CN109236549A - 一种高效波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高效波浪能发电装置，包括浮箱、空气透平、系泊系统、呈L型的水体导管和水平的压水板，水体导管包括竖直部和水平部，水平部的一端与竖直部的底端连通，竖直部的高度与水体导管的高度相同；浮箱设置于竖直部与水平部的夹角处，竖直部的顶端闭口，竖直部的侧壁上设置有通风孔，空气透平设置于通风孔处，空气透平的外壁与通风孔密封连接，且空气透平上设置有用于开启和关闭空气透平的气流通道的控制阀，空气透平与发电机组相连，压水板一侧与竖直部的前外壁的底端固连，压水板的另一侧通过斜杆与竖直部的前外壁固连；系泊系统一端与水体导管固连、另一端锚固于海床。本发明高效波浪能发电装置提高了波浪能的转换效率。

Description

一种高效波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，特别是涉及一种高效波浪能发电装置。
背景技术
随着化石能源危机以及过量碳排放导致的环境污染、全球变暖，对绿色可再生能源的需求日益增长。波浪能是海洋能中能流密度最大、分布最广、品位最高的一种清洁可再生能源，因而是各国海洋能研究开发的重点，它的开发利用，将有利于缓解能源危机和环境问题。尤其是我国海岛及海上平台众多，为在海岛和海上平台上的正常生产和生活活动提供电力保障显得非常迫切和重要，而海岛和海上平台远离大陆，从大陆向这些岛屿和平台进行电力传输显得有些鞭长莫及，因此，因地制宜地开发利用岛屿和平台周围的波浪能并提供电力保障是至关重要的。
波浪能开发的最关键技术是波浪能转换技术。现有的波浪能转换装置的转换效率有限，且现有的波浪能转换装置运行的可靠性不高；由于波浪能转换装置结构复杂、可靠性差、成本较高等原因，特别是波浪能转换装置可靠性问题，一直制约着波浪能利用的商业化发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效波浪能发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高波浪能的转换效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种高效波浪能发电装置，包括浮箱、空气透平、系泊系统、呈L型的水体导管和水平的压水板，所述水体导管包括竖直部和水平部，所述水平部的一端与所述竖直部的底端连通，所述竖直部的高度与所述水体导管的高度相同；所述浮箱设置于所述竖直部与所述水平部的夹角处，所述竖直部的顶端闭口，所述竖直部的侧壁上设置有通风孔，所述空气透平设置于所述通风孔处，所述空气透平的外壁与所述通风孔密封连接，且所述空气透平上设置有用于开启和关闭所述空气透平的气流通道的控制阀，所述空气透平与发电机组相连，所述压水板一侧与所述竖直部的前外壁的底端固连，所述压水板的另一侧通过斜杆与所述竖直部的前外壁固连；所述系泊系统一端与所述水体导管固连、另一端锚固于海床。
优选地，所述水体导管的横截面呈长方形或圆形。
优选地，所述水体导管的竖直部与所述水体导管的水平部的夹角处设置有倒角。
优选地，所述斜杆为两个，所述斜杆一端与所述压水板固连、另一端与所述前外壁固连。
优选地，所述系泊系统为3个，每个所述系泊系统均包括依次连接的弹性绳、锚链浮体和锚链，所述弹性绳的顶端与所述水体导管固连，所述锚链的底端锚固于海床。
优选地，所述空气透平为双向空气透平。
优选地，所述空气透平和所述通风孔均为两个，且两个所述空气透平的大小不同。
优选地，还包括设置于所述水体导管的竖直部与所述压水板之间的辅助浮箱，所述辅助浮箱的高度与所述水体导管的高度相等，所述压水板的一端与所述辅助浮箱的底端固连，所述压水板的另一端通过斜杆与所述辅助浮箱的侧壁固连。
本发明高效波浪能发电装置相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明高效波浪能发电装置提高了波浪能的转换效率。本发明高效波浪能发电装置采用振荡水柱波浪能转换原理，利用波浪的作用，压缩水体导管竖直部顶部的空气腔室里的空气，在整个波浪能转换过程中，波浪能首先转换为气动能，并驱动空气透平机高速旋转，从而把气动能转换为机械能，并直接带动发电机发电，整个系统结构简单，可靠性好，增强了波力发电系统和波力发电装置的耐久性。本发明高效波浪能发电装置采用空气透平转换波浪能，整个装置水下没有移动部件，而且旋转空气透平机也完全利用空气作为工作介质，从而确保装置的可靠性，而且空气透平、发电机组等核心部件都布置在水面以上便于安装、维护、拆换和监测，提高了核心部件的易维护性，降低了运行费用；
