CN108953041B - 一种运用波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种运用波浪能发电装置，包括集成水位系统、发电机组和调节机组；其中集成水位系统包括波浪能作用板、水流增压器、止回阀、进流管道、出流管道及蓄水池，发电机组包括出流管道、止回阀及灯泡贯流式水轮发电机组，调节机组为超低水头混流可逆式水泵水轮机。工作时，不稳定的波浪能推动作用板，水流经由流体增压器后流向蓄水池，作为发电机组与调节机组的水源用于做功最终转换为电能。本发明是传统发电与新能源发电的结合，其不仅是一种绿色环保型发电装置且具有稳定性，有广阔的应用前景和推广价值，对我国新能源发展意义重大。

Description

一种运用波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及一种运用波浪能发电装置，适用于将海洋能转换为电能。
背景技术
目前我国大部分生产用电来源于火电，据统计火力发电占总电量的65％，然而其对环境污染尤为严重，且燃料源均为不可再生能源。近年来绿色可再生能源的蓬勃发展不仅使得我国电力市场重新布局，而且也是时下国内外学者研究的热点。我国海岸线长达约3.2万公里，海洋能作为战略性资源发展具有较高的经济效益和社会效益，环保意义重大，同时能够切实解决海岛发展、海上设备运行、深远海开发等用电需求。然而由于海洋能发电技术并不成熟，其具有极不稳定特性。
在公知技术中，简易机组被直接安装在海面下用于发电，该方式依赖于环境因素，处于初级研发阶段，且所产电能极不稳定。中国专利申请CN200978767Y公开的一种水力发电机组结构过于简易，中国专利申请CN203770014U给出了一种利用水波浪力发电的系统装置，上述专利只是给出了一种波浪能做功于板面使得水流有压的想法，板面均为间断分离板面，板之间空间会减小波浪撞机板面速度，且其存在诸如未考虑产生稳定电能并网，解决特殊电量需求等现象。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种运用波浪能发电装置，其既能运用波浪能产生稳定的电能，又可满足因时因地额外电量的需求。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种运用波浪能发电装置，包括可逆式水泵水轮机、蓄水池、灯泡贯流式水轮发电机组、进流管道、水流增压器、活塞推动杆、波浪能作用板、出流管道和总出流管道；其中，
波浪能作用板的数量为一个，水流增压器和活塞推动杆的数量为多个且数量相等，可逆式水泵水轮机的一端通过第一管道连接至蓄水池，另一端连接至总出流管道；灯泡贯流式水轮发电机组的一端通过第二管道连接至蓄水池，另一端连接至总出流管道，波浪能作用板与多个活塞推动杆相连接，每个活塞推动杆与对应的水流增压器相连接，每个水流增压器均对应的与进流管道和出流管道相连接，各个进流管道连接至蓄水池，各个出流管道连接至总出流管道，形成水流运动循环。
本发明进一步的改进在于，第一管道上设置有第一阀门，第二管道上设置有第二阀门。
本发明进一步的改进在于，各个出流管道和进流管道上均设置有止回阀。
本发明进一步的改进在于，蓄水池为长方体容器，该蓄水池靠海侧开设有若干个进水口，并与对应进流管道相连接，相反侧开设有靠海相反侧出水口，并与可逆式水泵水轮机相连接，一个侧面开设有侧面出水口，并与灯泡贯流式水轮发电机组相连接，另一侧面安装有水位传感器，且在靠下位置安装有泄水阀。
本发明进一步的改进在于，波浪能作用板为一块长方体板，其上端为自由端，下端由多个地铰链与地基连接，来流相反侧中部设置有若干上铰链，其与水流增压器上对应的活塞推动杆铰接。
本发明进一步的改进在于，水流增压器包括具有中空腔体且上下两端开口的器壁，分别连接在器壁上下两端的上盖和下盖，以及设置在器壁内的活塞，每个活塞推动杆的一端与对应水流增压器的活塞相连接，另一端与波浪能作用板铰接，活塞外侧中央开设有用于密封的密封槽，上盖上安装有一个压力平衡管，下盖上分别连接进流管道和出流管道，且下盖外侧中部设置有用于固定水流增压器的铰链，铰链两侧分别为水流增压器的进流软管与出流软管。
本发明进一步的改进在于，总出流管道与各个出流管道通过焊接相连接，且总出流管道的末端开口。
本发明进一步的改进在于，调节机组的可逆式水泵水轮机包括蜗壳，与蜗壳内壁相连的固定导叶，导叶体可围绕各自轴转动的活动导叶，转轮以及尾水管。
