CN111058990A - 一种铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海洋能源利用与可再生能源发电技术领域，尤其涉及一种铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，主体结构包括水下潜体、支撑结构、发电平台、铰接浮筏及若干液压油缸等。水下潜体为整个系统提供稳定支撑；发电平台通过支撑结构与水下潜体连接为一整体结构；铰接浮筏通过四组滑动套筒与支撑结构相连；铰接浮筏漂浮于波面，随着波浪运动做弯曲运动，从而将铰接浮筏所接触波面的波浪能转换为浮筏的机械能，进而通过若干液压油缸将铰接浮筏运动的机械能提取出来，通过液压油管转换为液压能，最后通过发电平台上布置的若干发电和储能单元、电能处理单元等将液压能转换为电能，并通过外输电线输出。

Description

一种铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统
技术领域
本发明属于海洋能源利用与可再生能源发电技术领域，尤其涉及一种铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统。
背景技术
波浪能是一种极具前途的清洁可再生能源，具有能量品质好、储藏量大、分布广泛的优点，它的开发利用对于推进可持续发展、海洋资源开发等具有重要意义，在中国，对波浪能的开发利用已经列入了国家能源发展战略，具有广阔的发展前景。
现有的离岸式波浪能利用技术可以分为点吸收式和线吸收式两类，点吸收式波浪能转换装置主要是通过浮体在波浪中的垂荡运动产生的位移或相对位移变化，通过PTO（Power Take-off，能量提取）阻尼将浮体运动的机械能转换为液压能或电磁能，再经过蓄能器等能量储存、传输单元，最终驱动发电机进行发电，或者通过其他设备制造淡水或制冰等。该类装置主要包括振荡浮子式、振荡水柱式等具体类型。线吸收式波浪能转换装置则能够吸收沿着波浪传播线一定距离的波浪能，如著名的英国“Pelamis”式装置即属于该类型。该装置由多组铰接筏体组成，筏体在波浪的激励下运动，相邻筏体之间的（角）位移变化，筏体运动的机械能通过安装于相邻筏体之间的PTO阻尼机构进行提取。除此之外，合理利用沿岸地形，将波浪的动能转换为势能，进而利用海水头压差发电的越浪式装置也是一个重要类型。
上述的波浪能转换装置具有很好的能量转化效果，但由于只能以点或线等较有限波峰线宽度范围的波浪能作为吸收对象，因此一般在波高较大时，才能获得较好的波浪能转换效果；与欧洲、北美等海域波况相比（波高为2.0m-6.0m），中国近海大部分海域波高偏小（0.5m-3.0m），波浪能能流密度较低，致使现有的波浪能转换装置难以高效率的直接利用，综合利用成本较高，甚至造成部分分散的、低品位波浪能资源被浪费，因此有必要通过一定的系统解决现有装置波浪能吸收的波峰线宽度较小的问题，从而更节约、充分、高效的利用波浪能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，该系统整体结构简单、可提升对波浪能的利用效率，用以解决现有波浪能转换装置由于波浪能吸收的波峰线宽度较小而导致的分散的，低品位波浪能资源无法利用或利用不充分的问题。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，用于波高较小的分散的、低品位波浪能最大限度的吸收利用，该系统为一独立的海上发电单元，主体结构包括水下潜体、支撑结构、海上发电平台、铰接浮筏及若干液压油缸等。其中，水下潜体为具有一定质量及较大体积的长方体浮体结构，潜没于海水中，为整个系统提供稳定支撑；海上发电平台为一平板结构，在其上布置发电单元进行能量的转换，通过所述支撑结构与水下潜体连接为一整体结构，铰接浮筏只能沿波浪传播方向弯曲，而在垂直于波浪传播方向上保持不变；铰接浮筏通过所述四组滑动套筒与所述支撑结构相连；铰接浮筏漂浮于波面，随着波浪运动做弯曲运动，从而将铰接浮筏所接触波面的波浪能转换为浮筏的机械能，进而通过若干液压油缸将铰接浮筏运动的机械能提取出来，通过液压油管转换为液压能，最后通过海上发电平台上布置的若干发电和储能单元、电能处理单元等将液压能转换为电能，并通过输电线输出。
所述铰接浮筏具有一定的质量与厚度，由多组沿波浪传播方向宽度较窄的细长浮筏铰接而成，只能沿波浪传播方向弯曲，而在垂直于波浪传播方向上保持不变。优选的，铰接浮筏静水状态下的吃水约为自身厚度的60%；铰接浮筏弯曲状态下长度介于1至2个入射波波长之间。
所述铰接浮筏通过四组滑动套筒与支撑结构连接，铰接浮筏通过所述滑动套筒在支撑结构上做一定范围的上下滑动以适应波浪和系统的吃水，使得铰接浮筏时刻漂浮于波面上。
