CN110735755A - 一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，包括内循环系统、内循环系统底部的立柱和阻尼板，所述内循环系统包括第一筒体、浮子、第二筒体和液压发电机；所述浮子和第二筒体至少设置三个，第二筒体内部设置有活塞，活塞通过连杆同浮子相连；所述第二筒体的外部设置有同第一筒体内径相同的第一挡板；所述第二筒体位于第一挡板上侧设置有第一单向阀，所述第二筒体位于第一挡板下侧设置有第二单向阀；所述第二筒体底端设置有导管，导管汇流处连接有液压发电机。本发明建立多浮子独立运动共用液压舱式波浪能转换方式，共享工质，减少了工质损耗，提高了发电效率；构建了工质内循环的动力输出系统，延长了使用寿命，提高了装置的稳定性。

Description

一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置
技术领域
本发明属于海洋能利用领域，具体涉及一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置。
背景技术
众所周知，经济增长与能源供给相互依存，但由于一次性能源储备有限，无法持续支撑经济的迅猛增长，为有效缓解能源供应的紧张，可再生能源的开发及利用受到高度重视。作为可再生能源的重要组成部分，海洋能由于其持续性及储量丰富的特点，其开发利用前景可观，目前已知的海洋能主要包括波浪能、潮汐能、海流能、温差能和盐差能等。在众多海洋能种中，波浪能由于其分布广泛、能量密度高的特点，是目前实用化与商业化程度较高的可再生能源种类之一，据统计目前世界上可转换为电能的波浪能储量达到5000GW。波浪能的开发利用具有以下优势：(1)能量密度高，可持续发电时间长；(2)清洁无污染，且离岸装置对环境的影响较小；(3)海浪能的季节性变化与温带气候的电力需求呈正相关；(4)波浪能能够长距离传播，能量损失较小。
波浪能的开发潜力促使世界各国加大力度开发研究海洋波浪能，从而出现了各种型式的波浪能发电装置，根据装置的安放与建造位置的不同主要分为靠岸式和离岸式。靠岸式装置以振荡水柱式、越浪式和摆式为主，装机容量最高可达到500kW，具有代表性的有英国的LIMPET、挪威的TAPCHAN和中国国家海洋局技术中心于青岛大管岛建设的摆动式波能电站。虽然靠岸式便于安装和维护，但由于其布置的局限性，受地形影响大，波浪能俘获量较少，因此离岸式波能电站的开发受到更多的关注。离岸式装置根据其获能形式主要分为越浪式与振荡浮子式，越浪式波能装置电力输出较为稳定，典型的装置如欧盟联合开发的Wave Dragon，但其缺陷是体积过大，造价及维护成本高。振荡浮子式由于其结构简单，安装、拆卸、维护方便，适于运输与集成化开发，可用于海岛与海上平台的供电，因此振荡浮子式波浪能发电的开发逐渐成为研究的重点。相比其它型式，振荡浮子式波浪能发电因为其与波浪直接接触，多利用振动本身转化电能，能量转换次数少，转换效率较高；发电装置的单体占用面积小，对海洋水动力环境的影响一般可忽略不计；形式灵活，可以结合波浪条件进行点阵化设计排布，整体组合型装置的总功率与浮子个数的多少有关，结构形式多样；受水深条件的限制小，特别是在超过40m中深水区也能正常工作。
因此，振荡浮子式波浪能利用在能量转换、安装维护成本核算等方面具有较多的优点，但是其推广应用仍具有极大的挑战性，比如结构受到波浪的直接冲击而导致的易损坏问题，不规则海浪下持续获能并高质量输出问题，动力输出系统长期受到的海浪侵蚀而导致的寿命短的问题。所以，如何在波浪冲击下保证结构的安全、提高不规则海况下的能量俘获并高质量输出、提升海浪侵蚀下动力输出系统的使用寿命等，是现阶段亟需解决以推进振荡浮子发电大规模利用的焦点。
发明内容
发明目的：本发明提出一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，能够减少工质损耗，提高发电效率和品质，提高装置的稳定性。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，包括内循环系统、设置在内循环系统底部的立柱和阻尼板，所述内循环系统包括第一筒体、设置在第一筒体外部上端的浮子、设置在第一筒体内部的第二筒体和液压发电机；所述浮子和第二筒体至少设置有三个，所述第二筒体内部设置有活塞，所述活塞通过连杆同浮子相连；所述第二筒体的外部设置有同第一筒体内径相同的第一挡板；所述第二筒体位于第一挡板上侧设置有第一单向阀，所述第二筒体位于第一挡板下侧设置有第二单向阀；所述第二筒体底端设置有导管，所述导管汇流处连接有液压发电机。
其中，所述连杆设置为n型，所述连杆连接活塞的一端在竖直方向上的长度大于连杆连接浮子的一端在竖直方向上的长度，使得装置工作时可以因波浪在运动时推动具有随浪特性的浮子以某一个方向振荡运动，同时连杆推动活塞在活塞筒中上下运动，从而使内循环系统发挥作用。
