CN108425788B - 一种单向冲动式波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单向冲动式波浪能发电装置，包括吃水舱、空气舱、浮力舱、进气弯管、出气直管、第一法兰盘、安装管、单向冲动式空气透平以及发电机；空气舱与吃水舱通过螺栓接合在一起，并且由可转动的铝合金盖板将二者隔开；空气舱内安装有固定块和第一固定环，铝合金盖板设置有穿设在第一固定环内并绕其转动的活动杆；进气弯管的第一端安装在位于铝合金盖板下方的吃水舱内，其第二端位于浮力舱上部并设置有第二固定环，进气弯管第二端内部设置有可紧贴或松开第二固定环的橡胶片；出气直管安装在空气舱上部，并通过第一法兰盘与安装管、单向冲动式空气透平相接。本发明实现从波浪能到空气动能再到电能的高效率转化，能量转化效率高。

Description

一种单向冲动式波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及一种波浪能发电装置，尤其涉及一种单向冲动式波浪能发电装置。

背景技术

全球范围内波浪能蕴藏量丰富，开发利用的潜能巨大。随着化石燃料的枯竭以及人们对可再生绿色能源的逐渐重视，对于波浪能的开发利用在世界范围内掀起了一股热潮，各种各样的波浪能发电装置层出不穷，但这些装置都面临着发电效率低，造价高，在极端海况下容易遭到破坏等问题。

就目前的技术发展来看，波浪能应用技术主要分为固定式和漂浮式。固定式主要与沿岸防波堤结合，虽然有着工程上的便利，但应用范围有限，不能大规模地推广。漂浮式波浪能发电装置因为结构相对简单，可在大范围的海域上应用等优势而成为各国研究的重点。漂浮式波浪能发电装置根据其转换载体的不同可分为振荡水柱式，越浪式和振荡浮子式。

振荡浮子式波能发电装置通过浮子与波浪之间的相对运动来捕获波浪能，从而推动浮体相对于整体装置平动或转动。其中最具代表的是液压传动振荡浮子式波能发电装置，该装置将浮子捕获到的波浪能转化成液压缸内的压力势能，进而推动液压马达旋转，从而带动发电机发电。该种装置至少是双浮子，并且要有很大一部分潜入水下，又装置之间有相对运动，就使得对装置的强度要求高，这就使得整体装置的材料利用率低，造价高。再者，因为该种装置使用液压油作为传动工质，而液压油又存在着变质、损耗以及污染环境等问题，所以在实际海况下并不能大规模的应用，发展潜力有限。

越浪式波能发电装置是利用减缩式坡道将波浪引入相对较高的平台，然后通过低水头水轮机利用海水的重力势能来发电。该种装置体积庞大，耗费材料较多，工程造价高，高效率低水头水轮机的研制是其面临的一大难题，所以该种装置商业化应用的前景黯淡。

振荡水柱式波能发电装置是将波浪能转化为空气动能，然后推动空气透平旋转，从而带动发电机发电。该种装置结构简单，运行可靠性高，总体造价低，发电效率高，最具有大规模商业化应用的前景。

