CN114087114B - 一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置及其工作方法 - Google Patents

一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置及其工作方法，属于新能源波浪能利用技术领域。装置包括波浪增强装置和波浪能发电装置，其中，波浪增强装置内设置有波浪能发电装置，波浪增强装置包括导流片基座、表面波导流片、船用安装架和升降导轨，船用安装架两端垂直设置有升降导轨，2个船用安装架分别通过升降导轨活动连接至导流片基座两端，导流片基座上均匀分布设置有表面波导流片，相邻表面波导流片间组成供波浪进入的径向缝。本发明采用模块化、集成化的设计方案，有效地降低制造、维修及发电成本，同时加强船体两侧的波浪强度，提高发电效率。

Description

一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置及其 工作方法
技术领域
本发明涉及一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置及其工作方法，属于新能源波浪能利用技术领域。
背景技术
目前的波浪能发电装置，普遍存在发电输出功率不足、性价比低的问题，而能量捕获功率和能量转换效率决定了波浪能发电装置的发电能力，这严重限制了波浪能发电的商业化、规模化应用。如何提升波浪能发电装置的发电功率、发电效率，是波浪能发电技术发展与应用的关键，也是当前国际上波浪能发电领域的主流方向。
当前，相关研究主要围绕波浪增强机构的优化设计、PTO的控制方法、“wavetowire”的能量流整体建模与优化等问题开展工作，其思路均为设法提高捕获与转换波浪能量的比例。
根据实验流体力学领域与变换光学领域的最新研究表明，气－液界面的表面波在周围固体边界的作用下，会发生类似于光学的干涉现象，表面波干涉波浪增强机理借鉴于光学领域的经典理论即F-P干涉原理，前期研究已证明该理论应用于表面波的有效性，但液体介质的惯性与粘性作用对表面波干涉过程的影响尚有待深入研究。
波浪能在海洋中是广泛存在且无污染的一种清洁能源，高效率的波浪能发电装置，对于波浪能发电装置的商业化推广以及在海上设备中的实际推广应用具有重要意义。
所以利用表面波干涉波浪增强机理增大局部波浪能密度，提升振荡浮子捕获波浪能的功率，进而设计一种全新的基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置，这将对波浪能发电装置的产业化生产以及实装应用产生重大意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置，采用模块化、集成化的设计方案，有效地降低制造、维修及发电成本，同时加强船体两侧的波浪强度，提高发电效率。
本发明还提供上述基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置的工作方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置，包括波浪增强装置和波浪能发电装置，其中，
波浪增强装置内设置有波浪能发电装置，波浪增强装置包括导流片基座、表面波导流片、船用安装架和升降导轨，船用安装架两端垂直设置有升降导轨，2个船用安装架分别通过升降导轨活动连接至导流片基座两端，导流片基座上均匀分布设置有表面波导流片，相邻表面波导流片间组成供波浪进入的径向缝。
优选的，导流片基座为半圆环状，表面波导流片为矩形片，表面波导流片平面垂直设置于导流片基座上。
优选的，径向缝的宽度由导流片基座的外侧向内侧降低，增强波的聚集效果。
优选的，导流片基座和表面波导流片满足如下关系式：
Figure BDA0003370610960000021
