CN110594085B - 一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头及其使用方法，属于海水取水工程装备制造领域。该取水戽头包括振荡水柱腔室、电力转换系统、泥沙沉淀池和输水管线。振荡水柱腔室通过形成上下振荡的水柱，使气体压缩或膨胀，带动腔室顶部叶片的旋转，最终可供给输水管线取水戽头处水泵的用电需要；在振荡水柱腔室中被利用后的海水，流入泥沙沉淀池中沉淀泥沙，最后经水泵提升沿输水管道送至岸上。提升水位所需电能直接由波浪能转化装置提供，可实现水位的自提升；将水位提升过程从岸边的提升泵房移至取水戽头内部，节省了陆地空间资源；振荡水柱腔室可有效消耗海水动能，使海水充分静置，最终使得取水处的水质更好。
Description
技术领域
本发明属于海水取水工程装备制造领域，涉及一种集成振荡水柱式波浪能发电装置的自提升箱式取水戽头及其使用方法，该取水戽头用于工程取水项目。
背景技术
大型热电厂需要不断提取冷却水以维持设备的正常工作，其涉海工程包括取水口及输水管线，取水口一般采用戽头的形式。为保证得到冷却水的水质良好(主要指泥沙、藻类等物质的含量较低)，海水在进入到取水戽头中后应足够静置以使泥沙充分沉淀，传统箱式取水戽头设置了两道挡板以达到减弱水动力这一目的；此外，在传统取水模式下，重力式输水管线近岸端与提升泵房相连，来实现水位的初次提升，提升泵房的正常工作需要外接电力来驱动。随着全球能源需求的不断增加，新型可再生能源的开发利用技术不断成熟，其中，波浪能作为一种储量大、易利用的新型能源，人们已开发出多种形式各异的波浪能转化装置。
波浪能转化装置的工作原理为：将波浪动能转化为装置的机械能，进而转化为可供人类直接利用的电能。为充分利用波浪能转化装置产生的电能，在传统箱式取水戽头中设置提升水泵，提升水泵直接由波浪能转化装置产生的电力驱动，即实现了取水戽头处水位的自提升，即发明一种可以自提升的取水戽头，满足工程项目的取水需要。同时，取水戽头前端的波浪条件直接影响后方取水的品质，将波浪能转化装置和传统取水戽头二者有机结合，可以大幅度消耗取水戽头前端的波浪能，从而实现后方水质的提升。另外，相较于传统重力式引流取水戽头接岸型式，本发明将提升水泵移至平台内部，也可以取缔传统取水工程接岸设施中的蓄水池和提升泵房，从而节省陆地空间资源。其中，考虑到振荡水柱式(OWC)波浪能转换装置是目前各国投入研究力度最大、建造最多的一种波浪能转换装置，且与传统箱式取水戽头具有相容的空间布局，在本发明中最终采用此类波浪能转换装置。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明根据传统箱式取水戽头和振荡水柱式波浪能转化装置各自的工作原理和相容的空间布局，将二者有机结合为一体，即所述的一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头，其是一种应用振荡水柱式(OWC)波浪能转化装置在箱式取水戽头内部进行水位自提升的综合装置。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头，为箱式结构，包括振荡水柱腔室、电力转换系统、沉淀池5、垫层找坡11、输水管线6、提升水泵7、检修孔12、侧壁面及与侧壁面垂直的上方壁面、下方壁面。
所述的振荡水柱腔室为振荡水柱式波浪能发电装置，位于前方，包括进浪口1、挡板A2、叶片3和气室4。所述的进浪口1位于箱式取水戽头前侧壁面的中下部，通过控制进浪口1的尺寸控制振荡水柱式波浪能发电装置的转化效率和箱式取水戽头的流量大小。所述的挡板A2设置于箱式结构靠近前侧壁面的一侧，其顶部与上方壁面固接，底部与下方壁面之间留有间隔，既挡板A2未与其对侧的壁面连接，挡板A2用于减小进入沉淀池5的海水流速。所述的气室4为挡板A2、箱式取水戽头前侧壁面及经进浪口1进入振荡水柱腔室的海水之间形成的一个封闭的气室。所述的叶片3固定在箱式取水戽头顶部、位于气室4上方，叶片3在双向气流作用下均同向旋转，气体进出气室4时均能发电，提高发电效率。
