CN108374746A - 一种适用波与流耦合作用海况的发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用波浪与水流耦合作用复杂海况的发电装置。本发明由波浪能转换子装置和水流能转换子装置两个子装置组成。波浪能转换子装置部分的前墙在波浪力和水流力的作用下发生周期性往复运动，对振荡水柱气室内的空气压缩过程在时间上也呈现出周期性变化，从而将波浪能转化为电能；水流能转换子装置的水流进口段采用喇叭形扩大型管口，其连接在振荡水柱气室的后端，经过喇叭形扩大型管口水流通过驱动水轮将水流能转换为电能。本发明在保证了能量提取效率的前提下，力求能量的最大利用率，绿色环保，环境友好性强，尤其适用于波浪与水流耦合作用强烈的海况。

Description

一种适用波与流耦合作用海况的发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，具体涉及一种适用于波浪与水流耦合作用复杂海况的发电装置。

背景技术

人类的生产生活、社会的繁荣进步都离不开能源这一重要的物质基础。随着世界经济的快速发展、世界人口的日益膨胀和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，将会导致日趋激烈的能源争夺，因此开发优质的可替代的新能源成为人类实现可持续发展的必由之路。在现今生活中，人类居住的各个方面都与电力息息相关。随着时代的发展，技术的成熟，人类对于发电形式的探讨与研究也取得了世纪性的进步与成果，尤其是广泛地利用例如太阳能、水能、风能、潮汐能、核能、波浪能等自然能源进行发电，上述的发电形式具有清洁无污染的优点。

覆盖地球70%表面的蓝色海洋，坐拥全球96%的水量，蕴藏着富饶的绿色可再生能源。海洋能源形形色色，通常包括受到广泛关注的潮汐能、波浪能和水流能等清洁环保的能源。其中，波浪能因其在转换过程中受环境影响最小且以机械能形式存在的独特魅力，是海洋能利用中品位最高且最受重视的能源形式之一，合理地开发和利用波浪能，对缓解能源危机、减少对传统化石燃料的依靠、改善环境污染等问题具有重要的现实意义。此外，在海域中，水质点除了以波浪的形式运动以外，还存在着水平流动的形式，其所具有的水流能也应该被给予重视与关注。

现如今对利用波浪能发电的研究已经深入地开展，而且发电技术已经取得了接近实用化的水平。目前，已经被开发的几种典型的波浪能发电装置有振荡浮子式 (Buoy)、摆式 (Pendulum)、振荡水柱式 (OWC)、海蛇式 (Pelamis)等。而水流所具有机械能所能够带来的发电效益却往往被忽视，特别是对于波浪与水流相互作用强烈的地区，水流由于不会像波浪产生波浪破碎导致能量大量损失，其所具有的能量转换效率甚至会高于波浪能的转换效率，倘若不加以提取与利用，无疑是对能量资源的一种浪费，也不利于人类社会的进步与发展。

为此，力求最大限度的利用身边的绿色清洁的可再生能源，急需一种能够在复杂的海况条件下特别是波浪与水流耦合作用强烈的条件下，高效地转化与提取波浪能与水流能的装置。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种可以适用于波与流耦合作用海况的发电装置，其主要目的在于提供一种考虑实际的海况条件下往往存在着波浪与水流共同作用的现象，它们所具有的潜在能量包括波浪水质点的机械能和水流水质点的机械能，在实际海况中能够综合提取利用以上两方面能量的发电装置，即在波浪与水流耦合运动的条件下，设计出了一种能够在保证绿色环保清洁的基础上同时提取和转化波浪的机械能和水流的机械能的发电装置。

为了兼顾波浪能的能量利用效率和水流能的利用效率，对于该装置的结构形式的设计、工作过程的把握进行优化，能够在一定程度上提高发电装置的能量利用率和综合效益，减少能源的浪费。

一种适用波与流耦合作用海况的发电装置，整套发电装置由波浪能转换子装置和水流能转换子装置组成，其中波浪能装换装置由圆筒型外壁、滑槽、可移动前墙、气流通道、空气透平、波浪发电机组、气室、锚链、锚链固定桩等组成，水流能转换子装置由喇叭形放大进水口、圆柱形凹槽、进水口固定装置、底座、转换固定装置、发电机端从动齿轮、发电机固定装置、发电机、蓄电池盖、蓄电池、主动齿轮、出水管道、出水口固定装置、修圆出口转弯段、驱动水轮、水轮护盖、水轮固定转动轴、中心轴等组成。

