采用钢柱，该钢柱的高度应保证无论是高水位还是低水位时可以保证筏式柔性结构波能发电装置的整体一直浸没在水中，而固定在钢柱上的喇叭口状的进水段2，其作用主要是保证由多个并排布置的敞口圆筒状硅胶管组成的筏式脉动形成区9的管口能正常进水，在喇叭口和各圆筒状硅胶管之间设有止逆阀8以保证水流在这端只进不出；硅胶管的另一端布置涡轮发电机6，该端布置在防波堤内侧，一方面收集由首部传来的膨胀波能量，另一方面还能起到消波的作用。
本发明中，由一排或几排弹性极强的硅胶管组成的敞口式腔体3的筏式脉动形成区9具有很强的收缩性，形成悬浮在海中的面状柔性皮筏，硅胶管管口是敞开的，管道的末端依次连接一段呈收口状的膨胀波波能汇聚区4和一个带有涡轮发电机6的压力总管(即呈一圆柱形通道的波能转换区5)相连接。当波浪传播过来时，水体由喇叭口进入筏式脉动形成区9中，水体进入筏式脉动形成区9后会随着外部波浪的波峰波谷的变换收缩或扩张形成脉动来传输水体，这样每当有海浪沿敞口式腔体3的长度方向通过时，弹性极强的“橡胶筏”(筏式脉动形成区9)就会随之上下摆动，每一条橡胶管内部就会各产生一股水流脉冲，从而迫使橡胶管的外壁在压力较小的波谷处向外膨胀(而在压力较大的波峰处向内收缩)，形成沿其长度方向传播的“膨胀波”，面迎海浪，每一个弹性极强的柔性胶管犹如人类循环系统脉搏运动相似随着波浪运动而摆动发电。其工作原理是：将由天然乳胶或硅胶等高弹性材料制成的“橡皮筏”以锚杆或钢结构形式固定在离岸一定水深中，该“橡皮筏”的入水口处连接喇叭口，大大增加波浪作用时的进水量。这样每当有海浪沿其长度方向经过时，弹性极强的“橡胶筏”就会随之上下摆动，每一条橡胶管内部就会各产生一股水流脉冲，随着波浪幅度的加大，脉冲也会越来越强，所有膨胀波在到达管尾压力总管的波能汇聚区4后进一步汇集，加聚能量传输至波能转换区5尾部的涡轮发电机6中，水流的流动带动涡轮发电机6的叶片转动，进而转化为电能由此实现发电。
本发明发电装置结构简单，制造成本低；依靠硅胶管捕获波能，能量转换环节少，很大程度上提高了波能利用率；硅胶结构稳定，可靠性强；硅胶管耐腐蚀性强，维护成本低；将本发明发电装置还可以布设在防波堤前方，不仅能起到发电的作用，还能起到消波的作用，可以有效地缓解防波堤的挡浪压力，减轻了防波堤的负担。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对其前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种筏式柔性结构波能发电装置，包括涡轮发电机(6)，其特征在于，该波能发电装置还包括锚杆(1)和由柔性材料制作的敞口式腔体(3)，所述敞口式腔体(3)的一端设有喇叭口状的进水段(2)，所述敞口式腔体(3)与进水段(2)之间设有止逆阀(8)；所述进水段(2)与所述锚杆(1)固定，用以将所述敞口式腔体(3)固定于水面之下；所述敞口式腔体(3)的另一端设有发电机安装区，所述发电机安装部内设有支架(7)，所述涡轮发电机(6)通过一固定支架(7)固定在发电机安装区；
所述敞口式腔体(3)由自进水段(2)至发电机安装区之间依次贯通连接的筏式脉动形成区(9)、膨胀波波能汇集区(4)和波能转换区(5)构成；所述膨胀波波能汇集区(4)的横截面是由大到小自筏式脉动形成区(9)过渡至波能转换区(5)；所述发电机安装区位于所述波能转换区(5)的尾部；水流由喇叭口状的进水段(2)进入敞口式腔体(3)，其中，所述筏式脉动形成区(9)随着外部波浪的波峰波谷的变换收缩或扩张形成脉动，使所述筏式脉动形成区(9)内的水体涌向膨胀波波能汇聚区(4)，膨胀波波能汇聚区(4)的膨胀波能量挤压水体汇入波能转换区(5)，波能转换区(5)内水体流动带动涡轮发电机(6)发电。
2.根据权利要求1所述筏式柔性结构波能发电装置，其特征在于：所述筏式脉动形成区(9)由多个并排布置的敞口圆筒状硅胶管组成。
3.根据权利要求1所述筏式柔性结构波能发电装置，其特征在于：所述波能转换区(5)为一圆柱形通道，所述涡轮发电机(6)固定于该圆形通道的中心轴上。
4.根据权利要求1所述筏式柔性结构波能发电装置，其特征在于：所述锚杆(1)的高度要满足在低水位或高水位时，筏式柔性结构波能发电装置的整体位于水面以下，所述锚杆(1)的刚度要满足波浪的冲击和柔性结构运动所需要的承载力。
5.根据权利要求1所述筏式柔性结构波能发电装置，其特征在于：所述波能汇聚区(4)的几何形状及大小根据所承受汇聚过来的膨胀波能量来确定。
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