振荡水柱式波浪能发电装置就其构造形态可分为后弯管类，斜管类和中心管类，经过多年实验和真实海况的研究，其中以后弯管类波浪能发电装置综合效益高。

振荡水柱式波能发电装置使用的空气透平主要有Wells透平和冲动式透平两大类。其中威尔斯透平结构简单，造价低，可靠性高，但其存在自启动性能差，高效运转范围窄，噪声大等缺陷，所以发展前景有限。冲动式透平分为双向固定导叶式，双向自调节导叶式，单向固定导叶式。双向固定导叶式冲动透平在工作时因为有下游导叶的阻碍，使得空气流动性差，能量转换效率低；双向自调节导叶式冲动透平虽然在性能上就双向固定导叶上有所提高，但因为制作复杂，在实际海况下需要面临每天上千次的往复运动，所以容易损坏，工程可靠性低，不利于大规模的商业化应用。单向固定导叶式冲动透平结构简单，可靠性高，能量转化率也相对较高，但因为其只有单向做功，且在现有的装置中都将单向进气孔安装在空气透平附近，这就使得整体装置的能量吸收率较低，空气透平运转状况不稳定等缺陷。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种单向冲动式波浪能发电装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种单向冲动式波浪能发电装置，包括吃水舱、空气舱、浮力舱、进气弯管、出气直管、第一法兰盘、安装管、单向冲动式空气透平以及由所述单向冲动式空气透平带动发电的发电机；所述空气舱外部的下部固定钢板与所述吃水舱外部的上部固定钢板通过螺栓接合在一起，并且由可转动的铝合金盖板将所述空气舱与所述吃水舱隔开，空气舱与吃水舱形成L型结构；所述空气舱内安装有固定块以及设置在固定块上的第一固定环，所述铝合金盖板设置有穿设在所述第一固定环内并绕其转动的活动杆；所述进气弯管的第一端安装在位于所述铝合金盖板下方的吃水舱内，其第二端位于所述浮力舱上部并且第二端设置有第二固定环，所述进气弯管第二端内部设置有可紧贴或松开所述第二固定环的橡胶片；所述出气直管安装在所述空气舱上部，所述出气直管通过第一法兰盘与所述安装管连接，所述安装管与所述单向冲动式空气透平相接。

通过橡胶片与第一固定环的配合，使得空气单向流入空气舱下部和吃水舱；出气直管与铝合金盖板的配合，可实现高压气体的单向流出，从而带动单向冲动式空气透平和发电机持续旋转发电。

所述固定块的上部粘贴有一层耐酸碱橡胶片，所述第一固定环中部拱起形成供所述活动杆插入的限位槽，所述活动杆夹持在所述耐酸碱橡胶片与所述限位槽之间。耐酸碱橡胶片既可以减轻铝合金盖板和固定环之间的冲击，也可以减轻海水的腐蚀；限位槽的设置，可使活动杆与固定块之间采用间隙配合，从而使活动杆和铝合金盖板可以在给定的自由度内转动。

所述进气弯管的第一端焊接在所述吃水舱的上端，所述进气弯管与所述浮力舱下端面的接触部分经过焊接处理；所述进气弯管的第二端焊接有第二法兰盘，所述第二法兰盘的螺纹孔与所述第二固定环的螺纹孔一致，所述橡胶片安装在所述第二固定环上，所述第二固定环通过螺栓固定在所述第二法兰盘上。

所述浮力舱上侧面通过螺栓紧固有用于支撑所述安装管下部的支撑块，所述支撑块的内表面与所述安装管紧密贴合。

位于所述铝合金盖板上方的所述空气舱内设置有限位块，所述限位块的外端面的延伸面通过所述活动杆的轴心；所述铝合金盖板上翻接触到限位块时，所述铝合金盖板的上侧面与所述限位块的外端面紧密贴合。

所述空气舱外部的下部固定钢板与所述吃水舱外部的上部固定钢板之间设置有一层耐酸碱橡胶材质的密封垫。密封垫的设置，可使得整个舱体内保持密封。

所述吃水舱采用横截面为五边形构造结构的舱体，所述空气舱采用横截面为四边形构造的舱体，所述浮力舱采用横截面为五边形的尖角型舱体。五边形吃水舱、四边形空气舱和五边形尖叫型浮力舱的组合，可减少装置的反射波能量、透射波能量和兴波能量，提高了整体装置从波浪能到空气动能，再从空气动能到透平机械能的整体转换效率，在大规模商业化推广上很有潜力。

