CN107044379B - 一种海上自航式绿色能源电力供应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上自航式绿色能源电力供应装置，包括上部设有甲板的船体、推进机构和锚泊系统，船体设有至少一波浪能发电单元组，波浪能发电单元组包括右侧波浪能发电单元和左侧波浪能发电单元，右侧波浪能发电单元包括第一喇叭口、第一L形弯管和第一空气透平发电机组，左侧波浪能发电单元包括第二喇叭口、第二L形弯管和第二空气透平发电机组。本发明有机地集成了后弯管振荡水柱波浪能发电技术、风力发电技术、光伏发电技术和造船技术，保障了发电站的高效性、稳定性，极大地降低了装置的海洋工程费用和锚泊系统费用，船的移动性极大地提高了装置的安全性，为近海、深海、定点、流动广泛低成本利用海上绿色能源提供了可能。

Description

一种海上自航式绿色能源电力供应装置
技术领域
本发明涉及一种海上能源供应装置，具体涉及一种海上自航式绿色能源电力供应装置。
背景技术
海洋是生命的摇篮，更是一个巨大的资源宝库，它蕴藏着种类繁多的生物资源、矿产资源和化学资源等，而且还储有取之不尽的绿色能源(太阳能、风能、波浪能、潮汐能、温差能、盐差能、海流能等)。在环境危机、资源危机及常规能源短缺等的当今世界，人类将目光聚焦新能源，尤其是蕴藏丰富的海上绿色能源，这无疑是应对气候变化和常规能源紧缺的重要选择，也是各个国家采取的共同战略之一。
海上绿色能源利用有如下显著特点：资源蕴藏量大，但能流的分布不均、密度相对常规能源较低；能量多变、不稳定；海洋气候环境复杂，设备易发生腐蚀，且存在极端海况造成毁灭性破坏的可能性；利用技术现在还处于研究发展阶段，利用成本高，经济性低。
为了提高海上绿色能源利用技术经济性和能流的稳定性，利用多种海上绿色能源在时间和空间上的互补性，设计出海上绿色能源多能互补利用系统，可在很大程度上保证能量持续、稳定地输出，最大限度地利用海上绿色能源，充分发挥出海上绿色能源能量系统的最大作用。
目前国内外提出的海上绿色能源互补的方案很多，有太阳能和波浪能互补的方案，有波浪能和风能互补方案，有潮流能、波浪能和风能互补方案，有风能、波浪能、太阳能互补方案等等，所有这些方案都基于一个平台安装风力发电设备、波浪能发电设备和光伏发电设备等，波浪能发电设备主要采用漂浮振荡浮子形式。平台的运输、移动或安装采用重型海洋设备(如拖轮、吊船等)，海洋工程费用高。
漂浮振荡浮子技术是漂浮波浪能利用技术一重要分支，其它两类重要分支为漂浮越浪技术和漂浮振荡水柱技术。漂浮振荡浮子技术是利用波浪能量推动一个浮体相对另一个浮体(支撑平台)平动或转动转换能量，基于该技术发展的装置必须是双(多)浮体，这一特点意味着材料利用率低(双或多浮体)、浮体间相互作用问题不可避免，其同船体(支撑平台)结合利用波浪能的可靠性和材料利用率低。漂浮越浪技术是利用波浪的爬升作用，把波浪能转换为海水的势能，基于该技术发展的装置特点是单浮体(承载平台)，装置要承担转换载体(海水)的重量，因此其结构规模强劲和庞大，后续的海洋工程费用高，同船舶结合的体积庞大，性价比低。漂浮振荡水柱式技术是利用腔体把波浪能转换为腔体的气动能量，其特点是单浮体，材料利用率高、不存在相撞问题，透平和发电机位于水面上不受海生物影响，维修方便。漂浮振荡水柱技术最著名的形式是后弯管技术，如图1所示，主要由“L形弯管、浮力舱、空气透平和发电机(未画出)组成，技术特点是结构简单，吃水浅，不需要现场浮态调节而施工变得简单。