其中，所述第二筒体顶端同第一筒体顶端齐平，其高度大于浮子的运动幅度，其底端与第一筒体底端之间的空间用于安装导管和液压发电机。
其中，所述浮子底部设置为曲面形状，能够有效减少波浪能量耗散，弧面型浮子具有更大的垂荡幅度和更高的波浪能俘获效率和转换效率。
其中，所述第一筒体上设置有卡槽，用于固定第一挡板。
其中，所述第一挡板与第一筒体和第二筒体相互接触的地方密封。
其中，所述浮子之间设置有第二挡板，将浮子分隔开，实现浮子分别独立。
其中，所述第二挡板的上端、下端和外侧设置有限位器，使得浮子在波浪的作用下以某个方向发生振荡运动时可以达到某个程度停止，从而限制了浮子运动的幅度，可以适应不同波浪环境。
其中，所述浮子与第一筒体和第二挡板的接触处设置有滚珠，减小摩擦与接触面积，限制安全位移，减少能量损耗，提高发电效率。
其中，所述阻尼板通过锚泊系统与海底相连，保障了周围水体的流动性，很大程度减少了对周围岛礁的影响。
具体的，所述第一挡板将第一筒体内部分为上下两个区域，上部区域为公共缓冲区，汇集流过液压发电机的工质；下部区域为共用液压舱，用于汇集并储存工质，平滑动力输出，使产量预测更加准确，提高发电的效率和品质。第一筒体内部是发生内循环作用的主要场所，当活塞向下运动时，工质随着活塞向下做功，此时系统内部为高压，从而使工质带有一定的速度压入共用液压舱，激活液压发电机发电，同时将工质送回上部的公共缓冲区。当活塞向上运动时，此时的系统内部为低压，公共缓冲区的工质经过单向阀流回第二筒体实现工质的自循环。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)本发明通过建立多浮子独立运动共用液压舱式的波浪能转换方式，不同入射波浪工况下均能俘获可观的波浪能，通过共享工质积累缓冲能量并输出，可用性的增加使得产量预测更准确，提高发电的效率和品质；
(2)本发明通过建立多浮子共立柱的波浪能俘获结构形式，可适用于不同浪向的入射波，立柱底部连接阻尼板，提高装置稳定性，浮子采用柱面与抛物面组合构型，契合波浪运动特性，减少能量损耗，提高发电效率；
(3)本发明的结构通过构建工质内循环的动力输出系统，减少了海浪对电力传输结构的侵蚀，延长了使用寿命，降低了工质损耗和环境污染，节约了维护成本，有效提高了装置的可用性。
附图说明
图1是本发明的三维简图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明浮子的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1、图2和图3所示，本发明的多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，包括内循环系统1，其底部安装有三个立柱2，三个立柱2底部连接有阻尼板3，立柱2按三角形分布安装增加装置稳定性，阻尼板3通过锚泊系统与海底相连。内循环系统1的外部是第一筒体11，第一筒体11外部上端设置有浮子12，第一筒体11内部设置有第二筒体13和液压发电机14，浮子12和第二筒体13的数量相对应，可根据实际情况设置至少三个，本实施例设置为3个；第二筒体13顶端同第一筒体11顶端齐平，其高度大于浮子12的运动幅度；第二筒体13内部设置有活塞15，其中活塞15通过连杆16同浮子12相连，连杆16为n形连杆，一端连接浮子12，另一端连接活塞15，装置工作时因波浪运动推动具有随浪特性的浮子12以某一个方向振荡运动，同时连杆16推动活塞15在第二筒体13中上下运动，从而使内循环系统1发挥作用。第二筒体13中下部的外侧设置有第一挡板17，第一挡板17的直径与第一筒体11的内径相同，并且与第一筒体11和第二筒体13接触的地方密封，第一挡板17将第一筒体11内部分为两部分，上部为公共缓冲区，下部为共用液压舱。公共缓冲区域内第二筒体13的侧面筒壁设置有第一单向阀18，共用液压舱区域内第二筒体13的底部筒壁设置有第二单向阀19。第二筒体13底部悬空在第一筒体11中，其底部分别设置有导管，三个导管汇流到一个总导管，总导管连接液压发电机14。
公共缓冲区汇集流过发电机的工质，通过第一单向阀18流进第二筒体13，补充完成工质的自循环；下部为共用液压舱，通过第二单向阀19汇集并储存工质，平滑动力输出，使产量预测更加准确，提高发电的效率和品质。当活塞15向下运动时，工质随着活塞15向下做功，此时系统内部为高压，从而使工质带有一定的速度压入共用液压舱，驱动液压发电机14发电，同时将工质送回活塞15上部公共缓冲区；当活塞15向上运动时，此时的系统内部为低压，公共缓冲区的工质经过第一单向阀18流回第二筒体13实现工质的自循环。
考虑到装置的大环境是海洋，以海水为能量传递的媒介，与其大环境协调，增加了装置的可行性和可操作性。
