CN110748449B - 一种增强浮体波浪能的方法 - Google Patents

Abstract

一种增强浮体波浪能的方法，在当波浪高度明显低于波浪能发电装浮筒的设计额定波浪高度时，提高其波浪能发电装置效率。所述波浪能增强方法包括浮力增强方法或/和重力增强方法；浮力增强方法：当浮筒到达波谷平衡位置后，通过外力将浮筒上部空桶部分全部压到水面线以下，当下次波峰到达时，整个浮筒均在波峰水面之下，浮力达到最大，然后释放浮筒，集中取力做功，浮筒浮力对外做功，直到浮筒浮升到波峰平衡位置；重力增强方法：当浮筒到达波峰平衡位置后，通过外力将浮筒下部有水部分全部提升到水面线以上，当下次波谷到达时，整个浮筒均在波谷水面之上，重力达到最大，然后释放浮筒，集中取力做功，浮筒重力对外做功，直到浮筒回到波谷平衡位置。

Description

一种增强浮体波浪能的方法

技术领域

本发明涉及一种可用于增强波浪发电的浮体波浪能的方法，具体涉及一种增强浮体波浪能的方法，属于波浪能发电领域。

背景技术

海洋中蕴藏着丰富的能量，海洋能包含潮汐能、潮流能、波浪能、海流能，其中波浪能占约70%。波浪能作为可再生能源，储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。

本人在先的一项关于波浪发电的专利：一种浮体波浪集中取力方法及其装置；中国发明专利（申请号：201710887541.4），采用集中取力方法，对波浪上升与下降双向集中取力（浮力做功与重力做功），相较于之前的波浪发电技术的能量获取效率有大幅提高。

如附图1所示，是一个针对波浪高度为H，设计的浮筒。其下半部分装有水，高度为H,上部分为空气，高度也是H。浮筒截面为S。为了描述方便，将浮筒上半部分，划分为４节，分别以１，２，３，４表示；将下半部分也分为４节，分别以－１，－２，－３，－４表示；附图１中浮筒Ｓ１１状态为浮筒处于波浪波谷平衡位置。然后将浮筒制动后，当波浪上升到波峰，如附图１中的Ｓ１２状态。此时浮筒的上半部分１，２，３，４节均处于水下，下半部分的浮力等于重力，所以合力为:ρｇＳＨ（ρ为水的密度，ｇ为重力加速度）。此时释放浮筒，浮筒开始上升，并对外做功，直到状态Ｓ１３。该阶段随着浮筒上升，受到的浮力越来越小,直到合力0，所以浮力对外做功：Ｗ_浮＝ρｇSH^２/２。浮筒到达Ｓ１３状态后，将浮筒再次制动，波浪开始下降到波谷，即状态Ｓ１４，此时浮筒装水的下半部分－１，－２，－３，－４节全部处于波谷水面之上，浮筒内水的重量为：ρｇＳＨ。此时释放浮筒，浮筒开始下降，并对外做功，直到状态Ｓ１５。该阶段随着浮筒下降，受到的浮力越来越大,重力与浮力的合力越来越小，直到0，重力对外做功：Ｗ_重＝ρｇSH^２/２。

总之，当波浪高度为Ｈ时，一个波浪周期，浮筒对外做功为：

Ｗ＝Ｗ_浮＋Ｗ_重＝ρｇSH^２

但是，当波浪高度只有设计波浪高度的１／ｎ即Ｈ／ｎ（ｎ＝４）时，如附图２所示，

附图２中浮筒Ｓ２１状态为浮筒处于波浪波谷平衡位置。然后浮筒制动后，波浪上升到波峰，如附图２中的Ｓ２２状态。此时浮筒的上半部分１节处于水下，下半部分的浮力等于重力平衡，浮力大于重力，合力为:ρｇＳＨ／ｎ。此时释放浮筒，浮筒开始上升，并对外做功，直到状态Ｓ２３。该阶段浮力对外做功：Ｗ_浮＝ρｇS（H／ｎ）^２/２。然而由于浮筒的上半部分２，３，４节一直处于波峰水面之上，所以没有浮力，不做功。当浮筒到达Ｓ２３的波峰平衡状态后，将浮筒再次制动，波浪开始下降到波谷，即状态Ｓ２４，此时浮筒装水的下半部分－１节处于波谷水面之上，浮筒的重力大于浮力，合力为：ρｇＳ（Ｈ／ｎ）。此时释放浮筒，浮筒开始下降，并对外做功。然而由于浮筒的下半部分－２，－３，－４节处于波谷水面之下，其重力等于浮力，所以不对外做功。当浮筒到达状态Ｓ２５，再次回到开始的波谷平衡状态，完成了一个波浪周期，该阶段重力对外做功：Ｗ_重＝ρｇS（H／ｎ）^２/２。总之，当波浪高度为（Ｈ／ｎ）时，一个波浪周期，浮筒对外做功为：