其中，ro为导流片基座的外径，ri为导流片基座的内径，r为导流片基座的半径，介于ro与ri之间，为导流片基座上各点距导流片基座中心的距离，λ为水波场中水波的波长，m为表面波导流片个数。
优选的，表面波导流片数量大于等于3个。3个表面波导流片是基于产生干涉原理所限制的最少数量，通常在设计时，可根据实际效果设计数量，如表面波导流片数量设计11个。
优选的，船用安装架两端分别设置有吃水深度定位器，吃水深度定位器包括伺服电机和滚珠丝杠，滚珠丝杠一端连接有导流片基座，另一端穿过船用安装架连接有伺服电机。伺服电机驱动滚珠丝杠转动，进而调整导流片基座的吃水深度。
测量导流片基座的吃水深度，方便调整。
优选的，波浪能发电装置包括浮子、液压转换器、船挂式安装架、发电装置和蓄电池，其中，浮子两侧通过导轨设置于船挂式安装架，浮子通过浮子连杆连接有液压转换器，液压转换器将波浪能转换为液压能，液压转换器连接有发电装置，发电装置连接有蓄电池。液压转换器采用液压油缸，将波浪能转换为液压能，发电装置和蓄电池置于船体内。
优选的，导轨和升降导轨的上端和下端分别设置限位块，为表面波导流片和浮子提供上下限位，在极端海况下具备固定保护功能，提高了装置安全性。
进一步优选的，浮子外侧为双段圆弧状，上段圆弧的弧长大于下段圆弧的弧长，通过双段圆弧设计使浮子为仿海豚头流线型浮子，对海豚流线型结构仿生利用，利用流线型结构降低浮子运动时所受海水阻力的影响，提高波浪能采集效率，海豚头结构避免纯粹的流线型结构竖直插入水中时，影响浮子上浮的浮力，采用类似海豚头的结构，可以有效地将减阻与保持浮力相平衡。浮子是与波浪直接接触的部分，通过随波浪做垂荡运动捕获能量。
优选的，浮子内部设置有纳米发泡塑料。纳米发泡塑料密度小，浮力大，受温度影响小，对于波浪起伏的随动反应灵敏度高，有利于提高波浪能采集效率。
优选的，浮子外部包裹有人造海豚皮，人造海豚皮包括三层橡胶，外层为表皮，中层上设置有乳头状凸起，其间充满了粘滞性液态硅树脂，内层为与浮子的接触层，人造海豚皮可有效的降低浮子运动的阻力，减阻试验结果表明，人造海豚皮可以减少50％的海水运动阻力。
优选的，发电装置包括液压马达和发电机，液压马达外接有液压转换器，液压马达输出端通过联轴器连接有发电机，发电机连接有蓄电池。发电机所产生的电能可以存储于蓄电池中，也可以直接给负载供电；发电装置产生的电能通过控制器、整流器等电路设备转化为48V直流电，48V直流电通过正弦波逆变器产生220V交流电，给负载直接供电。
进一步优选的，液压马达输出端和联轴器之间设置有扭矩仪，通过扭矩仪测量液压马达的输出扭矩。
优选的，波浪增强装置和船挂式安装架均选用耐腐蚀合金材料，有效防止海水腐蚀，加工过程中舱壳外围采用表面涂层技术，解决生物附着问题。
优选的，船体上设置有光伏板和风力发电机，光伏板和风力发电机均连接至蓄电池，充分的利用海上的波浪能、风能、太阳能进行发电，提高了海上发电装置的发电效率，降低了发电能力不足的风险，提高了能源利用效率。
上述基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置的工作方法，步骤如下：
(1)波浪增强装置通过船用安装架置于船体上，表面波导流片内设置波浪能发电装置，波浪能发电装置通过船挂式安装架挂装于船体，发电装置和蓄电池置于船体内；
(2)导流片基座和表面波导流片对波浪的水波场产生干涉作用，进而利用水波共振提高波浪能发电装置周边波浪的振幅；
(3)浮子随波浪做垂荡运动，获取波浪能，浮子垂荡运动时带动浮子连杆运动，进而驱动液压转换器做功，将波浪能转换为液压能；
(4)液压能驱动液压马达转动，液压马达将液压能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能；
(5)波浪能发电装置产生的电能与光伏板和风力发电机产生的电能共同存储于蓄电池。
工作原理：本发明基于表面波干涉波浪增强机理，设置导流片基座和表面波导流片，可以对波浪的水波场产生干涉作用，进而利用水波共振提高波浪的振幅，使浮子的垂荡运动能够捕获更多的波浪能，进而提高波浪能发电装置的发电效率。
