CN113266514B - 一种利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，包括俘获波浪能输出单向气流能的装置和后续的将单向气流蓄积并稳定转换为电能的装置。由喇叭口尾管和轴对称旋转浮体组成的中心管振荡水柱式波能装置在入射波的作用下垂荡运动，迫使中心管内的水柱产生振荡运动，通过大截面面积的进气阀门和小截面面积的排气阀门的整流作用使其输出单向的压缩气流能，进入中、低压储气罐进行蓄能，然后连接可调节流阀可控输出气流能，通过驱动透平发电机组稳定发电。本发明采用振荡单浮体结构设计，可靠性好、适应性强，采用模块化便于商业化生产和应用，通过整流输出单向气流做功的中心管，可采用空气蓄能器以提高透平发电机组的效率和稳定性。

Description

一种利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及海洋可再生能源利用技术领域，涉及一种利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置。

背景技术

海洋波浪能是一种依附在海水表面的可再生能源，是表面海浪具有的动能和势能。波浪能是一种清洁的可再生能源，蕴藏丰富，分布广泛，开发潜力巨大。但由于海洋环境恶劣，波浪能量的不稳定、不集中，导致波浪能发电不稳定，转换效率低，利用成本高等问题，其商业化利用未得到大规模地推广。

波浪能利用技术种类繁多，根据工作原理的不同，可分为振荡水柱式、振荡浮子式、越浪式和其他形式。按照波能装置离海岸的远近不同，可分为靠岸式、近岸式和离岸式。离岸漂浮式波能装置可以利用远海丰富的波浪能资源，建造受环境影响小，适用面广，成为当今波浪能利用技术的发展主流。

中心管波能装置是由一个中间掏空带有一根长管道的圆柱型浮体和空气透平发电机组构成，圆柱型浮体的尺寸远小于波长，浮体俘获波浪能的能力同波浪入射的方向无关。中心管波能发电用航标灯早在上世纪就实现了商业化利用，中心管波能发电装置在航标灯、海洋仪器供电，海水淡化等领域应用具有现实意义。中心管波能装置是一种漂浮振荡水柱式波能发电装置，它利用气动式能量摄取系统转换能量，具有结构简单、可靠性高和易于维护等优点。振荡水柱像活塞一样推动气室内的空气往复运动，气流方向呈周期性变化，一般是利用双向气流作用于空气透平，并没有蓄能环节。中心管波能装置是利用单浮体的振荡运动吸收波浪能，四周无遮挡具有良好的“天线”聚波条件，拥有良好的俘获特性。但不稳定的气流不仅影响空气透平运行的可靠性，使得透平发电机组很难在适合的工况下运行，降低透平效率，还使得透平发电机组输出的电能波动很大，很难达到直接使用或并入电网的要求。

在液压式波能利用技术中，单向阀常被用来改变液压油的流动方向，使其始终沿一个方向流动，通过高、低压蓄能器系统，将俘获的波浪能转换为液压能，然后通过可控地释放液压油推动液压马达带动电机稳定发电。在中心管波能装置中的气室上添加单向阀门，在吸气过程中，外界空气近乎无阻尼地通过大通道截面的单向阀进入气室，浮体运动幅度增大；在排气过程中，单向阀门关闭，空气通过喷嘴喷出驱动空气透平旋转带动电机发电。单向气流做功虽然做功时间减半，但中心管浮体在吸气过程中仍俘获波浪能蓄积为浮体运动的机械能，在排气过程中输出更多的能量，浮体的总体俘获特性并未明显降低。利用单向气流做功的中心管波能装置，可以使用高效的单向冲动式透平机组发电，但仍存在气流波动大，电机转速不稳定，发电不稳定的问题。

