CN108087189A - 一种基于海浪波动动量的双向海浪发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明的基于海浪波动动量的双向海浪发电装置，包括：海水冲击腔、海水汇集腔、喉道管、叶轮、发电机、海水冲击腔定位装置、机架，其特征是：带有直角变径收缩弯头的海水冲击腔与海水汇集腔垂直于海面，直角变径收缩弯头的大端端面内孔截面等效直径，大于其小端端面内孔直径八倍以上，其小端附近内孔流道设置有垂直于小端端面、周向分布的导流叶片。本发明充分利用了海浪向上波动的动量与向下波动产生的负压，通过直角变径收缩弯头加速，以及导流片导流，腔中的海水能够以数十倍以上海浪上下波动的速度，高速冲击叶轮旋转发电，实现海浪上下波动能的两次高效电能转换，尤其是，海浪下行的电能转换效率更高。本发明适于近海区规模化电站。

Description

一种基于海浪波动动量的双向海浪发电装置

技术领域

本发明涉及一种利用海浪发电的装置，特别涉及一种利用海浪上下波动冲击动量的双向海浪发电装置，属于海洋可再生能源领域。

背景技术

随着陆地化石能源等的日益枯竭，以潮汐、波浪为主的海洋能源开发利用，已成为国际社会日益关注的焦点。相对风能，海浪能量密度高、储量巨大、分布广泛，是未来海洋能利用的主要方向。目前，海浪发电技术取得长了足进展，发电装置种类繁多，主要是通过直动浮子（如中国专利 ZL201410532438.4）或摆动浮子（如美国专利 US8, 035, 243 Bl）将海浪的波动转换为机械运动，驱动发电机产生电力。由于近海岸海浪波动具有多向性和往复性，设计合理的、结构简单的海浪波浪能俘获系统比较困难。现有的海浪发电装置普遍存在结构复杂、能量转换效率低、转换装置成本高等问题，影响了海浪发电技术的进一步发展与产业化应用。

海浪是由风吹动海洋表面所形成的，是波在海面的一种传播方式。海浪上任意海水质点都是在作上下周期波动，并向一定方向传播。海水质点在随同海浪波动时具有一定的波动速度，因而具有一定的动量与冲击力。相对浮子以浮力做功形式获取海浪波动能而言，利用海水沿海浪传播方向的冲击力做功，可以更有效地利用海浪的波动能。专利号为ZL200920002647.X 的中国专利，公开了一种将海浪在岸边的冲击能量转化为电能的扇形水槽海浪发电装置，利用前涌的海浪冲击岸边扇形水槽中的扇形板旋转，带动发电装置发电。但该装置仅能捕获岸边的海浪波动能，且其电能转化效率受海潮变化影响较大，投资成本较高。根据近海岸海浪传播方向一般总是垂直于海岸线的规律，申请号为201510760208.8 的中国发明专利，公开了一种利用沿海岸线垂直方向海浪冲击力来产生电能的装置。通过海浪冲击浮筒，使其产生沿海浪传播方向的机械运动，驱动直线电机发电。为增加海水对叶轮的冲击效果，专利号为 ZL201420565034.0 的中国专利，公开了一种利用沿海浪传播方向海水流动动能与势能的双向海浪冲击发电装置，将水平布置的两端进水口设置为喇叭口状。申请号为201710581914.5 的中国发明专利，其水平布置的进水口呈螺旋喇叭口状，叶轮位于螺旋壳体中心，沿海浪传播方向流动的海水进入螺旋壳体，切向冲击叶轮，使叶轮获得最大冲击旋转力矩，驱动发电机发电。类似地，专利号为ZL201110172753.7 的中国发明专利，其进、出水口也采用喇叭口结构，主要用于采集沿海浪传播方向海水流动的动能与势能，也可以直立于海面，采集海浪上下波动时海水流动的动能与势能，但此时该发明有比较显著的缺点：相对于进水口截面尺寸，叶轮管道直径尺寸偏大，其进水端下扩口仅起汇集海水作用，对上涌海水的加速作用有限，上涌海水对叶轮的冲击力较小；上扩口汇集的海水在下泄时容易产生漩涡，使上、下扩口相互连通，海浪下行不能在下扩口产生负压，降低了下泄海水对叶轮的冲击效果；特别是，由于近海区海浪一般不高，受装置高度的限制，该发明在下扩口不能设置导流片，上涌的海水只能杂乱无章地低速冲击叶轮旋转，叶轮输出力矩小，海浪波动能的电能转换率低。