表面波干涉波浪增强机理：变换光学的重要研究方向之一是通过应用超材料，控制折射率等环境参数的空间分布，构造特定的光场以实现聚光、光路控制、光学隐身等功能。这类对折射率分布的巧妙应用启发了水动力学领域的学者，开始探索表面波分布的主动控制方法。浅水环境中表面波的色散关系为:ω＝(gh)0.5k
其中ω、g、h、k分别为表面波角频率、重力加速度、深度和波数。这一色散关系式表明，表面波的波速与频率、深度相关。因此，通过装置设计控制深度分布即可构造折射率分布，进而实现表面波的干涉、聚波、削波等，并可实现不同频率表面波的波幅调制。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用波浪增强装置增强船体两侧的波浪，加强波浪能发电装置承载的波浪强度，提高发电效率。
2、本发明在特定频率范围内，波浪增强装置的波高可放大至输入波波高的2.5倍以上，从而在振荡浮子尺寸不变的前提下显著提高发电效率。
3、本发明装置采用模块化、集成化的设计方案，装置分为两个大主体，分别是波浪增强装置和波浪能发电装置，其中波浪能发电装置分为五个模块，每个模块都高度集成化，可有效地降低制造、维修及发电成本，有利于波浪能发电装置的产业化。
4、本发明的浮子采用仿生海豚头流线型结构的设计，可以有效降低浮子垂荡运动时的阻力，提高对波浪能的采集效率，此外仿生海豚的流线型结构可以让浮子对于波浪的上下运动的反应更加灵敏，随动幅度更大，动作更多，垂荡运动过程更加均匀，进一步提高了波浪能的采集效率。
5、本发明波浪能供电装置是完全封闭的，抗击自然灾害的能力较强；各模块外壳均采用耐腐蚀合金材料，可以有效防海水腐蚀；外壳外围采用表面涂层技术，解决生物附着问题；增强海洋环境适应性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构俯视示意图；
图3为本发明的波浪增强装置的结构示意图；
图4为本发明的波浪能发电装置结构示意图；
图5为本发明的发电装置结构示意图；
其中：1、船体；2、波浪增强装置；3、波浪能发电装置；4、船头；5、风力发电机；6、光伏板；
21、导流片基座；22、表面波导流片；23、船用安装架；24、升降导轨；25、吃水深度定位器；26、伺服电机；27、滚珠丝杠；
31、浮子；32、液压转换器；33、船挂式安装架；34、液压马达；35、扭矩仪；36、联轴器；37、发电机；38、发电机底座；39、减震螺丝；40、导轨；41、浮子连杆；42、加强筋。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-5所示，本实施例提供一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置，包括波浪增强装置2和波浪能发电装置3，其中，
波浪增强装置2内设置有波浪能发电装置3，波浪增强装置2包括导流片基座21、表面波导流片22、船用安装架23和升降导轨24，船用安装架23两端垂直设置有升降导轨24，2个船用安装架23分别通过升降导轨24活动连接至导流片基座21两端，导流片基座21上均匀分布设置有表面波导流片22，相邻表面波导流片22间组成供波浪进入的径向缝。
导流片基座21为半圆环状，表面波导流片22为矩形片，表面波导流片平面垂直设置于导流片基座上。
径向缝的宽度由导流片基座的外侧向内侧降低，增强波的聚集效果。
导流片基座21和表面波导流片22满足如下关系式：
Figure BDA0003370610960000051
其中，ro为导流片基座的外径，ri为导流片基座的内径，r为导流片基座的半径，介于ro与ri之间，为导流片基座上各点距导流片基座中心的距离，λ为水波场中水波的波长，m为表面波导流片个数。
表面波导流片22数量11个。
船用安装架23两端分别设置有吃水深度定位器25，吃水深度定位器25包括伺服电机26和滚珠丝杠27，滚珠丝杠27一端连接有导流片基座21，另一端穿过船用安装架23连接有伺服电机26。伺服电机驱动滚珠丝杠转动，进而调整导流片基座的吃水深度。
