CN112145337A - 一种波浪能高效耦合利用装备 - Google Patents

Abstract

一种波浪能高效耦合利用装备，属于波浪能发电和海洋工程装备领域，解决了现有技术中如何巧妙的利用浮子及摆板来提高一级波浪能转换效率的技术难题。技术要点：摆板用以提取波浪动能，摆板围绕转动轴往复摆动，摆板下端浸没在水中；支撑平台上滑动安装有连杆，连杆上安装有浮子，浮子用于提取波浪势能；竖直挡板用于反射波浪，防止波浪能在水平方向的流失；底部挡板用于防止波浪能在竖直方向的流失；摆板、浮子、竖直挡板和底部挡板构成动能和势能的耦合系统，摆板的摆动与浮子的升沉运动相互耦合；本发明通过摆板与浮子的巧妙布局，使得摆板动能和浮子势能之间存在相互促进的耦合作用，也就是波浪的动能和波浪的势能之间存在相互促进的耦合作用。

Description

一种波浪能高效耦合利用装备

技术领域

本发明涉及一种波浪能利用装备，具体涉及一种波浪能高效耦合利用装备，属于波浪能发电和海洋工程装备领域。

背景技术

随着全球能源问题、环境问题的日益严峻，开发利用化石能源之外的可再生能源已经成为人类的必然选择。波浪能作为一种海洋中的可再生能源，其绿色环保、分布广泛、能流密度高、储量丰富。人们针对波浪能开发进行了大量的研究，但是当前技术下，波浪能发电装备发电效率低，发电成本依然较高，因此波浪能发电还难以进行大规模的商业化应用。

波浪能发电一般包括三级能量转换过程。一级能量转换过程是利用捕能装置将波浪能转换为捕能装置的运动能量；二级能量转换过程主要通过机械液压或者机械传动方式将捕能装置捕获的能量转换为发电机能够直接吸收的能量；三级能量转换过程主要通过二级能量转换装置获得的能量驱动发电机发电。在这三级能量转换过程中，最关键的就是一级能量转换过程。一级能量转换效率低是导致波浪能发电效率低的主要原因。波浪能包括海水升沉运动的势能和波浪向前传播的动能两种能量形式，在现有技术中，大多波浪能发电装置只能捕获其中一种波浪能形式，造成大量的波浪能损失，进而导致单位面积内波浪能利用效率低。

例如：在公开号为CN105888952A，名称为“振荡浮子式海洋波浪能发电装置”的专利文献中公开了一种振荡浮子式海洋波浪能发电装置，包括漂浮于海面上的波浪能吸收装置、通过滑动装置与波浪能吸收装置连接的支撑装置、转换装置以及与转换装置连接的输出装置。其中，振荡浮子只能通过自身的升沉运动捕获波浪的势能，而波浪向前传播的动能则会流失。这导致波浪能的一级能量转换效率低，波浪能发电效率低。

在公开号为CN107938593A，名称为“利用压电材料进行波浪能发电的防波堤结构”的专利文献公开了一种利用压电材料进行波浪能发电的防波堤结构，包括：防波提主体，压电振子，活动挡板，与压电振子相对应的拨片。其发电部分，只能利用活动挡板的往复运动捕获波浪的动能，而波浪升沉运动的势能则会流失。这样造成波浪能的一级能量转换效率低，波浪能发电效率低。

在现有技术中，还有个别波浪能发电装置能捕获多种波浪能，与捕获单一波浪能比较，在一定程度上提高了波浪能的利用率，但是多种捕获器之间无协同作用，使得一级波浪能转换效率低下。

例如：在公开号为CN104265550A，名称为“一种漂浮式波浪能发电系统”的专利文献公开了一种具有多能量采集机构的发电系统，包括：由漂浮平台、波浪能采集机构、风能采集机构、机械传递装置、发电装置、机电控制装置、锚定装置和海底电缆等几部分构成；所述漂浮平台为锲形船体，波浪能采集机构设置在锲形船体的两侧。因为浮子在前，所以大部分的波浪的动能因为反射而流失。所以后方摆板的作用很小。而且摆板和浮子是孤立存在的，并无相互耦合关系，导致一级波浪能转换效率低下。

