CN111550355A - 一种漂浮式波浪能发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海洋再生能源利用技术领域，具体公开了一种漂浮式波浪能发电设备，至少包括浮体、空气透平以及发电机，其中所述浮体的中部设置有气液腔，所述气液腔的下端为敞口，所述气液腔的上端设置有至少一个通气口并配置为所述气液腔内液面与气液腔顶部之间形成气体腔。本公开的漂浮式波浪能发电设备，其结构简单，生产制造成本低，其中气液腔设置于浮体中部，结构紧凑，空间利用率高；使用范围不受深海、近海的限制，同时不受潮起潮落的影响，应用范围更广，有助于大规模产业化的生产、制造以及应用，对于具有丰富海洋资源的国家而言，对波浪能这种可再生资源的利用尤其具有重大意义。

Description

一种漂浮式波浪能发电设备
技术领域
本发明涉及海洋再生能源利用技术领域，具体涉及一种漂浮式波浪能发电设备。
背景技术
海洋浮标是用于搭载海洋观测和通讯设备的重要载体。因为要进行海洋观测和通信就必须要有充足的电能供应，现阶段下给海洋浮标供电的方式主要是利用太阳能和风能来给蓄电池供电，但因为太阳能和风能的能量密度低且不稳定，所以对于耗电功率较大的功能浮标来说太阳能和风能往往无法满足其需求。
波浪能是一种分布广泛，能量密度大（是太阳能的三百多倍，风能的八十多倍），且非常稳定的可再生能源（年均可利用时间五千小时以上）。所以利用波浪能给海洋功能浮标供电是非常有价值且有重要意义的。
目前的波浪能开发技术（这里指将波浪能转换为电能）主要包括振荡浮子式、越浪式和振荡水柱式。通常，振荡浮子式依靠波浪能来推动浮子运动从而将波浪能传递到液压马达等能量转化装置而实现发电；越浪式是将波浪引到高处，然后让海水通过低处的水轮机来进行能量转换，最终将海水的动能转换为电能；振荡水柱式是将波浪能转换成气体的动能，再将气体的动能最终转化成电能而实现发电。利用海浪的波浪能进行发电的发电设备工作时位于海上，海水的波动受天气、潮汐的影响较大，需要保证发电设备的平稳有效工作；同时，获得较高的发电效率具有重要意义。
在振荡水柱式波浪能发电领域，例如公开号为CN110406635A的中国发明专利公开的一种带中心管的多级供电功率浮标，以及公开号为CN108843483A的中国发明专利公开的一种高效锥形管波力发电装置，均采用在浮体的中部设置远超浮体长度的中心管的方式构建气液腔。这种类型的发电装置，其缺陷在于，结构复杂，较长的中心管对波浪的响应和利用率较低。
例如公开号为CN106762361A的中国发明专利公开的一种“蘑菇型”振荡水柱式波能转换装置，其中“蘑菇型”构建的气室通过桩基结构固定。该种固定式的结构，注定了其只能应用在近海中，随着海水深度的增加，构建桩基的难度和成本均会明显增加，限制了其规模化应用。此外，即使该结构应用在近海，在潮差较大的情况下，涨潮落潮均会对其正常使用产生影响。
发明内容
本发明旨在提供一种漂浮式波浪能发电设备，以解决现有技术的不足。为此，本发明提供的技术方案如下：一种漂浮式波浪能发电设备，至少包括：
浮体，所述浮体的中部设置有气液腔，所述气液腔的下端为敞口并配置为液体自该敞口进入所述气液腔并可在气液腔内波动，所述气液腔的上端设置有至少一个通气口并配置为所述气液腔内液面与气液腔顶部之间形成气体腔，所述气体腔的体积随气液腔内液体的波动而变化，所述气体腔内的气压随体积变化进行调节并与通气口外部的气压形成气压差，所述气压差至少包括第一压差和第二压差，在所述第一压差的作用下形成自气体腔向通气口外部流动的第一气流，在第二压差的作用下形成自通气口向气体腔内流动的第二气流；
空气透平，所述空气透平安装于通气口处且配置为通过所述通气口与气体腔连通，所述空气透平配置为在所述气压差的作用下做功；以及