压缩空气储能技术可以解决风能、太阳能等不稳定可再生能源发电的并网难题，提高利用效率。空气具有良好的压缩特性，在液压蓄能器中常用易于压缩的气体介质来解决液压油难于压缩的困境，而在振荡水柱式波浪能装置中尚未使用压缩空气蓄能的先例。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种利用单向气流做功的中心管波能装置，并添加空气蓄能器，提高透平机组的发电稳定性和发电效率。该装置主要利用中心管浮体在波浪作用下的垂荡运动俘获波浪能，在管道内形成振荡水柱推动气室内的空气往复运动，吸入和排出空气，利用单向阀门改变气流方向，利用排气过程对外输出功，使其排出压缩空气进入蓄能器进行储能，然后再稳定可控地释放气流能，推动空气透平旋转带动电机稳定发电。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，包括振荡水柱模块，浮力舱模块，进、排气阀门整流模块，空气蓄能稳压模块，透平发电机组模块和锚泊系统模块，所述浮力舱模块内部为空心，为整个装置提供浮力，所述进、排气阀门整流模块包括进气单向阀和排气单向阀门，所述透平发电机组模块包括空气透平机和发电机，所述振荡水柱模块包括中心管道和气室，所述气室位于浮力舱模块上方，所述中心管道穿过所述浮力舱模块，下端在海水中，海水从中心管道底部进入到中心管道中，所述中心管道上方和气室连接，所述气室和所述中心管道之间设有进气单向阀，所述气室通过排气单向阀和空气蓄能稳压模块中的空气储气罐连接，所述空气储气罐通过空气透平机和发电机连接。

所述排气单向阀门有两个，分别为中压排气单向阀门和低压排气单向阀门，所述空气储气罐有两个，为并联的中压储气罐和低压储气罐，所述中压排气单向阀门和中压储气罐连接，低压排气单向阀门和低压储气罐连接。

所述中压储气罐和低压储气罐上都设有压力表。

所述浮力舱模块包括甲板和所述甲板下方的圆柱形浮力舱和倒锥台形浮力舱，所述圆柱形浮力舱在倒锥台形浮力舱上方。

所述排气单向阀和气室之间设有海水回流管。

所述空气储气罐和空气透平机之间设有可调节流阀。

所述空气蓄能稳压模块，透平发电机组模块设置在浮力舱内部。

所述空气蓄能稳压模块中的空气储气罐竖直放置，底部安装有支撑底座。

所述中心管道由圆柱形管道和锥形变径段两部分组成，浮力舱模块以下部分为锥形变径段，浮力舱模块内为圆柱形管道，管道内充满水。

所述浮力舱模块的上方还设有辅助模块，所述辅助模块包括用于浮力舱模块内通气的通气管、用于安装调试或检测维修时人员进出浮力舱模块内的人孔、浮力舱模块上方周围安装的护栏，多根支撑杆、多根支撑杆撑起的顶盖、用于安装太阳能光伏发电板，所述浮力舱模块上方还设有风力发电设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1. 基于振荡单浮体俘获波能的理念，可以优化中心管波能发电装置的外形结构，提高浮体的垂荡运动性能，减少造波能量损失，从而提高装置的波能俘获性能。振荡单浮体四周无遮挡，具有良好的“天线”聚波条件，可获得较好的俘获性能。中心管底部采用锥形变径段，可以拓宽中心管对入射波的响应周期，使其在实际的不规则波下具有更好的俘获性能。

2. 由于中心管波能发电装置是利用单浮体的垂荡运动来俘获波浪能，利用管道和水柱的相对运动输出气动能量，通过单向阀门改变气流的输出做功形式，使其由双向气流做功改为单向气流做功。只在气室排气过程中输出气动能，在吸气过程中不输出能量，振荡运动近乎无阻尼，可提高浮体运动性能，从而在排气过程中输出更多的气流能，装置的俘获性能并未明显降低。利用排气过程输出单向气流能，为压缩空气蓄能提供了可行之路。

