CN107687392B - 一种波能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波能发电系统，其包含：振荡气室，包含主室和侧室，侧室中设置活塞；水阀室型空气透平装置，位于振荡气室上方，并连接振荡气室，其包含集气机构、设置在集气机构中的涡轮机、分别连接集气机构以及振荡气室的进气机构以及出气机构；振荡浮子机构，包含一浮子、连接浮子的耦合双稳态能量输出系统、以及连接浮子的水柱能量输出系统，该浮子通过一杠杆组件连接侧室中的活塞；蓄水泄流机构，连接水柱能量输出系统。其优点是：实现了波能向多种形式能的转化，最终转化为电能，以提高波能利用率和转换效率。

Description

一种波能发电系统

技术领域

本发明涉及海洋波能发电技术领域，具体涉及一种波能发电系统。

背景技术

海洋波浪主要是由风产生的，在海洋中，每时每刻都存在波浪，故可利用波浪运动进行波能向电能的转化，但波浪具有往复、低速和不稳定的特点，加之波浪时大时小，时高时低，变化具有随机性，所以如何将低速往复运动转换成高速单向机械运动是波能利用的技术难点和关键之处。

波浪能装置是直接放置在海水中，海洋环境下台风天气时常发生，风具有巨大的破坏能力，会损坏波浪能装置进而造成装置的失效。此外，海水具有腐蚀性，海水中的生物具有附着性，装置容易被腐蚀破坏。所以，从工程观点来看，一个理想的、工程性较好的波浪能发电装置需要有以下三个方面：1、没有水中活动部件；2、总体结果上应有利于抗风浪；3、尽量少的现场施工。但目前还难以找到一个完美的解决方案，这也是波浪能研发中的一个难点。

波能发电装置一般有能量采集系统和能量转换系统，能量采集系统吸收波浪能并将其转换成规则运动形态（例如直线运动，圆周运动）的机械能，再通过能量转换系统将规则运动形态的机械能转换成电能输出。目前，波浪能发电装置主要由三种：1、振荡水柱型波能发电装置，其造价费用昂贵，二次转换过程由于是双向气流造成转换效率低；2、振荡6型波能发电装置，目前使用的线性能量输出系统在共振条件下能量捕获效率低，并且具有窄的能量捕获带宽，适应性较差；3、波浪型波能发电装置，对地形和波道有严格要求，不易推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波能发电系统，实现了波能向多种形式能的转化，最终转化为电能，以提高波能利用率和转换效率。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种波能发电系统，其特征是，包含：

振荡气室，包含主室和侧室，侧室底部与主室连通，侧室中设置活塞；

水阀室型空气透平装置，位于振荡气室上方，并连接振荡气室，其包含集气机构、设置在集气机构中的涡轮机、分别连接集气机构以及振荡气室的进气机构以及出气机构；当水柱在振荡气室中振荡形成波浪后，由波浪能引起水阀室型空气透平装置中气流流动以带动涡轮机产生机械能并同时带动侧室中活塞上下运动；

振荡浮子机构，包含一浮子、连接浮子的耦合双稳态能量输出系统、以及连接浮子的水柱能量输出系统，该浮子通过一杠杆组件连接侧室中的活塞；当活塞上下运动牵动杠杆组件带动浮子上下运动从而引起耦合双稳态能量输出系统切割磁力线，将机械能转化为电能；

蓄水泄流机构，连接水柱能量输出系统；当浮子上下运动引起水柱能量输出系统压缩水柱，使水柱中的水流向蓄水泄流机构中蓄水以将波浪能转化为水的重力势能。

上述的波能发电系统，其中：

所述的振荡气室包含两个侧室；

所述的集气机构包含连通的第一集气室以及第二集气室；

所述的涡轮机设置在第一集气室和第二集气室的连通处；

所述的进气机构包含三个进气室，该三个进气室的出气端均连接第一集气室，该三个进气室的进气端分别连接振荡气室的主室和两个侧室；

所述的出气机构包含三个出气室，该三个出气室的进气端均连接第二集气室，该三个出气室的出气端分别连接振荡气室的主室和两个侧室。

上述的波能发电系统，其中：

每个所述的进气室分别包含：

第一容器，内部设有液体和气体，液体沉于下方，气体浮于上方；

第一出气管，一端与第一容器内的气体连通，另一端与第一集气室连通；

第一进气管，一端由第一容器顶部伸入第一容器内的液体中，另一端连接振荡气室的对应位置；

每个所述的出气室分别包含：

第二容器，内部设有液体和气体，液体沉于下方，气体浮于上方；

第二出气管，一端与第二容器内的气体连通，另一端连接振荡气室的对应位置；

第二进气管，一端由第二容器顶部伸入第二容器内的液体中，另一端与第二集气室连通；

当水柱由波谷向波峰变化时，气流从主室通过进气室进入第一集气室进而推动涡轮机后，从第二集气室由出气室进入两个侧室；当水柱由波峰向波谷变化时气流流向相反，实现气流由主室与侧室之间的循环流动。

