CN109779825A - 矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置，包括矩形浮力舱、甲板、矩形环管、发电机、对称翼透平和导流体；甲板设置在矩形浮力舱的上部，为一水平板，矩形环管包围在矩形浮力舱上下方向的四周；矩形环管以矩形浮力舱为参照，分为左侧管、右侧管、上部管和下部管；左侧管与右侧管对称；发电机、对称翼透平和导流体装在上部管内部；对称翼透平位于上部管的中心处，发电机与导流体分别位于对称翼透平的两侧；矩形环管整个管道处于密封状态，矩形环管内充填有液体介质及空气。本装置结构简单、安全可靠、转换效率高、维护方便、可调装置固有频率及减轻拖航阻力。

Description

矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置

技术领域

本发明涉及波浪能发电技术领域，尤其涉及一种矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置。

背景技术

波浪能资源蕴藏丰富，开发利用潜力巨大。但由于波浪能不稳定、海洋环境恶劣、海水腐蚀、海生物附着等因素，开发利用海洋波浪能成本高昂。这些成本主要表现在装置的材料成本、建造成本、转换机构成本、投放、运输和回收成本、锚泊成本、维护成本等。

目前波浪能利用技术种类繁多，漂浮式波浪能利用技术因其适应面广而成为研究的主流，绝大部分漂浮式技术可分为3大类:漂浮振荡水柱技术、漂浮越浪技术和漂浮振荡浮子技术，如图1所示。漂浮振荡浮子技术是利用波浪推动一个浮体相对另一个浮体(支撑平台)平动或转动转换能量，即波浪能首先转换为浮体运动的机械能，然后通过液压系统或直线发电系统或机械机构转换为电能。基于该技术发展的装置必须是双(多)浮体并且潜入或半潜入海水中，这一特点意味着材料利用率低(双或多浮体)、浮体间相互作用问题不可避免、海生物附着影响大、投放时间长(浮态调节需要时间和设备)，易出机械故障，难以维修，其性价比受技术路线影响提高有限。漂浮越浪技术是利用波浪的爬升作用，把波浪能转换为海水的势能，基于该技术发展的装置特点是单浮体(承载平台)，装置要承担转换载体(海水)的重量，因此其结构规模庞大、强度要求高，在风、浪和流的共同作用下，系泊系统复杂、投资大，水轮机同海水接触，受海生物附着影响大，发展缓慢。漂浮振荡水柱技术是在结构物内设置腔体，利用腔体里的水柱推动空气运动，运动的空气推动空气透平和发电机输出电能。常见的腔体形式为直管、弯管或斜管，腔体一端潜入海水，另一端收缩后安装空气透平和发电机，空气透平和海水之间形成一气室。该技术特点是单浮体，材料利用率高,不存在相撞问题，空气透平和发电机位于水面上不受海水和海生物影响，维修方便。漂浮振荡水柱技术有静止型和运动型两种。漂浮静止型振荡水柱技术浮体基本不动，腔体内水柱的运动主要靠波浪直接作用产生，比如日本的“巨鲸”号装置，这类技术能量转换效率不高。现有波浪能利用技术中存在建造成本高、海洋工程费用高、安全性不高的缺点。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置，它属于漂浮运动型振荡水柱技术。

本发明是通过以下技术方案来实现的：矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置，包括矩形浮力舱、甲板、矩形环管、发电机、对称翼透平和导流体；所述甲板设置在所述矩形浮力舱的上部，为一水平板，所述矩形环管包围在所述矩形浮力舱上下左右四周；所述矩形环管以所述矩形浮力舱为参照，分为左侧管、右侧管、上部管和下部管；所述左侧管与所述右侧管对称；所述发电机、对称翼透平和导流体装在所述上部管内部；所述对称翼透平位于所述上部管的中心处，所述发电机与所述导流体分别位于所述对称翼透平的两侧；所述矩形环管整个管道处于密封状态，所述矩形环管内充填有液体介质及空气，形成气液共存的环境，所述矩形环管内气压在装置静止时与大气压相同；所述矩形环管连接有用于调节液体介质质量的抽排液体系统；充填在所述矩形环管内的液体介质，在所述左侧管内形成左侧液体柱，在所述右侧管内形成右侧液体柱，所述左侧液体柱上方的左侧管内部空间为左侧气室，所述右侧液体柱上方的右侧管内部空间为右侧气室；当波浪作用于本装置上时，本装置纵摇往复运动，所述矩形环管内的液体柱会产生往复运动，推动所述矩形环管内的空气往复运动，从而推动所述对称翼透平向一个方向旋转，驱使所述发电机发电。

