CN111677621A - 一种波浪能高效气动转换装置及其气动转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种恒压控制的波浪能高效气动转换装置及方法，利用容器储存以及工质气‑液相变，补偿波浪能气动转换装置空气压力变化，减小能量转换的波动性，提高气动转换装置的效率。装置包括：柱式容腔、透平机、储气罐，工质储罐，换热器和循环泵等组件，在空气与相变工质间设置隔膜，防止空气与相变工质混合。柱式容腔内气柱流量大于透平机额定流量时，循环泵驱动工质流经换热器冷却，工质由气态转变为液态，从储气罐排出，空气进入储气罐中储存。气柱流量小于透平机额定流量时，循环泵驱动工质流经换热器加热，工质由液态变为气态，进入储气罐，储气罐中气体排出，在波浪流量波动条件下，透平压力保持近似恒定。

Description

一种波浪能高效气动转换装置及其气动转换方法
技术领域
本发明涉及可再生能源技术领域，更具体的说是涉及一种波浪能高效气动转换装置及其气动转换方法。
背景技术
目前，我国约85％的能源消耗来自化石能源的燃烧。环境污染、生态破坏等问题日益严重，表现为空气污染指数超标，碳排放不断增长、气温上升以及气候变暖。我国化石能源为主的能源结构导致环境污染、生态破坏等问题日益严重。能源需求不断增大和化石能源供应的不足，将加剧环境、能源危机，影响国家能源安全。
开发可再生能源，有效解决能源危机给人类生存和社会发展带来的威胁。波浪能是海洋能源中相对不稳定的一种能源，它是指海洋中波浪所具有的动能和势能的总和。
波浪能发电技术是将海洋波浪中蕴含的机械能转换为发电的技术，波浪能的利用既是对能源短缺问题的改善，也是海洋能源开发利用的重要项目，是清洁、无污染的可再生新能源的主要组成部分。
波浪能发电的商业应用仍面临很多挑战，包括发电装置的成本、效率和并网等问题无法得到解决。波浪能的发电成本比常规火力发电高出10倍。波浪的随机性、不稳定特性，导致气动透平的不稳定，偏离透平机的工作点效率低。气流双向流动，透平机一般按单向流动设计，反向流动透平效率低。波浪能发电的输出电压在幅值、频率及相位均不稳定，并网时对电网会形成冲击。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种恒压控制的波浪能高效气动转换装置及其气动转换方法，通过控制工质的相变，稳定空气的压力，提高空气透平效率，从而实现波浪能的高效转换。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种波浪能高效气动转换装置，包括：柱式容腔、恒压储气系统以及透平机；
所述柱式容腔与所述透平机通过管路连接；且所述恒压储气系统与所述柱式容腔和/或所述透平机连接；
其中，所述柱式容腔一侧紧贴墙体，另一侧底部设置有进水口。
进一步的，上述的恒压储气系统与所述柱式容腔和/或所述透平机连接指的是所述恒压储气系统与所述柱式容腔和所述透平机连接或所述恒压储气系统与所述透平机连接；
更进一步的，所述恒压储气系统与所述柱式容腔和所述透平机连接时，所述恒压储气系统与所述透平机串联或并联连接。
进一步的，所述恒压储气系统至少设置有一个。
进一步的，上述恒压储气系统包括：储气罐、工质储罐以及换热系统；
其中，所述储气罐与所述柱式容腔和/或所述透平机连接；
所述换热系统一端与所述储气罐连接，另一端与所述工质储罐连接，所述工质储罐与所述储气罐直接连接。
进一步的，上述换热系统包括：换热器、循环泵一、循环泵二、冷源和热源；
所述热源、换热器、循环泵一和所述冷源依次连接；
所述换热器还与所述储气罐和所述循环泵二分别连接；
所述循环泵二还与所述工质储罐连接。
进一步的，上述储气罐内部设置有密封体，用以减小空气在相变工质中的溶解以及防止工质储罐中的工质直接进入储气罐中；
更进一步的，密封体可以为气囊、膜及其它类似的隔离表面装置。
上述的一种波浪能高效气动装置的气动转换方法，包括：
当所述柱式容腔空气流量小于透平机额定空气流量时，恒压储气系统释放空气，以补充透平机的空气流量；
当所述柱式容腔空气流量大于透平机额定空气流量时，恒压储气系统储存空气，减小透平机空气流量。
进一步的，在恒压储气系统释放空气阶段，相变工质在循环泵二的驱动下从工质储罐排出，进入换热器，吸热，蒸发后进入储气罐内的密封体中，密封体体积增大，挤压储气罐内的空气排出，进入透平机中，同时，热源内的热水在循环泵一的驱动下进入换热器，提供蒸发所需的热量，然后进入冷源；
在恒压储气系统储存空气阶段，相变工质在循环泵二的驱动下，从储气罐内的密封体排出，进入换热器，放热，冷凝后进入工质储罐，密封体体积收缩，空气进入储气罐中储存，同时，冷源内的冷水在循环泵一的驱动下，进入换热器，吸收放出的热量，然后进入热源。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、引入气罐储存空气，储气罐中压缩空气恒压释放，减小透平机入口气流的波动；
2、与海洋上普遍存在光热能互补，将光热储存，控制工质相变，补偿气罐压力变化
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明提出的一种恒压控制的波浪能高效气动转换装置原理图；
图2是本发明中的恒压储气系统结构图；
图3是本发明气柱流量小于透平机额定空气流量时空气、工质的流动方向图；