上述的波能发电系统，其中，所述的耦合双稳态能量输出系统包含：

圆筒，包含上段区域、中段区域以及下段区域；

外磁铁机构，设置在圆筒中段区域的内壁上；

线圈组，固定在圆筒内的中段区域中；

固定板，固定在圆筒内的中段区域中，并位于线圈组下方；

内磁铁机构，设置在圆筒内的中段区域中，并位于线圈组内，其上部通过连杆与浮子连接，下部通过第一弹簧连接固定板。

上述的波能发电系统，其中，所述的水柱能量输出系统包含：

整流罩，设置在圆筒外；

上活塞板，设置在圆筒内的上段区域中，并连接浮子，其与圆筒上段区域的内壁面之间形成封闭的上水柱腔室；

下活塞板，设置在圆筒内的下段区域中，并连接浮子，该下活塞板上方与固定板之间形成气体空间，该气体空间通过平压管连通大气，该下活塞板与圆筒下段区域的内壁面之间形成封闭的下水柱腔室；

第一单向阀门，上水柱腔室通过该第一单向阀门连通蓄水泄流机构；

第二单向阀门，下水柱腔室通过该第二单向阀门连通蓄水泄流机构；

第三单向阀门，上水柱腔室通过该第三单向阀门连通外部水源；

第四单向阀门，下水柱腔室通过该第四单向阀门连通外部水源。

上述的波能发电系统，其中，所述的杠杆组件包含：

杠杆，一端连接浮子，另一端端部一定范围内沿杠杆长度方向设置两个卡槽；

第一滑动支座，滑动端连接两个卡槽中部对应的杠杆位置；

第一连接杆，一端连接第一滑动支座的固定端，另一端连接活塞；

第二滑动支座，滑动端连接杠杆中部，固定端设置铰节点；

第二连接杆，一端连接铰节点，另一端可转动的连接振荡气室外壁。

上述的波能发电系统，其中：

所述浮子与杠杆组件垂直于来波方向设置。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、耦合了振荡水柱型与振荡6型波能发电装置，同时振荡6型波能发电装置的能量输出系统结合了抽水蓄能发电装置与耦合双稳态能量输出系统，实现了波能向多种形式能的转化，最终转化为电能，以提高波能利用率和转换效率；

2、通过改进的水阀室结构将循环气流进行整合，变往复气流为单向气流，较威尔斯平式双向气流推动下工作效率高，利于推广；

3、新的耦合双稳态能量输出系统，可以表现出两个共振峰值，能够有更大的能量捕获谱带宽，并且由于第一个共振峰值可以收获更多的低频波能量，较传统直线型发电机功率捕获谱带更宽；

4、将振荡浮子与振荡气室通过杠杆耦合后垂直于来波方向布置，保证了浮子与气室中水柱同时处于波峰与波谷，克服了气室与杠杆沿水流方向布置时，由于波浪的不稳定性导致的浮子与气室中水柱不能同时处于波峰与波谷从而无法正常工作的弱点。

附图说明

图1为本发明的波能发电系统的波谷状态示意图；

图2为本发明的波能发电系统的波峰状态示意图；

图3为本发明的进气室的结构示意图；

图4为本发明的出气室的结构示意图；

图5为本发明的振荡浮子机构的结构示意图；

图6为本发明的杠杆组件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1、2所示，本发明提出了一种波能发电系统，其包含振荡气室、水阀室型空气透平装置、振荡浮子机构以及蓄水泄流机构。

所述的振荡气室包含主室31和侧室32，侧室32底部与主室31连通，侧室32中设置活塞9。

所述的水阀室型空气透平装置位于振荡气室上方，并连接振荡气室，其包含集气机构、设置在集气机构中的涡轮机13、分别连接集气机构以及振荡气室的进气机构以及出气机构；当水柱在振荡气室中振荡形成波浪后，由波浪能引起水阀室型空气透平装置中气流流动以带动涡轮机9产生机械能并同时带动侧室中活塞上下运动。

