CN113266515A - 一种波能发电单元及其波能发电装置和波能发电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种波能发电单元及其波能发电装置和波能发电方法，波能发电单元包括并列连接的若干单体后弯管结构，所述单体后弯管结构包括弯管以及浮体，所述弯管包括弯管竖直段和弯管水平段，所述弯管水平段的上部连接有所述浮体，相邻的所述弯管竖直段相互连通，其中一个所述单体后弯管结构的所述弯管竖直段连接有气室管道，所述气室管道内设置有空气透平；本发明将若干单体后弯管结构组合连接，相邻的弯管竖直段相互连通，对同一个空气透平做功，能够增加气室内往复气流的流量，显著的增大波浪能的利用效率，提高装机容量；提供一种通过形成共振以提高波能利用效率的思路，在对波能发电装置进行参数的优化过程中获得最大的气室内水面运动波高。
Description
技术领域
本发明涉及波浪能转换技术领域，特别是涉及一种波能发电单元及其波能发电装置和波能发电方法。
背景技术
随着我国海洋战略的深入实施，迫切需要研制满足深远海开发的离岸可再生能源供电系统。单体的BBDB装置(后弯管浮动式(Back Bent DuctBuoy)波能发电装置)为现有的应用于海洋波能利用的装置，该装置由三部分组成，浮体、入水口与浪向相反的弯管，和后端空气透平。由于后弯管装置结构简单，后端空气透平不与海水接触，无水下活动部件，装置服役期明显高于其他的波能发电装置。
目前，单体后弯管装置主要针对不同管道和浮体型式进行设计。对于浮体，梁贤光认为前方后圆浮室后伸型后弯管浮体最佳(梁贤光，蒋念东，王伟，等.5kW后弯管波力发电装置的研究[J].海洋工程，1999，17(004):55-63.)，梁贤光对单排并联的后弯管装置进行了研究(梁贤光，孙培亚.并联式后弯管波力发电浮体模型性能试验研究[J].海洋工程，2003，21(003):83-88.)，孙笠将单体后弯管装置与防波堤结合用于海洋装备的安全防护，吴必军设计了多种单体后弯管装置模型(吴必军，李猛，伍儒康，等.后弯管波浪能利用技术及样机设计[J].海洋技术学报，2016(5):10-16.)，国外对装置的研究，也基本围绕着装置浮体和弯管的型式及尺寸的优化((Open SeaTrials on Floating Wave Energy DeviceBackward Bent DuctedBuoy and Its Performance Optimization Volume 2)、(LuczkoE,Robertson B,Bailey H,et al.Representing non-linear wave energy convertersin coastal wave models[J].Renewable Energy,2018:376-385.)、(Numerical studyofa large floating oscillating water column device using a 2Dboundary elementmethod))。
但是，对装置阵列的研究基本是空白。波浪能发展逐渐向深远海发展，保障能源供给是重要的一环，此前波浪能的研发主要用作海上独立的供电设备，受装置本身尺度限制，发电出力无法满足用电需求。为了提高发电能力，通常是散点阵列布置更多数量的单体后弯管装置。然而，后弯管装置由于受波浪力作用，有六自由度运动，散点式阵列由于遮蔽效应不利于后排装置捕能。另外，对于单体后弯管装置，如何充分的利用波浪的能量将其转换成气室内空气的振荡也没有过多研究。申请公布号为CN 108425788A的中国专利公开了一种单向冲动式波浪能发电装置，空气舱内安装有固定块和第一固定环，铝合金盖板设置有穿设在第一固定环内并绕其转动的活动杆；进气弯管的第一端安装在位于铝合金盖板下方的吃水舱内，其第二端位于浮力舱上部并设置有第二固定环，进气弯管第二端内部设置有可紧贴或松开第二固定环的橡胶片；出气直管安装在空气舱上部，并通过第一法兰盘与安装管、单向冲动式空气透平相接，也就是说，该方案只是对于单体后弯管结构的内部构造进行了改进，无法达到对于波浪能更佳利用的效果。