本发明进一步的改进在于，蜗壳的断面为圆截面，圆截面半径变化遵循二次函数y＝-0.0006x2-0.1113x+153.1643，蜗壳包角为339°～355°，固定导叶包括19个导叶体和一个鼻端，其叶型为负曲率叶型；活动导叶包括20个导叶体，且导叶叶型对称，转轮包括9个两端切线进出口的三维后倾式空间叶片，叶片包角α为105°。
本发明进一步的改进在于，灯泡贯流式水轮发电机组包括过水流道，设置在过水流道内的灯泡体，以及设置在灯泡体外侧周向上的若干导叶和转轮叶片，且导叶呈扁平对称锥形，转轮叶片叶型为负倾角X型。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明采用集成水位系统，结合波浪能作用板与水流增压器使得有压水流贮存在蓄水池中，从而发电机组有恒定的来流。另一方面，靠海相反侧设置调节机组可逆式水泵水轮机，其可在蓄水池水位低于一定程度后工作在抽水工况，在额外要求高输出电能时工作在发电工况，从而在进一步保证恒定电能输出的同时，满足因地因时的额外要求。结合抽蓄电站原理与改进型波浪能发电方式，不仅大幅度提高了潮流能发电的稳定性，也对我国海洋能开发利用意义重大，该装置具有广阔的应用前景和推广价值。
与当下正处于研发阶段的直接安装在海面下依赖于外界环境因素的发电机组相比，集成水位系统能够提供给灯泡贯流式水轮机恒定的入流速度，其产生的电能变动幅值保持在较小的一定范围内；另一方面，调节机组可逆式水泵水轮机的安装，其可在蓄水池水位低于一定程度后工作在抽水工况，在额外要求高输出电能时工作在发电工况，进一步保证该装置电能输出的稳定性。
进一步，蓄水池设置为长方体，靠海侧为长边，该长度可根据不同海域波浪来流速度及蓄水池的安装位置来确定，密集型多个进流管道设置可充分吸收水流至蓄水池。水位传感器用于监测蓄水池水位，将信号直接传于控制系统，以方便调节机组选择工况运行。
进一步，连续型波浪能作用板中间无缝隙，能全部接收波浪作用力，从而推动活塞杆做功，实现水流增压器内活塞的运动。水流增压器的安装，进一步增大来流压力，使得水流顺利尽快到达蓄水池，不影响波浪能作用板的第二次做功送进来的水流。
进一步，调节机组可逆式水泵水轮机蜗壳截面为圆形，这种结构相当于水流在收缩柱状管道内流动，同时蜗壳截面面积变化遵循二次函数规律，该函数控制水流在蜗壳内运动损失最小。负曲率叶型的固定导叶用于整流，活动导叶不仅需要配合最优工况下转轮叶片进口角度，且叶型设计为对称鲸型兼顾了发电和抽水两种相反工况。转轮叶片是两端切线进出口的三维后倾式空间叶型，该叶型在水轮机工况与水泵工况做功能力均较强。
进一步，灯泡贯流式发电机组的选择，不仅适用于陆地上面发电，亦适用于安装在海平面以下，使得整个系统适用范围增大。此外，转轮叶片叶型为负倾角X型与扁平对称锥形导叶配合，做功能力较强。
综上所述，本发明将靠近海岸的波浪能先转换为水流压力能，有压水流带动机组转轮运动产生机械能，进一步传至发电机最终产生电能。本发明不仅是一种将海洋波浪能转换为电能的可再生能源绿色发电技术，且集成水位系统、发电系统及调节系统的配合使其具有稳定性得明显优势。
附图说明
图1为本发明一种运用波浪能发电装置的结构原理图。
图2为可逆机组模型的结构示意图。
图3为可逆机组模型叶型的结构示意图。
图4和图5为波浪能作用板的结构示意图。
图6为水流增压器的结构示意图。
图7和图8为集水池的结构示意图。
图9为灯泡贯流式水轮发电机组的结构示意图。
图10为导叶的结构示意图。
图11为转轮的结构示意图。
附图标记说明：1-可逆式水泵水轮机，2-第一阀门，3-第一管道，4-蓄水池，5-第二管道，6-第二阀门，7-灯泡贯流式水轮发电机组，8-进流管道，9-水流增压器，10-活塞推动杆，11-波浪能作用板，12-止回阀，13-出流管道，14-蜗壳，15-固定导叶，16-活动导叶，17-转轮，18-尾水管，19-地铰链，20-上铰链，21-上盖，22-下盖，23-器壁，24-活塞，25-螺栓，26-密封槽，27-压力平衡管，28-铰链，29-进流软管，30-出流软管，31-进水口，32-靠海相反侧出水口，33-侧面出水口，34-水位传感器，35-泄水阀，36-导叶，37-转轮叶片，38-灯泡体，39-过水流道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种运用波浪能发电装置，该装置由集成水