目前实验表明，在松弛系泊规则波水池实验中，其俘获宽度比达到154.7％，在随机波水池试验中，俘获宽度比平均值最高达到了89.1％，在正向规则波和随机波作用下，自由漂浮的后弯管模型最高俘获宽度比大概为75％。这些数据表明了后弯管技术的高效性。空气透平是振荡水柱波力装置一非常关键设备，在非稳态气流下空气透平高效转换对于提高整个装置的转换效率影响大，目前Wavegen公司研制的空气透平使气动功率到电功率的转换效率几乎达到60％。因此后弯管技术采用高效透平技术匹配有望使波浪能到电能的转换效率超过50％(89.1％×60％＝53.46％)。
发明内容
本发明基于目前转换效率高的后弯管振荡水柱波浪能利用技术结构简单、吃水浅的特点，结合成熟的船舶技术，提供了一种廉价的海上绿色能源利用方法和装置，解决了现有波浪能利用技术中建造成本高、转换效率低、海洋工程费用高、安全性不高的世界难题，并实施集成光伏发电装置和风力发电设备，改变了装置运输、投放和回收方式，能自航躲避恶劣风浪环境，同时为近海、深海、定点、流动多方式利用海上绿色能源提供了可能。
为实现本发明目的，本发明采取了如下的技术方案：
一种海上自航式绿色能源电力供应装置，包括船体和安装于船体上部的甲板，以及安装在船体上的推进器、方向舵与锚泊系统，所述船体设有至少一波浪能发电单元组，所述波浪能发电单元组包括右侧波浪能发电单元和左侧波浪能发电单元，所述右侧波浪能发电单元包括第一喇叭口、第一L形弯管和第一空气透平发电机组，第一喇叭口和第一L形弯管相通，第一喇叭口的全部和第一L形弯管部分位于海水中，所述第一空气透平发电机组安装在第一L形弯管伸出甲板一端，第一L形弯管中的海水形成第一水柱，第一水柱与第一空气透平发电机组形成第一气室，所述第一气室内空气在第一水柱往复作用下运动推动第一空气透平发电机组输出电能；所述左侧波浪能发电单元包括第二喇叭口、第二L形弯管和第二空气透平发电机组，第二喇叭口和第二L形弯管相通，第二喇叭口的全部和第二L形弯管部分位于海水中，第二L形弯管中的海水形成第二水柱，第二水柱同第二空气透平发电机组形成第二气室，第二气室内空气在第二水柱往复作用下运动推动第二空气透平发电机组输出电能；第一空气透平发电机组和第二空气透平发电机组分别安装在甲板的两侧，所述第一喇叭口的开口方向与第二喇叭口的开口方向相反。
所述第一喇叭口和第二喇叭口分别设置在所述船体的两侧，所述第一喇叭口和第二喇叭口在船体摇荡运动获取波浪能量时，会减少对第一喇叭口和第二喇叭口周围水质点的推动作用，减少了船体机械能传递给海水的能量，即减少辐射波能量损失。
所述右侧波浪能发电单元和左侧波浪能发电单元的中轴线形成的平面与船体的中央纵剖面垂直，所述船体上设置波浪能发电单元的个数根据发电需求设置，不改变船体的前部和尾部形状。
所述海上自航式绿色能源电力供应装置还包括光伏发电设备和风力发电设备，所述光伏发电设备和风能发电设备均安装在所述甲板上。
所述锚泊系统包括安装在甲板上的4套起锚机以及与起锚机配套使用的锚，所述锚通过锚链与起锚机连接。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明有机地集成了后弯管振荡水柱波浪能发电技术、风力发电技术、光伏发电技术和造船技术，保障了发电装置的高效性、稳定性，极大地降低了装置的海洋工程费用和锚泊系统费用，船的移动性极大地提高了装置的安全性，为近海、深海、定点、流动广泛低成本利用海上绿色能源提供了可能。同时丰富的海上绿色能源也可为船舶的航行补充能量。
附图说明
图1为本发明背景技术后弯管技术的结构示意图；