在静水状态下，水面线位于所述吃水舱的上部与所述进气弯管的下部之间的某一个平面上。

所述吃水舱的下端面设置有锚泊固定环。在实际海况中，可通过锚泊固定环与锚泊系统的连接来实现对整个发电装置的锚泊固定。

与现有技术对比，本发明的优点在于：本发明结构简单，造价低、效率高、稳定可靠、综合效益好；采用简单的整流装置来实现从波浪能到空气动能再到电能的高效率转化，能量转化效率高，可以实现大规模的产业化制造和商业化应用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例出气做功的结构示意图；

图3为本发明实施例吸气状态的结构示意图；

图4为本发明实施例进气弯管与橡胶片及第二固定环配合的结构示意图；

图5为本发明实施例活动杆与固定块配合的结构示意图；

图6为本发明实施例空气舱与吃水舱配合的结构示意图；

图7为本发明实施例单向冲动式空气透平及发电机安装管的结构示意图。

图中附图标记含义：1、吃水舱；101、上部固定钢板；2、浮力舱；3、空气舱；31、下部固定钢板；4、出气直管；5、安装管；6、支撑块；7、进气弯管；8、第二固定环；9、橡胶片；10、限位块；11、铝合金盖板；111、活动杆；12、耐酸碱橡胶片；13、第一固定环；14、固定块；15、密封垫；16、锚泊固定环；17、单向冲动式空气透平；18、发电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1至图7，为一种单向冲动式波浪能发电装置，包括吃水舱1、空气舱3、浮力舱2、进气弯管7、出气直管4、第一法兰盘、安装管5、单向冲动式空气透平17以及由单向冲动式空气透平17带动发电的发电机18；空气舱3外部的下部固定钢板31与吃水舱1外部的上部固定钢板101通过螺栓接合在一起，并且由可转动的铝合金盖板11将空气舱3与吃水舱1隔开，空气舱3与吃水舱1形成L型结构；空气舱3内安装有固定块14以及设置在固定块14上的第一固定环13，铝合金盖板11设置有穿设在第一固定环13内并绕其转动的活动杆111；进气弯管7的第一端安装在位于铝合金盖板11下方的吃水舱1内，其第二端位于浮力舱2上部并且第二端设置有第二固定环8，进气弯管7第二端内部设置有可紧贴或松开第二固定环8的橡胶片9；出气直管4安装在空气舱3上部，出气直管4通过第一法兰盘与安装管5连接，安装管5与单向冲动式空气透平17相接。

通过橡胶片9与第一固定环13的配合，使得空气单向流入空气舱3下部和吃水舱1；出气直管4与铝合金盖板11的配合，可实现高压气体的单向流出，从而带动单向冲动式空气透平17和发电机18持续旋转发电。

固定块14的上部粘贴有一层耐酸碱橡胶片12，第一固定环13中部拱起形成供活动杆111插入的限位槽，活动杆111夹持在耐酸碱橡胶片12与限位槽之间。耐酸碱橡胶片12既可以减轻铝合金盖板11和固定环之间的冲击，也可以减轻海水的腐蚀；限位槽的设置，可使活动杆111与固定块14之间采用间隙配合，从而使活动杆111和铝合金盖板11可以在给定的自由度内转动。

进气弯管7的第一端焊接在吃水舱1的上端，进气弯管7与浮力舱2下端面的接触部分经过焊接处理；进气弯管7的第二端焊接有第二法兰盘，第二法兰盘的螺纹孔与第二固定环8的螺纹孔一致，橡胶片9安装在第二固定环8上，第二固定环8通过螺栓固定在第二法兰盘上。

浮力舱2上侧面通过螺栓紧固有用于支撑安装管5下部的支撑块6，支撑块6的内表面与安装管5紧密贴合。

位于铝合金盖板11上方的空气舱3内设置有限位块10，限位块10的外端面的延伸面通过活动杆111的轴心；铝合金盖板11上翻接触到限位块10时，铝合金盖板11的上侧面与限位块10的外端面紧密贴合。