位系统、发电机组和调节机组三部分组成，具体包括可逆式水泵水轮机1、第一阀门2、第一管道3、蓄水池4、第二管道5、第二阀门6、灯泡贯流式水轮发电机组7、进流管道8、水流增压器9、活塞推动杆10、波浪能作用板11、止回阀12、出流管道13和总出流管道，其中波浪能作用板11为一个，水流增压器9和活塞推动杆10为多个且数量相等，可逆式水泵水轮机1一端经由第一阀门2、第一管道3至蓄水池4，另一端连接总出流管道；灯泡贯流式水轮发电机组7一端经由第二阀门6连接第二管道5至蓄水池4，另一端连接总出流管道，波浪能作用板11与多个活塞推动杆10相连接，每个活塞推动杆10与每个水流增压器9单独对应连接，水流增压器9与进流管道8和出流管道13相连，各进流管道8接至蓄水池4，各出流管道13和各进流管道8上均装有止回阀12，接至总出流管道，从而形成水流运动循环。总出流管道与各出流管道13焊接相连，总出流管道末端开口，是正常运行工况蓄水池4出流的唯一路径。
其中集成水位系统将不稳定的波浪来流贮存在蓄水池4中，发电机组安装在蓄水池4侧面，一端经由第二管道5与第二阀门6连接蓄水池4，出口端接总出流管道，与现有技术波浪流直接作为发电机组来流做功转轮相比，该装置明显提高了来流速度的稳定性，即提高了所产电能的稳定性。调节机组安装在靠海侧相反面，其一端经由第一管道3与第一阀门2连接蓄水池4，另一端接总出流管道，当蓄水池水位低于给定值时工作在抽水工况，当有额外电量需求时工作在水轮机工况，调节机组的设置在进一步保证所产电能的稳定性基础上，可以切实解决因时因地的随机需求问题。
如图4和图5所示，本发明集成水位系统，水流推动波浪能作用板11运动，该波浪能作用板11为长方体连续板面，因连续板面不会减小波浪撞机速度，且板面可根据不同海域流量及流速设计其长度尺寸。波浪能作用板11上端为自由端，下端由多个地铰链19与地基连接，来流相反侧中间设置多个上铰链20，使得波浪能作用板11与多个活塞杆推动10相连接，对水流施加引流力在水流增压器9中形成有压水流后，水流经由止回阀12沿管道到达蓄水池4。
如图1所示，本发明的发电机组由灯泡贯流式水轮发电机组7和与之配套的发电机组成，可以选用同步发电机直接上网或者异步发电机经逆变上网。灯泡贯流式水轮发电机组7安装在与靠海面呈90°的蓄水池侧面，灯泡贯流式水轮发电机组7一端经由第二阀门6连接第二管道5至蓄水池4，蓄水池4保持在特定水位以上，则足以给灯泡贯流式水轮发电机组7提供恒定流速的进流，从而产生稳定的电能，另一端连接总出流管道形成水流运动循环。
如图2和图3，本发明提供的可逆式水泵水轮机1，其由蜗壳14、固定导叶15、活动导叶16、转轮17及尾水管18组成。蜗壳断面为圆截面，圆截面半径变化遵循二次函数y＝-0.0006x2-0.1113x+153.1643，蜗壳14包角为339°～355°。如图3所示，固定导叶15为负曲率叶型，活动导叶16为对称叶型，转轮叶片17为两端切线进出口的三维后倾式空间叶片，叶片包角α为105°。
如图6所示，水流增压器9由上盖21、下盖22、器壁23和活塞24组成，其中上盖21与下盖22通过螺栓25与器壁23螺栓连接。水流增压器9一端由活塞推动杆10与波浪能作用板11铰接，活塞24外侧中央为密封槽26，上盖21上安装有一个压力平衡管27，下盖22上分别连接进流管道8和出流管道13，且下盖22外侧中部设置有用于固定水流增压器9的铰链28，铰链28两侧分别为水流增压器9的进流软管29与出流软管30。
如图7和图8所示，蓄水池4为长方体容器，该蓄水池4靠海侧开设有若干个进水口31，并与对应进流管道8相连接，相反侧开设有靠海相反侧出水口32，并与可逆式水泵水轮机1相连接，一个侧面开设有侧面出水口33，并与灯泡贯流式水轮发电机组7相连接，另一侧面安装有水位传感器34，且在靠下位置安装有泄水阀35。
如图9所示，本发明提供的灯泡贯流式水轮发电机组7，其由导叶36，转轮叶片37，灯泡体38和过水流道39。如图10所示，导叶36为扁平对称锥形，如图11所示，转轮叶片37叶型为X型。
本发明的工作原理在于：波浪能作用板推动活塞杆运动，有压水流经水流增压器、进流管道传至蓄水池，蓄水池水流进入灯泡贯流式水轮发电机组带动转轮旋转做功，出流接至总出流管道回归海洋。调节机组可逆式水泵水轮机一端接蓄水池，另一端接总出流管道，当蓄水池水位低于要求值时，工作在水泵工况补充水位，有额外电量需求时工作在水轮机工况发电。