申请公布号为CN 107044379 A的中国专利公开了一种海上自航式绿色能源电力供应装置，船体设有至少一波浪能发电单元组，波浪能发电单元组包括右侧波浪能发电单元和左侧波浪能发电单元，也就是说，该方案将单体后弯管结构安装在船体上，但是，显然会降低对于后弯管结构自身的振动频率，而且，该方案只是利用了单体后弯管结构，无法达到对于波浪能更佳利用的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种波能发电单元及其波能发电装置和波能发电方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过将若干单体后弯管结构组合连接，使得相邻的弯管竖直段相互连通，并对同一个空气透平进行做功，能够增加气室内往复气流的流量，显著的增大波浪能的利用效率，提高装机容量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种波能发电单元，包括并列连接的若干单体后弯管结构，所述单体后弯管结构包括弯管以及浮体，所述弯管包括弯管竖直段和弯管水平段，所述弯管水平段的上部连接有所述浮体，相邻的所述弯管竖直段相互连通，其中一个所述单体后弯管结构的所述弯管竖直段连接有气室管道，所述气室管道内设置有空气透平。
优选地，所述气室管道与所述弯管水平段同向，且位于所述浮体的上部。
优选地，所述弯管水平段的横截面成扇形，形成敞口的弯管水平段结构。
优选地，所述浮体连接成一个整体。
本发明提供一种波能发电装置，包括前文所述的波能发电单元，多个所述波能发电单元连接成环形或多边形。
优选地，所述波能发电单元直接与相邻的所述波能发电单元连接，或通过连接段连接。
优选地，所述连接段为连接弯角，采用与所述浮体相同的材质。
本发明还提供一种波能发电装置的发电方法，包括如下步骤：
在波浪条件一定的条件下，调整波能发电装置的吃水深度，测出不同吃水深度所对应的气室内波浪运动波高；
对比测得的波浪运动波高，选择最大的波浪运动波高所对应的吃水深度；
按照选择的吃水深度安装所述波能发电装置，利用波能进行发电。
优选地，调整吃水深度时，
按照低密度吃水深度间距测得波浪运动波高，选择波浪运动波高相对较大的一段；
按照高密度吃水深度间距测量该段的波浪运动波高，得出最大的波浪运动波高所对应的吃水深度。
优选地，对气室开口方向、气室开口大小、气室截面积大小、弯管长度以及弯管开口截面积参数进行优化。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明波能发电单元通过将若干单体后弯管结构组合连接，使得相邻的弯管竖直段相互连通，并对同一个空气透平进行做功，能够增加气室内往复气流的流量，显著的增大波浪能的利用效率，提高装机容量；
(2)本发明波能发电装置由多个波能发电单元连接成环形或多边形，形成具有一定拓扑结构的紧凑型阵列，不仅可以避免遮蔽效应(单体后弯管结构单独应用时，由于受波浪力作用，有六自由度运动，散点式阵列由于遮蔽效应不利于后排装置捕能)，还可以通过合理布置波能发电单元的阵列数量，使波能发电装置运动与波浪运动产生共振效用，明显提升阵列装置的整体性能；
(3)本发明波能发电装置由波能发电单元连接，其间设置有连接段，连接段可以作为浮体，也可以用于后端空气透平的集成供电装置，因此，整体结构组装而成，结构紧凑，安装、拆卸方便，能够即投即用，可用于多次拆卸，具备可持续利用能力；另外，由于整体为分块式的组装结构(形成模块化)，能够根据投运地点、服役位置和用电需求的要求，灵活布置拓扑结构、阵列数量、透平数量等；
(4)本发明波能发电装置能够由多个波能发电单元组装而成，波能发电单元之间可以共享锚点，合理布置系泊方式，从而能够降低投运成本；
(5)本发明提供了一种通过形成共振以提高波能利用效率的思路，改变了现有技术中只是对单个后弯管结构进行改进、增设后弯管结构的散点阵列数量增大发电量的方式，在对波能发电装置进行参数的优化过程中获得最大的气室内水面运动波高，进而通过改进相关参数以能够达到装置最佳的使用工况，提高对于波浪能的利用效率。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为矩形单体后弯管结构示意图；