发电机，所述发电机与空气透平连接并配置为利用空气透平的做功发电。
一种优选的实施例，所述浮体的底部设置有浮体配重。
一种优选的实施例，所述空气透平与通气口之间还设置有通气管，所述通气管与通气口连接的一端为第一通气端，所述通气管与空气透平连接的一端为第二通气端，所述第一通气端的流通面积大于第二通气端的流通面积。
一种优选的实施例，所述气液腔内设置有若干分隔板，所述分隔板将所述气液腔分隔成若干互不连通的分气液腔，每个所述分气液腔至少配置有一个通气口。
一种优选的实施例，还包括环绕空气透平设置的挡浪板。
一种优选的实施例，还包括阻尼结构，所述阻尼结构设置于浮体的下方，所述阻尼结构与浮体的下部之间设置有连接装置。
一种优选的实施例，所述阻尼结构至少包括阻尼底板、环绕所述阻尼底板设置的阻尼侧板以及分别与所述阻尼底板和阻尼侧板连接的阻尼加强板。
一种优选的实施例，所述阻尼结构的底部设置有阻尼配重。
一种优选的实施例，所述连接装置为刚性连接杆或非刚性连接绳
一种优选的实施例，所述浮体配置为重量可调节，所述浮体的底部设置有至少一个蓄液舱，所述蓄液舱配置有进水系统、排水系统以及控制所述进水系统和排水系统运行的控制器。
本发明公开的漂浮式波浪能发电设备，与现有技术相比，具有以下技术优势：
（1）结构简单，生产制造成本低，其中气液腔设置于浮体中部，结构紧凑，空间利用率高；
（2）漂浮式结构，使用范围不受深海、近海的限制，同时，随波浪漂浮也不受潮起潮落的影响，应用范围更广，有助于大规模产业化的生产、制造以及应用，对于具有丰富海洋资源的国家而言，对波浪能这种可再生资源的利用尤其具有重大意义；
（3）阻尼结构的设置，有助于提升气液腔内海水相对运动的幅度；
（4）蓄液舱的设置，可以实现对浮体的质量根据环境的变换进行改变，从而达到改变整体结构的固有频率，以期与波浪达到共振，以提升波浪能的吸收效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1为本公开一实施例提供的一种漂浮式波浪能发电设备的结构示意图；
图2A为本公开一实施例提供的一种漂浮式波浪能发电设备中浮体和阻尼结构连接的结构示意图；
图2B为本公开一实施例提供的一种漂浮式波浪能发电设备中浮体和阻尼结构连接的另一种结构示意图；
图2C为图2A所示浮体和阻尼结构另一种连接形式的结构示意图；
图3为本公开一实施例提供的一种漂浮式波浪能发电设备的局部剖面结构示意图；
图4为本公开一实施例提供的一种漂浮式波浪能发电设备中空气透平及发电机系统的结构示意图；
图5A为本公开一实施例提供的一种漂浮式波浪能发电设备的结构示意图，该结构中，具有多个通气管；
图5B为图5A所示漂浮式波浪能发电设备的局部剖面结构示意图；
图6所示为本公开一实施例提供的一种漂浮式波浪能发电设备的结构示意图，该漂浮式波浪能发电设备中，浮体设置有蓄液舱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
本实施例公开的一种漂浮式波浪能发电设备，包括浮体4以及配置于浮体4上的空气透平及发电机系统1。
其中，浮体4为环状结构，该环状结构为封闭环，如图2A、图3所示，其封闭环的中部形成气液腔5，该气液腔5的上端被浮体上盖板401覆盖，该气液腔5的下端敞口，液体（海水）通过该下端敞口进入气液腔5内并在该气液腔内进行振荡波动。
其中，上述气液腔5的上端设置有至少一个通气口502并配置为所述气液腔5内的液面与气液腔顶部之间形成气体腔501，该气体腔501的体积随气液腔内液体的波动而变化。其中通气口502的流通面积通常要小于气体腔501的横截面积，则所述气体腔501内的气压随体积变化进行调节并与通气口502外部的气压形成气压差。