所述的沉淀池5设置在箱式取水戽头的后侧下方，用于沉积泥沙；沉淀池5中设置排沙泵8，沉淀出的泥沙经由排沙泵8排至箱式取水戽头外，其中，沉沙室8与后部侧壁面之间留有间隔。在远离挡板A2的沉淀池5侧边上设置挡板B13，挡板B13顶部与上方壁面之间留有间隔，底部与下方壁面固接，挡板B13与后侧壁面之间留有间隔，既挡板B13未与其对侧的壁面连接，用于削减海水能量和降低海水流速。所述垫层找坡11为斜坡结构，设置在下方壁面上方，位于沉淀池5和进浪口1之间，使海水中的大型颗粒滚落到沉淀池5中。所述的检修孔12设置在箱式取水戽头顶部，用于日常的检修维护工作。
所述的电力转换系统固定在箱式取水戽头的顶部(固定在上方壁面上)，包括发电机组9和蓄电池10；所述的发电机组9与叶片3连接；所述的蓄电池10与发电机组9连接，在振荡水柱式波浪能发电装置输出功率与提升水泵7所需输入功率不匹配时加以协调，从而保证能量的合理利用。
所述的输水管线6竖直固定在箱式取水戽头的后侧壁面和挡板B13之间；所述的提升水泵7分别与输水管线6、发电机组9连接，振荡水柱式波浪能发电装置产生的电力带动发电机组9运转，从而驱动提升水泵7，将海水沿输水管线6输送至岸上，完成取水工作。
进一步的，所述的进浪口1设置为格栅形式，能够进一步降低海水中泥沙和藻类的含量。
一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头的工作过程如下：
在工作过程中，外界波浪首先由进浪口1进入振荡水柱腔室，形成上下振荡的水柱。水柱的不断振荡使气室4内气体不断重复压缩与膨胀的过程，产生的气压变化带动振荡水柱式波浪能发电装置顶部的叶片3旋转，实现了波浪动能到叶片3机械能的转化。其中，进浪口1的尺寸大小控制取水戽头正常工作时的取水流量及振荡水柱式波浪能发电装置的能量转化效率。随后，叶片3的旋转带动发电机组9的运转，即完成叶片机械能到发电机组输出电能的转化，从而驱动提升水泵7运转。此外，波浪水动力条件的变化会导致振荡水柱式波浪能发电装置能量输出功率的不稳定，提升水泵7所需输入功率也因实际所需取水流量的调整而不断变化，因此考虑到输入功率与输出功率不会时刻匹配，辅以蓄电池10保证能量的合理利用，即当振荡水柱式波浪能发电装置输出功率大于提升水泵7所需输入功率时，蓄电池10储存多余的电能；当振荡水柱式波浪能发电装置输出功率小于提升水泵7所需输入功率时，蓄电池10储存的能量释放出来保证取水戽头的正常工作。
海水在经过挡板A2、叶片3和气室4所组成的振荡水柱腔室后，波浪能转换为机械能而大量耗散，辅以挡板B13的作用，海水在泥沙沉淀池5中得以充分静置(沉淀析出的泥沙通过排沙泵8排出至箱外)，在箱式取水戽头内形成具有一定高度的相对静水面。静置后的海水经提升水泵7作用，沿输水管线6输送至岸上，取水工作完成。
本发明的有益效果是：1)本发明在传统箱式取水戽头中设置提升水泵，提升水泵直接由波浪能发电装置产生的电力驱动，即实现了取水戽头处水位的自提升；2)本发明将传统箱式取水戽头的消浪区改造成为振荡水柱系统，海水在经过振荡水柱系统后大幅消耗自身的波浪能，再加上原有的挡板作用，可以实现后方水质的提升；3)本发明将提升水泵移至箱式取水戽头内部，取缔传统取水工程接岸设施中的蓄水池和提升泵房，从而节省陆地空间资源。
附图说明
图1是本发明的一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头的三维结构示意图；
图2是本发明的一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头的剖面结构示意图；
图3是传统箱式取水戽头的剖面结构示意图；