申请号为201410829393.7的中国发明专利，公开了一种含锥形顶部密闭容器的风动力发电装置。当海浪上下波动时，锥形顶部密闭容器中的空气受到压缩，并在锥顶喉部形成最大气体流速，该高速气流冲击叶轮旋转，驱动发电机产生电力。该装置结构简单，投资成本较低，但气体的冲击动量小，同样，海浪波动能的电能转换率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计一套充分利用海浪上下波动能，基于海浪上下波动冲击动量的双向海浪发电装置，提高海浪波动能的电能转换率，降低发电装置的结构复杂度与制造成本，使其适用于近海区海浪发电平台。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

一种基于海浪上下波动动量的双向海浪发电装置，包括海水冲击腔、海水汇集腔、喉道管、叶轮、发电机、海水冲击腔定位装置、机架。所述海水冲击腔竖立于海中，其上部带有直角变径收缩弯头，底部开放并潜于海浪波谷之下；所述海水汇集腔直立于海面上，其下部带有直角变径收缩弯头，顶部开放；所述喉道管，内横截面为圆形，一端与所述海水冲击腔直角变径收缩弯头小端构成牢固密闭连接，另一端与所述海水汇集腔直角变径收缩弯头小端构成牢固密闭连接；所述叶轮安装在所述喉道管内，所述叶轮与所述发电机连接，组成发电系统；所述机架一端固定于海底，另一端通过滑轨与所述海水冲击腔滑动连接，并由所述海水冲击腔定位装置锁定所述机架与所述海水冲击腔沿海面高度方向的相对位置，在所述海水冲击腔与海面之间形成封闭空间。

优选的是，所述直角变径收缩弯头的大端端面呈水平布置，其内孔截面可以是椭圆形、圆形，或其他封闭图形，并与所述海水冲击腔（或所述海水汇集腔）一端的端面牢固密闭连接，所述直角变径收缩弯头的小端端面内孔截面一般为圆形；由所述直角变径收缩弯头的大端端面内孔截面向其小端端面内孔截面的变径收缩过程是连续光滑的，其内孔截面中心曲线可以是样条曲线、高次曲线或其它水流内阻较小曲线，或采用空间螺旋曲线。

优选的是，所述直角变径收缩弯头的大端端面内孔截面等效直径，应远大于其小端端面内孔直径，一般应大于八倍以上。

优选的是，所述直角变径收缩弯头小端附近的内孔流道设置有垂直于小端端面、周向分布的导流叶片。

优选的是，所述直角变径收缩弯头的大端端面到小端端面内孔中心之间的高度，应小于近海区平均浪高的八分之一。

优选的是，所述海水冲击腔定位装置，允许所述海水冲击腔沿所述机架上下移动，适应海浪潮汐的变化，并根据海浪波谷位置，自动调整与锁定所述机架与所述海水冲击腔沿海面高度方向的相对位置，使海浪波谷位于与所述海水冲击腔上部密闭连接的直角变径收缩弯头大端端面的下部附近。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

无论海浪向上或向下波动，本发明都能使流经直角变径收缩弯头的海水得到数十倍以上的加速，经导流片导流，高速冲击叶轮旋转，带动发电机发电，实现海浪上下波动能的两次高效电能转换，尤其是在海浪下行时，本发明能够转换更多的电能，因此，本发明具有很高的海浪波动能电能转化率。本发明结构简单，当采用耐海水侵蚀非金属材料制造，其制造与维护成本低，可以在近海区大面积布置，形成规模化的海洋波浪发电电站。