图2为矩形单体后弯管结构形成的波能发电单元示意图；
图3为波能发电单元中单个矩形单体后弯管结构示意图；
图4为矩形单体后弯管结构形成的多边形波能发电装置示意图；
图5为矩形单体后弯管结构形成的环形波能发电装置示意图；
图6为扇形单体后弯管结构示意图；
图7为扇形单体后弯管结构形成的波能发电单元示意图；
图8为扇形单体后弯管结构形成的波能发电装置示意图；
图9为吃水深度对气室内波高的影响曲线图；
其中，1、弯管水平段；2、弯管竖直段；3、浮体；4、气室管道；5、连接段。
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。
本发明的目的是提供一种波能发电单元及其波能发电装置和波能发电方法，以解决现有技术存在的问题，通过将若干单体后弯管结构组合连接，使得相邻的弯管竖直段相互连通，并对同一个空气透平进行做功，能够增加气室内往复气流的流量，显著的增大波浪能的利用效率，提高装机容量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1-3，图6-7所示，本发明提供一种波能发电单元，包括并列连接的若干单体后弯管结构，其中，单体后弯管结构可以为矩形(如图1-3所示)，也可以为扇形(如图6-7所示)，均是由挡板拼接而成。挡板与挡板之间可以通过螺栓连接，并可设置连接垫片。需要说明的是，螺栓包括侧向设置的螺栓和底部设置的螺栓，侧向的螺栓可保证水平面范围内的限位，位于弯管底部的螺栓可以限制相互之间的垂直震荡。通过各向螺栓的设置，可以增强单体后弯管结构的整体性，避免在海水中受到波浪冲击而影响结构稳定性。单体后弯管结构包括弯管以及浮体3，浮体3可以为箱式结构，内部加装配重以调整相对水面的位置，或者浮体3为轻质材料；总之，浮体3用于提供浮力，使得整个装置能漂浮在水面并吃水一定深度。弯管包括弯管竖直段2和弯管水平段1，二者相互连通，弯管水平段1的水平开口用于收集波浪，弯管竖直段2内形成气室，在波浪进入弯管水平段1后冲击气室内的空气形成振荡，振荡的空气冲击空气透平，使得空气透平做功进行发电。浮体3连接在弯管水平段1的上部，连接时可以采用常规刚性体连接结构，如连接骨架、定位槽、螺钉、榫头以及相配的榫孔等结构完成。浮体3的大小根据吃水深度需求进行相应调整。单体后弯管结构在侧面进行连接，连接时同样可以采用螺栓，连接位置可以与单个单体后弯管结构的螺栓设置位置相同，也就是说，可以直接在挡板的基础上进行组装而形成波能发电单元。需要注意的是，相邻的弯管竖直段2相互连通，即形成连通的气室，并且，其中一个单体后弯管结构的弯管竖直段2连接有气室管道4，气室管道4内设置有空气透平，空气透平可以采用冲击式透平、威尔斯式透平等，空气透平后端安装发电机、蓄电池等装置；相邻的弯管水平段1不连通，也就是说，相邻的弯管水平段1之间设置有隔板，隔板的存在对弯管水平段1内水流流向起到整流的作用，使流向更多得沿波峰线方向，更有利于波浪能到空气动能得转化。另外，波能发电单元中的单体后弯管结构数量不能过多，当数量过多时，气室内的波面运动会产生相位差，一致性变差，反而不利于气流的汇聚，因此，单体后弯管结构的数量应根据试验进行合理确定。气室管道4根据设计需求，可以竖直方向设置，也可以水平方向设置，可以设置在弯管竖直段2内部，也可以设置在弯管竖直段2外部，总之能够与弯管竖直段2的气室连通即可。本发明波能发电单元通过将若干单体后弯管结构组合连接，使得相邻的弯管竖直段2相互连通，即一组波能发电单元的气室共用，并对同一个空气透平进行做功，能够增加气室内往复气流的流量，显著的增大波浪能的利用效率，提高装机容量。
