CN107842459A - 振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，属于新能源利用技术领域。该装置包括振荡水柱系统和振荡浮子系统。本发明结合了振荡水柱和振荡浮子波能装置的优势，振荡水柱和振荡浮子波浪能转换原理上相反，振荡水柱在结构不动时有效，而振荡浮子在结构大幅振动时有效；振荡水柱和振荡浮子分别在各自的频谱范围工作，不互相影响，扩大了波能转换的有效频带宽度；基于能360°全方向吸收波能的特性，提高了波浪能的吸收率；采用固定式结构能保证装置的稳定性，提高了发电效率，便于维护；该波浪能装置阵列化布置,可进一步提高波浪能的利用率，也可兼海洋工程防护设施的功能。

Description

振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置
技术领域
本发明涉及振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，属于新能源利用技术领域。
背景技术
在当今世界，全球能源需求持续增加，化石燃料资源紧缺，供求关系日益紧张，而且污染物的排放引起了严重的环境和气候问题。发展可再生能源是应对解决能源与环境问题的最佳选择，这也是各个国家采取的共同战略之一。开发利用可再生能源是保护环境、应对气候变化的重要措施。海洋能特别是波浪能是一种品质较好的可再生能源，目前，人们已开发出多种形式各异的波浪能转换装置。振荡水柱波能转换装置由于其性能可靠,结构简单等优点，是目前各国投入研究力度最大、建造最多的一种波能转换装置。振荡浮子式波能转换装置是一种点吸收式波能转换装置,其结构与波浪直接接触获能,能量转化效率较高，抗风能力强。
振荡水柱式波能转换装置主要有固定式和浮式两种，其主体结构是一个向下开口的气室结构，上部有气孔管道连接涡轮发电装置。振荡浮子波能转换装置是主要由动浮子和静浮筒两部分组成，静浮筒与阻尼发动机相结合用于吸收运动产生的机械能，动浮子由一个浮体构成，在波浪的作用下产生垂荡运动。因此，为实现不同能量转化装置在功能上的组合，提高波浪能量转换的性价比，提出振荡水柱-浮子式波能转换装置，其良好的组合形式不仅能提高装置的稳定性及波能转化效率，而且振荡水柱部分和振荡浮子部分在各自的频谱范围内有效，不互相影响，从而拓宽装置能量转化的频带宽度。
发明内容
本发明的目的为提高波能转换装置的转化效率和降低成本，提出了振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置。
本发明的技术方案：
一种振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，包括振荡水柱系统和振荡浮子系统；所述的振荡水柱系统主要由气室3、涡轮发电装置4和内支撑圆柱10构成；所述的振荡浮子系统主要由振荡浮子5、阻尼发电机6和桩基结构8组成；振荡水柱系统和振荡浮子系统通过内支撑圆柱10和振荡浮子5实现连接，采用桩基结构8将整个装置固定于海底；
所述的气室3是由圆柱环体1和半球环体2组成的空腔，半球环体2倒扣在圆柱环体1上端，二者半径相同；所述的圆柱环体1是顶端和底端开口、中空的圆柱体，所述的半球环体2是中空的半球体；半球环体2顶端中心位置设有气孔管道，气孔管道内安装涡轮发电装置4，气孔管道上设有遮挡板；
所述的内支撑圆柱10位于气室3的轴线上，其顶端通过支撑圆台9与半球环体2连接；所述的支撑圆台9顶端与半球环体2的内表面相贴合，用于支撑气室3；所述的支撑圆台9顶部中心设有气孔管道，与半球环体2上的气孔管道相通；所述的支撑圆台9内部均匀设有四个贯穿圆台的圆柱形气孔，与支撑圆台9顶部中心的气孔管道相通，使压缩气流进入气孔管道；
