CN110905717A - 一种波力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种波力发电装置，包括浮式平台、透平机组、系泊单元和控制单元，浮式平台内设置了气室和储能舱，浮式平台在波浪作用下发生纵摇、垂荡、纵荡等多维运动，海水通过流道口进入气室，致使气室内水面上下起伏振荡，气室内的水面升高时，气室内形成高压，气室与透平机组相连，气室内部空气驱动透平机组工作，继而带动发电机发电；气室内的水面降低时，气室内形成低压，外部空气被吸入透平机组内部，进行发电。在高海况时，气室内的高压气体进入储能舱，从而实现气室内过剩气动能的转移储存，当低海况时，储能舱内的高压气体能够向气室内输送从而实现补能，使得不同海况时透平机组能够维持稳定转速，提高装置发电效率。

Description

一种波力发电装置
技术领域
本发明涉及海洋波浪能利用技术领域，特别是涉及一种波力发电装置。
背景技术
开发海洋资源和发展海洋经济，迫切需要解决海岛、海上平台的电力短缺问题。为了科学经济地解决好该问题，必须因地制宜，充分开发取之不尽用之不竭的海洋能。波浪能是海洋能中分布最广的可再生清洁能源，如果能高效可靠地利用波浪能进行发电，就能有效解决上述电力短缺问题。但目前波力发电技术还是一项新兴技术，在效率、可靠性和建造成本方面还存在技术壁垒。
在各类波力发电技术中，漂浮式波力发电技术因采用模块化设计制造而成本低、工期快、移动灵活、适用面广且建造不受海况影响，从而成为国际研发的重点，其中后弯管振荡水柱式波力发电技术吸引了大量关注。文献“Experiences inpneumatic wave energyconversion in Japan[C]”首先提出后弯管振荡水柱式波力发电技术，采用该技术的装置主体结构为漂浮平台，在波浪作用下发生垂荡、纵荡和纵摇等运动，平台底部敞口的L型流道竖直段内水体上下振荡，致使其上方气室内空气由空气透平排出或吸入气室，进而驱动空气透平旋转带动发电机发电。在上述过程中波浪能先转换为气室内气动能，再经由空气透平转换为电能。美国桑迪亚国家实验室在文献“Reference Model 6(RM6):OscillatingWave Energy Converter[R]”中提出了该类技术的参考设计“RM6”。文献“Powerperformance ofBBDB OWC wave energy converters[J]”中对“RM6”设计参数进行了优化，提高了发电效率。公开号为CN109236549A的中国专利，公开了一种高效波浪能发电装置，在“RM6”设计基础上创新性的增加了压水板部件以提高波力发电装置俘获波浪能的效率，采用一大一小双空气透平机组以实现高、中、低不同海况下发电装置高效工作，并在极端海况下关闭该两台透平机保障机组安全。公开号为CN107605646A的中国专利公开了一种高效节能自航式波力发电装置，采用独特的五边形截面后弯管以提高波力发电装置俘获波浪能的效率。然而上述设计未完全解决实际海洋中波浪能分布不均的问题：高海况时波浪能转换的气动能过剩，未能充分转换为电能，且气室内压强未能得到及时释放，影响透平机、主体结构和锚泊系统的安全；另一方面，低海况时波浪能转换的气动能不足，透平机无法达到额定转速，整个系统发电效率偏低。实际海洋不同海况随机出现，波浪能转换的气动能波动较大，波力发电系统较难稳定高效发电。
因此，如何改变现有技术中，波浪能分布不均引起的利用率较低和波力发电装置生存力弱的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种波力发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，使发电装置能够在不同海况时维持稳定输出，提高发电效率，降低平台和系泊单元载荷。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种波力发电装置，包括浮式平台、透平机组、系泊单元和控制单元，所述透平机组设置于所述浮式平台上，所述系泊单元与所述浮式平台相连，所述浮式平台为中空结构，所述浮式平台内部设置气室和储能舱，所述气室包括流道口，所述流道口与外界环境相连通，所述流道口设置于所述浮式平台的侧立面且背向来波方向设置，所述气室与所述储能舱相连通，所述气室与所述透平机组相连通，所述气室还与外界环境相连通，所述气室与所述储能舱之间、所述气室与外界环境之间均设置阀门，所述气室与所述储能舱内均设置气压传感器，所述透平机机组能够将气动能转化为电能，所述系泊单元能够定位所述浮式平台，所述浮式平台、所述透平机组和所述系泊单元均与所述控制单元相连，所述透平机组包括发电机。