所述波浪能转换子装置与水流能转换子装置共同工作，实现波浪能与水流能的共同提取与转化；所述圆筒型外壁主要用来构成提供作为将波浪能转化为电能的振荡水柱气室，属于气室的外部结构；所述滑槽位于圆筒型外壁的上部，位于振荡水柱装置气流通道的前方，其中槽深为d；所述可移动前墙，位于迎浪侧，上端固定在圆筒型外壁的滑槽上，在波浪力的作用下会发生周期性的往复运动；所述气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于圆筒型外壁的上部中央，实现气室内与气室外气流的交换；所述空气透平位于圆筒型筒壁上方预留的空气通道内；所述波浪发电机组位于空气透平的上方，与空气透平直接连接；所述气室由圆筒型外壁与上方预留的空气通道的水面之间构造形成的密闭空间，随着水体的挤进与排出，密闭气室空间的大小也随之发生变化；所述锚链用来实现波浪能转换子装置与海底的连接；所述锚链固定桩埋入海底泥面以下一定深度，用来拴系锚链。

所述喇叭形放大型进水口位于振荡水柱气室的后端，通过气室后端的圆柱形凹槽实现气室与水流转换装置的连接；所述圆柱形凹槽位于波浪能转换子装置圆筒型外壁的后端，主要用来固定水流能转换子装置的喇叭形放大型进水口；所述转换固定装置固定在底座上面；所述进水管道通过进水口固定装置从高往下固定在转换固定装置左下侧；所述驱动水轮位于转换固定装置内部，所述水轮固定连接在水轮驱动转轴上；所述中心轴上端固定连接有主动齿轮；所述主动齿轮左侧与发电机端从动齿轮相连；所述发电机端从动齿轮位于转换固定装置左上侧，所述发电机端从动齿轮固定连接在发电机下侧输入轴上；所述发电机通过发电机固定装置固定在转换固定装置左上侧；所述蓄电池固定在转换固定装置上侧，主动齿轮右侧；所述蓄电池盖位于蓄电池上面；所述出水管道通过出水口固定装置固定在转换固定装置右下侧，并循环连接到进水管道。

作为优选，所述波浪能转换子装置与水流能转换子装置能在来波来流条件下共同工作，实现波浪能与水流能的协同提取与转化。

作为优选，所述的可移动前墙的上端固定在圆筒型外壁上部的滑槽上，在周期性往复作用在前墙上的波浪力的驱使下，前墙可以实现左右移动。

作为优选，所述的水流能转换子装置采用出水管道与进水口相连，用来确保整个装置良好的气密性。

作为优选，所述的波浪能转换子装置与水流能转换子装置均配有发电机，主要用来实现对波浪能与水流能的提取与储存。

作为优选，所述水流能转化装置的进水管道进口采用喇叭形放大管口，为驱动水轮提供更大的动能，提高水流能转换子装置的能量转换效率。

作为优选，所述出水管道转弯段均采用修圆处理，避免水流与垂直型管壁直接碰撞，造成大量的能量损耗。

作为优选，所述圆筒型外壁的直径以及厚度的选择、沉入水下的深度的确定应该结合工程地质条件和海洋水文资料确定。

一种适用于波浪与水流耦合作用海况的发电装置的实现过程如下：

①波浪与水流共同作用下，可移动前墙周期性压缩气室内空气

在真实的海况中，海面上的水体流动往往包括波浪水质点的运动和水质点平流运动两种形式。当这两种水体流动形式作用在结构物上，波浪由于其特殊的性质导致结构物上所受的作用力呈现周期性变化，而水流力却往往以单向力的形式作用在物体上。相比较而言，在这两种力的耦合作用下，波浪力占据支配作用，所以由波浪力和水流力的综合作用的合力在时间上呈现一定的周期性作用在结构物上。作为位于整个发电装置最前端的前墙而言，是受到波浪力与水流力作用影响最剧烈的位置。在上述两种力的作用下，前墙的运动模式在时间上呈现周期性往复。进一步地，在周期性往复运动的前墙的作用下，使得波浪能转换子装置的气室空间大小也呈现周期性变化，前墙的左右移动对气室内的空气的压缩作用也具有一定的规律性，在某种程度上可以加快空气进出气流通道的速率，提高波浪能转换子装置的能量转换效率；