所述的振荡浮子机构包含一浮子7、连接浮子7的耦合双稳态能量输出系统5、以及连接浮子7的水柱能量输出系统6，该浮子7通过一杠杆组件4连接侧室32中的活塞9；当活塞9上下运动牵动杠杆组件4带动浮子7上下运动从而引起耦合双稳态能量输出系统5切割磁力线，将机械能转化为电能；

蓄水泄流机构，连接水柱能量输出系统6；当浮子7上下运动引起水柱能量输出系统6压缩水柱，使水柱中的水流向蓄水泄流机构中蓄水以将波浪能转化为水的重力势能。

本实施例中，所述的振荡气室包含两个侧室32；所述的集气机构包含连通的第一集气室11以及第二集气室12；所述的涡轮机13设置在第一集气室11和第二集气室12的连通处；所述的进气机构包含三个进气室21，该三个进气室21的出气端均连接第一集气室11，该三个进气室21的进气端分别连接振荡气室的主室31和两个侧室32；所述的出气机构包含三个出气室22，该三个出气室22的进气端均连接第二集气室12，该三个出气室22的出气端分别连接振荡气室的主室31和两个侧室32。

如图3所示，每个所述的进气室21分别包含：第一容器211，内部设有液体和气体，液体沉于下方，气体浮于上方；第一出气管213，一端与第一容器211内的气体连通，另一端与第一集气室11连通；第一进气管212，一端由第一容器211顶部伸入第一容器211内的液体中，另一端连接振荡气室的对应位置.

如图4所示，每个所述的出气室22分别包含：第二容器221，内部设有液体和气体，液体沉于下方，气体浮于上方；第二出气管222，一端与第二容器221内的气体连通，另一端连接振荡气室的对应位置；第二进气管223，一端由第二容器221顶部伸入第二容器221内的液体中，另一端与第二集气室连通。

使用时，将振荡气室置于水中，使得主室31和侧室32感知水面起伏变化，结合水阀室型空气透平装置进行发电，具体的原理是，如图2所示，当波峰来临时，振荡气室中水柱由下向上压缩气室中的空气，处于波峰的浮子7推动杠杆机构4由上向下压缩空气，使主室31内的空气形成气流由连接主室的进气室21通过第一集气室11后推动涡轮机13由第二集气室12分别由连接两个侧室32的出气室22流向两个侧室32以便持续工作，也即，当振荡气室中的水柱由波谷向波峰变化时，气流从主室31通过进气室21进入第一集气室31进而推动涡轮13机后，从第二集气室12由出气室22进入两个侧室32；如图1所示，当波谷来临时水柱下降，处于波谷的浮子7通过杠杆机构4带动活塞9由下向上压缩空气使气流由连接侧室32的两个进气室21经第一集气室11推动涡轮机13后由第二集气室12经连接主室31的出气室流向主室31以便持续工作，也即当水柱由波峰向波谷变化时气流流向相反，实现气流由主室与侧室之间的循环流动。本套水阀室型空气透平装置采用改进后的水阀室，通过其整流作用，使双向气流变为单向气流克服了振荡水柱波能发电装置能量二次转换中双向气流推动而向同一方向旋转的威尔斯平式涡轮机效率低下的致命弱点，水柱与活塞9共同的往复运动驱动气流的循环运动比传统的只有水柱的往复运动驱动气流产生的气流量更大从而提高了转换效率，有利于装置的推广。

如图5所示，本实施例中，所述的耦合双稳态能量输出系统包含：圆筒，包含上段区域、中段区域以及下段区域；外磁铁机构，设置在圆筒中段区域的内壁上；线圈组，固定在圆筒内的中段区域中；固定板53，固定在圆筒内的中段区域中，并位于线圈组下方；内磁铁机构，设置在圆筒内的中段区域中，并位于线圈组内，其上部通过连杆与浮子7连接，下部通过第一弹簧连接固定板53。较佳的，所述的外磁铁机构包含两组外磁铁52，线圈组包含两组线圈51，内磁铁机构包含两组内磁铁54，一组外磁铁52对应一个线圈51和一组内磁铁54，这样通过两组的设置，形成耦合双稳态，且两组内磁铁54之间由第二弹簧连接，上部的内磁铁54通过连杆与浮子7连接，下部的内磁铁54通过第一弹簧与固定板53连接。可见，设定质量比和弹簧常数有合适值时，可表现出两个共振峰值，以获得更大的能量捕获谱带宽，并且由于第一个共振峰值可以收获更多的低频波能量，本耦合双稳态能量输出系统克服了传统直线型发电机功率捕获谱带窄，不利于推广的弱点。