空气舱3外部的下部固定钢板31与吃水舱1外部的上部固定钢板101之间设置有一层耐酸碱橡胶材质的密封垫15。密封垫15的设置，可使得整个舱体内保持密封。为了增加整体装备的运行可靠性且降低装置在制造上的难度，本实施例将空气舱3和吃水舱1用分布在吃水舱1顶部的上部固定钢板101和空气舱3外部的下部固定钢板31以及螺栓接合在一起，在这二者之间还布置有一层耐酸碱橡胶材质的密封垫15，用以使整个舱体内保持密封。这样既可以降低装置的制造难度，并且当装置空气舱3内的部件出现问题时可以将整个空气舱3拆卸下来后进行更换零部件的操作，提升了整体装置运行的可靠性。

吃水舱1采用横截面为五边形构造结构的舱体，空气舱3采用横截面为四边形构造的舱体，浮力舱2采用横截面为五边形的尖角型舱体。五边形吃水舱1、四边形空气舱3和五边形尖叫型浮力舱2的组合，可减少装置的反射波能量、透射波能量和兴波能量，提高了整体装置从波浪能到空气动能，再从空气动能到透平机械能的整体转换效率，在大规模商业化推广上很有潜力。

在静水状态下，水面线位于吃水舱1的上部与进气弯管7的下部之间的某一个平面上。

吃水舱1的下端面设置有锚泊固定环16。在实际海况中，可通过锚泊固定环16与锚泊系统的连接来实现对整个发电装置的锚泊固定。

本发明的原理如下：

参阅图2，当波浪向上流动而使得海水涌入吃水舱1时，进气弯管7上部的橡胶片9会紧贴着第二固定环8，从而阻碍空气从进气弯管7中流出，这就使得吃水舱1上部的空气受到压缩并向上流动，从而推开吃水舱1和空气舱3之间的铝合金盖板11，流经出气直管4进入到单向冲动式空气透平17及发电机18安装管5，从而推动单向冲动式空气透平17旋转以及带动发电机18发电。

参阅图3，当波浪向下流动而使得海水涌出吃水舱1时，在向下气流的作用下铝合金盖板11会恢复到水平位置，阻隔高压气体继续向下流动，从而将高压气体阻隔在空气舱3内，使得空气舱3内的高压气体继续通过出气直管4进入到单向冲动式空气透平17及发电机18安装管5中，推动单向空气透平旋转以及带动发电机18工作。此时，因为吃水舱1内海水的向外流动以及铝合金盖板11将空气舱3内的气体与吃水舱1隔绝，这就使得吃水舱1上部以及进气弯管7内产生相对于大气压的负压，在负压的作用下进气弯管7上部的大气会推开橡胶片9而进入到空气舱3下部和吃水舱1内，使得吃水舱1内的海水持续向外涌出，从而为下一次压缩做功积累足够多的气体。

为了能使空气舱3内的气流保持稳定并且由更多的高压气体做功，在空气舱3和吃水舱1之间采用了可以转动的铝合金盖板11将高压气体阻隔在空气舱3内让其持续做功。

为了减少入流气体对单向冲动式空气透平17的影响以及减少入流气体对空气舱3内高压气体的稀释，所以通过进气弯管7将外部空气导入到空气舱3下部和吃水舱1上部。

本实施例中，铝合金盖板11和其上的活动杆111采用一体式构造工艺，活动杆111在铝合金盖板11中至少设置有一对，第一固定环13的数量与活动杆111的数量匹配，本实施例中以一对数量加以说明。在具体安装时，先将一个固定块14用螺栓固定在第一固定环13上，然后将一只活动杆111插入固定块14，最后调整好位置后将另一个活动杆111也通过固定块14用螺栓固定在第一固定环13上。活动杆111与固定块14之间采用间隙配合，所以活动杆111和铝合金盖板11可以在给定的自由度内转动。