图中：1进浪口；2挡板A；3叶片；4气室；5沉淀池；6输水管线；7提升水泵；8排沙泵；9发电机组；10蓄电池；11垫层找坡；12检修孔；13挡板B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
参见图2和图3，本发明在传统箱式取水戽头基础上，修建从岸上至取水戽头的人工栈桥，并取消原有的重力式输水管线，改为配备有提升水泵7的输水管线6，输水管线6通过人工栈桥连接至岸上。另外，将取水戽头内部挡板右侧空间的检修孔改为双向气流作用下均同向旋转的叶片3，叶片3与取水戽头上端的发电机组9相连接，并配备蓄电池10。所述发电机组9与提升水泵7连接，可实现水位的自提升。具体结构如下：
一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头，该箱式取水戽头为箱式结构，包括振荡水柱式波浪能发电装置、电力转换系统、沉淀池5、垫层找坡11、输水管线6、提升水泵7和检修孔12。
所述的振荡水柱式波浪能发电装置包括进浪口1、挡板A2、叶片3和气室4；所述的进浪口1位于箱式取水戽头侧壁面的下部，进浪口1为格栅形式，从而降低海水中泥沙和藻类的含量。所述的挡板A2设置在箱式取水戽头靠近其侧壁面的顶部，且挡板A2未与其对侧的箱式取水戽头壁面连接。挡板A2、箱式取水戽头侧壁面及经进浪口1进入的海水之间形成封闭的气室4；所述的叶片3固定在箱式取水戽头顶部、位于气室4上方，叶片3在双向气流作用下均同向旋转，气体进出气室4时均能发电，提高了发电效率。
所述的沉淀池5设置在箱式取水戽头的侧下方、位于振荡水柱式波浪能发电装置的后方，用于沉积泥沙；沉淀池5中设置排沙泵8，沉淀出的泥沙经由排沙泵8排至箱式取水戽头外。在远离挡板A2的沉淀池5侧边上设置挡板B13，且挡板B13未与其对侧的箱式取水戽头壁面连接，挡板B13用于削减海水能量和降低海水流速。所述垫层找坡11为斜坡结构，设置在沉淀池5和进浪口1之间，使海水中的大型颗粒滚落到沉淀池5中。
所述的电力转换系统固定在箱式取水戽头的顶部，包括发电机组9和蓄电池10；所述的发电机组9与叶片3连接；所述的蓄电池10与发电机组9连接，在振荡水柱式波浪能发电装置输出功率与提升水泵7所需输入功率不匹配时加以协调，从而保证能量的合理利用。
所述的输水管线6竖直固定在箱式取水戽头的侧壁面和挡板B13之间；所述的提升水泵7连接在输水管线6上，提升水泵7由振荡水柱式波浪能发电装置产生的电力驱动，将海水沿输水管线6输送至岸上，完成取水工作。
一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头的工作过程如下：
在工作过程中，外界波浪首先由进浪口1进入振荡水柱式波浪能发电装置，进而形成上下振荡的水柱；水柱的不断振荡使气室4内气体不断重复压缩与膨胀的过程，产生的气压变化带动振荡水柱式波浪能发电装置顶部的叶片3旋转，实现了波浪动能到叶片3机械能的转化。其中，进浪口1的尺寸大小控制取水戽头正常工作时的取水流量及振荡水柱式波浪能发电装置的能量转化效率。随后，叶片3的旋转带动发电机组9的运转，即完成叶片机械能到发电机组输出电能的转化，从而驱动提升水泵7运转。此外，波浪水动力条件的变化会导致振荡水柱式波浪能发电装置能量输出功率的不稳定，提升水泵7所需输入功率也因实际所需取水流量的调整而不断变化，因此考虑到输入功率与输出功率不会时刻匹配，辅以蓄电池10保证能量的合理利用，即当振荡水柱式波浪能发电装置输出功率大于提升水泵7所需输入功率时，蓄电池10储存多余的电能；当振荡水柱式波浪能发电装置输出功率小于提升水泵7所需输入功率时，蓄电池10储存的能量释放出来保证取水戽头的正常工作。
海水在经过挡板A2、叶片3和气室4所组成的振荡水柱式波浪能发电装置后，波浪能转换为机械能而大量耗散，辅以挡板B13的作用，海水在泥沙沉淀池5中得以充分静置(沉淀析出的泥沙通过排沙泵8排出至箱外)，在箱式取水戽头内形成具有一定高度的相对静水面。静置后的海水经提升水泵7作用，沿输水管线6输送至岸上，取水工作完成。