图4是本发明气柱流量大于透平机额定空气流量时空气、工质的流动方向图。
图中：
1-水柱；2-柱式容腔；3-气柱；4-恒压储气系统；5-储气罐；5a-空气；5b-气囊；5c-相变工质；6-工质储罐；7-透平机；8-换热器；9-冷源；10-热源；11-光热；12-循环泵一；13-循环泵二。
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。
实施例
本实施例公开了一种波浪能高效气动转换装置，包括柱式容腔2，恒压储气系统4和透平机7；
具体的，参见图1-2，柱式容腔2和透平机7通过管道连接，恒压储气系统4与管道连接，其中，柱式容腔2一侧紧贴墙体，另一侧底部设置有进水口用于完成与波浪能的能量转换，同时，柱式容腔2内部分为水柱1和气柱2，在波浪的波动下，水柱1上下浮动，挤压气柱2产生气流，流向恒压储气系统4和透平机7。
仅在本实施例中恒压储气系统4并联接入柱式容腔2与透平机7连接的气体回路上，其连接关系还可以是串联，且可以接在透平机7的下游，恒压储气系统4可以设置一个或多个，多个恒压储气系统4的压力可以不一致。
进一步的，恒压储气系统4包括储气罐5、工质储罐6和换热系统，其中换热系统包括换热器8、冷源9、热源10、循环泵一12、循环泵二13；
其中，储气罐5连接在柱式容腔2和透平机7之间连接的管路上；
储气罐5与工质储罐6直接连接，且在储气罐5内设置有气囊5b，用以减小空气在相变工质中的溶解以及防止工质储罐中的工质直接进入储气罐中；
储气罐5还与换热器8、循环泵二13和工质储罐6依次连接；
冷源9、换热器8、循环泵一12和热源10依次连接。
参见图3-4，上述的波浪能高效气动转换装置的气动转换方法，包括：
当气柱2的流量小于透平机7的额定空气流量时，相变工质5c在循环泵二13的驱动下，从工质储罐6排出，进入换热器8，吸热、蒸发后进入储气罐5内的气囊5b中，气囊5b的体积增大，挤压储气罐5内的空气5a排出，进入与透平机7连接的气体回路；同时，热源10内的热水在循环泵一12的驱动下，进入换热器8，放热后进入冷源9；
当气柱2的流量大于透平机7的额定空气流量时，相变工质5c在循环泵二13的驱动下，从储气罐5内的气囊5b排出，进入换热器8，放热、冷凝后进入工质储罐6，气囊5b的体积收缩，从与透平机7连接的气体回路吸入空气5a，储存于储气罐5内；同时，冷源9内的工质在循环泵一12的驱动下，进入换热器8，吸热后进入热源10。
冷源9中的冷量和热源10中的热量在循环过程中存在不可逆以及散热的损失，白天采用光热11补充热源10损失的热量，晚上冷源9在大气自然对流下冷却。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种波浪能高效气动转换装置，其特征在于，包括：柱式容腔、恒压储气系统以及透平机；
所述柱式容腔与所述透平机通过管路连接；且所述恒压储气系统与所述柱式容腔和/或所述透平机连接；
其中，所述柱式容腔一侧紧贴墙体，另一侧底部设置有进水口。
2.根据权利要求1所述的一种波浪能高效气动转换装置，其特征在于，所述恒压储气系统至少设置有一个。
3.根据权利要求2所述的一种波浪能高效气动转换装置，其特征在于，所述恒压储气系统包括：储气罐、工质储罐以及换热系统；其中，所述储气罐与所述柱式容腔和/或所述透平机连接；所述换热系统一端与所述储气罐连接，另一端与所述工质储罐连接；且所述工质储罐与所述储气罐连接。
4.根据权利要求3所述的一种波浪能高效气动转换装置，其特征在于，所述换热系统包括：换热器、循环泵一、循环泵二、冷源和热源；其中，所述热源、换热器、循环泵一和所述冷源依次连接；所述换热器分别与所述储气罐和所述循环泵二连接；且，所述循环泵二与所述工质储罐连接。
5.根据权利要求3所述的一种波浪能高效气动转换装置，其特征在于，所述储气罐内部设置有密封体，所述工质储罐内设置有相变工质；其中所述密封体用以减小空气在所述相变工质中的溶解以及防止所述相变工质直接进入所述储气罐中。
6.如权利要求1-5任一所述的一种波浪能高效气动装置的气动转换方法，其特征在于，包括：
当所述柱式容腔空气流量小于所述透平机额定空气流量时，所述恒压储气系统释放空气，以补充所述透平机的空气流量；
当所述柱式容腔空气流量大于所述透平机额定空气流量时，所述恒压储气系统储存空气，减小所述透平机空气流量。
7.根据权利要求6所述的一种波浪能高效气动装置的气动转换方法，其特征在于，在所述恒压储气系统释放空气阶段，所述相变工质在所述循环泵二的驱动下从所述工质储罐排出，进入所述换热器，经吸热，蒸发后进入所述储气罐内的密封体中，密封体体积增大，挤压所述储气罐内的空气排出，进入所述透平机中；同时，所述热源内的热水在所述循环泵一的驱动下进入所述换热器，提供蒸发所需的热量，然后进入所述冷源。
8.根据权利要求6所述的一种波浪能高效气动装置的气动转换方法，其特征在于，在所述恒压储气系统储存空气阶段，所述相变工质在所述循环泵二的驱动下，从所述储气罐内的密封体排出，进入所述换热器，经放热、冷凝后进入所述工质储罐，密封体体积收缩，空气进入所述储气罐中储存；同时，所述冷源内的冷水在所述循环泵一的驱动下，进入所述换热器，吸收放出的热量，然后进入热源。
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