3. 采用空气蓄能稳压模块可以将俘获的不稳定气动能量储存起来，再通过控制阀稳定地输出能量。采用并联的中、低压储气罐蓄能，可以适应海上交替出现的大浪和小浪环境。在大浪作用下，气室输出压强较高的气流压缩进入中压储气罐，在小波浪作用下，气室输出压强较低的气流进入低压气罐。由于采用蓄能稳压模块，可以稳定地释放气流能，以匹配简单高效的空气透平机组，使其在额定工况下高效运行，提高发电效率和发电稳定性。

4. 由于采用蓄能稳压模块，空气透平发电机组可以放置于浮力舱内部，降低装置的重心，且浮力舱可以采用全封闭设计，减少海洋环境对机组的腐蚀影响。空气蓄能器和空气透平机组可以模块化生产，便于批量化生产，易于维护、检修和更换，有利于商业化的推广和应用。

附图说明

图1为本发明中利用单向气流做功的中心管波浪能发电技术的示意图。

图2为本发明中利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置的立体图。

图3为本发明振荡水柱模块、浮力舱模块和进、排气阀整流模块部分的结构示意图。

图4为浮力舱顶部甲板及其上面的其他辅助模块部分结构示意图。

图5为本发明装置中的蓄能稳压发电部分，包括单向阀门整流模块部分、空气储罐和透平发电机组的结构示意图。

图6为空气蓄能稳压发电系统的示意图。

图7为本发明装置锚泊实施例的主视图。

其中：1-振荡水柱模块；2-浮力舱模块；3-透平发电机组模块；4-空气蓄能稳压模块；5-锚泊系统；6-进、排气阀门整流模块；7-风力发电设备；8-太阳能光伏发电设备；9-辅助模块；101-喇叭口尾管；102-圆柱形中心管道；103-气室；201-倒锥台形浮力舱；202-圆柱形浮力舱；203甲板；301-空气透平机；302-发电机；401-低压储气罐；402-中压储气罐；403-支撑底座；404-压力表；405-可调节流阀；501-锚；502-锚链；503-锚链管道；504-锚机；601-中压排气单向阀门；602-进气单向阀门；603-低压排气单向阀门；604-海水回流装置；901-通气管；902-人孔；903-护栏；904-支撑杆；905-顶盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明进行详细说明。

如图1和图2所示，一种利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，包括振荡水柱模块1，浮力舱模块2，进、排气阀门整流模块6，空气蓄能稳压模块4，透平发电机组模块3和锚泊系统模块5，所述浮力舱模块2内部为空心，为整个装置提供浮力，所述进、排气阀门整流模块6包括进气单向阀602和排气单向阀门，所述透平发电机组模块3包括空气透平机301和发电机302，所述振荡水柱模块1包括中心管道102和气室103，所述气室位于浮力舱模块2上方，所述中心管道102穿过所述浮力舱模块2，下端在海水中，海水从中心管道103底部进入到中心管道103中，所述中心管道103上方和气室103连接，所述气室103和所述中心管道103之间设有进气单向阀602，所述气室103通过排气单向阀和空气蓄能稳压模块4中的空气储气罐连接，所述空气储气罐通过空气透平机301和发电机302连接。

由喇叭口尾管101和圆柱形中心管102及浮力舱模块2组成的振荡单浮体中心管道102在入射波的作用下整体产生垂荡运动，迫使中心管道102内的水柱产生相对运动，水柱在相对气室103向下运动时，进气单向阀门602打开，吸入气室103内大量空气，水柱相对向上运动时，进气单向阀门602关闭，水柱像活塞一样压缩空气，通过排气单向阀门进入空空气储气罐，当空气储气罐中的气压达到一定范围时，打开可调节流阀405释放空气，压缩气流驱动空气透平机301旋转带动电机302稳定输出电能。