因此，如何巧妙的利用浮子及摆板来进一步提高一级波浪能转换效率，从根本上提高波浪能利用效率以降低发电成本是当前亟待解决的工程问题。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，面对如何巧妙的利用浮子及摆板来进一步提高一级波浪能转换效率这一技术问题，本发明设计了一种波浪能高效耦合利用装备，利用一个装置可提取所有的波浪能成分以提高一级能量转换效率，进而提高单位面积内波浪能利用效率；并且通过摆板与浮子的巧妙布局，使得摆板动能和浮子势能之间存在相互促进的耦合作用，也就是波浪的动能和波浪的势能之间存在相互促进的耦合作用。

本发明所采取的方案为：一种波浪能高效耦合利用装备，包括摆板、转动轴、连杆、浮子、支撑平台、竖直挡板、底部挡板；所述摆板、浮子和竖直挡板沿波浪行进方向依次排布，所述摆板用以提取波浪动能，摆板悬挂安装在转动轴上，摆板围绕转动轴往复摆动，摆板下端浸没在水中；转动轴与竖直挡板之间采用支撑平台连接；所述支撑平台上滑动安装有连杆，连杆的下端安装有浮子，浮子用于提取波浪势能；所述竖直挡板用于反射波浪，防止波浪能在水平方向的流失；竖直挡板的下端安装底部挡板，底部挡板用于防止波浪能在竖直方向的流失；所述摆板、浮子、竖直挡板和底部挡板构成动能和势能的耦合系统，摆板的摆动与浮子的升沉运动相互耦合。

进一步地：所述摆板和浮子距离空间由支撑平台的宽度决定，支撑平台的宽度要求如下：m＜(a+b)，m为支撑平台的宽度，a为摆板水面以上高度，b为摆板浸没深度，即支撑平台的宽度小于摆板的长度。所述支撑平台的宽度范围根据摆板的摆动幅度确定，设摆板的摆动幅度为θ，则支撑平台的最小宽度要求m＞(a+b)sinθ，可防止摆板与竖直挡板发生碰撞，摆板的摆动曲线与浮子垂直位移曲线的峰谷值正好相反。即摆板逆时针摆动到最大值，而浮子上升运动到最大值。摆板顺时针摆动到最大值，而浮子下降到最大值，摆板的摆动对浮子的上升有一定促进作用，浮子的下降对摆板的摆动有一定促进作用。摆板的摆动和浮子的垂向运动相互耦合，这种耦合作用是相互作用的，有效提高波浪能一级能量转换效率，进而提高波浪能发电效率。

进一步地：所述摆板部分浸没在水中，在初始状态下，其浸没深度大于1倍波幅，其水面以上高度大于2倍波幅。如此设置，水下浸没深度保证最大限度提取波浪动能，水面以上高度可以保证摆板背浪侧波浪不会在摆板顶部溢出。

进一步地：所述摆板的材质为金属。如此设置，可以具有足够的强度。

进一步地：所述支撑平台的材质为金属或混凝土。如此设置，可以保证足够的强度。

进一步地：所述支撑平台上具有透气孔。如此设置，可以防止支撑平台对浮子的升沉运动产生阻力。

进一步地：所述浮子的材质为金属。如此设置，保证足够的强度。

进一步地：所述竖直挡板水面以上高度大于2倍波幅，水面以下浸没深度大于摆板的浸没深度。如此设置，可以防止摆板背浪侧波浪在竖直挡板顶部溢出。

进一步地：所述竖直挡板的材质为金属或混凝土。如此设置，可以保证足够的强度。

进一步地：所述底部挡板的材质为金属或混凝土。如此设置，可以保证足够的强度。

本发明所达到的效果为：

1.本发明摆板、浮子、竖直挡板和底部挡板构成动能和势能的耦合系统，摆板逆时针摆动到最大值，而浮子上升运动到最大值，摆板顺时针摆动到最大值，而浮子下降到最大值，摆板的摆动对浮子的上升有一定促进作用，浮子的下降对摆板的摆动有一定促进作用。摆板的摆动和浮子的垂向运动相互耦合，这种耦合作用是相互作用的，进一步提高波浪能一级能量转换效率。