优选地，所述气室为L形，所述气室包括相连通的水平段和竖直段，所述流道口设置于所述水平段远离所述竖直段的一端，所述储能舱设置于所述水平段的顶部，所述透平机组、所述储能舱、外界环境分别与所述竖直段相连通，所述气压传感器设置于所述竖直段。
优选地，所述储能舱包括设备舱和气体舱，所述控制单元设置于所述设备舱内，所述气体舱与所述竖直段相连通，所述设备舱位于所述气体舱与所述竖直段之间，所述气体舱内设置配重块，所述配重块设置于靠近所述流道口的一端。
优选地，所述气体舱通过输气管与所述竖直段相连通，所述输气管包括储能输气管和补能输气管，所述储能输气管上和所述补能输气管上均设置单向阀，所述竖直段通过泄压阀和吸气阀与外界环境相连，所述竖直段与所述透平机组之间设置控制阀，所述单向阀、所述泄压阀、所述吸气阀、所述控制阀分别与所述控制单元相连。
优选地，所述透平机组包括第一空气透平机和第二空气透平机，所述第一空气透平机、所述第二空气透平机分别与所述气室相连通，所述第一空气透平机的装机容量为所述第二空气透平机的装机容量的1.5～2.5倍，所述第一空气透平机、所述第二空气透平机设置于所述气室的顶部或所述气室背波向的侧部。
优选地，所述浮式平台设置增效板，所述增效板与所述浮式平台的侧壁底部相连，所述增效板设置于所述浮式平台的来波方向。
优选地，所述增效板与所述浮式平台之间的角度能够调整，所述增效板与所述浮式平台之间设置固定件，所述固定件能够固定所述增效板与所述浮式平台之间的相对位置。
优选地，所述系泊单元包括浮体、吸能部件和锚，所述浮体通过弹性绳与所述浮式平台的底部相连，所述浮体还通过弹性绳与所述吸能部件相连，所述吸能部件由吸能缓冲材料制成，所述吸能部件通过锚链与所述锚相连。
优选地，所述系泊单元的数量为三个，其中两个所述系泊单元设置于所述浮式平台的来波方向一侧，另一个所述系泊单元设置于所述浮式平台背向来波方向的一侧。
优选地，所述控制单元还包括转速传感器，所述转速传感器能够监测所述透平机组的转速；所述控制单元还能够令所述浮式平台接通弱电。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的波力发电装置，包括浮式平台、透平机组、系泊单元和控制单元，透平机组设置于浮式平台上，系泊单元与浮式平台相连，浮式平台为中空结构，浮式平台内部设置气室和储能舱，气室包括流道口，流道口与外界环境相连通，流道口设置于浮式平台的侧立面且背向来波方向设置，气室与储能舱相连通，气室与透平机组相连通，气室还与外界环境相连通，气室与储能舱之间、气室与外界环境之间均设置阀门，气室与储能舱内均设置气压传感器，透平机机组能够将气动能转化为电能，系泊单元能够定位浮式平台，浮式平台、透平机组和系泊单元均与控制单元相连，透平机组包括发电机。本发明的波力发电装置，浮式平台内设置了气室和储能舱，浮式平台在波浪作用下发生纵摇、垂荡、纵荡等多维运动，海水通过流道口进入气室，致使气室内水面上下起伏振荡，气室内的水面升高时，气室内形成高压，气室与透平机组相连，气室内部空气驱动透平机组工作，继而带动发电机发电；气室内的水面降低时，气室内形成低压，外部空气被吸入透平机组内部，进行发电。在高海况时，当气室内气压高于储能阈值低于泄压阈值时，高压气体进入储能舱，从而实现气室内过剩气动能的转移储存，当气室内气压高于泄压阈值时，高压气体自动打开泄压阀排出，当气室内气压低于吸气阈值时，外部环境的空气自动打开吸气阀进入气室内，从而实现降低浮式平台和系泊单元载荷，在低海况时，储能舱内的高压气体能够向气室内输送从而实现补能，使得不同海况时透平机组能够维持稳定转速，解决波浪能分布不均的问题，提高装置发电效率。与此同时，气室通过泄压阀和吸气阀与外界环境相连通，能够向外界环境泄压和从外界环境吸入气体，降低浮式平台的载荷，提高装置安全性，系泊单元能够吸收部分波浪对浮式平台和系泊单元带来的冲击，降低系泊单元的荷载，提高装置的可靠性和生存力。