本实施例中，所述气压差至少包括第一压差和第二压差，在所述第一压差的作用下形成自气体腔向通气口外部流动的第一气流，在第二压差的作用下形成自通气口向气体腔内流动的第二气流。
其中，本实施例的浮体4可以采用图2A所示的圆环状结构，也可以采用图2B所示的方环状结构，当然也可以采用其他形状的环状结构，在此不做具体限制。
其中，浮体4是由钢材或者其他有机高分子材料或者金属材料制成，一般成空壳状，也可在浮体里面填充轻质防水材料。一般情况下浮体的质量是其所能产生最大浮力的三到五倍。浮体的作用是产生浮力，搭载其他设备。
作为优选，本实施例中，如图3、图5B所示，浮体4为空壳状结构，其包括浮体内侧壁404、浮体外侧壁402、浮体底壁403以及浮体上盖板401。
一种优选的实施方式，如图5B所示，其中浮体4的浮体底壁403设置有浮体配重405，该浮体配重405的作用是降低重心，使浮体部分不易倾斜晃动。
如图3所示，本实施例中，通气口502处设置了通气管3，该通气管3与气体腔501连通。通常，在仅有一个通气管3的情况下，其位于浮体上盖板的中心位置。
如图3、图4所示，其中通气管3的顶端设置有连接法兰202，而空气透平的底部设置有底部法兰109，空气透平及发电机系统1和通气管3之间通过底部法兰109和连接法兰202连接在一起。
其中，空气透平及发电机系统1，通常包含连接于通气管上端的空气透平以及空气透平输出端的发电机102。
下面结合图3以及图4详细介绍波浪发电的基本过程。其中，在图4所示的空气透平及发电机系统1中，空气透平为单向冲动式空气透平。
本实施例中，空气透平通过所述通气口与气体腔连通，所述空气透平配置为在所述气压差的作用下做功，发电机利用空气透平的做功发电。具体而言，在波浪的作用下气液腔5里的海水会上下运动，当气液腔5里的海水向上运动时，气体腔501的体积被压缩，其内部的空气被压缩，此时气体腔501内部的大气压力大于通气口外部大气压力，从而形成第一压差，在所述第一压差的作用下形成自气体腔向通气口外部流动的第一气流。
第一气流通过通气管3进入到阀箱106中，此时阀箱106内的气压也是大于外界大气压，所以在此压差的作用下整流片107紧贴着阀箱106的内壁面，将阀箱开孔108遮挡住，从而使得气流只能继续向上，经过导流锥105和静子104的加速变向后使得高速气流喷出到转子103的叶片上，从而带动转子103旋转，最终带动与转子103相连的发电机102旋转发电，实现将波浪能转换成电能的过程。
当气液腔5里的海水向下运动时，气体腔的体积增大，其内部的大气压力小于通气口外部大气压力，从而形成第二压差，在第二压差的作用下形成自通气口向气体腔内流动的第二气流，在该第二气流的作用下，阀箱106内的气压低于外界大气压；此时外界大气会推开整流片107通过阀箱开孔108进入到阀箱106，然后再通过导气管3进入到气液腔5中，为下一次的向上做功发电储备足够多的气体。
需要说明的是，本实施例中所采用的单向冲动式空气透平及发电机均为现有技术，在此不做赘述。并且，本实施例中的单向冲动式空气透平的安装方式为利用第一气流做功，当单向冲动式空气透平安装方向相反时，利用第二气流进行做功。
当然，空气透平也可以采用Wells透平、双向冲动式透平等其他任意形态的可以用于振荡水柱式波浪能发电装置的空气透平。
作为优选，本实施例的空气透平及发电机系统1顶部设置有保护帽101，用于保护空气透平及发电机系统1。
作为优选，本实施中，在空气透平的外围设置有与连接法兰202连接在一起的挡浪板201，该挡浪板201用于保护空气透平及发电机系统1，以免空气透平及发电机系统1受到波浪的直接冲击。