2.本发明通过摆板和浮子可同时捕获波浪的动能和势能，单位面积内波浪能利用效率高，可从根本上提高波浪能一级能量转换效率，进而提高波浪能发电效率。

3.本发明稳定性强，当一种获能形式出现故障时，另一种获能形式依然能够捕获波浪能用以发电。

4.本发明应用范围广，可应用于岸基式、近岸式和浮式波浪能发电装置。

5.本发明结构简单，制作方便，维护成本低，易于大规模的模块化复制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体的实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1为本发明实施例的整体效果图；

图2为图1中摆板的摆动示意图；

图3为图1中浮子的升沉示意图；

图4为本发明实施例的尺寸标注；

图5为实施例1摆板摆动角度和浮子垂直位移变化的曲线；

图6为图5中t1时刻对应的波剖面和摆板、浮子的运动姿态示意图；

图7为图5中t2时刻对应的波剖面和摆板、浮子的运动姿态示意图；

图8为实施例2摆板摆动角度和浮子垂直位移变化的曲线；

图9为图8中t3时刻对应的波剖面和摆板、浮子的运动姿态示意图；

图10为图8中t4时刻对应的波剖面和摆板、浮子的运动姿态示意图。

附图标记：

1-摆板，2-转动轴，3-连杆，4-浮子，5-支撑平台，6-竖直挡板，7-底部挡板。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式。

实施例1：由图1-图4可知，本实施例的一种波浪能高效耦合利用装备，包括摆板1、转动轴2、连杆3、浮子4、支撑平台5、竖直挡板6、底部挡板7；摆板1和浮子的材质均为金属，支撑平台5、竖直挡板6、底部挡板7的材质均为混凝土，支撑平台5上具有透气孔，摆板1和竖直挡板6的下部均浸没在水中，在初始状态下，浸没深度大于1倍波幅，水面以上高度大于2倍波幅，且竖直挡板6的浸没深度大于摆板1的浸没深度；支撑平台5的宽度范围根据摆板1的摆动幅度确定；所述摆板1用以提取波浪动能，摆板1悬挂安装在转动轴2上，摆板1围绕转动轴2往复摆动，摆板1下端浸没在水中；转动轴2与竖直挡板6之间采用支撑平台5连接；所述支撑平台5上滑动安装有连杆3，连杆3的下端安装有浮子4，浮子4用于提取波浪势能；所述竖直挡板6用于反射波浪，防止波浪能在水平方向的流失；竖直挡板6的下端安装底部挡板7，底部挡板7用于防止波浪能在竖直方向的流失；所述摆板1、浮子4、竖直挡板6和底部挡板7构成动能和势能的耦合系统，摆板的摆动与浮子的升沉运动相互耦合。

由图2可知，所述摆板1可围绕转动轴2作逆时针和顺时针往复摆动，将波浪的动能转化为自身摆动的能量。

由图3可知，所述浮子4可在支撑平台5与连杆3的限制下作上下往复运动，将波浪的势能转化为自身升沉运动的能量。

为证明一种波浪能高效耦合利用装备的波浪能利用效果，以及摆板动能和浮子势能的耦合效果，对波浪作用下的摆板和浮子的运动进行了数值模拟计算。

如图4所示，为本发明实施例的尺寸标注。选取的波况为：波浪从左侧入射，波长6m，波幅0.3m。竖直档板6的浸没深度h＝1米；摆板1的材质为钢，浸没深度为b＝0.9米，摆板1和竖直挡板6的水面以上高度都为a＝0.6米；浮子4的材质为钢，宽度c＝0.4米，高度d＝0.1米；支撑平台5的宽度为m＝1米。

如图5所示，为摆板摆动角度和浮子垂直位移变化的实例曲线。其中上面的子图为摆板的摆动角度实例曲线，摆板逆时针转动时为负，顺时针转动为正。下面的子图为浮子升沉运动时的垂直位移实例曲线。浮子向上运动时为正，向下运动时为负。需要说明的图中浮子的垂直位移用波浪的波幅进行了无量纲处理。