本发明高效波浪能发电装置由于采用空气作为工作介质，从而不存在任何海水腐蚀和污染的危险，非常环保；本发明高效波浪能发电装置采用双向空气透平能量转换装置，即无论是气流从腔体压出或吸入腔体，空气透平机都单向高速旋转，从而提高了波浪能转换效率，并减少透平机在改变旋转方向而引起的能量损失，减小了透平机上的载荷，提高系统的可靠性；高速旋转的透平机可直接与发电机相连，并与电网相连；本发明高效波浪能发电装置采用电气及其控制系统布置在密封的浮箱内，从而避免其受海水侵蚀；本发明高效波浪能发电装置波浪能采集浮箱采用浅吃水形状，更适用于中国海域低密度波浪能的条件，同时也可以提高波浪能转换的一级转换效率。本发明高效波浪能发电装置采用一大一小双空气透平机组，在小海况下，小透平机工作，大透平机关闭；中等海况下，大透平机工作，小透平机关闭；大海浪情况下，大小透平同时工作；在极限海况下，大小透平机均关闭，避免透平和发电机的损坏。这些组合可极大提高装置波浪能高效生产的范围同时保证机组运行安全；同时，可以根据大小透平的开(控制阀开，透平机运行)，关(控制阀开，透平机停止运行)，和闭(透平机停止运行和控制阀关闭流道)三种状态，总组合可达9种之多，进一步提高系统的效率；本发明高效波浪能发电装置采用前部方型底部，有效提高后弯管振荡水柱波浪能转换效率，在方形底部的基础上，压水板的设计可有效改进后弯管振荡水柱的综合水动力性能，包括装置的运动模态(主要包括装置升沉和纵摇运动)之间的耦合，有效提高了波浪能转换效率；本发明可采用浮箱和辅助浮箱的双浮体设计，以及其前部的方型底部设计可提高装置的总体稳定性，避免装置的非能量转化的运动，有效提高了波浪能转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高效波浪能发电装置实施例一的结构示意图；
图2为本发明高效波浪能发电装置实施例一的部分结构示意图；
图3为本发明高效波浪能发电装置实施例一的截面示意图；
图4为本发明高效波浪能发电装置实施例一的侧视图；
图5为本发明高效波浪能发电装置实施例一的另一部分结构示意图；
图6为本发明高效波浪能发电装置实施例二的结构示意图；
图7为本发明高效波浪能发电装置实施例二的截面示意图；
其中，1-水体导管，11-空气腔室，12-空气透平，121-第一空气透平，122-第二空气透平，13-发电机组，14-控制阀，15-前外壁，2-浮箱，21-辅助浮箱，3-压水板，31-斜杆，4-系泊系统，41-锚链，42-锚链浮体，43-弹性绳。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高效波浪能发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高波浪能的转换效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-5所示，本实施例高效波浪能发电装置包括浮箱2、空气透平12、系泊系统4、呈L型的水体导管1和水平的压水板3，水体导管1包括竖直部和水平部，水平部的一端与竖直部的底端连通，竖直部的高度与水体导管1的高度相同；浮箱2设置于竖直部与水平部的夹角处，竖直部的顶端闭口，竖直部的侧壁上设置有两个通风孔；水体导管1的竖直部与水体导管1的水平部的夹角处设置有倒角。
参照图4和图5，本实施例中空气透平12包括第一空气透平121和第二空气透平122，第一空气透平121比第二空气透平122大，且第一空气透平121和第二空气透平122均为双向空气透平，即无论是气流从空气腔室11压出或吸入空气腔室11，第一空气透平121和第二空气透平122都单向高速旋转，从而提高了波浪能转换效率，并减少透平机在改变旋转方向而引起的能量损失，减小了透平机上的载荷，提高了系统的可靠性。第一空气透平121和第二空气透平122分别设置于两个通风孔处，第一空气透平121和第二空气透平122的外壁分别与两个通风孔密封连接，且第一空气透平121和第二空气透平122上均设置有控制阀14，控制阀14用于控制空气透平12上的气流通道的开启和关闭，空气透平12与发电机组13相连，发电机组13与电网相连，密封的浮箱2内设置有电气及其控制系统，能够避免电气及其控制系统受到海水侵蚀，电气及其控制系统能够控制第一空气透平121、第二空气透平122及两个空气透平上的两个控制阀14开启和关闭，电气及其控制系统还与设置在浮箱2上的振动传感器电连接，以通过振动传感器来感知海水振动的大小，从而根据情况控制第一空气透平121、第二空气透平122及两个空气透平上的两个控制阀14开启和关闭，最大化地提高波浪能的转换效率同时避免装置因极限海况而发生损坏。本发明高效波浪能发电装置采用一大一小双空气透平机组，在小海况下，小透平机工作，大透平机关闭；中等海况下，大透平机工作，小透平机关闭；大海浪情况下，大小透平同时工作；在极限海况下，大小透平机均关闭，避免透平和发电机的损坏。这些组合可极大提高装置波浪能高效生产的范围同时保证机组运行安全；同时，可以根据大小透平的开(控制阀14开，透平机运行)，关(控制阀14开，透平机停止运行)，和闭(透平机停止运行和控制阀14关闭流道)三种状态，总组合可达9种之多，进一步提高系统的效率。