图2为本发明一种海上自航式绿色能源电力供应装置的立体图；
图3为本发明一种海上自航式绿色能源电力供应装置的波浪能发电单元组的结构示意图；
图4为本发明一种海上自航式绿色能源电力供应装置的右侧波浪能发电单元的结构示意图；
图5为本发明一种海上自航式绿色能源电力供应装置的左侧波浪能发电单元的结构示意图；
图6为本发明一种海上自航式绿色能源电力供应装置的纵向剖视图。
其中：1、推进器；2、方向舵；3、起锚机；41、右侧波浪能发电单元；42、左侧波浪能发电单元；411、第一喇叭口；412、第一L形弯管；413、第一空气透平发电机组；421、第二喇叭口；422、第二L形弯管；423、第二空气透平发电机组；43、第一水柱；44、第一气室；6、船体；7、甲板；9、光伏发电设备；10、风力发电设备；13、波浪面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
请参照图2所示，一种海上自航式绿色能源电力供应装置，包括船体6、甲板7、推进器1、方向舵2和锚泊系统，所述船体6设有至少一波浪能发电单元组4，如图3所示，所述波浪能发电单元组4包括右侧波浪能发电单元41和左侧波浪能发电单元42，如图4和5，所述右侧波浪能发电单元41包括第一喇叭口411、第一L形弯管412和第一空气透平发电机组413，第一喇叭口411和第一L形弯管412相通，第一喇叭口411的全部和第一L形弯管412部分位于海水中，所述第一空气透平发电机组413安装在第一L形弯管412伸出甲板7一端，第一L形弯管412中海水形成第一水柱43，第一水柱43与第一空气透平发电机组413形成第一气室44，所述第一气室44内空气在第一水柱43往复作用下运动推动第一空气透平发电机组413输出电能；所述左侧波浪能发电单元42包括第二喇叭口421、第二L形弯管422和第二空气透平发电机组423，第二喇叭口421和第二L形弯管422相通，第二喇叭口421的全部和第二L形弯管422部分位于海水中，第二L形弯管422中的海水形成第二水柱，第二水柱同第二空气透平发电机组423形成第二气室，第二气室内空气在第二水柱往复作用下运动推动第二空气透平发电机组423输出电能；第一空气透平发电机组413和第二空气透平发电机组423分别安装在甲板7的两侧，所述第一喇叭口411的开口方向与第二喇叭口421的开口方向相反。
推进机构包括分别安装在船体6尾部的推进器1和方向舵2，在装置的尾部安装动力系统，使装置具有自航动力，为装置自航创造了条件。
所述锚泊系统包括安装在甲板7上的4套起锚机3以及与4套起锚机3配套使用的锚，所述锚通过锚链与起锚机3连接，利用起锚机3对锚进行收和放，便于装置的布放和回收。
本发明通过采用高效、简单、吃水浅的后弯管技术同造船技术结合形成本装置，装置上安装的推进机构使装置的运输、投放和回收等海洋工程不需要重型设备拖船、运输船等，海洋工程费用低。再说，台风来时装置靠自身推进机构进港避台风，装置的安全得到保障，同时也降低了装置抵抗恶劣海况环境高强度设计的要求，进而降低了建造成本。后弯管技术同船舶技术的结合不仅突破性地解决了目前波浪能利用技术海洋工程费用高、台风破坏等问题，而且其移动性极大地延伸了海洋波浪能的利用区域，使深海波浪的利用也变成可能。
所述海上自航式绿色能源电力供应装置还包括光伏发电设备9和风力发电设备10，所述光伏发电设备9和风力发电设备10均安装在所述甲板7上。利用它们时间和空间上的互补性，就形成了一座可自航的稳定的海上绿色电站。