气室管道4可以与弯管水平段1同向，也就是说，气室管道4可以垂直于弯管竖直段2，此时，气室管道4为连接在弯管竖直段2上且向外延伸的一段管路，为了将气流引导至气室管道4内，需要在弯管竖直段2的顶部安装挡板。并且，气室管道4的直径大小可以小于弯管竖直段2的内径大小，从而能够增强气室内气体对于气室管道4内的空气透平的冲击力，而增大波浪能的利用效率，提高装机容量。气室管道4可以安装于浮体3的上部，此时能够依靠浮体3进行支撑，以保证气室管道4安装结构的稳定性，防止因为震荡而影响整体结构的可靠性。
如图6-7所示，弯管水平段1的横截面成扇形，形成敞口的弯管水平段1的结构，能够增大进口的大小，使得收集的波浪水流更大，波浪水流顺着弯管水平段1逐渐向弯管竖直段2方向流动，随着弯管水平段1的内径大小逐渐减小，能够增大波浪能的压强，并能够更大范围的填充弯管竖直段2的空间，此时，弯管竖直段2的气室可以被充入的波浪挤压振荡，产生有力的空气振荡，更好的推动空气透平进行做功。因此，扇形的弯管水平段1结构形式由于进水口截面积大于气室振荡截面面积，聚波效果更好，更有利于增加气室内波浪面的升沉幅度。同时，弯管竖直段2同样可以设置成扇形结构，弯管竖直段2与弯管水平段1的连通位置应平滑过渡，避免对于水流及气流形成阻碍。
不同的单体后弯管结构的浮体3可以单独设置，在连接成一个波能发电单元后，可以连接成一个整体，或者直接采用一整个浮体3制作而成。
如图4-5，图8所示，本发明提供一种波能发电装置，可以应用前文所记载的波能发电单元，多个波能发电单元连接成环形(如图5和图8所示)或多边形(如图4所示)。养殖网箱多为圆柱型、四棱柱型，四边形或环形的波能发电装置可与现有远海生产生活设备结合，为海上养殖网箱供电。如若波能发电装置与深远海风力发电机桩基相结合(用于风浪能耦合)，可以应用三边形的波能发电装置阵列方案。由于波浪能发展逐渐向深远海发展，保障能源供给是重要的一环，此前波浪能的研发主要用作海上独立的供电设备，受装置本身尺寸限制，发电能力无法满足用电需求，为了满足要求，一般采用多个装置散点阵列的方式，单体后弯管结构单独应用时，由于受波浪力作用，有六自由度运动，散点式阵列由于遮蔽效应不利于后排装置捕能。本发明波能发电装置由多个波能发电单元连接成环形或多边形，形成具有一定拓扑结构的紧凑型阵列，不仅可以避免遮蔽效应，还可以通过合理布置波能发电单元的阵列数量，使波能发电装置运动与波浪运动产生共振效用，明显提升阵列装置的整体性能。需要说明的是，每一环形、多边形的波能发电装置，因为布置海域不同，海浪条件不同，与装置耦合共振情况也不相同，需要根据应用场景、共振情况，具体设计。由于波能发电装置整体为分块式的组装结构(形成模块化)，能够根据投运地点、服役位置和用电需求的要求，灵活布置拓扑结构、阵列数量、透平数量等。连接时可以通过螺栓连接，连接方式可以参考波能发电单元的连接方式。
进一步的，扇形后弯管结构形成的波能发电单元可以直接相互连接形成环形结构，而矩形后弯管结构形成的波能发电单元在连接成环形或多边形结构时需要在弯角位置设置连接段5，以形成弧形过渡。连接段5可以作为浮体3，也可以用于后端空气透平的集成供电装置，因此，整体结构组装而成，结构紧凑，安装、拆卸方便，能够即投即用，可用于多次拆卸，具备可持续利用能力。
连接段5可以为连接弯角，采用与浮体3相同的材质，在应用连接段5后，可以平衡波能发电装置的浮力分布，且能够减少浮体3的设置数量和体积。多个波能发电单元组装而成波能发电装置，波能发电单元之间可以共享锚点，合理布置系泊方式，从而能够降低投运成本。
本发明还提供一种波能发电装置的发电方法，波能发电装置可以应用前文记载的波能发电装置，包括如下步骤：
在波浪条件一定的条件下，调整波能发电装置的吃水深度，调整时可以通过更换不同的浮体3(更换不同的体积或不同的材料，或者调整浮体3内部的配重大小)实现，可以测出不同吃水深度所对应的气室内波浪运动波高的大小；
对比测得的波浪运动波高，选择最大的波浪运动波高所对应的吃水深度；
按照选择的吃水深度在海水中安装放置波能发电装置，利用海水的波能进行发电。
本发明提供了一种通过形成共振以提高波能利用效率的思路，改变了现有技术中只是对单个后弯管结构进行改进、增设后弯管结构的散点阵列数量增大发电量的方式，能够在对波能发电装置进行参数的优化过程中获得最大的气室内水面运动波高，进而通过改进相关参数以能够达到装置最佳的使用工况，提高对于波浪能的利用效率。