②波浪入射，波峰波谷交替，气室内波浪能做功

波浪入射时，气室内波浪能做功的主要来源是通过装置上开口的水体交换通道直接作用于气室内的气体。当波峰接近气室前壁的时候，水体进入气室，推动箱内水位上升，上升的水位使得室内气压增加，气室内空气通过出入孔排出，由于出入孔孔径狭小，气体高流速喷出；而在波谷接近气室前壁的时候，水从气室内抽出，室内水位下降，下降的水位使得室内气压降低，外面的空气通过出入孔高速进入气室。在上述两种不同方向的气流运动模式中，流进流出的气体推动气室所连接的空气透平旋转，进而通过透平所连接的发电机组将波浪能转化为电能储存起来。

③水流进入水流能源转换子装置，提取和转存水流能

进入到波浪能转换子装置气室内的水流，通过圆柱形凹槽进入水流能源转换子装置的喇叭形扩大型管口，在喇叭形管口的作用下水流的进口速度沿程不断扩大，到达驱动水轮前端时所具有的高流速可以推动水轮旋转，旋转的水轮通过驱动水轮固定转轴，带动与之相连的主动齿轮旋转。当主动齿轮具有一定的转速之后，与之相连的发电机端的从动齿轮随后也开始运作旋转起来，进一步地，与从动齿轮相连的发电机开始旋转运作，随着发电机的运转不断进行，连接在发电机上的蓄电池组接受发电机产生的电能，对蓄电池组进行充电，蓄电池组将电能储存起来，方便进一步地开发与利用。

本发明的有益效果：

本发明最大程度上践行了“物尽其用”的原则，在充分考虑提高海域上能量转化率和能量利用率的基础上，将海洋中长期存在的波浪能与水流能进行综合开发与利用，一个装置实现两种能源的共同提取与储存，对于人类生活社会解决能源危机问题具有极大的裨益和指导性意义，实用价值效果显著而高效。

本发明装置由波浪能转换子装置与水流能转换子装置两个子装置构成，两个子装置共同工作，相互协作，实现能量的提取与储存。装置的结构适用性强。

本发明中的波浪能转换子装置的前墙摈弃传统的固定形式而设计为可移动式，在周期性往复的波浪力的作用下，可以实现前墙的左右往复运动。前墙的左右往复运动，实现了振荡水柱气室密闭空间的大小呈现为周期性变化的模式，可移动前墙对气室内的气体压缩做功，在某种程度上可以提高气室内空气的压缩率，加剧了气流在气流通道的流进流出的速率，提高了波浪能转化为储存的电能的效率。

本发明中波浪能转换子装置与水流能转换子装置的连接段采用了呈现为喇叭形扩张型的进口管，在来流量不变的条件下，根据连续性原理，通过进口段进入水流能源转换子装置的水流流速沿程不断增大，为推动水流能源转换子装置内的驱动水轮旋转运作，提供了足够的驱动力。

本发明中水流的出口转弯段采用圆弧形修圆处理的方式，避免了水流与垂直管壁直接碰撞产生较多的能量损失、降低了可提取能源的利用率和转化率。

本发明波浪能转化部分采用振荡水柱波能转化原理，水流能转化部分主要利用机械传动原理实现能量的提取与储存，工程可靠性强，实用价值高。

综上所述，本发明力求实现对海洋上能源的高效提取与利用，在保证具有较高的能量转化效率的前提下，兼顾对波浪能与水流能的共同利用，具有较高的价值。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是水流能转换子装置的结构示意图。

图中：1.圆筒型外壁,2.滑槽,3.可移动前墙,4.气流通道,5.空气透平,6.波浪发电机组,7.气室,8.锚链，9.锚链固定桩，10.喇叭形放大型进水口,11.圆柱形凹槽,12.进水口固定装置,13.底座,14.转换固定装置,15.发电机端从动齿轮,16.发电机固定装置,17.发电机,18.蓄电池盖,19.蓄电池,20.主动齿轮,21.出水管道,22.出水口固定装置,23.修圆出口转弯段,24.驱动水轮,25.水轮护盖,26.水轮固定转动轴,27.中心轴。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的整套发电装置由波浪能转换子装置和水流能转换子装置组成，包括圆筒型外壁1、滑槽2、可移动前墙3、气流通道4、空气透平5、波浪发电机组6、气室7、锚链8、锚链固定桩9、喇叭形放大型进水口10、圆柱形凹槽11、进水口固定装置12、底座13、转换固定装置14、发电机端从动齿轮15、发电机固定装置16、发电机17、蓄电池盖18、蓄电池19、主动齿轮20、出水管道21、出水口固定装置22、修圆出口转弯段23、驱动水轮24、水轮护盖25、水轮固定转动轴26、中心轴27等组成。所述波浪能转换子装置与水流能转换子装置共同工作，实现波浪能与水流能的共同提取与转化。