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为本发明的波力发电装置工作时的示意图；
图2为本发明的波力发电装置的结构示意图；
图3为本发明的波力发电装置的浮式平台的结构示意图；
图4为本发明的波力发电装置的浮式平台的剖切结构示意图；
图5为本发明的波力发电装置的浮式平台的另一角度的结构示意图；
图6为本发明的波力发电装置的控制单元的示意图；
其中，1为浮式平台，2为透平机组，3为系泊单元，4为控制单元，5为气室，6为储能舱，7为流道口，8为气压传感器，9为竖直段，10为水平段，11为设备舱，12为气体舱，13为配重块，14为输气管，15为第一空气透平机，16为第二空气透平机，17为增效板，18为固定件，19为浮体，20为吸能部件，21为锚，22为弹性绳，23为锚链，24为发电机，25为泄压阀，26为吸气阀，27为单向阀。
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波力发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，使发电装置能够在不同海况时维持稳定输出，提高发电效率。
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。
请参考图1-6，其中，图1为本发明的波力发电装置工作时的示意图，图2为本发明的波力发电装置的结构示意图，图3为本发明的波力发电装置的浮式平台的结构示意图，图4为本发明的波力发电装置的浮式平台的剖切结构示意图，图5为本发明的波力发电装置的浮式平台的另一角度的结构示意图，图6为本发明的波力发电装置的控制单元的示意图。
本发明提供一种波力发电装置，包括浮式平台1、透平机组2、系泊单元3和控制单元4，透平机组2设置于浮式平台1上，系泊单元3与浮式平台1相连，浮式平台1为中空结构，浮式平台1内部设置气室5和储能舱6，气室5包括流道口7，流道口7与外界环境相连通，流道口7设置于浮式平台1的侧立面且背向来波方向设置，气室5与储能舱6相连通，气室5与透平机组2相连通，气室5还与外界环境相连通，气室5与储能舱6之间、气室5与外界环境之间均设置阀门，气室5与储能舱6内均设置气压传感器8，透平机机组能够将气动能转化为电能，系泊单元3能够定位浮式平台1，浮式平台1、透平机组2和系泊单元3均与控制单元4相连，透平机组2包括发电机24。
本发明的波力发电装置，浮式平台1内设置了气室5和储能舱6，浮式平台1在波浪作用下发生纵摇、垂荡、纵荡等多维运动，海水通过流道口7进入气室5，致使气室5内水面上下起伏振荡，气室5内的水面升高时，气室5内形成高压，气室5与透平机组2相连，气室5内部空气驱动透平机组2工作，继而带动发电机24发电；气室5内的水面降低时，气室5内形成低压，外部空气被吸入透平机组2内部，进行发电。在高海况时，气室5内的气体压强高于储能阈值P1低于泄压阈值时，气室5内的高压气体进入储能舱6，从而实现气室5内过剩气动能的转移储存，气室5内的气体压强高于泄压阈值P3时，气室5内的高压气体自动打开泄压阀25排出，气室5内的气体压强低于吸气阈值P4时，环境内的空气自动打开吸气阀26进入气室5内，当低海况时，储能舱6内的高压气体能够向气室5内输送从而实现补能，使得不同海况时透平机组2能够维持稳定转速，解决波浪能分布不均的问题，提高装置发电效率。与此同时，气室5与外界环境相连通，能够向外界环境泄压，降低了浮式平台的载荷，提高了装置安全性，系泊单元3能够吸收部分波浪对浮式平台1和系泊单元3带来的冲击，降低系泊单元荷载，提高装置的可靠性和生存力。