所述的振荡浮子5为底端设有空腔的圆柱体，以产生足够大的浮力，下部带有气缸，振荡浮子5顶部与内支撑圆柱10底端固定连接；所述的阻尼发电机6和活塞7位于空腔内，阻尼发电机6上部连接振荡浮子5的空腔内壁、下部连接活塞7，活塞7通过气缸与桩基结构8固定连接。
使用时，振荡水柱系统和振荡浮子系统分别在各自频谱范围内工作。对于振荡水柱系统，圆柱环体内部水面、圆柱环体及半球体共同组成气室；在波浪作用下，波浪经过圆柱环体底部透射进入圆柱环体形成上下振荡的水柱，水柱上下振动迫使气室内部气体压缩和膨胀，往复通过气室顶部的气孔管道推动涡轮机发电装置旋转。此时，振荡浮子系统不会对振荡水柱系统产生较大影响。对于振荡浮子系统，浮子会在波浪作用下产生垂荡运动，浮子与活塞之间会产生相对位移，从而驱动空腔内的阻尼发电机发电。
所述的圆柱环体1、半球环体2和气孔管道为高强度轻质材料，连接处由高强度不锈钢螺栓锚固。
所述的涡轮发电装置4在双向气流作用下均同向旋转。
所述的振荡浮子5的上下圆边进行光滑处理，以减少波浪对整个装置水平方向的力。
所述的活塞7与气缸之间用密封圈密封。
本发明的有益效果：本发明结合了振荡水柱和振荡浮子波能装置的优势，振荡水柱和振荡浮子波浪能转换原理上相反，振荡水柱在结构不动时有效，而振荡浮子在结构大幅振动时有效；振荡水柱和振荡浮子分别在各自的频谱范围工作，不互相影响，扩大了波能转换的有效频带宽度；基于能360°全方向吸收波能的特性，提高了波浪能的吸收率；采用固定式结构能保证装置的稳定性，提高了发电效率，便于维护；该波浪能装置阵列化布置,可进一步提高波浪能的利用率，也可兼海洋工程防护设施的功能。
附图说明
图1为本发明振荡水柱-浮子式波能转换装置的结构示意图。
图2为半球环体的结构示意图。
图3为支撑圆台的剖面示意图。
图4为支撑圆台的俯视示意图。
图中：1圆柱环体；2半球环体；3气室；4涡轮发电装置；5振荡浮子；
6阻尼发电机；7活塞；8桩基结构；9支撑圆台；10内支撑圆柱。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，振荡水柱与振荡浮子组合波能转换装置，包括振荡水柱系统和振荡浮子系统。振荡水柱系统由气室3、涡轮发电装置4和内支撑圆柱10构成。振荡浮子系统主要是由振荡浮子5、阻尼发电机6和桩基结构8组成。
对于振荡水柱系统，气室3由圆柱环体1和半球环体2组成，半球环体1位于圆柱环体2上，二者半径相同；半球环体2上部设有气孔管道，气孔管道连接有在双向气流作用下均同向旋转的涡轮发电装置4；内支撑圆柱10上部设有支撑圆台9用于支撑气室3；支撑圆台9内部设有四个圆柱形气孔，使压缩气流进入气孔管道。对于振荡浮子系统，内支撑圆柱10下部与振荡浮子5固结；振荡浮子5下部气缸内装有阻尼发电机6；活塞7固结于桩基结构8。
使用时，对于振荡水柱系统，圆柱环体1内部水面、圆柱环体1及半球环体2共同组成气室3；在波浪作用下，波浪经过圆柱环体1底部透射进入圆柱环体1形成上下振荡的水柱，水柱上下振动迫使气室3内部气体压缩和膨胀，往复气流通过气室3顶部的气孔管道推动涡轮发电装置4旋转。气室3内水柱有一个固定的波动频率，选择合适的气室3尺寸可以使得气室内水面振荡频率与外面波浪频率相近，共振的水面波动幅度会远高于波浪的幅度，大大提高气体的流速和流量，从而提高系统效率。
对于振荡浮子系统，活塞7与桩基结构8是固结在一起。阻尼发电机6分别与活塞7和振荡浮子5相连。在波浪的作用下，振荡浮子5会产生垂向运动，进而活塞7与振荡浮子5之间产生相对位移，促使阻尼发电机6做功。两个系统可以分别在各自的频谱范围进行波能转换，不互相影响。当入射波浪较大时，振荡浮子产生垂向运动，此时以振荡浮子系统发电为主；当入射波浪较小，振荡浮子不发生运动时，此时以振荡水柱波能转换为主。
所述圆柱环体1采用圆形结构，可以不受外海来浪方向的影响，能适应各种浪向。
所述气室3顶部采用半球环体2，气体经过半球环体2进入气孔管道，能有效减少阻力，并增大气流速度，提高发电效率。
