CN107228042B - 一种基于水锤泵的近岸波浪能发电系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水锤泵的近岸波浪能发电系统和方法，包括：收集波浪能的聚能水库，所述的聚能水库中设有多个水位差水控装置，所述的水位差水控装置与各自的水锤泵的动力水管连接，所述的水锤泵的扬水管与高位水池连接，所述的高位水池输出管与水轮机连接，所述的水轮机通过连接轴与发电机连接，所述的水锤泵的泄水阀低于低潮水位的高度。本发明采用聚能水库和水锤泵结合的方式，产生稳定的高位水能实现稳定的发电，解决了现有的波浪能发电技术涉及的不稳定能流直接开发利用的设备技术要求高和效率低的问题。由于水锤泵能量转换效率高，提高了整个波能发电系统的能量转换效率。本发明结构简单、运动部件很少，安全可靠、故障率很低，由于结构简单，建造和使用成本较低。

Description

一种基于水锤泵的近岸波浪能发电系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于水锤泵的近岸波浪能发电系统和方法，是一种能量转换系统和方法，是一种利用波浪能发电的系统和方法，是一种清洁环保的新能源系统和方法。

背景技术

目前，近岸波浪能发电方法和技术主要有振荡浮子式、振荡水柱式以及越浪式等手段。它们的共同点是，直接利用波浪能所蕴藏的低水头位能资源，驱动透平机械旋转，带动电机进行发电。相关研究也就集中在低水头海洋波浪能的收集、高效透平机械的开发以及不稳定能流下的电机研制。实际上，低水头海洋波浪能的能流随波浪的波高、频率等因素变化，与日照、温度、风向、风级、季节等多因素有关，因此，波浪能的能流是极不稳定。在现阶段技术水平条件下，不稳定能流的捕捉、收集和转换的效率很低，也就致使目前近岸波浪能的利用效率较低。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于水锤泵的近岸波浪能发电系统和方法。所述的系统和方法结合聚能水库和水锤泵的优点，产生稳定的发电水头，克服了波浪能发电的不稳定难题，提高了波浪能发电效率。

本发明的目的是这样实现的：一种基于水锤泵的近岸波浪能发电系统，包括：收集波浪能的聚能水库，所述的聚能水库中设有多个水位差水控装置，所述的水位差水控装置与各自的水锤泵的动力水管连接，所述的水锤泵的扬水管与高位水池连接，所述的高位水池输出管与水轮机连接，所述的水轮机通过连接轴与发电机连接，所述的水锤泵的泄水阀的水平高度低于低潮水位的高度。

进一步的，所述的聚能水库包括：倾斜的迎浪面，所述的迎浪面后方为多层水库，各层水库的迎浪面上设有进浪口。

进一步的，所述的水位差水控装置包括一根穿过多层水库的立管，所述立管顶端与最上层水库连接，其余每层水库与立管设置对应的止回阀，所述的止回阀向立管内单向开启。

进一步的，所述的止回阀是旋启式止回阀。

进一步的，所述的立管的截面形状为圆形、正方形、矩形、正多边形中的一种。

进一步的，所述的水锤泵的个数N按如下公式计算：

,

式中：P为发电功率，η ₁为发电机的功率，η ₂为水轮机的功率，H为高位水池与水轮机出水口的水位差，q为每台水锤泵的泵水量，g为重力加速度。

进一步的，所述的水锤泵的泄水阀低于最低潮位。

进一步的，所述的水锤泵周围设置隔墙。

一种使用上述系统的近岸波浪能发电方法，所述的方法步骤如下：

用分层水库收集不同高度的波浪，形成几个梯次水位的水体势能；

用水位差水控装置将不同层水库中的水体引入到低于最低潮位的水锤泵中；

利用水锤泵将水体泵至高位水池中，产生冲击水轮机的势能；

利用高位水池中水体势能驱动水轮机带动发电机发电。

本发明产生的有益效果是：本发明采用聚能水库和水锤泵结合的方式产生稳定的高位水能实现稳定的发电，解决了现有的波能发电中的不稳定难题。由于水锤泵能量转换效率高，提高了整个波能发电系统的能量转换效率。本发明结构简单、运动部件很少，安全可靠、故障率很低，由于结构简单，建造和使用成本较低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的立面结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述系统的平面结构示意图；

图3是本发明的实施例二、三所述的聚能水库和水位差水控装置结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种基于水锤泵的近岸波浪能发电系统，如图1、2所示。本实施例包括：收集波浪能的聚能水库1，所述的聚能水库中设有多个水位差水控装置2，所述的水位差水控装置与各自的水锤泵3的动力水管301连接，所述的水锤泵的扬水管与高位水池4连接，所述的高位水池输出管401与水轮机5连接，所述的水轮机通过连接轴与发电机6连接，所述的水锤泵的泄水阀302的水平高度低于低潮水位7的高度。