一种利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置主要包括两部分，一部分是俘获波浪能输出单向气流能的装置，另一部分是将单向气流蓄积并稳定转换为电能的装置。如图2所示，它由振荡水柱模块1、浮力舱模块2、透平发电机组模块3、空气蓄能稳压模块4、锚泊系统5、进、排气阀门整流模块6、风力发电设备7、太阳能光伏发电设备8和辅助模块9组成。

如图4所示，所述辅助模块9包括用于浮力舱模块2内通气的通气管901、用于安装调试或检测维修时人员进出浮力舱模块2内的人孔902、浮力舱模块2上方周围安装的护栏903，多根支撑杆904、多根支撑杆904撑起的顶盖905、用于安装太阳能光伏发电板8，所述浮力舱模块2上方还设有风力发电设备7。

实施例

所述排气单向阀门有两个，分别为中压排气单向阀门601和低压排气单向阀门603，所述空气储气罐有两个，为并联的中压储气罐402和低压储气罐401，所述中压排气单向阀门601和中压储气罐402连接，低压排气单向阀门603和低压储气罐401连接。

如图3和图5所示，所述进、排气阀门整流模块6由大截面面积的进气单向阀门602、较小截面面积的低压排气单向阀门603和更小截面面积的中压排气单向阀门601组成。所述进气单向阀门602是通流截面积较大的阀门，可设置两个或多个，本实施例为一个，当水柱相对气室103向下运动时，气室103吸入空气，在吸气过程中，能保证大量空气近乎无阻尼地进入气室103内，并且在振荡水柱下降时，进气单向阀门602能及时打开，减少气动能量损失；当水柱相对气室103向上运动时，进气单向阀门602及时关闭，根据气压差的大小，中压排气单向阀门601或低压排气单向阀门603打开，气室103压缩并排出空气，被空气带走的海水经过弯管时，可通过海水回流装置604流向气室下方。

如图3所示，所述振荡水柱模块1由喇叭口尾管101、圆柱形中心管道102和气室103组成，从浮力舱模块2底部向下具有一小角度的锥形变径段即为喇叭口尾管101，浮力舱模块2中部的圆柱形管道即为中心管道，中心管上部就是气室103，气室顶盖上布置有进气单向阀门602、低压排气单向阀门603和中压排气单向阀门601。在波浪的作用下，整个浮体产生垂荡运动，迫使管道内的水柱产生相对运动形成振荡水柱，并推动上部气室103内的空气往复运动，通过进、排气单向阀门的作用使其在排气过程中输出单向气流做功，吸气过程阻尼较小，垂荡运动加强。所述浮力舱模块2由下部的倒锥台形浮力舱201、上部的圆柱形浮力舱202和甲板203组成，倒锥台形浮力舱201内部可添加适量的配重，圆柱形浮力舱202内部可容纳空气蓄能稳压发电系统以及其他设备。

如图5所示，所述装置中的蓄能稳压发电部分由低压储气罐401、中压储气罐402、空气透平机301和发电机302组成，储气罐竖直放置，底部安装有支撑底座403，蓄能稳压发电部分均放置于圆柱形浮力舱202内部，减少外部恶劣海洋环境对机组设备的损害。

如图6所示，空气被压缩通过单向进气阀门分别与中压储气罐402、低压空气储罐401并联，中压储气罐402的进气端安装有中压排气单向阀门601，低压储气罐401的进气端安装有低压排气单向阀门603，每个空气储罐都配备有压力表404，空气储罐的放气端安装有可调节流阀405。在小波作用下产生的气流压强较小，可以通过低压排气单向阀门603直接进入低压储气罐401中进行蓄能，在遇到大波浪作用时，气室排出的气流压强较大，可以通过中压排气单向阀门601进入中压储气罐402进行蓄能。使用单向阀门使振荡单浮体在吸气过程中，运动近乎无阻尼，俘获波浪能蓄积为浮体运动的机械能，在排气过程中，通过排放压缩空气，将俘获的波浪能转换为气动能。通过空气储罐可以有效蓄积能量，然后通过可调节流阀405可控地释放空气作用于冲动式透平机301，带动发电机302实现稳定发电。