使用在双向气流作用下均能同向旋转的涡轮发电装置4，气体进入和排出气室时都能发电，提高发电效率。
所述内部支撑圆柱10设置在圆柱环体1中轴线上，能有效减少气室内部水面晃荡。
所述支撑圆台9采用圆形结构，在不同方向的波浪作用下，能保持同样的受力状态，提高结构的可靠度。
所述的振荡浮子5采用圆柱形结构形式，并且上下面的圆边处要进行光滑处理以减少波浪在水平方向的作用力。
所述的的活塞7与气缸之间设有密封圈，以防止气缸进水阻尼发电机锈蚀或者进入泥沙。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，其特征在于，包括振荡水柱系统和振荡浮子系统；所述的振荡水柱系统主要由气室(3)、涡轮发电装置(4)和内支撑圆柱(10)构成；所述的振荡浮子系统主要由振荡浮子(5)、阻尼发电机(6)和桩基结构(8)组成；振荡水柱系统和振荡浮子系统通过内支撑圆柱(10)和振荡浮子(5)实现连接，采用桩基结构(8)将整个装置固定于海底；
所述的气室(3)是由圆柱环体(1)和半球环体(2)组成的空腔，半球环体(2)倒扣在圆柱环体(1)上端，二者半径相同；所述的圆柱环体(1)是顶端和底端开口、中空的圆柱体，所述的半球环体(2)是中空的半球体；半球环体(2)顶端中心位置设有气孔管道，气孔管道内安装涡轮发电装置(4)，气孔管道上设有遮挡板；
所述的内支撑圆柱(10)位于气室(3)的轴线上，其顶端通过支撑圆台(9)与半球环体(2)连接；所述的支撑圆台(9)顶端与半球环体(2)的内表面相贴合，用于支撑气室(3)；所述的支撑圆台(9)顶部中心设有气孔管道，与半球环体(2)上的气孔管道相通；所述的支撑圆台(9)内部均匀设有四个贯穿圆台的圆柱形气孔，与支撑圆台(9)顶部中心的气孔管道相通，使压缩气流进入气孔管道；
所述的振荡浮子(5)为底端设有空腔的圆柱体，以产生足够大的浮力，下部带有气缸，振荡浮子(5)顶部与内支撑圆柱(10)底端固定连接；所述的阻尼发电机(6)和活塞(7)位于空腔内，阻尼发电机(6)上部连接振荡浮子(5)的空腔内壁、下部连接活塞(7)，活塞(7)通过气缸与桩基结构(8)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，其特征在于，所述的圆柱环体(1)、半球环体(2)和气孔管道为高强度轻质材料，连接处由高强度不锈钢螺栓锚固。
3.根据权利要求1或2所述的一种振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，其特征在于，所述的涡轮发电装置(4)在双向气流作用下均同向旋转。
4.根据权利要求1或2所述的一种振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，其特征在于，所述的振荡浮子(5)的上下圆边进行光滑处理，以减少波浪对整个装置水平方向的力。
5.根据权利要求3所述的一种振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，其特征在于，所述的振荡浮子(5)的上下圆边进行光滑处理，以减少波浪对整个装置水平方向的力。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，其特征在于，所述的活塞(7)与气缸之间用密封圈密封。
7.根据权利要求3所述的一种振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，其特征在于，所述的活塞(7)与气缸之间用密封圈密封。
8.根据权利要求4所述的一种振荡水柱与振荡浮子组合式波能转换装置，其特征在于，所述的活塞(7)与气缸之间用密封圈密封。
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