附图说明

图1是基于海浪上下波动动量的双向海浪发电装置系统构成图；

图2是带有直角变径收缩弯头的海水冲击腔的剖面图；

图3a是图1喉道管附近的局部剖视图；

图3b是图3a中海水冲击腔在D-D剖面处的截面右视简化图；

图3c是图3a中喉道管在G-G剖面处的截面右视图；

图3d是图3a中海水汇集腔在F-F剖面处的截面右视图

图4是海水冲击腔与机架的可动-锁定连接关系图；

图5是本发明实施例在近海区的一种成组布置方案。

图中：1、机架；2、海水冲击腔；3()、直角变径收缩弯头；4、叶轮；5、海水汇集腔；6、喉道管；7()、导流叶片；8、叶轮轴；9、发电机；10、海水冲击腔定位装置；11、海水冲击腔滑轨槽；12、机架滑轨；13、锁定销；14、海水波谷传感器；15、中空机架与海水连通口。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例实施本发明技术方案的具体方式和具体操作过程作详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，基于海浪上下波动动量的双向海浪发电装置，包括：海水冲击腔2、海水汇集腔5、喉道管6、叶轮4、发电机9、海水冲击腔定位装置10、机架1。

所述海水冲击腔2，竖立于海中，其上部带有直角变径收缩弯头3，底部开放并潜于海浪波谷（trough wave，Tw）之下；所述海水汇集腔5，直立于海面上，其下部带有直角变径收缩弯头，顶部开放；所述喉道管6，内横截面为圆形，如图3c所示，一端与所述海水冲击腔2上部直角变径收缩弯头3的小端端面牢固密闭连接，另一端与所述海水汇集腔5下部直角变径收缩弯头的小端端面牢固密闭连接；所述叶轮4安装在所述喉道管6内，所述叶轮4与所述发电机9通过叶轮轴8连接，组成发电系统；所述机架1一端固定于海底，另一端通过海水冲击腔2上的滑轨槽11与机架1上的机架滑轨12构成滑动连接，并由所述海水冲击腔定位装置10锁定机架1与海水冲击腔2沿海面高度方向的相对位置，使海浪波谷（Tw）位于所述海水冲击腔2上部直角变径收缩弯头3大端端面的下部附近，在海水冲击腔2与海面之间形成封闭空间。

如图2所示，所述直角变径收缩弯头3的大端端面水平布置，其内孔截面可以是椭圆形、圆形，或其他封闭图形，并与所述海水冲击腔2的上端端面牢固密闭连接，所述直角变径收缩弯头3的小端端面内孔为圆形，在小端附近内孔流道设置有垂直于小端端面、周向分布的导流叶片7（图3a、b、d所示）；所述直角变径收缩弯头3的大端端面内孔截面等效直径D，大于其小端端面内孔直径d八倍以上，大端端面到小端端面内孔中心之间的高度H，小于近海区平均浪高的八分之一；由所述直角变径收缩弯头3的大端端面内孔截面向其小端端面内孔截面的变径收缩过程，连续光滑，其内孔截面中心曲线为样条曲线。

所述直角变径收缩弯头具有与所述直角变径收缩弯头3类似或相同的结构特征，如图1、图3a、图3d所示，且其大端端面与所述海水汇集腔5的下端端面牢固密闭连接。

图4所示，所述机架1采用中空结构，在其位于海平面以下设有海水进水口15。所述海水冲击腔定位装置10安装在机架1上，一端带有与海水冲击腔2锁定的锁定销13，一端带有海浪波谷传感器14，根据海浪波谷位置，该定位装置自动调整与锁定机架1与海水冲击腔2沿海面高度方向上的相对位置，使海浪波谷（Tw）位于海水冲击腔2上部直角变径收缩弯头3大端端面的下部附近，适应海浪高潮位（High tide, Ht）与低潮位（Low tide, Lt）的潮汐变化。

图5所示，给出了本发明实施例在近海区的一种成组布置方案，各自的叶轮轴旋转运动经齿轮机构合成后，输出更大的扭矩，用于驱动大功率发电机发电。方案中采用了带部分弯曲管的叶轮管6，使海水收集腔5更靠近机架1，整体方案布置紧凑，有利于提高成组单元的运行可靠性。