具体地，气室5为L形，气室5包括相连通的水平段10和竖直段9，流道口7设置于水平段10远离竖直段9的一端，储能舱6设置于水平段10的顶部，透平机组2、储能舱6、外界环境均与竖直段9相连通，气压传感器8设置于竖直段9，气室5内的气压传感器8位于竖直段9的上部，避免海水影响气压传感器8的正常工作，气压传感器8能够监测气室5和储能舱6内气压，当气室5与储能舱6的气压差高于设定储能阈值P1时，气室5内的高压气体流往储能舱6内从而实现气室5内过剩气动能的转移储存，储能过程持续至气室5和储能舱6的气压差低于设定储能阈值P1时停止储能；当储能舱6和气室5的气压差高于设定储能阈值P2且气室5压强是正压时，储能舱6内的高压气体流往气室5从而实现补能，补能过程持续至储能舱6和气室5的气压差低于设定储能阈值P2或气室5的压强为负压时停止补能。
其中，储能舱6包括设备舱11、气体舱12，控制单元4设置于设备舱11内，气体舱12与竖直段9相连通，气体舱12可用于储能，气体舱12内设置配重块13，调整浮式平台1的吃水深度，配重块13设置于靠近流道口7的一端或根据实际情况调整位置。
更具体地，气体舱12通过输气管14与竖直段9相连通，输气管14包括储能输气管和补能输气管，储能输气管上和补能输气管上均设置单向阀27，竖直段9通过泄压阀25与外界环境相连，当气室5内正压强高于泄压阈值P3时，可通过泄压阀25自动进行泄压，使气室5内压强位于安全值范围内，保证装置安全性，提高装置可靠性和生存力，同样地，当气室5内负压强低于吸入阈值P4时，外界环境气体可通过吸气阀26自动进入气室5内，使气室5内气压升高，竖直段9与透平机组2之间设置控制阀，单向阀27、泄压阀25、吸气阀26、控制阀分别与控制单元4相连，便于根据监测结果控制阀门的开闭，提高装置自动化程度。
另外，透平机组2包括第一空气透平机15和第二空气透平机16，第一空气透平机15、第二空气透平机16分别与气室5相连通，第一空气透平机15的装机容量为第二空气透平机16的装机容量的1.5～2.5倍，操作者可通过控制单元4控制第一空气透平机15和第二空气透平机16的工作状态，根据海况不同确定开启其中第一空气透平机15或第二空气透平机16或二者均开启，增强了装置对不同海况的适应性。第一空气透平机15设置于气室5的顶部，在本具体实施方式中，竖直段9凸出于储能舱6设置，第一空气透平机15和第二空气透平机16可以设置于竖直段9的顶部，降低了海水进入透平机组2内的风险，提高了装置在较宽波况范围内的发电效率。在实际应用中，第一空气透平机15和第二空气透平机16可以采用U型流道空气透平机、I型流道空气透平机和威尔士空气透平机等型式。
进一步地，浮式平台1设置增效板17，增效板17与浮式平台1的侧壁底部相连，增效板17设置于浮式平台1的来波方向且朝向远离浮式平台1的方向倾斜，增效板17能够减少装置向外辐射波浪能，提高了装置将波浪能转换为气动能的效率。
需要说明的是，增效板17与浮式平台1之间的角度能够调整，增效板17与浮式平台1之间设置固定件18，固定件18能够固定增效板17与浮式平台1之间的相对位置，提高增效板17的灵活性和适应性。
更进一步地，系泊单元3包括浮体19、吸能部件20和锚21，浮体19通过弹性绳22与浮式平台1的底部相连，浮体19还通过弹性绳22与吸能部件20相连，吸能部件20由吸能缓冲材料制成，吸能部件20通过锚链23与锚21相连，系泊单元3采用弹性绳22、锚链23和吸能部件20相组合的形式，使系泊单元3能够适应深海和浅海系泊要求，同时通过吸能部件20降低系泊力，提高装置整体的可靠性和生存力。
在本具体实施方式中，系泊单元3的数量为三个，其中两个系泊单元3设置于浮式平台1的来波方向一侧，另一个系泊单元3设置于浮式平台1背向来波方向的一侧，提高装置的可靠性。
另外，控制单元4还包括转速传感器，转速传感器能够监测透平机组2的转速，控制单元4根据气室5的气压和透平机组2的转速调控储能舱6向气室5补能的时机以及补能持续时间，并控制透平机组2的启闭和转速，提高装置发电效率。控制单元4还能够令浮式平台1的表面接通弱电，以防止海洋生物附着于所述浮式平台1的表面。