本实施中，设定通气管3与通气口502连接的一端为第一通气端，与空气透平连接的一端为第二通气端。作为优选，其中第一通气端的流通面积大于第二通气端的流通面积，在通气管内通过通道面积的变化，进一步提高进入空气透平阀箱的空气压力。如图3、图4所示，本实施例中，通气管3采用锥状结构。当然，通气管2也可以采用其他可以具有通道流通面积变化的非锥状结构。
本实施例公开的一种漂浮式波浪能发电设备，通常通过锚链802和锚体9固定，从而漂浮在海洋中。如此不受深海和近海的限制，由于可以随波起伏，也不收潮差的影响，对于波浪能的开发具有重要意义。
实施例二
如图5A、图5B所示，在实施例一的基础上，当浮体4的直径较大的情况下，可通过分隔板501将气液腔5内部分割成多个相互独立的分气液腔。本实施例中，气液腔5被分隔成了3个分气液腔。则每一个分气液腔的顶部配置一个通气口502，每个通气口502的位置安装一套空气透平及发电机系统1。
如此设置的目的在于，用于提升波浪能的利用率，提升漂浮式波浪能的发电效率。
实施例三
本实施例公开的一种漂浮式波浪能发电设置，如图2A-图2C所示，还包括阻尼结构7，该阻尼结构7设置于浮体4的下方，该阻尼结构7与浮体4的下部之间设置有连接装置。
其中，一种优选的阻尼结构7，如图2A-图2C所示，包括阻尼底板703、环绕所述阻尼底板703设置的阻尼侧板701以及分别与所述阻尼底板703和阻尼侧板701连接的若干阻尼加强板702。阻尼底板702与阻尼侧板701构成扁桶状结构，阻尼加强板702的作用是使整个阻尼结构的强度更高。
其中，一种优选的连接装置，如图2C、图5A所示，该连接装置为刚性连接杆604，该刚性连接杆604的上端与浮体4固定连接，该刚性连接杆604的下端与阻尼结构7固定连接。需要说明的是，上述刚性连接杆604既可以采用实心棒状结构，也可以采用空心管状结构。
本实施例中，刚性连接杆604具有三根，沿圆周方向均匀设置。
另一种优选的连接装置，如图2A、图2B所示，该连接装置为非刚性连接绳602。该非刚性连接绳602的上端通过上连接环601与浮体4固定连接，所述非刚性连接绳602的下端通过下连接环603与阻尼结构7固定连接。
需要说明的是，上述非刚性连接绳602既可以采用钢丝绳类的结构，也可以采用链条式的结构。
本实施例中，非刚性连接绳602具有三根，沿圆周方向均匀设置。
其中，非刚性连接绳602的连接与刚性连接杆604的形式相比，其成本更低，使用更加的灵活，由此构成波浪能发电装置体积更小。
本实施例中，阻尼结构7的存在是为了产生更多竖直方向上的阻力，使得气液腔内的海水与气液腔之间的相对运动更剧烈，从而吸收到更多的波浪能。其工作原理为，从海平面竖直向下，在两个波长深度的海水里几乎不再受到波浪的作用力，所以本装置通过连接装置将阻尼结构7置于相对较深的海水里，使其不再受到波浪向上或者向下的作用力，避免了波浪能发电装置在波浪作用下产生同步运动。使波浪能发电装置整体发生竖直方向上的运动时产生阻力，增强了气液腔内海水与气液腔之间的相对运动。
作为优选，如图2A所示，阻尼底板703的底部设置了阻尼配重704，作用是使阻尼结构在上下运动时更稳定，不易倾斜或者发生侧翻。
如图1所示，在设置有阻尼结构7的情况下，锚链802的上端可直接通过锚链环801与阻尼结构7连接。
实施例四
如图6所示，本实施例公开的一种漂浮式波浪能发电设备，在实施例一、实施例二以及实施例三的基础上，浮体4的底部可以设置有蓄液装置，该蓄液装置包括至少一个蓄液舱8，该蓄液舱8配置有进水系统、排水系统以及控制所述进水系统和排水系统运行的控制器81。
本实施例一种优选的实施方式，如图6所示，蓄液装置自上而下依次设置有三个蓄液舱8。