本发明基于海浪上下波动动量的双向海浪发电装置的工作原理如下：

如图1所示的海浪发电装置，海水经设在机架1下端、位于海平面之下的海水进水口15自然流入机架1中空腔内，位于机架1中空腔内的海浪波谷传感器14，感知一段时间内，如5分钟，海浪波谷的均值位置，海水冲击腔定位装置10自动置海水冲击腔2上部直角变径收缩弯头3的大端端面于海浪波谷（Tw）上方附近，并锁定。

当海浪由波谷（Tw）向上波动时，海水冲击腔2中的海水随同周围海浪一同由波谷（Tw）向上波动，海水冲击腔2上部直角变径收缩弯头3内的空气被迅速排空，海水冲击腔2中的海水获得一定的上涌速度，迅速充填直角变径收缩弯头3的内空间，并随着直角变径收缩弯头3截面的不断收缩，海水在直角变径收缩弯头3中的流速不断提高，经安装在直角变径收缩弯头3小端附近的导流叶片7整流，形成方向一致的水流，以数十倍以上海浪向上波动速度的流速，高速冲击安装在喉道管6内的叶轮4旋转，通过叶轮轴8带动发电机9发电。海水在流经连续收缩直角变径收缩弯头3的过程中，直角变径收缩弯头3会产生一个与水流流向相反的减速阻力，降低流经直角变径收缩弯头3中海水的流速。由于此时海水冲击腔2中的海水具有一定的上涌速度与质量，构成上涌冲击动量，该动量推动、挤压直角变径收缩弯头3中的海水，继续以数十倍以上海浪向上波动速度的流速，在喉道管6处高速冲击叶轮4旋转，带动发电机9发电。当海浪到达波峰（Peek wave, Pw）开始下行时，下行波动的海浪，在海水冲击腔2下方产生一个负压，该负压经过直角变径收缩弯头3、喉道管6、直角变径收缩弯头的密封传递，将其传递到海水收集腔5，在该腔海水自身重力与负压的联合作用下，海水收集腔5中的海水经过直角变径收缩弯头加速，在喉道管6处，更高速地冲击叶轮4旋转，带动发电机9发电。由此，本发明实现了海浪上下波动的双向高效率电能转换，且海浪下行时的电能转换效率更高。

尽管本发明的实施方案己公开如上，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现直角变径收缩弯头、喉道管等部件的结构修改或改进，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的技术参数细节和这里示出与描述的图例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于海浪上下波动动量的双向海浪发电装置，包括：海水冲击腔、海水汇集腔、喉道管、叶轮、发电机、海水冲击腔定位装置、机架，其特征在于：所述海水冲击腔竖立于海中，其上部带有直角变径收缩弯头，底部开放并潜于海浪波谷之下；所述海水汇集腔直立于海面上，其下部带有直角变径收缩弯头，顶部开放；所述喉道管，其内横截面为圆形，一端与所述海水冲击腔直角变径收缩弯头小端构成牢固密闭连接，另一端与所述海水汇集腔直角变径收缩弯头小端构成牢固密闭连接，所述叶轮安装在其内。

2.根据权利要求1所述的直角变径收缩弯头，其特征在于：所述直角变径收缩弯头的大端端面内孔截面等效直径，大于其小端端面内孔直径八倍以上，且大端端面到小端端面内孔中心之间的高度，不大于近海区平均浪高的八分之一。

3.根据权利要求1所述的直角变径收缩弯头，其特征在于：所述变径收缩弯头的小端附近内孔流道设置有垂直于小端端面、周向分布的导流叶片。

4.根据权利要求2所述的直角变径收缩弯头，其特征在于：所述直角变径收缩弯头的大端端面水平布置，其内孔截面可以是椭圆形、圆形，或其他封闭图形，其小端端面内孔截面一般为圆形；由其大端端面内孔截面向其小端端面内孔截面的变径收缩过程是连续光滑的，其内孔截面中心曲线可以是样条曲线、高次曲线或其它水流内阻较小的曲线，或采用空间螺旋曲线。