所述圆筒型外壁主要用来构成提供作为将波浪能转化为电能的振荡水柱气室，属于气室的外部结构；所述滑槽位于圆筒型外壁的上部，位于振荡水柱装置气流通道的前方，其中槽深为d；所述可移动前墙，位于迎浪侧，上端固定在圆筒型外壁的滑槽上，在波浪力的作用下会发生周期性的往复运动；所述气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于圆筒型外壁的上部中央，实现气室内与气室外气流的交换；所述空气透平位于圆筒型外壁上方预留的空气通道内；所述波浪发电机组位于空气透平的上方，与空气透平直接连接；所述气室由圆筒型外壁与上方预留的空气通道的水面之间构造形成的密闭空间，随着水体的挤进与排出，密闭气室空间的大小也随之发生变化；所述锚链用来实现波浪能转换子装置与海底的连接；所述锚链固定桩埋入海底泥面以下一定深度，用来拴系锚链。

喇叭形放大型进水口位于振荡水柱气室的后端，通过气室后端的圆柱形凹槽实现气室与水流转换装置的连接；所述圆柱形凹槽位于波浪能转换子装置圆筒型外壁的后端，主要用来固定水流能转换子装置的喇叭形放大型进水口；所述转换固定装置固定在底座上面；所述驱动水轮位于转换固定装置内部，所述驱动水轮固定连接在水轮固定转动轴上；所述中心轴上端固定连接有主动齿轮；所述主动齿轮左侧与发电机端从动齿轮相连；所述发电机端从动齿轮位于转换固定装置左上侧，所述发电机端从动齿轮固定连接在发电机下侧输入轴上；所述发电机通过发电机固定装置固定在转换固定装置左上侧；所述蓄电池固定在转换固定装置中间，主动齿轮上侧；所述蓄电池盖位于蓄电池上面；所述出水管道通过出水口固定装置固定在转换固定装置右下侧，并循环连接到进水管道。

一种适用于波浪与水流耦合作用海况的发电装置实现过程如下：

①波浪与水流共同作用下，可移动前墙周期性压缩气室内空气

在真实的海况中，海面上的水体常常以波浪和水流两种形式运动。当这两种水体流动形式作用在结构物上，波浪由于其特殊的性质导致结构物上所受的作用力呈现周期性变化，而水流力却往往以单向力的形式作用在物体上。相比较而言，在这两种力的耦合作用下，波浪力占据支配作用，所以由波浪力和水流力的综合作用的合力在时间上呈现一定的周期性作用在结构物上。作为位于整个发电装置最前端的前墙而言，是受到波浪力与水流力作用影响最剧烈的位置。在上述两种力的作用下，前墙的运动模式在时间上呈现周期性往复。进一步地，在周期性往复运动的前墙的作用下，使得波浪能转换子装置的气室空间大小也呈现周期性变化，前墙的左右移动对气室内的空气的压缩作用也具有一定的规律性，在某种程度上可以加快空气进出气流通道的速率，提高波浪能转换子装置的能量转换效率。

②波浪入射，波峰波谷交替，气室内波浪能做功

波浪入射时，气室内波浪能做功的主要来源是通过装置前端开口的水体交换通道直接作用于气室内的气体，当波峰接近气室前壁的时候，水进入气室，推动筒内水位上升，上升的水位使得室内气压增加，气室内空气通过出入孔排出，由于气流通道孔径狭小，气体高流速喷出；而在波谷接近气室前壁的时候，水从气室内抽出，室内水位下降，下降的水位使得室内气压降低，外面的空气通过气流通道高速进入气室。在上述两种不同方向的气流运动模式中，流进流出的气体推动气室所连接的空气透平旋转，进而通过透平所连接的波浪发电机组将波浪能转化为电能储存起来。