本发明的波力发电装置，浮式平台1内设置了气室5和储能舱6，在高海况时，气室5内的高压气体进入储能舱6，从而实现气室5内过剩气动能的转移储存，当低海况时，储能舱6内的高压气体能够向气室5内输送从而实现补能，使得不同海况时透平机组2能够维持稳定转速，解决波浪能分布不均的问题，提高装置发电效率。
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 (10)

1.一种波力发电装置，其特征在于：包括浮式平台、透平机组、系泊单元和控制单元，所述透平机组设置于所述浮式平台上，所述系泊单元与所述浮式平台相连，所述浮式平台为中空结构，所述浮式平台内部设置气室和储能舱，所述气室包括流道口，所述流道口与外界环境相连通，所述流道口设置于所述浮式平台的侧立面且背向来波方向设置，所述气室与所述储能舱相连通，所述气室与所述透平机组相连通，所述气室还与外界环境相连通，所述气室与所述储能舱之间、所述气室与外界环境之间均设置阀门，所述气室与所述储能舱内均设置气压传感器，所述透平机机组能够将气动能转化为电能，所述系泊单元能够定位所述浮式平台，所述浮式平台、所述透平机组和所述系泊单元均与所述控制单元相连，所述透平机组包括发电机。
2.根据权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述气室为L形，所述气室包括相连通的水平段和竖直段，所述流道口设置于所述水平段远离所述竖直段的一端，所述储能舱设置于所述水平段的顶部，所述透平机组、所述储能舱、外界环境分别与所述竖直段相连通，所述气压传感器设置于所述竖直段。
3.根据权利要求2所述的波力发电装置，其特征在于：所述储能舱包括设备舱和气体舱，所述控制单元设置于所述设备舱内，所述气体舱与所述竖直段相连通，所述设备舱位于所述气体舱与所述竖直段之间，所述气体舱内设置配重块，所述配重块设置于靠近所述流道口的一端。
4.根据权利要求3所述的波力发电装置，其特征在于：所述气体舱通过输气管与所述竖直段相连通，所述输气管包括储能输气管和补能输气管，所述储能输气管上和所述补能输气管上均设置单向阀，所述竖直段通过泄压阀和吸气阀与外界环境相连，所述竖直段与所述透平机组之间设置控制阀，所述单向阀、所述泄压阀、所述吸气阀、所述控制阀分别与所述控制单元相连。
5.根据权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述透平机组包括第一空气透平机和第二空气透平机，所述第一空气透平机、所述第二空气透平机分别与所述气室相连通，所述第一空气透平机的装机容量为所述第二空气透平机的装机容量的1.5～2.5倍，所述第一空气透平机、所述第二空气透平机设置于所述气室的顶部或所述气室背波向的侧部。
6.根据权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述浮式平台设置增效板，所述增效板与所述浮式平台的侧壁底部相连，所述增效板设置于所述浮式平台的来波方向。
7.根据权利要求6所述的波力发电装置，其特征在于：所述增效板与所述浮式平台之间的角度能够调整，所述增效板与所述浮式平台之间设置固定件，所述固定件能够固定所述增效板与所述浮式平台之间的相对位置。
8.根据权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述系泊单元包括浮体、吸能部件和锚，所述浮体通过弹性绳与所述浮式平台的底部相连，所述浮体还通过弹性绳与所述吸能部件相连，所述吸能部件由吸能缓冲材料制成，所述吸能部件通过锚链与所述锚相连。
9.根据权利要求8所述的波力发电装置，其特征在于：所述系泊单元的数量为三个，其中两个所述系泊单元设置于所述浮式平台的来波方向一侧，另一个所述系泊单元设置于所述浮式平台背向来波方向的一侧。
10.根据权利要求1所述的波力发电装置，其特征在于：所述控制单元还包括转速传感器，所述转速传感器能够监测所述透平机组的转速；所述控制单元还能够令所述浮式平台接通弱电。
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