结合摆板的摆动角度和浮子的垂直位移来看，摆板的摆动曲线与浮子垂直位移实例曲线的峰谷值正好是相反的。即当摆板逆时针转动到最大值时，浮子恰好处于位移的最高点。这表明摆板的摆动和浮子升沉运动是相互耦合的。

此外，观察浮子的运动曲线的峰值可以发现，浮子上升运动的最大无量纲位移约为1.7(η/η0≈1.7)，即浮子的位移远大于波浪的波幅。说明摆板的逆时针摆动对浮子上升运动有一定的促进作用。而浮子依靠自身重量下降时，又会对摆板的逆时针摆动有一定的促进作用。这进一步证明，摆板的摆动和浮子的垂向运动是一种相互促进的耦合作用。

为进一步说明摆板摆动和浮子垂直运动的耦合作用。选取t1和t2两个时刻，给出了波剖面情况以及摆板、浮子的瞬时位置。观察图5，其中t1时刻对应摆板逆时针摆动到最大值，而浮子上升运动到最大值。t2时刻对应摆板顺时针转动到最大值，而浮子下降到最大值。

如图6所示，为t1时刻对应的波剖面图和摆板、浮子的运动姿态图。此时摆板逆时针转动到最大值点，而浮子上升到最大值点。可以发现，摆板的摆动对浮子的上升有一定促进作用。

如图7所示，为t2时刻对应的波剖面图和摆板、浮子的运动姿态图。此时摆板顺时针转动到最大值点，而浮子下降到最大值点。可以发现，浮子的下降对浮子的摆动有一定的促进作用。

上述结果，证明了该波浪能高效利用方法和装备可以捕获波浪的动能和势能，且摆板的摆动和浮子的垂向运动相互耦合，这种耦合作用是相互作用的。该发明可有效提高波浪能一级能量转换效率，进而提高波浪能发电效率。

实施例2：由图1-图4可知，本实施例的一种波浪能高效耦合利用装备与实施例1的不同在于，支撑平台5、竖直挡板6、底部挡板7的材质均为金属，选取的波况为：波浪从左侧入射，波长9m，波幅0.3m。竖直档板6的浸没深度h＝1米；摆板1的材质为钢，浸没深度为b＝0.9米，摆板1和竖直挡板6的水面以上高度都为a＝0.6米；浮子4的材质为钢，宽度c＝0.4米，高度d＝0.1米；支撑平台5的宽度为m＝1米。

如图8所示，为摆板摆动角度和浮子垂直位移变化的实例曲线。其中上面的子图为摆板的摆动角度实例曲线，摆板逆时针转动时为负，顺时针转动为正。下面的子图为浮子升沉运动时的垂直位移实例曲线。浮子向上运动时为正，向下运动时为负。需要说明的图中浮子的垂直位移用波浪的波幅进行了无量纲处理。

结合摆板的摆动角度和浮子的垂直位移来看，摆板的摆动曲线与浮子垂直位移实例曲线的峰谷值正好是相反的。即当摆板逆时针转动到最大值时，浮子恰好处于位移的最高点。这表明摆板的摆动和浮子升沉运动是相互耦合的。

此外，观察浮子的运动曲线的峰值可以发现，浮子上升运动的最大无量纲位移约为1.5(η/η0≈1.5)，即浮子的位移远大于波浪的波幅。说明摆板的逆时针摆动对浮子上升运动有一定的促进作用。而浮子依靠自身重量下降时，又会对摆板的逆时针摆动有一定的促进作用。这进一步证明，摆板的摆动和浮子的垂向运动是一种相互促进的耦合作用。

为进一步说明摆板摆动和浮子垂直运动的耦合作用。选取t3和t4两个时刻，给出了波剖面情况以及摆板、浮子的瞬时位置。观察图8，其中t3时刻对应摆板逆时针摆动到最大值，而浮子上升运动到最大值。T4时刻对应摆板顺时针转动到最大值，而浮子下降到最大值。