Ｗ＝Ｗ_浮＋Ｗ_重＝ρｇS（H／ｎ）^２

当ｎ＝４时，Ｗ＝ρｇSH^２／１６

根据前面的分析，当波浪高度从额定的Ｈ降为Ｈ／４时，一个波浪周期，浮筒对外做快速降到额定时的十六分之一，浮筒对外做功的效率不高。

有鉴于此，本发明提出一种增强浮体波浪能的方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术方案的不足，提供一种增强浮体波浪能的方法，旨在当波浪高度明显低于波浪能发电装浮筒的设计额定波浪高度时，提高现有波浪能发电装置效率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种增强浮体波浪能的方法，所述波浪能增强方法包括浮力增强方法或/和重力增强方法；

所述浮力增强方法：当浮筒到达波谷平衡位置后，通过外力将浮筒上部空桶部分全部压到水面线以下，当下次波峰到达时，整个浮筒均在波峰水面之下，浮力达到最大，然后释放浮筒，集中取力做功，浮筒浮力对外做功，直到浮筒浮升到波峰平衡位置；

所述重力增强方法：当浮筒到达波峰平衡位置后，通过外力将浮筒下部有水部分全部提升到水面线以上，当下次波谷到达时，整个浮筒均在波谷水面之上，重力达到最大，然后释放浮筒，集中取力做功，浮筒重力对外做功，直到浮筒回到波谷平衡位置。

本发明的工作原理：利用波动（波浪）能量与波幅（浪高）的平方成正比的原理。

当波浪高度为额定波浪高度H的1/n时，结合附图2，浮筒横截面积为S，水密度为ρ，则不采取增强方法时：

Ｗ_浮＝ρｇS(H/n)^２/２

Ｗ_重＝ρｇS(H/n)^２/２

一个波浪周期，浮筒对外做功为：

Ｗ_原＝Ｗ_浮＋Ｗ_重＝ρｇS（H／ｎ）^２

当采用增强方法时：

采用增强浮力消耗的功：

Ｗ_浮增耗＝-ρｇS(H（1-1/n）)^２/２=-ρｇSH^２（1-1/n）^２/２

增强后浮力对外做功：

Ｗ_浮增＝ρｇSH^２/２

采用增强重力消耗的功：

Ｗ_重增耗＝-ρｇS(H（1-1/n）)^２/２=-ρｇSH^２（1-1/n）^２/２

采用增强后重力对外做功：

Ｗ_重增＝ρｇSH^２/２

采用增强浮体波浪能后，一个波浪周期，浮筒对外做功为：

Ｗ_增＝Ｗ_浮增耗+W_浮增+W_重增耗+W_重增

Ｗ_增＝=-ρｇSH^２（1-1/n）^２/２+ρｇSH^２（1/n）^２/２

-ρｇSH^２（1-1/n）^２/２+ρｇSH^２（1/n）^２/２

Ｗ_增＝ρｇSH^２(2n-1)/n^２=(2n-1)W_原

当n>1时，2n-1>1,所以，n>1为采用增强方法的必要条件。

如果n=2（即波浪高度为原来的一半）时，浮筒对外做功时采用增强发是不采用增强发的3倍；如果n=4（即波浪高度为原来的1/4）时，浮筒对外做功时采用增强发是不采用增强发的7倍。

本发明的有益效果是：

波浪能与波浪高度的平方成正比，为了获得更大的能量，波浪能发电装置的浮筒都会针对较大的波浪高设计。但是在实际波浪环境下，绝大多数时间，波浪高度会显著小于设计的额定波浪高度。

本发明在小波浪h（说明书附图中为H/n）高度时，当浮筒到达波谷平衡位置后，在浪谷底用外力将浮筒上部空桶部分压入水面线以下，在波浪上升h高度后释放，水面下的所有空桶部分都能获得h高度的上浮力功；当浮筒到达波峰平衡位置后，通过外力将浮筒下部有水部分全部提升到水面线以上，在波浪下降h高度后释放，水面上的所有有水部分都能获得h高度的重力功。