聚能水库为收集波浪能的装置，可以有多种形式，如：带有倾斜坡的水库。即利用倾斜的坡面，使海浪爬坡，在倾斜坡面上设置进水口，当波浪到达进水口时，跌入水口中，水口中是水库，水库的高度使水库中的水体具有一定的势能，即可以利用带有势能的水体发电。由于海水是不断潮起潮落的，因此，可以设置多层水库收集不同潮位的水进入多层水库，形成不同潮位的水体势能。

图2给出了集成4台水锤泵的近岸波浪能发电系统，仅作为示范使用。实际应用中水锤泵的数量需根据发电量进行计算。设发电功率为P，发电机的功率为η ₁，水轮机的功率为η ₂，发电机的高度为H，每台水锤泵的泵水量为q，所需水锤泵的数量N为：

，

式中：P为发电功率，η ₁为发电机的功率，η ₂为水轮机的功率，H为高位水池与水轮机出水口的水位差，q为每台水锤泵的泵水量，g为重力加速度。

聚能水库内的水通过动力水管进入水锤泵，水锤泵将一小部分水泵送至高位水池，大部分水的低水头位能转换为一小部分水的高水头位能，这样就实现了将聚能水库波动的低水头位能转换为稳定的高水头位能。高位水池的高度在30~50m均可，根据当地的地理条件，选择地质条件好、成本低的位置建造。

发电系统由高位水池、水轮机和电机组成，这与传统的水力发电技术一致。

本实施例所述系统的能量转换利用效率高：水锤泵作为一种无动力泵水机械，能够在0.5~10.0m的水位差范围内高效地将水泵送至30~50m的高度处，能量转换效率在50~70%；而对于30~50m落差的水能资源，市场上配套的水轮机和电机将其转换为电能的效率一般大于80%。这样，整个系统的效率为40~56%，是大于现有的海洋波浪能利用技术手段的。

本实施例所述系统的使用安全可靠：从两方面分析：第一，本系统中，在海水中没有机电设备，唯一的运动部件是止回阀，其他的均为钢筋混凝土结构和钢管，因此，事故概率低；第二，水锤泵的运动部件也是两个止回阀，安全可靠，国内外已有水锤泵正常连续运行数十年的实例，水锤泵的事故概率低。因此，整个系统使用安全可靠。

本实施例所述系统的技术要求相对较低：现有的波浪能发电所使用的振荡水柱、振荡浮子和越浪等技术中，对不稳定的波浪能进行直接利用，能量捕捉、收集、转化和输送技术的要求特别高，这也就是目前这些技术的能量利用效率较低的主要原因。而本实施例所述系统中，不需要透平机械对不稳定的波浪能资源进行直接利用，而是利用提出的系统将不稳定的波浪能转换为稳定的高水头（30~50m）位能，再通过透平机械进行发电。所述系统的聚能水库和水锤泵的技术要求远远低于高精尖透平机械，而30~50m落差水能驱动水轮机发电技术现阶段已经很成熟了，实现难度较小。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于聚能水库的细化。本实施例所述的聚能水库包括：倾斜的迎浪面101，所述的迎浪面后方为多层水库102，各层水库的迎浪面上设有进浪口103，如图3所示。

聚能水库用于收集海洋波浪能，并以低水头位能的形式存储起来。聚能水库可以为多层，图3中显示的是一个两层聚能水库，由上库和下库组成，每层的高度为1.5~2.0m；上下库的迎浪面与海平面的夹角为θ。图3中的θ为45°斜坡面，便于波浪爬升进入。当波浪功率大时，波浪爬升能力强、爬升高度大，可进入上库，此时，下库处于灌满状态，当波浪功率小时，波浪只能进入下库。储存在聚能水库中的水，与海平面具有一定的位差，一般在1.5~4.0m，也就是实现了不稳定海洋波浪能的收集。相比于波高、频率变化较大的海洋波浪能，这种波动的低水头位能的品质略优，但当前技术开发手段较少，效率低。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水位差水控装置细化。本实施例所述的水位差水控装置包括一根穿过多层水库的立管201，所述立管顶端与最上层水库连接，其余每层水库与立管设置对应的止回阀202，所述的止回阀向立管内单向开启，如图3所示。

水位差水控装置由连通各层水箱和水锤泵动力水管的竖管和止回阀组成，竖管断面形状可以是圆形、正方形、矩形或正多边形等，在每层水箱与竖管之间设一个或者多个止回阀，止回阀可以旋启式或其他形式的止回阀。止回阀安装在竖管壁上，开口为圆形或矩形。当某一层水箱水位高于竖管内水位时，该水箱内止回阀开启，该水箱内海水进入竖管；反之，当该层水箱水位低于竖管内水位时，该水箱内止回阀关闭，防止竖管内海水流入该水箱。在上库有水的情况下，利用上库的水；在上库无水的情况下，利用下库的水。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于止回阀细化。本实施例所述的止回阀是旋启式止回阀。