本发明的进一步改进，所述水下潜体的排水量略小于本发明中除去铰接浮筏之外的系统其他结构的总质量。水下潜体淹没于水中一定深度，具体为水下潜体上边缘距水面的深度为入射波波长的1/3。
本发明的进一步改进，所述液压油缸在铰接浮筏上沿着铰接浮筏弯曲方向均匀阵列布置，相邻液压油缸的之间的间距为入射波波长的1/2。
所述发电和储能单元、电能处理单元等安装在发电平台上。液压马达和发电机等发电单元将液压能转换为交变电流，对若干并联的蓄电池（组）进行浮充后将直流电输出，输出的直流电经过进一步的电能处理后通过输电线输送至岸上或电能设备。
本发明的系统还包括一锚系，锚系一端固定在海底，另一端与水下潜体连接，用于固定整个系统在指定海面位置上，并在风浪流等海洋环境载荷的作用下，使系统的铰接浮筏弯曲方向与波浪传播方向一致。
本发明提出了一种铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，系统在海上风浪流等海洋环境载荷及锚系的作用下，使得系统在海上的方向自动调整，最终铰接浮筏的弯曲方向与波浪传播方向一致。
与现有技术相比，本发明在不增加中间能量转换设备成本的前提下，筏体所占据的波峰线宽度更大，筏体俘获的波浪能能量更多，从而使在同等波况下，本发明的铰接筏体对液压油缸的作用力更大，从而能够对分散的、能流密度较小的低品位波浪能有效充分利用。
本发明的有益效果：本发明提升波浪能转换的经济性和高效性，实现资源利用价值较低的低品位可再生能源的充分、经济、高效利用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中，1-水下潜体，2-支撑结构，3-铰接浮筏，4-筏体间铰链，5-滑动套筒，6-若干液压油缸，7-液压油缸-铰接浮筏铰链，8-液压油缸-发电平台固定点，9-发电平台，10-液压油管，11-发电和储能单元，12-内部输电线，13-电能处理单元，14-外输电线，15-锚系，16-入射波浪。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：如图1所示，一种铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，主体结构包括水下潜体1、支撑结构2、发电平台9、铰接浮筏3及若干液压油缸6等。
在系统的具体工作过程中包括三级能量转换。首先，铰接浮筏3在入射波浪16的作用下在垂直于波峰线的方向上产生周期性的弯曲起伏运动，铰接浮筏3波峰线宽度范围b内的波浪能被筏体吸收，即第一级能量转换——铰接浮筏3波峰线宽度范围b内的波浪能转换为铰接浮筏3弯曲起伏运动的机械能。随后，铰接浮筏3周期性的弯曲起伏运动驱动安装与其连接的若干液压油缸6的活塞杆做往复运动，即第二级能量转换——铰接浮筏3弯曲起伏运动的机械能转换为若干液压油缸6的液压能。进而，若干液压油缸6的液压能通过液压油管10，以及布置在发电平台9上的发电和储能单元11、电能处理单元13等转换为电能，即第三级能量转换——若干液压油缸6的液压能转换为电能。最后，电能通过外输电线14输出。
本实施例中铰接浮筏3为一仅可在波浪传播方向上弯曲的浮筏结构，具体是由多组细长筏体通过筏体间铰链4连接而成，所连接的细长筏体的数量，即铰接浮筏3在弯曲状态下的长度l主要取决于入射波浪16的功率P（估算为P=0.5bTH2，b：铰接浮筏3波峰线宽度，T：波浪周期，H：波浪波高），入射波浪16的功率P越小，铰接浮筏3长度b也越小，但为了使整个铰接浮筏3在波浪上稳定运行，铰接浮筏3在弯曲状态下的长度l不应低于1个波长λ的长度（按照线性波条件下估算，铰接浮筏3在弯曲状态下的长度l≥λ=gT2/(2π)）。优选的，为了节约成本，本发明将铰接浮筏弯曲状态下长度l设置为2λ≥l≥λ。此外，铰接浮筏3的宽度b（即铰接浮筏3波峰线宽度）的设置则主要考虑入射波浪16的功率P，功率P越小，铰接浮筏3宽度b越大。
所述铰接浮筏3具有一定厚度及质量，以确保在静水状态下，筏体具有合适的吃水，以能够有效的将入射波浪能转化为自身的机械能。优选的，根据数值仿真的结果，铰接浮筏3的吃水为自身厚度的60%时，可以取得最佳的效果。
所述水下潜体1的作用是为本发明所述的整个系统提供一稳定的基础，在正常工作状态下，水下潜体1潜没于水面下的一定深度d，该深度d的选取准则是确保水下潜体1较少受海面波浪的影响，将本发明系统的水下潜体1在不同深度d的条件下进行具体的波浪影响效果检测中发现，当深度d达到波长λ的1/3左右时，波浪对水下潜体的影响已经十分微弱（约为深度d=0时流体作用力的5%），综合考虑系统成本节约与检修便利的因素，优选的，设置水下潜体1上边缘潜没水下的深度d为入射波浪16波长λ的1/3。
在本发明实施例中，所述水下潜体1的排水量略小于本发明的系统中除去铰接浮筏3之外其他结构的总质量，以使水下潜体1在锚系15的作用下能够稳定在一定深度的海水中，并使锚系15受力不会过大。