如图9所示，为t3时刻对应的波剖面图和摆板、浮子的运动姿态图。此时摆板逆时针转动到最大值点，而浮子上升到最大值点。可以发现，摆板的摆动对浮子的上升有一定促进作用。

如图10所示，为t4时刻对应的波剖面图和摆板、浮子的运动姿态图。此时摆板顺时针转动到最大值点，而浮子下降到最大值点。可以发现，浮子的下降对浮子的摆动有一定的促进作用。

上述结果，证明了该波浪能高效利用装备可以捕获波浪的动能和势能，且摆板的摆动和浮子的垂向运动相互耦合，这种耦合作用是相互作用的。该发明可有效提高波浪能一级能量转换效率，进而提高波浪能发电效率。也证明了该波浪能高效利用装备可以适用于不同的波况。

上述实施例通过摆板和浮子同时提取波浪能的动能和势能，可有效增加波浪能的利用效率，并且摆板的摆动与浮子的升沉运动相互耦合，进一步提高波浪能的利用效率。竖直挡板用于反射波浪，防止波浪能的在水平方向的流失；底部挡板用于阻止波浪能在竖直方向的流失。本发明通过摆板、浮子同时提取波浪的动能和势能，可从根本上提高发电装置的利用效率，降低波浪能发电成本；摆板、浮子、竖直挡板和底部挡板构成动能和势能的耦合系统，进一步提高波浪能的利用效率，从根本上提高波浪能利用效率，降低波浪能发电成本，设计简单，使用寿命长，易于大规模推广应用，可应用于岸基式、近岸式和浮式波浪能发电装置。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种波浪能高效耦合利用装备，其特征在于：包括摆板(1)、转动轴(2)、连杆(3)、浮子(4)、支撑平台(5)、竖直挡板(6)和底部挡板(7)；所述摆板(1)、浮子(4)和竖直挡板(6)沿波浪行进方向依次排布，所述摆板(1)用以提取波浪动能，摆板(1)悬挂安装在转动轴(2)上，摆板(1)围绕转动轴(2)往复摆动，摆板(1)下端浸没在水中；转动轴(2)与竖直挡板(6)之间采用支撑平台(5)连接；所述支撑平台(5)上滑动安装有连杆(3)，连杆(3)的下端安装有浮子(4)，浮子(4)用于提取波浪势能；所述竖直挡板(6)用于反射波浪，防止波浪能在水平方向的流失；竖直挡板(6)的下端安装底部挡板(7)，底部挡板(7)用于防止波浪能在竖直方向的流失；所述摆板(1)、浮子(4)、竖直挡板(6)和底部挡板(7)构成动能和势能的耦合系统，摆板的摆动与浮子的升沉运动相互耦合。

2.根据权利要求1所述的一种波浪能高效耦合利用装备，其特征在于：所述摆板(1)和浮子(4)距离空间由支撑平台的宽度决定，支撑平台的最大宽度要求如下：m＜(a+b)，m为支撑平台的宽度，a为摆板水面以上高度，b为摆板浸没深度，即支撑平台的最大宽度小于摆板的长度，支撑平台(5)的最小宽度要求m＞(a+b)sinθ，θ为摆板的摆动幅度。

3.根据权利要求1或2所述的一种波浪能高效耦合利用装备，其特征在于：所述摆板(1)部分浸没在水中，在初始状态下，其浸没深度大于1倍波幅，其水面以上高度大于2倍波幅。

4.根据权利要求3所述的一种波浪能高效耦合利用装备，其特征在于：所述摆板(1)的材质为金属。

5.根据权利要求4所述的一种波浪能高效耦合利用装备，其特征在于：所述支撑平台(5)、竖直挡板(6)和底部挡板(7)的材质均为金属或混凝土。

6.根据权利要求5所述的一种波浪能高效耦合利用装备，其特征在于：所述支撑平台(5)上具有透气孔。

7.根据权利要求4所述的一种波浪能高效耦合利用装备，其特征在于：所述浮子(4)的材质为金属。

8.根据权利要求3所述的一种波浪能高效耦合利用装备，其特征在于：所述竖直挡板(6)水面以上高度大于2倍波幅，水面以下浸没深度大于摆板(1)的浸没深度。

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