本实施例中，所述的水柱能量输出系统包含：整流罩68，设置在圆筒外；上活塞板65，设置在圆筒内的上段区域中，并连接浮子7，其与圆筒上段区域的内壁面之间形成封闭的上水柱腔室；下活塞板66，设置在圆筒内的下段区域中，并连接浮子7，该下活塞板66上方与固定板53之间形成气体空间，该气体空间通过平压管67连通大气，该下活塞板66与圆筒下段区域的内壁面之间形成封闭的下水柱腔室；第一单向阀门61，上水柱腔室通过该第一单向阀门61连通蓄水泄流机构；第二单向阀门62，下水柱腔室通过该第二单向阀门62连通蓄水泄流机构；第三单向阀门63，上水柱腔室通过该第三单向阀门63连通外部水源；第四单向阀门64，下水柱腔室通过该第四单向阀门64连通外部水源。

如图6所示，所述的杠杆组件4包含：杠杆41，一端连接浮子7，另一端端部一定范围内沿杠杆41长度方向设置两个卡槽44；第一滑动支座43，滑动端连接两个卡槽44中部对应的杠杆41位置；第一连接杆46，一端连接第一滑动支座43的固定端，另一端连接活塞9；第二滑动支座42，滑动端连接41中部，固定端设置铰节点；第二连接杆45，一端连接铰节点，另一端可转动的连接振荡气室外壁。

一些实施例中，较佳的，所述浮子7与杠杆组件4垂直于来波方向设置，可以保证浮子7与气室中水柱同时处于波峰与波谷，有效克服了气室与杠杆41沿水流方向布置时，由于波浪的不稳定性导致浮子7与气室中水柱不能同时处于波峰与波谷从而无法正常工作的弱点。

本实施例中，蓄水泄流机构包含蓄水池81、液面控制器82、调速器83、水轮机84；由于自然条件下，入射波不稳定而使蓄水流量不稳定导致蓄水池81液面变化较大，因此，蓄水池81上安装液面控制器82和调速器83，调速器83用于调节泄流的流速，使泄流得以稳定，泄流在推动水轮机84转动时，水轮机84的转速变化不至于过大，液面控制器82则有效地抑制了蓄水池的溢流现象或液面下降过大而造成枯水，装置停止工作的现象。

振荡浮子机构与蓄水泄流机构的工作原理为，浮子7随波面上下往复运动，带动两耦合线性内磁铁54上下振动切割磁感线，使机械能转化为电能，同时带动上活塞板65、下活塞板66往复运动压缩水柱，使水流通过带有单向阀门的导管向蓄水池81蓄水，然后泄流推动水轮机84转动。具体过程为：当波峰来临时，浮子7随波面向上运动压缩水柱，此时第一单向阀门61，第四单向阀门64打开，水流由导管向蓄水池81蓄水，同时海水由导管进入下侧水柱保证连续工作；当波谷来临时，浮子7随波面向下运动压缩水柱，此时单向阀第三单向阀门63，第二单向阀门62打开，海水由第二单向阀门62向蓄水池81蓄水，同时海水由第二单向阀门62进入上侧水柱保证连续工作。平压管67与大气连通，防止空气因体积压缩过大而限制上、下活塞板65、66运动进而影响工作效率。本装置克服了大多数装置的抽水蓄能过程的不连续性，是连续蓄水过程，增加了蓄水量，提高了工作效率。传统的抽水蓄能式能量输出系统，不能做到连续蓄水，蓄水量会因此而减少。

浮子7下部结构整体是立管结构，因此在水流流动过程中会受到涡激振荡的影响，必须采取措施避免因涡激振荡而使结构丧失稳定性而影响工作效率和产生疲劳损伤而减少寿命。本装置采用在立管上加整流罩68的方法抑制涡激振荡的影响。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种波能发电系统，其特征在于，包含：