所述若干液压油缸6安装在铰接浮筏3和发电平台9之间，具体的，液压油缸6的活塞杆与铰接浮筏3通过液压油缸-铰接浮筏铰链7铰连接，液压油缸6的缸体与发电平台9通过液压油缸-发电平台固定点8刚连接。在本发明的实施例中，为了使液压油缸6更便捷有效的转换波浪能，并尽可能节约成本，优选的，若干液压缸6沿着铰接浮筏3弯曲方向均匀布置，相邻液压油缸的之间的间距为入射波浪16波长λ的1/2。
需要特别说明的是，本发明的具体实施例是采用液压油缸作为能量转换单元，这仅为本发明的较佳实施例，并不限制本发明的专利范围，对此发明并未进行限制和固定，可根据具体情况选择其他形式的能量转换单元，如直线电机式、机械式或压电式能量转换单元等。
若干发电和储能单元11、电能处理单元13就內输电线12等电力装置均布置在发电平台上，这种布置能够有效的防止上述电力装置受到海水的侵蚀，从而降低系统在绝缘、防水等方面的成本支出，并提升系统的生存性能。
在本发明实施例中，锚系15的锚索两端分别与海底和水下潜体1的前端中点处连接，锚索的长度以及质量根据水域深度及水下潜体1下潜深度d进行调整。结合图1，本发明提供的整个系统在风、浪、流及锚系15的联合作用下，铰接浮筏3的弯曲方向总是与波浪传播方向一致，使系统可以最大限度的俘获转换不同方向入射波浪16的波浪能。
在具体实施例中，本发明采用的水下潜体1、铰接浮筏3、液压油缸6、支撑结构2、发电平台9等的尺寸、质量、材料、工作参数等均可以根据使用海域的波浪状况进行调整，由于整个装置是半潜式结构，因此对海上风、浪、流等其他的海况因素有较好的适应性。
与现有技术相比，本发明可以充分利用分散的、低能流密度的波浪能，提升波浪能转换的经济性和高效性，实现资源利用价值较低的低品位可再生能源的充分、经济、高效利用。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，其特征在于，主体结构包括水下潜体、支撑结构、发电平台、铰接浮筏及若干液压油缸，所述水下潜体为具有一定质量及较大体积的长方体浮体结构，潜没于海水中，为整个系统提供稳定支撑，所述发电平台为一平板结构，在其上布置发电单元进行能量的转换，通过所述支撑结构与水下潜体连接为一整体结构，所述铰接浮筏为一漂浮于水面的可在波浪传播方向上自由弯曲的的扁平浮体结构，用于俘获所占据波面的波浪能，所述若干液压油缸的活塞杆和缸筒分别与所述发电平台和所述铰接浮筏连接在一起。
2.根据权利要求1所述的铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，其特征在于，所述铰接浮筏具有一定的质量与厚度，静水状态下的吃水约为自身厚度的60%，所述铰接浮筏弯曲状态下长度介于1至2个入射波波长之间。
3.根据权利要求1所述的铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，其特征在于，所述铰接浮筏由多组沿波浪传播方向宽度较窄的细长浮筏铰接而成，沿波浪传播方向弯曲，而在垂直于波浪传播方向上保持不变。
4.根据权利要求1所述的铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，其特征在于，所述铰接浮筏通过四组滑动套筒与所述支撑结构连接，所述铰接浮筏通过所述滑动套筒在所述支撑结构上做一定范围的上下滑动以适应波浪和系统的吃水，使得所述铰接浮筏时刻漂浮于波面上。
5.根据权利要求1所述的铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，其特征在于，所述水下潜体淹没于水中一定深度，具体为水下潜体上边缘距水面的深度为入射波波长的1/3。
6.根据权利要求1所述的铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，其特征在于，所述水下潜体的排水量略小于本系统中除去铰接浮筏之外其他结构的总质量。
7.根据权利要求1所述的铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，其特征在于，所述液压油缸在所述铰接浮筏上沿着所述铰接浮筏弯曲方向均匀阵列布置，相邻液压油缸之间的间距为入射波波长的1/2。
8.根据权利要求1所述的铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，其特征在于，所述发电和储能单元、电能处理单元安装在所述发电平台上。
9.根据权利要求1-8任一项所述的铰接浮筏阵列式波浪能吸收系统，其特征在于，所述系统还包括一锚系，所述锚系一端固定在海底，另一端与所述水下潜体的一端连接，用于固定整个所述系统在指定海面位置上。
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