旋启式止回阀是一种结构简单，使用方便的止回阀。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于立管细化。本实施例所述的立管的截面形状为圆形、正方形、矩形、正多边形中的一种。

立管的水平截面形状根据所使用的管型型材所决定，以坚固、成本低为选择的要点。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水锤泵个数的细化。本实施例所述的水锤泵的个数N按如下公式计算：

,

式中：P为发电功率，η ₁为发电机的功率，η ₂为水轮机的功率，H为高位水池与水轮机出水口的水位差，q为每台水锤泵的泵水量，g为重力加速度。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水锤泵泄水阀位置的细化。本实施例所述的水锤泵的泄水阀302低于最低潮位，见图1所示。

水锤泵泄水阀的位置与水锤泵的效率有关，通常情况下水锤泵的泄水阀应当平齐或低于下游水位。在平齐下游水位时效率最高，再低于下游水位就没有意义了，只会增加水锤泵机坑的深度，换句话说，就是增加土方量。对于水位线上下移动的海平面来说，只能将泄水阀的水平高度降低至最低潮位，才能获得最高的效率。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水锤泵位置的细化。本实施例所述的水锤泵周围设置隔墙8，如图1所示。

隔墙的作用是为了维护水锤泵方便，当水锤泵需要检修或维护时，将需要维护的水锤泵隔墙内的水排干，即可进行维修。

实施例九：

本实施例是一种使用上述实施例所述系统的近岸波浪能发电方法，所述的方法步骤如下：

用分层水库收集不同高度的波浪，形成几个梯次水位的水体势能。本步骤根据不同的潮位收集波浪的能量，一般使用两层或三层水库，形成两个梯次或三个梯次的水体势能。简单的说，就是高潮时的水位进入最高层的水库中，当潮位下降是依次进入下面几层水库，在不同的潮位下，形成不同的水体势能。

用水位差水控装置将不同层水库中的水体引入到低于最低潮位的水锤泵中。本步骤是关键性的步骤，将不同水位的水体势能产生同样的水头效果，以推动水锤泵。由于海潮不断变化，要形成稳定的，能够推动水锤泵的水体是一件困难的事情，而本实施用一个简单的方式解决了这个问题，即使用一根立管，在立管上根据潮位开一些进水口，在进水口上设置向立管内单向开启的止回阀，当潮位变化时，止回阀依次开闭或关闭，使水锤泵的动力水管中能够维持稳定的压力，保证水锤泵的稳定工作。

利用水锤泵将水体泵至高位水池中，产生冲击水轮机的势能。高位水池相当于一个缓冲池，能够将水锤泵产生的压能转化为稳定势能存储起来，再通过势能发电。如果将水锤泵产生的压能用来直接用于驱动水轮机，能流是不稳定的，水轮机和发电机在不稳定能流下的使用效率低，也会缩短机械的使用寿命，因此使用高位水池十分必要。

利用高位水池中水体势能驱动水轮机带动发电机进行发电。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如水锤泵的形式、各个要素的排列形式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于水锤泵的近岸波浪能发电系统，其特征在于，包括：收集波浪能的聚能水库，所述的聚能水库中设有多个水位差水控装置，所述的水位差水控装置与各自的水锤泵的动力水管连接，所述的水锤泵的扬水管与高位水池连接，所述的高位水池输出管与水轮机连接，所述的水轮机通过连接轴与发电机连接，所述的水锤泵的泄水阀水平高度低于低潮水位的高度；所述的聚能水库包括：倾斜的迎浪面，所述的迎浪面后方为多层水库，各层水库的迎浪面上设有进浪口；所述的水位差水控装置包括一根穿过多层水库的立管，所述立管顶端与最上层水库连接，其余每层水库与立管设置对应的止回阀，所述的止回阀向立管内单向开启。

2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述的止回阀是旋启式止回阀。

3.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述的立管的截面形状为圆形、矩形、正多边形中的一种。

4.根据权利要求1-3之一所述的发电系统，其特征在于，所述的水锤泵的个数N按如下公式计算：

,

式中：P为发电功率，η ₁为发电机的效率，η ₂为水轮机的效率，H为高位水池与水轮机出水口的水位差，q为每台水锤泵的泵水量，g为重力加速度。

5.根据权利要求4所述的发电系统，其特征在于，所述的水锤泵的泄水阀低于最低潮位。

6.根据权利要求5所述的发电系统，其特征在于，所述的水锤泵周围设置隔墙。