③水流进入水流能源转换子装置，提取和转存水流能

进入到波浪能转换子装置气室内的水流，通过圆柱形凹槽进入水流能源转换子装置的喇叭形扩大型管口，在喇叭形管口的作用下水流的进口速度沿程不断扩大，到达驱动水轮前端时所具有的高流速可以推动水轮旋转，旋转的水轮通过驱动水轮固定转轴，带动与之相连的主动齿轮旋转。当主动齿轮具有一定的转速之后，与之相连的发电机端的从动齿轮随后也开始运作旋转起来，进一步地，与从动齿轮相连的发电机开始旋转运作，随着发电机的运转不断进行，连接在发电机上的蓄电池组接受发电机产生的电能，对蓄电池组进行充电，蓄电池组将电能储存起来，方便进一步地开发与利用。

以上内容仅为本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用波与流耦合作用海况的发电装置，由波浪能转换子装置和水流能源转换子装置两部分组成，其特征在于：波浪能转换子装置部分的前墙在波浪力和水流力的作用下发生周期性往复运动，对振荡水柱气室内的空气压缩过程在时间上也呈现出周期性变化，从而将波浪能转化为电能；水流能转换子装置的水流进口段采用喇叭形扩大型管口，其连接在振荡水柱气室的后端，经过喇叭形扩大型管口水流通过驱动水轮将水流能转换为电能。

2.根据权利要求1所述的一种适用波与流耦合作用海况的发电装置，其特征在于：所述的波浪能转换子装置包括圆筒型外壁、滑槽、可移动前墙、气流通道、空气透平、波浪发电机组、气室、锚链和锚链固定桩；

所述圆筒型外壁主要用来构成提供作为将波浪能转化为电能的振荡水柱气室，属于气室的外部结构；所述滑槽位于圆筒型外壁的上部，位于振荡水柱装置气流通道的前方；所述可移动前墙，位于迎浪侧，上端固定在圆筒型外壁的滑槽上，在波浪力的作用下会发生周期性的往复运动；所述气流通道采用等径的圆柱体挖孔形成，位于圆筒型外壁的上部中央，实现气室内与气室外气流的交换；所述空气透平位于圆筒型外壁上方预留的空气通道内；所述波浪发电机组位于空气透平的上方，与空气透平直接连接；所述气室由圆筒型外壁与上方预留的空气通道的水面之间构造形成的密闭空间，随着水体的挤进与排出，密闭气室空间的大小也随之发生变化；所述锚链用来实现波浪能转换子装置与海底的连接；所述锚链固定桩埋入海底泥面以下一定深度，用来拴系锚链。

3.根据权利要求1所述的一种适用波与流耦合作用海况的发电装置，其特征在于：所述的水流能转换子装置包括喇叭形放大进水口、圆柱形凹槽、底座、转换固定装置、发电机端从动齿轮、发电机固定装置、发电机、蓄电池盖、蓄电池、主动齿轮、出水管道、出水口固定装置、驱动水轮、水轮固定转动轴和中心轴；

所述喇叭形放大型进水口位于振荡水柱气室的后端，通过气室后端的圆柱形凹槽实现气室与水流转换装置的连接；所述圆柱形凹槽位于波浪能转换子装置圆筒型外壁的后端，主要用来固定水流能转换子装置的喇叭形放大型进水口；所述转换固定装置固定在底座上面；所述驱动水轮位于转换固定装置内部，所述驱动水轮固定连接在水轮固定转动轴上；所述中心轴上端固定连接有主动齿轮；所述主动齿轮左侧与发电机端从动齿轮相连；所述发电机端从动齿轮位于转换固定装置左上侧，所述发电机端从动齿轮固定连接在发电机下侧输入轴上；所述发电机通过发电机固定装置固定在转换固定装置左上侧；所述蓄电池固定在转换固定装置中间，主动齿轮上侧；所述蓄电池盖位于蓄电池上面；所述出水管道通过出水口固定装置固定在转换固定装置右下侧，并循环连接到进水管道。

4.根据权利要求3所述的一种适用波与流耦合作用海况的发电装置，其特征在于：所述出水管道的转弯段均采用修圆处理，避免水流与垂直型管壁直接碰撞，造成大量的能量损耗。