本发明的具体实施中未涉及的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。本发明经反复试验验证取得了满意的应用效果，实施例所述的一种运用波浪能发电装置适用于各海洋流域。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种运用波浪能发电装置的技术思想的具体支持，不能以此来限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (7)

1.一种运用波浪能发电装置，其特征在于，包括可逆式水泵水轮机(1)、蓄水池(4)、灯泡贯流式水轮发电机组(7)、进流管道(8)、水流增压器(9)、活塞推动杆(10)、波浪能作用板(11)、出流管道(13)和总出流管道；其中，
波浪能作用板(11)的数量为一个，水流增压器(9)和活塞推动杆(10)的数量为多个且数量相等，可逆式水泵水轮机(1)的一端通过第一管道(3)连接至蓄水池(4)，另一端连接至总出流管道；灯泡贯流式水轮发电机组(7)的一端通过第二管道(5)连接至蓄水池(4)，另一端连接至总出流管道，波浪能作用板(11)与多个活塞推动杆(10)相连接，每个活塞推动杆(10)与对应的水流增压器(9)相连接，每个水流增压器(9)均对应的与进流管道(8)和出流管道(13)相连接，各个进流管道(8)连接至蓄水池(4)，各个出流管道(13)连接至总出流管道，形成水流运动循环；总出流管道与各个出流管道(13)通过焊接相连接，且总出流管道的末端开口；
蓄水池(4)为长方体容器，该蓄水池(4)靠海侧开设有若干个进水口(31)，并与对应进流管道(8)相连接，相反侧开设有靠海相反侧出水口(32)，并与可逆式水泵水轮机(1)相连接，一个侧面开设有侧面出水口(33)，并与灯泡贯流式水轮发电机组(7)相连接，另一侧面安装有水位传感器(34)，且在靠下位置安装有泄水阀(35)；
波浪能作用板(11)为一块长方体板，其上端为自由端，下端由多个地铰链(19)与地基连接，来流相反侧中部设置有若干上铰链(20)，其与水流增压器(9)上对应的活塞推动杆(10)铰接。
2.根据权利要求1所述的一种运用波浪能发电装置，其特征在于，第一管道(3)上设置有第一阀门(2)，第二管道(5)上设置有第二阀门(6)。
3.根据权利要求1所述的一种运用波浪能发电装置，其特征在于，各个出流管道(13)和进流管道(8)上均设置有止回阀(12)。
4.根据权利要求1所述的一种运用波浪能发电装置，其特征在于，水流增压器(9)包括具有中空腔体且上下两端开口的器壁(23)，分别连接在器壁(23)上下两端的上盖(21)和下盖(22)，以及设置在器壁(23)内的活塞(24)，每个活塞推动杆(10)的一端与对应水流增压器(9)的活塞(24)相连接，另一端与波浪能作用板(11)铰接，活塞(24)外侧中央开设有用于密封的密封槽(26)，上盖(21)上安装有一个压力平衡管(27)，下盖(22)上分别连接进流管道(8)和出流管道(13)，且下盖(22)外侧中部设置有用于固定水流增压器(9)的铰链(28)，铰链(28)两侧分别为水流增压器(9)的进流软管(29)与出流软管(30)。
5.根据权利要求1所述的一种运用波浪能发电装置，其特征在于，调节机组的可逆式水泵水轮机(1)包括蜗壳(14)，与蜗壳(14)内壁相连的固定导叶(15)，导叶体可围绕各自轴转动的活动导叶(16)，转轮(17)以及尾水管(18)。
6.根据权利要求5所述的一种运用波浪能发电装置，其特征在于，蜗壳(14)的断面为圆截面，圆截面半径变化遵循二次函数y＝-0.0006x2-0.1113x+153.1643，蜗壳(14)包角为339°～355°，固定导叶(15)包括19个导叶体和一个鼻端，其叶型为负曲率叶型；活动导叶(16)包括20个导叶体，且导叶叶型对称，转轮(17)包括9个两端切线进出口的三维后倾式空间叶片，叶片包角α为105°。
7.根据权利要求1所述的一种运用波浪能发电装置，其特征在于，灯泡贯流式水轮发电机组(7)包括过水流道(39)，设置在过水流道(39)内的灯泡体(38)，以及设置在灯泡体(38)外侧周向上的若干导叶(36)和转轮叶片(37)，且导叶(36)呈扁平对称锥形，转轮叶片(37)叶型为负倾角X型。
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