以最上面的第一蓄液舱为例，该蓄液舱8为密闭的小舱室，在该小舱室内的进水系统包括吸水泵82和吸水管83，其中吸水管的一端通过浮体上的开口与外部海水相连通，另一端与吸水泵相连。该小舱室内的排水系统包括排水泵84和排水管85，其中，排水管的一端通过浮体上的开口与外部海水相连通，另一端与排水泵相连。吸水泵和排水泵以及其他蓄液舱的进水泵和排水泵在控制器的作用下根据外界的波浪状况，依次从最底部的第三蓄液舱往上开始加水；或者依次从最上部的第一蓄液舱开始排水。
本实施例中，通过蓄液舱加水和排水的动作来改变波浪能发电装置整体的质量。此部分结构能产生的有益效果是：一、在台风天等极端天气下蓄液舱加水，使得装置重心下移，波浪能发电装置外漏在海面上的部分也减少，可以减少极端天气对波浪能发电装置的损坏；二、波浪能发电装置的固有频率与质量相关，当波浪能发电装置的固有频率与波浪频率接近时会达到共振，此时波浪能吸收效果最好；所以在控制器得到外部波浪的信息后调节蓄液舱的加水或排水来改变装置的质量，从而使装置的固有频率接近外界波浪的频率，最终使得波浪能发电装置与外界达到共振状态，使波浪能吸收效率最大化。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种漂浮式波浪能发电设备，其特征在于，至少包括：
浮体，所述浮体的中部设置有气液腔，所述气液腔的下端为敞口并配置为液体自该敞口进入所述气液腔并可在气液腔内波动，所述气液腔的上端设置有至少一个通气口并配置为所述气液腔内液面与气液腔顶部之间形成气体腔，所述气体腔的体积随气液腔内液体的波动而变化，所述气体腔内的气压随体积变化进行调节并与通气口外部的气压形成气压差，所述气压差至少包括第一压差和第二压差，在所述第一压差的作用下形成自气体腔向通气口外部流动的第一气流，在第二压差的作用下形成自通气口向气体腔内流动的第二气流；
空气透平，所述空气透平安装于通气口处且配置为通过所述通气口与气体腔连通，所述空气透平配置为在所述气压差的作用下做功；以及
发电机，所述发电机与空气透平连接并配置为利用空气透平的做功发电。
2.按照权利要求1所述的漂浮式波浪能发电设备，其特征在于，所述浮体的底部设置有浮体配重。
3.按照权利要求1所述的漂浮式波浪能发电设备，其特征在于，所述空气透平与通气口之间还设置有通气管，所述通气管与通气口连接的一端为第一通气端，所述通气管与空气透平连接的一端为第二通气端，所述第一通气端的流通面积大于第二通气端的流通面积。
4.按照权利要求1所述的漂浮式波浪能发电设备，其特征在于，所述气液腔内设置有若干分隔板，所述分隔板将所述气液腔分隔成若干互不连通的分气液腔，每个所述分气液腔至少配置有一个通气口。
5.按照权利要求1所述的漂浮式波浪能发电设备，其特征在于，还包括环绕空气透平设置的挡浪板。
6.按照权利要求1-5任一项所述的漂浮式波浪能发电设备，其特征在于，还包括阻尼结构，所述阻尼结构设置于浮体的下方，所述阻尼结构与浮体的下部之间设置有连接装置。
7.按照权利要求6所述的漂浮式波浪能发电设备，其特征在于，所述阻尼结构至少包括阻尼底板、环绕所述阻尼底板设置的阻尼侧板以及分别与所述阻尼底板和阻尼侧板连接的阻尼加强板。
8.按照权利要求7所述的漂浮式波浪能发电设备，其特征在于，所述阻尼结构的底部设置有阻尼配重。
9.按照权利要求6所述的漂浮式波浪能发电设备，其特征在于，所述连接装置为刚性连接杆或非刚性连接绳。
10.按照权利要求1-5任一项所述的漂浮式波浪能发电设备，其特征在于，所述浮体配置为重量可调节，所述浮体的底部设置有至少一个蓄液舱，所述蓄液舱配置有进水系统、排水系统以及控制所述进水系统和排水系统运行的控制器。
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