如图4所示，浮子12为曲面的弧面型浮子设计，由圆柱绕流理论可知，当边界层外流压力沿流动方向增加得足够快时，与流动方向相反的压差作用力和壁面黏性阻力使边界层内流体的动量减少，圆柱表面的边界层在逆压作用下脱离物体，在圆柱体后面形成尾涡区，导致很大的能量耗散。为减少能量耗散，采用多浮子阵列，本实施例采用三个浮子阵列的设计，无论波浪来流方向如何变化，对应第一筒体11后侧的尾涡区都有独立的浮子俘获波浪能，减小能量耗散；浮子12底部采用渐进式曲面形状，与传统振荡浮子式发电装置采用的圆柱形、楔形浮子相比，弧面浮子具有更大的垂荡幅度，能有效减少波浪能量耗散，提高能量俘获效率和转换效率。
同时，每个浮子12之间设置有第二挡板110，实现三个浮子12分别独立，并且在第二挡板110的上下端及外侧设置有限位器111，限位器111的宽度大于第二挡板110的宽度，限制浮子12的运动幅度，适应不同波浪环境。为了减小摩擦与接触面积，限制安全位移，减少能量损耗，提高发电效率，在浮子12、第二挡板110与第一筒体11接触处还设置有滚珠112，为了使滚珠润滑的作用更加明显，使其能够更大程度地减小摩擦，滚珠112采用钢珠材料制成。
在无波浪的状态下，多个浮子12与立柱2都是沿着竖直方向的，在有波浪的作用下，多个浮子12可以沿着立柱2以某一个方向振荡，适用于不同的波浪工况，具有更好的随机海浪俘获特性，通过共享工质累积能量，进而激励液压发电机14输出做功，降低系统的断开机率，产量预测更加准确，提高了发电的效率和品质。

Claims (10)

1.一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，其特征在于：包括内循环系统(1)、设置在内循环系统(1)底部的立柱(2)和阻尼板(3)，所述内循环系统(1)包括第一筒体(11)、设置在第一筒体(11)外部上端的浮子(12)、设置在第一筒体(11)内部的第二筒体(13)和液压发电机(14)；所述浮子(12)和第二筒体(13)至少设置有三个，所述第二筒体(13)内部设置有活塞(15)，所述活塞(15)通过连杆(16)同浮子(12)相连；所述第二筒体(13)的外部设置有同第一筒体(11)内径相同的第一挡板(17)；所述第二筒体(13)位于第一挡板(17)上侧设置有第一单向阀(18)，所述第二筒体(13)位于第一挡板(17)下侧设置有第二单向阀(19)；所述第二筒体(13)底端设置有导管，所述导管汇流处连接有液压发电机(14)。
2.根据权利要求1所述的一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，其特征在于：所述连杆(16)设置为n型，所述连杆(16)连接活塞(15)的一端在竖直方向上的长度大于连杆(16)连接浮子(12)的一端在竖直方向上的长度。
3.根据权利要求1所述的一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，其特征在于：所述第二筒体(13)顶端同第一筒体(11)顶端齐平，其高度大于浮子(12)的运动幅度，其底端与第一筒体(11)底端之间用于安装导管和液压发电机(14)。
4.根据权利要求1所述的一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，其特征在于：所述浮子(12)底部设置为曲面形状。
5.根据权利要求1所述的一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，其特征在于：所述第一筒体(11)上设置有卡槽，用于固定第一挡板(17)。
6.根据权利要求1所述的一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，其特征在于：所述第一挡板(17)与第一筒体(11)和第二筒体(13)相互接触的地方密封。
7.根据权利要求1所述的一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，其特征在于：所述浮子(12)之间设置有第二挡板(110)。
8.根据权利要求7所述的一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，其特征在于：所述第二挡板(110)的上端、下端和外侧设置有限位器(111)。
9.根据权利要求7所述的一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，其特征在于：所述浮子(12)与第一筒体(11)和第二挡板(110)的接触处设置有滚珠(112)。
10.根据权利要求1所述的一种多浮子共用液压舱式波浪能发电装置，其特征在于：所述阻尼板(3)通过锚泊系统与海底相连。
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