进一步的，在调整吃水深度时，先按照低密度吃水深度间距测得波浪运动波高，选择波浪运动波高相对较大的一段；
再按照高密度吃水深度间距测量该段的波浪运动波高，得出最大的波浪运动波高所对应的吃水深度。
在完成对于吃水深度的优化后，还可以对气室开口方向、气室开口大小、气室截面积大小、弯管长度以及弯管开口截面积等参数进行优化，以获得最佳的共振效果。
本发明提供一具体的优化实施例，在波浪条件一定条件下，通过对单体后弯管结构的参数进行研究，找到其最优参数。
以吃水深度为例，单体后弯管结构以最大能量转化为目标，通过进行测算，得到单体后弯管结构的最佳吃水深度，指导实际应用中浮体3材料选择、单体后弯管结构配重等。
该实施例波浪条件参考青岛地区海域波浪要素情况，单体后弯管结构长度设计为13.6m，宽度为6.4m，高度为10.4m。弯管水平段1长13.6m，弯管竖直段2长10.4m，属长宽比为2:1的矩形管，即截面长6.4m，宽3.2m。为给单体后弯管结构提供浮力并保持其平衡，设置7.2m×10.4m×6.4m的长方体浮体3。
通过数值计算方法，在弗劳德相似准则下，数值模型比尺选择为1：16。
原型波浪条件波高2m，周期7s，在该相似准则下，数值计算波浪条件为波高0.12m，周期1.75s。
改变单体后弯管结构吃水位置，以装置前墙底部距离水面的距离为吃水深度，分别研究吃水深度0.215m，0.240m，0.265m，0.290m，0.315m，0.340m条件下装置气室内波浪运动波高相应情况。可看出在单体后弯管结构吃水0.240m-0.265m条件下，气室内波浪运动响应强度较大，气室内水面运动幅度强于波浪场水面运动幅度。通过对该范围内的吃水深度进一步加密研究，如图9所示，能够显示出单体后弯管结构吃水深度和波高之间的关系的曲线，得到最佳的吃水深度为0.255m。通过该方法，完成了吃水深度参数的优化。能够用于指导后期波能发电装置的阵列结构的设计与制造。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种波能发电单元，其特征在于：包括并列连接的若干单体后弯管结构，所述单体后弯管结构包括弯管以及浮体，所述弯管包括弯管竖直段和弯管水平段，所述弯管水平段的上部连接有所述浮体，相邻的所述弯管竖直段相互连通，其中一个所述单体后弯管结构的所述弯管竖直段连接有气室管道，所述气室管道内设置有空气透平。
2.根据权利要求1所述的波能发电单元，其特征在于：所述气室管道与所述弯管水平段同向，且位于所述浮体的上部。
3.根据权利要求1或2所述的波能发电单元，其特征在于：所述弯管水平段的横截面成扇形，形成敞口的弯管水平段结构。
4.根据权利要求3所述的波能发电单元，其特征在于：所述浮体连接成一个整体。
5.一种波能发电装置，其特征在于：包括若干权利要求1-3任一项所述的波能发电单元，多个所述波能发电单元连接成环形或多边形。
6.根据权利要求5所述的波能发电装置，其特征在于：所述波能发电单元直接与相邻的所述波能发电单元连接，或通过连接段连接。
7.根据权利要求6所述的波能发电装置，其特征在于：所述连接段为连接弯角，采用与所述浮体相同的材质。
8.一种波能发电装置的发电方法，其特征在于，包括如下步骤：
在波浪条件一定的条件下，调整波能发电装置的吃水深度，测出不同吃水深度所对应的气室内波浪运动波高；
对比测得的波浪运动波高，选择最大的波浪运动波高所对应的吃水深度；
按照选择的吃水深度安装所述波能发电装置，利用波能进行发电。
9.根据权利要求8所述的波能发电装置的发电方法，其特征在于：调整吃水深度时，
按照低密度吃水深度间距测得波浪运动波高，选择波浪运动波高相对较大的一段；
按照高密度吃水深度间距测量该段的波浪运动波高，得出最大的波浪运动波高所对应的吃水深度。
10.根据权利要求8或9所述的波能发电装置的发电方法，其特征在于：对气室开口方向、气室开口大小、气室截面积大小、弯管长度以及弯管开口截面积参数进行优化。
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