所述第一喇叭口411和第二喇叭口421分别设置在所述船体6的两侧，这样，所述第一喇叭口411和第二喇叭口421在船体6摇荡运动获取波浪能量时，推动第一喇叭口411和第二喇叭口421周围水质点运动少，减少了船体6机械能传递给海水的能量，即减少了辐射波能量损失。所述右侧波浪能发电单元41和左侧波浪能发电单元42的中轴线形成的平面与船体6的中央纵剖面垂直，当入射波方向与船体6的中央剖切面垂直时，可最大限度的收集波浪能。同时在不改变船体6的前部和尾部形状下，所述船体6上设置波浪能发电单元4的个数可以根据发电需求设置，大大增加了本装置的输出功率。本发明在船体结构的基础上两侧留出部分空间成对交叉安装多对简单的右侧波浪能发电单元41和左侧波浪能发电单元42，将高效、简单、吃水浅的后弯管技术同造船技术相结合，在提高装置在波浪能的转换效率下情况下，又不改变船的前部和尾部形状。并且在增加迎浪宽度和减少辐射波损失提高装置高效波浪能转换的基础上，解决了目前常规波浪利用技术移动、布放和回收海洋工程费用居高不下问题，同时简单的船型结构具有技术、材料和建造成本低的优势。当然本发明采用的弯管的长度和形状可不同，弯管内水柱的长度和形状不一样导致弯管水柱的固有振动周期不同，有利于提高装置在随机波下波浪能的转换效率，同时不改变装置的前部和尾部形状。
本发明在船舶技术的基础上，利用多对弯管特殊的外形结构，装载推进机构和起锚系统，起锚系统和推进机构的配置，便于装置移动进港避台风，使得装置本体和锚泊系统的设计强度远低于极端海况的设计要求，降低了装置材料成本、建造成本，降低了锚泊系统的设计难度、材料成本、海洋工程成本，提高了装置的安全性。装置的自航性，极大地扩展了人类利用波浪能资源的海域。同时，装置上安装有光伏发电设备9和风力发电设备10，利用波浪能、风能和太阳能在时间和空间上的互补性，保障了装置供电的稳定性，同时提高了装置的材料利用率。该发明为实现海上绿色能源低成本广泛利用打下了基础。
本发明的工作过程如下，本发明海上自航式绿色能源电力供应装置的船体6上设有至少一波浪能发电单元组4，所述波浪能发电单元组4包括右侧波浪能发电单元41和左侧波浪能发电单元42，右侧波浪能发电单元41和左侧波浪能发电单元42成对出现，至少有一对，可多可少，由第一L形弯管412和第二L形弯管422的口径宽度、船的长度由设计装机功率决定。
当本发明装置移动避台风或启航去工作点时，起锚机3把锚和锚链收起，装置在推进器1和方向舵2作用下运动到目的地。如图6所示，在装置运动过程中，波浪形成波浪面13，波浪会导致装置摇荡运动，第一L形弯管412内海水形成第一水柱43，当波浪导致装置往复运动时会导致第一水柱43同第一L形弯管412的管壁发生相对运动，推动第一气室44内的空气流动，流动的空气推动第一空气透平发电机组413输出电能，同样，在装置运动或停泊过程中，第二L形弯管422内的第二水柱会与第二L形弯管422的管壁发生相对运动，从而使第二气室内的空气流动推动第二空气透平发电机组423输出电能。本装置波浪能量输出能力同来波方向、来波能量及弯管的结构等因素有关。
当装置停泊定点采集波浪能时，起锚机3把锚和锚链放下，装置被锚泊在某个位置上。当需要最大限度地收集波浪能时，装置抛锚时尽量使入射波方向同装置的中央纵剖面垂直，此时波浪可使装置艏摇运动加剧，增加装置吸收波浪能的能力，提高装置输出能量的能力；当要减少装置吸收波浪能或遇到恶劣海况减少能量输出保护相关设备时，可调整装置的迎浪方向。
装置上的光伏发电设备9和风力发电设备10在有资源时就会工作，输出电能，与波浪能发电设备一起，利用波浪能、太阳能、风能时间上和空间上的互补性，保障装置输出基本稳定的电能。