当本装置在波浪作用下顺时针转动时，矩形环管内的液体柱和气体就会逆时针运动，推动对称翼透平转动，从而驱动发电机发电；当装置在波浪作用下逆时针转动时，矩形环管内的液体柱和气体就会顺时针运动，推动对称翼透平转动，也驱动发电机发电；对称翼透平的使用，使得本装置在变更气流作用方向后，其转动始终朝一个方向；在矩形环管内的液体柱作用下两侧气室内的气压一边是正压，一边是负压，能提高对称翼透平两端的压差，有助于提高对称翼空气透平的转换效率，对称翼透平和发电机在水面上方的甲板上，采用模块化设计就可使维修方便；矩形环管内的液体介质不与外部海水相通，能有效减少海水腐蚀和海洋生物对称翼透平和发电机的影响，抽排液体系统为其提供调节液体质量的功能，调节水柱的自振频率，提高转换效率，还可减轻装置质量，便于拖航。

所述左侧管、右侧管的截面均为长方形，其宽边与所述矩形浮力舱的宽度相等；所述下部管的截面为五边形，其宽度与所述矩形浮力舱的宽度相等；所述左侧管、右侧管与下部管的截面积相等。

所述上部管为所述左侧管与所述右侧管收缩而形成的圆形管道。

所述液体介质为淡水或惰性流体。淡水或惰性流体作为液体介质的选择，可便于减轻海水盐雾对设备的腐蚀。

与现有技术对比，本发明的优点在于：本装置结构简单、安全可靠、转换效率高、可调固有频率及减轻拖航阻力；通过对矩形环管内流体的质量的控制，实现对装置固有振动频率的调节，实现不同周期海况下的高效转换，而且可实现吃水深度的调节，便于拖航；装置往复转动过程中，发电机始终朝着一个方向转动，便于提高发电机的转换效率；做功介质可选择淡水或其它惰性流体，便于减轻海水盐雾对设备的腐蚀；动力摄取系统采用对称翼透平和发电机，使得成本低；装置之前后是对称的，减轻了波浪方向对转换效率的影响。

附图说明

图1为现有技术漂浮式波浪能利用技术分类图；

图2为本发明实施例的结构示意图。

图中附图标记含义：1、矩形浮力舱；2、甲板；3、矩形环管；4、右侧液体柱；5、右侧气室；6、发电机；7、对称翼透平；8、导流体；9、左侧气室；10、左侧液体柱；101、波浪能；102、空气动能；103、空气透平；104、振荡水柱技术；105、海水势能；106、水轮机；107、越浪技术；108、振荡浮子技术；109、液压缸；110、高压稳流器；111、液压马达；112、旋转电机；113、电能；114、结构物机械能；115、机械结构(皮带、齿轮传动等)；116、直线发电机。

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，图中展示了三种现有技术的漂浮式波浪能利用技术分类图；图中的附图标记分别代表：101、波浪能；102、空气动能；103、空气透平；104、振荡水柱技术；105、海水势能；106、水轮机；107、越浪技术；108、振荡浮子技术；109、液压缸；110、高压稳流器；111、液压马达；112、旋转电机；113、电能；114、结构物机械能；115、机械结构(皮带、齿轮传动等)；116、直线发电机。

漂浮运动型振荡水柱技术主要是靠浮体运动把波浪能转换为浮体腔体内气室气体的往复运动，然后通过空气透平和发电机把气动能量转换为电能，这类技术包括中心管技术和后弯管技术等，它们转换效率高。在专利申请人的努力下，新型后弯管技术小型样机由第三方(国家海洋技术中心)水池测试表明：规则波电池负载下波浪到电的转换效率最高达到35.65％，随机波电池负载下波浪到电最高平均效率达到26.66％，达到国际领先水平；新型中心管技术在随机波作用下波浪能到气动能量的转换效率已高达50.16％。一端对海开口的传统振荡水柱技术装置出海后其水柱质量调节困难，固有振动周期改变困难，当装置投放到不是设计的波况下，转换效率受到大的影响，而且其吃水深度不能改变，其拖航阻力大、遇到浅水区域时有搁浅的可能。