振荡气室，包含主室和侧室，侧室底部与主室连通，侧室中设置活塞；

水阀室型空气透平装置，位于振荡气室上方，并连接振荡气室，其包含集气机构、设置在集气机构中的涡轮机、分别连接集气机构以及振荡气室的进气机构以及出气机构；当水柱在振荡气室中振荡形成波浪后，由波浪能引起水阀室型空气透平装置中气流流动以带动涡轮机产生机械能并同时带动侧室中活塞上下运动；

振荡浮子机构，包含一浮子、连接浮子的耦合双稳态能量输出系统、以及连接浮子的水柱能量输出系统，该浮子通过一杠杆组件连接侧室中的活塞；当活塞上下运动牵动杠杆组件带动浮子上下运动从而引起耦合双稳态能量输出系统切割磁力线，将机械能转化为电能；

蓄水泄流机构，连接水柱能量输出系统；当浮子上下运动引起水柱能量输出系统压缩水柱，使水柱中的水流向蓄水泄流机构中蓄水以将波浪能转化为水的重力势能。

2.如权利要求1所述的波能发电系统，其特征在于：

所述的振荡气室包含两个侧室；

所述的集气机构包含连通的第一集气室以及第二集气室；

所述的涡轮机设置在第一集气室和第二集气室的连通处；

所述的进气机构包含三个进气室，该三个进气室的出气端均连接第一集气室，该三个进气室的进气端分别连接振荡气室的主室和两个侧室；

所述的出气机构包含三个出气室，该三个出气室的进气端均连接第二集气室，该三个出气室的出气端分别连接振荡气室的主室和两个侧室。

3.如权利要求2所述的波能发电系统，其特征在于：

每个所述的进气室分别包含：

第一容器，内部设有液体和气体，液体沉于下方，气体浮于上方；

第一出气管，一端与第一容器内的气体连通，另一端与第一集气室连通；

第一进气管，一端由第一容器顶部伸入第一容器内的液体中，另一端连接振荡气室的对应位置；

每个所述的出气室分别包含：

第二容器，内部设有液体和气体，液体沉于下方，气体浮于上方；

第二出气管，一端与第二容器内的气体连通，另一端连接振荡气室的对应位置；

第二进气管，一端由第二容器顶部伸入第二容器内的液体中，另一端与第二集气室连通；

当水柱由波谷向波峰变化时，气流从主室通过进气室进入第一集气室进而推动涡轮机后，从第二集气室由出气室进入两个侧室；当水柱由波峰向波谷变化时气流流向相反，实现气流由主室与侧室之间的循环流动。

4.如权利要求1所述的波能发电系统，其特征在于，所述的耦合双稳态能量输出系统包含：

圆筒，包含上段区域、中段区域以及下段区域；

外磁铁机构，设置在圆筒中段区域的内壁上；

线圈组，固定在圆筒内的中段区域中；

固定板，固定在圆筒内的中段区域中，并位于线圈组下方；

内磁铁机构，设置在圆筒内的中段区域中，并位于线圈组内，其上部通过连杆与浮子连接，下部通过第一弹簧连接固定板。

5.如权利要求4所述的波能发电系统，其特征在于，所述的水柱能量输出系统包含：

整流罩，设置在圆筒外；

上活塞板，设置在圆筒内的上段区域中，并连接浮子，其与圆筒上段区域的内壁面之间形成封闭的上水柱腔室；

下活塞板，设置在圆筒内的下段区域中，并连接浮子，该下活塞板上方与固定板之间形成气体空间，该气体空间通过平压管连通大气，该下活塞板与圆筒下段区域的内壁面之间形成封闭的下水柱腔室；

第一单向阀门，上水柱腔室通过该第一单向阀门连通蓄水泄流机构；

第二单向阀门，下水柱腔室通过该第二单向阀门连通蓄水泄流机构；

第三单向阀门，上水柱腔室通过该第三单向阀门连通外部水源；

第四单向阀门，下水柱腔室通过该第四单向阀门连通外部水源。

6.如权利要求1所述的波能发电系统，其特征在于，所述的杠杆组件包含：

杠杆，一端连接浮子，另一端端部一定范围内沿杠杆长度方向设置两个卡槽；

第一滑动支座，滑动端连接两个卡槽中部对应的杠杆位置；

第一连接杆，一端连接第一滑动支座的固定端，另一端连接活塞；

第二滑动支座，滑动端连接杠杆中部，固定端设置铰节点；

第二连接杆，一端连接铰节点，另一端可转动的连接振荡气室外壁。

7.如权利要求1所述的波能发电系统，其特征在于：

所述浮子与杠杆组件垂直于来波方向设置。