限位块10的外端面的延伸面为假想延伸面，这样当铝合金盖板11运动到限位块10外端面处时会与该端面紧密贴合。限位块10的存在，一是避免铝合金盖板11在强气流的作用下旋转角超过九十度而不能恢复到水平位置，二是通过与铝合金盖板11的作用从而起到导流的作用，三是在强气流下可以起到节流的作用，避免强气流对单向冲动式空气透平17及发电机18产生冲击破坏。

本实施例中，出气直管4的前端焊接在空气舱3上部，其后端焊接有第一法兰盘，第一法兰盘上的螺孔分布与单向冲动式空气透平17及发电机18安装管5前端焊接的法兰盘上的螺孔分布一致，在安装就位后可通过螺栓将两部件进行紧固。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种单向冲动式波浪能发电装置，其特征在于：包括吃水舱、空气舱、浮力舱、进气弯管、出气直管、第一法兰盘、安装管、单向冲动式空气透平以及由所述单向冲动式空气透平带动发电的发电机；所述空气舱外部的下部固定钢板与所述吃水舱外部的上部固定钢板通过螺栓接合在一起，并且由可转动的铝合金盖板将所述空气舱与所述吃水舱隔开，空气舱与吃水舱形成L型结构；所述空气舱内安装有固定块以及设置在固定块上的第一固定环，所述铝合金盖板设置有穿设在所述第一固定环内并绕其转动的活动杆；所述进气弯管的第一端安装在位于所述铝合金盖板下方的吃水舱内，其第二端位于所述浮力舱上部并且第二端设置有第二固定环，所述进气弯管第二端内部设置有可紧贴或松开所述第二固定环的橡胶片；所述出气直管安装在所述空气舱上部，所述出气直管通过第一法兰盘与所述安装管连接，所述安装管与所述单向冲动式空气透平相接；所述进气弯管的第一端焊接在所述吃水舱的上端，所述进气弯管与所述浮力舱下端面的接触部分经过焊接处理；所述进气弯管的第二端焊接有第二法兰盘，所述第二法兰盘的螺纹孔与所述第二固定环的螺纹孔一致，所述橡胶片安装在所述第二固定环上，所述第二固定环通过螺栓固定在所述第二法兰盘上。

2.根据权利要求1所述的单向冲动式波浪能发电装置，其特征在于：所述固定块的上部粘贴有一层耐酸碱橡胶片，所述第一固定环中部拱起形成供所述活动杆插入的限位槽，所述活动杆夹持在所述耐酸碱橡胶片与所述限位槽之间。

3.根据权利要求1所述的单向冲动式波浪能发电装置，其特征在于：所述浮力舱上侧面通过螺栓紧固有用于支撑所述安装管下部的支撑块，所述支撑块的内表面与所述安装管紧密贴合。

4.根据权利要求1所述的单向冲动式波浪能发电装置，其特征在于：位于所述铝合金盖板上方的所述空气舱内设置有限位块，所述限位块的外端面的延伸面通过所述活动杆的轴心；所述铝合金盖板上翻接触到限位块时，所述铝合金盖板的上侧面与所述限位块的外端面紧密贴合。

5.根据权利要求1所述的单向冲动式波浪能发电装置，其特征在于：所述空气舱外部的下部固定钢板与所述吃水舱外部的上部固定钢板之间设置有一层耐酸碱橡胶材质的密封垫。

6.根据权利要求1所述的单向冲动式波浪能发电装置，其特征在于：所述吃水舱采用横截面为五边形构造结构的舱体，所述空气舱采用横截面为四边形构造的舱体，所述浮力舱采用横截面为五边形的尖角型舱体。

7.根据权利要求1所述的单向冲动式波浪能发电装置，其特征在于：在静水状态下，水面线位于所述吃水舱的上部与所述进气弯管的下部之间的某一个平面上。

8.根据权利要求1所述的单向冲动式波浪能发电装置，其特征在于：所述吃水舱的下端面设置有锚泊固定环。

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