如图7所示，所述锚泊系统模块由锚501、锚链502、锚链管道503和锚机504组成，锚机固定于浮力舱上部甲板上，锚链管道503固定在中心管道外部，竖直穿过浮力舱模块2，锚链502从锚链管道503穿过，一端与锚机504相连以实现收放功能，锚501固定在锚链502末端。锚泊系统设置有两个，前后对称布放，与波浪方向一致。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (10)

1.一种利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，其特征在于：包括振荡水柱模块（1），浮力舱模块（2），进、排气阀门整流模块（6），空气蓄能稳压模块（4），透平发电机组模块（3）和锚泊系统模块（5），所述浮力舱模块（2）内部为空心，为整个装置提供浮力，所述进、排气阀门整流模块（6）包括进气单向阀（602）和排气单向阀门，所述透平发电机组模块（3）包括空气透平机（301）和发电机（302），所述振荡水柱模块（1）包括中心管道和气室（103），所述气室位于浮力舱模块（2）上方，所述中心管道穿过所述浮力舱模块（2），下端在海水中，海水从中心管道（102）底部进入到中心管道（102）中，所述中心管道（102）上方和气室（103）连接，所述气室（103）和所述中心管道（102）之间设有进气单向阀（602），所述气室（103）通过排气单向阀和空气蓄能稳压模块（4）中的空气储气罐连接，所述空气储气罐通过空气透平机（301）和发电机（302）连接。

2.如权利要求1所述的利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，其特征在于：所述排气单向阀门有两个，分别为中压排气单向阀门（601）和低压排气单向阀门（603），所述空气储气罐有两个，为并联的中压储气罐（402）和低压储气罐（401），所述中压排气单向阀门（601）和中压储气罐（402）连接，低压排气单向阀门（603）和低压储气罐（401）连接。

3.如权利要求2所述的单向气流做功的中心管波浪能发电装置，其特征在于：所述中压储气罐（402）和低压储气罐（401）上都设有压力表（404）。

4.如权利要求1所述的利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，其特征在于：所述浮力舱模块（2）包括甲板（203）和所述甲板下方的圆柱形浮力舱（202）和倒锥台形浮力舱（201），所述圆柱形浮力舱（202）在倒锥台形浮力舱（201）上方。

5.如权利要求1-4任一项权利要求所述的利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，其特征在于：所述排气单向阀和气室（103）之间设有海水回流管（604）。

6.如权利要求1-4所述的利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，其特征在于：所述空气储气罐和空气透平机（301）之间设有可调节流阀（405）。

7.如权利要求1-4任一项权利要求所述的利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，其特征在于：所述空气蓄能稳压模块（4），透平发电机组模块（3）设置在浮力舱（201）内部。

8.如权利要求7所述的利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，其特征在于：所述空气蓄能稳压模块（4）中的空气储气罐竖直放置，底部安装有支撑底座（403）。

9.如权利要求1-4任一项权利要求所述的利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，其特征在于：所述中心管道由圆柱形中心管道（102）和锥形变径段两部分组成，浮力舱模块（2）以下部分为锥形变径段，浮力舱模块（2）内为圆柱形管道，管道内充满水。

10.如权利要求1-4任一项权利要求所述的利用单向气流做功的中心管波浪能发电装置，其特征在于：所述浮力舱模块（2）的上方还设有辅助模块（9），所述辅助模块（9）包括用于浮力舱模块（2）内通气的通气管（901）、用于安装调试或检测维修时人员进出浮力舱模块（2）内的人孔（902）、浮力舱模块（2）上方周围安装的护栏（903），多根支撑杆（904）、多根支撑杆（904）撑起的顶盖（905）、用于安装太阳能光伏发电板（8），所述浮力舱模块（2）上方还设有风力发电设备（7）。