本发明有机地集成了后弯管振荡水柱波浪能发电技术、风力发电技术、光伏发电技术和造船技术，保障了发电站的高效性、稳定性，极大地降低了装置的海洋工程费用和锚泊系统费用，船的移动性极大地提高了装置的安全性，为近海、深海、定点、移动广泛低成本利用海上绿色能源提供了可能。同时丰富的海上绿色能源也可为船舶的航行补充能量。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的保护范围中。

Claims (5)

1.一种海上自航式绿色能源电力供应装置，包括船体(6)和安装于船体(6)上部的甲板(7)，以及安装在船体(6)上的推进器(1)、方向舵(2)与锚泊系统，其特征在于，所述船体(6)设有至少一波浪能发电单元组(4)，所述波浪能发电单元组(4)包括右侧波浪能发电单元(41)和左侧波浪能发电单元(42)，所述右侧波浪能发电单元(41)包括第一喇叭口(411)、第一L形弯管(412)和第一空气透平发电机组(413)，第一喇叭口(411)和第一L形弯管(412)相通，第一喇叭口(411)的全部和第一L形弯管(412)部分位于海水中，所述第一空气透平发电机组(413)安装在第一L形弯管(412)伸出甲板(7)一端，第一L形弯管(412)中的海水形成第一水柱(43)，第一水柱(43)与第一空气透平发电机组(413)形成第一气室(44)，所述第一气室(44)内空气在第一水柱(43)往复作用下运动推动第一空气透平发电机组(413)输出电能；所述左侧波浪能发电单元(42)包括第二喇叭口(421)、第二L形弯管(422)和第二空气透平发电机组(423)，第二喇叭口(421)和第二L形弯管(422)相通，第二喇叭口(421)的全部和第二L形弯管(422)部分位于海水中，第二L形弯管(422)中的海水形成第二水柱，第二水柱同第二空气透平发电机组(423)形成第二气室，第二气室内空气在第二水柱往复作用下运动推动第二空气透平发电机组(423)输出电能；第一空气透平发电机组(413)和第二空气透平发电机组(423)分别安装在甲板(7)的两侧，所述第一喇叭口(411)的开口方向与第二喇叭口(421)的开口方向相反。
2.根据权利要求1所述的海上自航式绿色能源电力供应装置，其特征在于，所述第一喇叭口(411)和第二喇叭口(421)分别设置在所述船体(6)的两侧，且均淹没于海水中，在波浪作用下船体(6)摇荡运动获取波浪能量时，第一喇叭口(411)和第二喇叭口(421)会减少船体(6)推动周围水质点的运动，从而减少船体(6)机械能传递给海水的能量。
3.根据权利要求2所述的海上自航式绿色能源电力供应装置，其特征在于，所述右侧波浪能发电单元(41)和左侧波浪能发电单元(42)的中轴线形成的平面与船体(6)的中央纵剖面垂直，所述船体(6)上设置波浪能发电单元组(4)的个数根据发电需求设置，不改变船体(6)的前部和尾部形状。
4.根据权利要求1至3任一项所述的海上自航式绿色能源电力供应装置，其特征在于，所述海上自航式绿色能源电力供应装置还包括光伏发电设备(9)和风力发电设备(10)，所述光伏发电设备(9)和风能发电设备(10)均安装在所述甲板(7)上。
5.根据权利要求1所述的海上自航式绿色能源电力供应装置，其特征在于，所述锚泊系统包括安装在甲板(7)上的4套起锚机(3)以及与4套起锚机(3)配套使用的锚，所述锚通过锚链与起锚机(3)连接。
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