可见，能显著提高浮体在小波浪高度情况下的转换效率。

附图说明

图1为前期发明浮体波浪集中取力装置在额定波浪高度下能量转换过程中浮筒的状态

图2为前期发明浮体波浪集中取力装置在1/4额定波浪高度下能量转换过程中浮筒的状态

图3为本发明所述在1/4额定波浪高度下能量转换过程中浮筒的状态。

图4浮筒参数。

图5空浮筒上浮做功。

图6装水浮筒重力做功。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图与实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

一种增强浮体波浪能的方法，包括增强浮力做功方法和/或增强重力做功方法，其核心为根据波浪高度改变浮筒的高度、控制运动状态（上升、下降或静止），具体表现为：

（一）、增强浮力做功方法

当浮筒到达Ｓ３１波谷平衡位置后，通过外力将浮筒整体压到水面线以下的Ｓ３２位置，将浮筒制动。当波浪上升到达波峰时，浮筒整体位于波峰水面以下，如附图３的Ｓ３３状态，此时浮筒浮力达到最大。释放浮筒，浮筒以最大浮力上浮并对外做功，直到Ｓ３４波峰平衡位置。

（二）、增强重力做功方法

当浮筒到达Ｓ３４波峰平衡位置后，通过外力将浮筒整体提升到水面线以上的Ｓ３５位置，将浮筒制动。当波浪下降到达波谷时，浮筒整体位于波谷水面以上，如附图３的Ｓ３６状态，此时浮筒重力达到最大。释放浮筒，浮筒以最大重力下降并对外做功，直到Ｓ３７波谷平衡位置。

增强浮力做功和增强重力做功可以分别单独使用，也可以合并使用。

浮筒做功分析

为了更好理解海浪发电的过程，下面对浮筒浮力与重力做功进行分析。

如图4，为了便于分析，假定浮筒是一个横截面积为S，高为H的圆柱形。水的密度为ρ。

图5为一个刚好位于水面以下（图中位置1）的空浮筒浮到水面之上（图中位置3）的做功过程.

当浮筒处于图5位置2时，空浮筒上浮了x,此时下部深度为H-x,所以浮力为

F_浮=ρgS(H-x)

在上升dx（微位移），浮力做的微功

微功 ｄＷ_浮＝F_浮＊dx=ρgS(H-x)*dx

对x从0~H积分后：

Ｗ_浮=ρgSH²/2

显然，如果要将图5中位置3的空浮筒压入水面线，其消耗的功为：-ρgSH²/2（负号表示消耗功）

图6 装水浮筒重力做功

当浮筒处于图6位置2时，装水浮筒下降了x,此时下部深度为x,浮筒中的水重力与浮力抵消。上部高度为H-X,所以重力为

F_重=ρgS(H-x)

在下降dx（微位移），重力做的微功

微功 ｄW_重＝F_重＊dx=ρgS(H-x)*dx

对x从0~H积分后：

W_重=ρgSH²/2

显然，如果要将图6中位置3的装水浮筒提升到水面线上，其消耗的功为：-ρgSH²/2（负号表示消耗功）

由于集中取力方式，浮筒是双向做功，即浮力做功和重力做功。所以一个波浪周期内波浪做功为

W= W_浮+W_重

W= ρgSH²

上述实施例对本发明做了详细说明。当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述例子，相关技术人员在本发明的实质范围内所作出的变化、改型、添加或减少、替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种增强浮体波浪能的方法，其特征在于：

所述增强浮体波浪能的方法包括浮力增强方法或/和重力增强方法；

所述浮力增强方法：当浮筒到达波谷平衡位置后，通过外力将浮筒上部空桶部分全部压到水面线以下，当下次波峰到达时，整个浮筒均在波峰水面之下，浮力达到最大，然后释放浮筒，集中取力做功，浮筒浮力对外做功，直到浮筒升到波峰平衡位置；

所述重力增强方法：当浮筒到达波峰平衡位置后，通过外力将浮筒下部有水部分全部提升到水面线以上，当下次波谷到达时，整个浮筒均在波谷水面之上，重力达到最大，然后释放浮筒，集中取力做功，浮筒重力对外做功，直到浮筒回到波谷平衡位置。

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