本发明提供一种将传统箱式取水戽头与振荡水柱式(OWC)波浪能发电装置集成装置。其中对于进浪口尺寸应如何设置以同时保证波浪能转换效率和输水流量要求，则不能简单复制传统箱式取水戽头的结构尺寸，应根据实际情况加以修正。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头的使用方法，其特征在于，所述的自提升箱式取水戽头为箱式结构，包括振荡水柱腔室、电力转换系统、沉淀池(5)、垫层找坡(11)、输水管线(6)、提升水泵(7)、检修孔(12)；
所述的振荡水柱腔室为振荡水柱式波浪能发电装置，位于前方，包括进浪口(1)、挡板A(2)、叶片(3)和气室(4)；所述的进浪口(1)位于箱式取水戽头前侧壁面的中下部；在上壁面上设置挡板A(2)，挡板A(2)靠近前侧壁面，挡板A(2)未与其对侧的自提升箱式取水戽头壁面连接，用于减小进入沉淀池(5)的海水流速；所述的气室(4)为挡板A(2)、箱式取水戽头前侧壁面及经进浪口(1)进入振荡水柱腔室的海水之间形成的一个封闭的气室；所述的叶片(3)固定在箱式取水戽头顶部、位于气室(4)上方，气体进出气室(4)时均能通过叶片(3)旋转发电；
所述的沉淀池(5)设置在箱式取水戽头的后侧下方，用于沉积泥沙；沉淀池(5)中设置排沙泵(8)，沉淀出的泥沙经由排沙泵(8)排至箱式取水戽头外，其中，排沙泵(8)与后部侧壁面之间留有间隔；在下壁面且远离挡板A(2)的沉淀池(5)的侧边上设有挡板B(13)，挡板B(13)未与其对侧的自提升箱式取水戽头壁面连接，挡板B(13)与后侧壁面之间留有间隔；所述的垫层找坡(11)为斜坡结构，设置在下壁面上方，位于沉淀池(5)和进浪口(1)之间，使海水中的大型颗粒滚落到沉淀池(5)中；所述的检修孔(12)设置在箱式取水戽头顶部，用于日常的检修维护工作；
所述的电力转换系统固定在箱式取水戽头的顶部，包括发电机组(9)和蓄电池(10)；所述的发电机组(9)与叶片(3)连接；所述的蓄电池(10)与发电机组(9)连接，在振荡水柱式波浪能发电装置输出功率与提升水泵(7)所需输入功率不匹配时加以协调，保证能量的合理利用；
所述的输水管线(6)竖直固定在箱式取水戽头的后侧壁面和挡板B(13)之间；所述的提升水泵(7)分别与输水管线(6)、发电机组(9)连接，振荡水柱式波浪能发电装置产生的电力带动发电机组(9)运转，驱动提升水泵(7)将海水沿输水管线(6)输送至岸上，完成取水工作；
所述的使用方法，在工作过程中：
首先外界波浪由进浪口(1)进入振荡水柱腔室，形成上下振荡的水柱，通过控制进浪口(1)的尺寸控制振荡水柱式波浪能发电装置的转化效率和箱式取水戽头的流量大小；水柱的不断振荡使气室(4)内产生气压变化带叶片(3)旋转，叶片(3)旋转带动发电机组(9)运转，进而驱动提升水泵(7)运转；此外，波浪水动力条件的变化会导致振荡水柱式波浪能发电装置能量输出功率的不稳定，当振荡水柱式波浪能发电装置输出功率大于提升水泵(7)所需输入功率时，蓄电池(10)储存多余的电能；当振荡水柱式波浪能发电装置输出功率小于提升水泵(7)所需输入功率时，蓄电池(10)储存的能量释放出来保证取水戽头的正常工作；
海水在经过挡板A(2)、叶片(3)和气室(4)所组成的振荡水柱腔室后，波浪能转换为机械能而大量耗散，再经过挡板B(13)，海水在泥沙沉淀池(5)中充分静置，在箱式取水戽头内形成具有一定高度的相对静水面；静置后的海水经提升水泵(7)作用，沿输水管线(6)输送至岸上，取水工作完成。
2.根据权利要求1所述的一种集成振荡水柱式波浪能发电装置自提升箱式取水戽头的使用方法，其特征在于，所述的进浪口(1)设置为格栅形式。
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