参照图1-3和5，压水板3一侧与竖直部的前外壁15的底端固连，压水板3的另一侧通过两个斜杆31与竖直部的前外壁15固连，斜杆31一端与压水板3固连、另一端与前外壁15固连。压水板3的设计可有效改进后弯管振荡水柱的综合水动力性能，包括装置的运动模态(主要包括装置升沉和纵摇运动)之间的耦合，有效提高了波浪能转换效率。
系泊系统4一端与水体导管1固连、另一端锚固于海床；参照图1，本实施例中系泊系统4为3个，每个系泊系统4均包括依次连接的弹性绳43、锚链浮体42和锚链41，弹性绳43的顶端与水体导管1固连，锚链41的底端锚固于海床，系泊系统4既能够保持水体导管1的基本稳定，又能够保证该装置完成对波浪能的收集。
在本实施例中，水体导管1的横截面呈长方形，当然水体导管1的横截面的形状也可以设置为圆形或其它形状。
本实施例高效波浪能发电装置的工作时，海水从水体导管1的水平部的后端流入水体导管1中，在浮箱2的作用下，该装置一部分漂浮于水面上，水体导管1的竖直部的顶部形成空气腔室11，由于海水波浪的振荡作用，空气腔室11的体积大小会不断地变化，空气腔室11中不断地压出或吸入空气，而第一空气透平121和第二空气透平122在该过程中均会单向高速旋转，从而带动发电机组13进行发电；值得注意的是，第一空气透平121和第二空气透平122的大小不同，在小海况下，小透平机工作，大透平机关闭；中等海况下，大透平机工作，小透平机关闭；大海浪情况下，大小透平同时工作；在极限海况下，大小透平机均关闭，避免透平和发电机的损坏。
实施例二
如图6-7所示，本实施例高效波浪能发电装置与上述实施例一的高效波浪能发电装置在结构上基本相同，其区别之处在于：
本实施例高效波浪能发电装置还包括设置于水体导管1的竖直部与压水板3之间的辅助浮箱21，辅助浮箱21的高度与水体导管1的高度相等，压水板3的一端与辅助浮箱21的底端固连，压水板3的另一端通过斜杆31与辅助浮箱21的侧壁固连。本实施例高效波浪能发电装置采用浮箱2和辅助浮箱21的双浮体设计，以及其前部的方型底部设计可提高装置的总体稳定性，避免装置的非能量转化的运动，有效提高了波浪能转换效率。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种高效波浪能发电装置，其特征在于：包括浮箱、空气透平、系泊系统、呈L型的水体导管和水平的压水板，所述水体导管包括竖直部和水平部，所述水平部的一端与所述竖直部的底端连通，所述竖直部的高度与所述水体导管的高度相同；所述浮箱设置于所述竖直部与所述水平部的夹角处，所述竖直部的顶端闭口，所述竖直部的侧壁上设置有通风孔，所述空气透平设置于所述通风孔处，所述空气透平的外壁与所述通风孔密封连接，且所述空气透平上设置有用于开启和关闭所述空气透平的气流通道的控制阀，所述空气透平与发电机组相连，所述压水板一侧与所述竖直部的前外壁的底端固连，所述压水板的另一侧通过斜杆与所述竖直部的前外壁固连；所述系泊系统一端与所述水体导管固连、另一端锚固于海床。
2.根据权利要求1所述的高效波浪能发电装置，其特征在于：所述水体导管的横截面呈长方形或圆形。
3.根据权利要求1所述的高效波浪能发电装置，其特征在于：所述水体导管的竖直部与所述水体导管的水平部的夹角处设置有倒角。
4.根据权利要求1所述的高效波浪能发电装置，其特征在于：所述斜杆为两个，所述斜杆一端与所述压水板固连、另一端与所述前外壁固连。
5.根据权利要求1所述的高效波浪能发电装置，其特征在于：所述系泊系统为3个，每个所述系泊系统均包括依次连接的弹性绳、锚链浮体和锚链，所述弹性绳的顶端与所述水体导管固连，所述锚链的底端锚固于海床。
6.根据权利要求1所述的高效波浪能发电装置，其特征在于：所述空气透平为双向空气透平。
7.根据权利要求6所述的高效波浪能发电装置，其特征在于：所述空气透平和所述通风孔均为两个，且两个所述空气透平的大小不同。
8.根据权利要求7所述的高效波浪能发电装置，其特征在于：还包括设置于所述水体导管的竖直部与所述压水板之间的辅助浮箱，所述辅助浮箱的高度与所述水体导管的高度相等，所述压水板的一端与所述辅助浮箱的底端固连，所述压水板的另一端通过斜杆与所述辅助浮箱的侧壁固连。
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