参阅图2，为一种矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置，包括矩形浮力舱1、甲板2、矩形环管3、发电机6、对称翼透平7和导流体8；甲板2设置在矩形浮力舱1的上部，为一水平板，矩形环管3包围在矩形浮力舱1上下左右四周；矩形环管3以矩形浮力舱1为参照，分为左侧管、右侧管、上部管和下部管；左侧管与右侧管对称；发电机6、对称翼透平7和导流体8装在上部管内部；对称翼透平7位于上部管的中心处，发电机6与导流体8分别位于对称翼透平7的两侧；矩形环管3整个管道处于密封状态，矩形环管3内充填有液体介质及空气，形成气液共存的环境，矩形环管3内气压与大气压一致；矩形环管3连接有用于调节液体介质质量的抽排液体系统；充填在矩形环管3内的液体介质，在左侧管内形成左侧液体柱10，在右侧管内形成右侧液体柱4，左侧液体柱10上方的左侧管内部空间为左侧气室9，右侧液体柱4上方的右侧管内部空间为右侧气室5；当波浪作用于本装置上时，本装置纵摇往复运动，矩形环管3内的液体柱会产生往复运动，推动矩形环管3内的空气往复运动，从而推动对称翼透平7向一个方向旋转，驱使发电机6发电。

当本装置在波浪作用下顺时针转动时，矩形环管3内的液体柱和气体就会逆时针运动，推动对称翼透平7转动，从而驱动发电机6发电；当装置在波浪作用下逆时针转动时，矩形环管3内的液体柱和气体就会顺时针运动，推动对称翼透平7转动，也驱动发电机6发电；对称翼透平7的使用，使得本装置在变更气流作用方向后，其转动始终朝一个方向；在矩形环管3内的液体柱作用下两侧气室内的气压一边是正压，一边是负压，能提高对称翼透平7两端的压差，有助于提高对称翼空气透平的转换效率，对称翼透平7和发电机6在水面上方的甲板2上，采用模块化设计就可使维修方便；矩形环管3内的液体介质不与外部海水相通，抽排液体系统为其提供调节液体质量的功能。

左侧管、右侧管的截面均为长方形，其宽边与矩形浮力舱1的宽度相等；下部管的截面为五边形，其宽度与矩形浮力舱1的宽度相等；左侧管、右侧管与下部管的截面积相等。

上部管为左侧管与右侧管收缩而形成的圆形管道。

液体介质为淡水或惰性流体。淡水或惰性流体作为液体介质的选择，可便于减轻海水盐雾对设备的腐蚀。

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 (4)

1.矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置，其特征在于：包括矩形浮力舱、甲板、矩形环管、发电机、对称翼透平和导流体；所述甲板设置在所述矩形浮力舱的上部，为一水平板，所述矩形环管包围在所述矩形浮力舱上下左右四周；所述矩形环管以所述矩形浮力舱为参照，分为左侧管、右侧管、上部管和下部管；所述左侧管与所述右侧管对称；所述发电机、对称翼透平和导流体装在所述上部管内部；所述对称翼透平位于所述上部管的中间位置，所述发电机与所述导流体分别位于所述对称翼透平的两侧；所述矩形环管整个管道处于密封状态，所述矩形环管内充填有液体介质及空气，形成气液共存的环境，所述矩形环管内气压在装置静止时与大气压相同；所述矩形环管连接有用于调节液体介质质量的抽排动力系统；充填在所述矩形环管内的液体介质，在所述左侧管内形成左侧液体柱，在所述右侧管内形成右侧液体柱，所述左侧液体柱上方的左侧管内部空间为左侧气室，所述右侧液体柱上方的右侧管内部空间为右侧气室；当波浪作用于本装置上时，本装置纵摇往复运动，所述矩形环管内的液体柱会产生往复运动，推动所述矩形环管内的空气往复运动，从而推动所述对称翼透平向一个方向旋转，驱使所述发电机发电。

2.根据权利要求1所述的矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置，其特征在于：所述左侧管、右侧管的截面均为长方形，其宽边与所述矩形浮力舱的宽度相等；所述下部管的截面为五边形，其宽度与所述矩形浮力舱的宽度相等；所述左侧管、右侧管与下部管的截面积相等。

3.根据权利要求1所述的矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置，其特征在于：所述上部管为所述左侧管与所述右侧管收缩而形成的圆形管道。

4.根据权利要求1所述的矩形环管式振荡水柱对称翼透平发电装置，其特征在于：所述液体介质为淡水或惰性流体。