实施例2：
一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置，结构如实施例1所述，不同之处在于，波浪能发电装置包括浮子31、液压转换器32、船挂式安装架33、发电装置和蓄电池，其中，浮子31两侧通过导轨40设置于船挂式安装架33，浮子31通过浮子连杆41连接有液压转换器32，液压转换器32将波浪能转换为液压能，液压转换器32连接有发电装置，发电装置连接有蓄电池。液压转换器采用液压油缸，将波浪能转换为液压能，发电装置和蓄电池置于船体内。
浮子31外侧为双段圆弧状，上段圆弧的弧长大于下段圆弧的弧长，通过双段圆弧设计使浮子为仿海豚头流线型浮子，对海豚流线型结构仿生利用，利用流线型结构降低浮子运动时所受海水阻力的影响，提高波浪能采集效率，海豚头结构避免纯粹的流线型结构竖直插入水中时，影响浮子上浮的浮力，采用类似海豚头的结构，可以有效地将减阻与保持浮力相平衡。浮子是与波浪直接接触的部分，通过随波浪做垂荡运动捕获能量。
浮子31内部设置有纳米发泡塑料。纳米发泡塑料密度小，浮力大，受温度影响小，对于波浪起伏的随动反应灵敏度高，有利于提高波浪能采集效率。
浮子31外部包裹有人造海豚皮，人造海豚皮包括三层橡胶，外层为表皮，中层上设置有乳头状凸起，其间充满了粘滞性液态硅树脂，内层为与浮子的接触层，人造海豚皮可有效的降低浮子运动的阻力，减阻试验结果表明，人造海豚皮可以减少50％的海水运动阻力。
发电装置包括液压马达34和发电机37，液压马达34外接有液压转换器32，液压马达34输出端通过联轴器36连接有发电机37，发电机37连接有蓄电池，发电机底座38通过减震螺丝39连接于船体1内部。发电机所产生的电能可以存储于蓄电池中，也可以直接给负载供电；发电装置产生的电能通过控制器、整流器等电路设备转化为48V直流电，48V直流电通过正弦波逆变器产生220V交流电，给负载直接供电。
导轨40和升降导轨24的上端和下端分别设置限位块，为表面波导流片和浮子提供上下限位，在极端海况下具备固定保护功能，提高了装置安全性。
液压马达34输出端和联轴器36之间设置有扭矩仪35，通过扭矩仪35测量液压马达34的输出扭矩。
波浪增强装置和船挂式安装架均选用耐腐蚀合金材料，有效防止海水腐蚀，加工过程中舱壳外围采用表面涂层技术，解决生物附着问题。
实施例3：
一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置，结构如实施例2所述，不同之处在于，船体1上设置有光伏板6和风力发电机5，光伏板和风力发电机均连接至蓄电池，充分的利用海上的波浪能、风能、太阳能进行发电，提高了海上发电装置的发电效率，降低了发电能力不足的风险，提高了能源利用效率。
上述基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置的工作方法，步骤如下：
(1)波浪增强装置通过船用安装架置于船体上，表面波导流片内设置波浪能发电装置，波浪能发电装置通过船挂式安装架挂装于船体，发电装置和蓄电池置于船体内；
(2)导流片基座和表面波导流片对波浪的水波场产生干涉作用，进而利用水波共振提高波浪能发电装置周边波浪的振幅；
(3)浮子随波浪做垂荡运动，获取波浪能，浮子垂荡运动时带动浮子连杆运动，进而驱动液压转换器做功，将波浪能转换为液压能；
(4)液压能驱动液压马达转动，液压马达将液压能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能；
(5)波浪能发电装置产生的电能与光伏板和风力发电机产生的电能共同存储于蓄电池。

Claims (5)

1.一种基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置，其特征在于，包括波浪增强装置和波浪能发电装置，其中，
波浪增强装置内设置有波浪能发电装置，波浪增强装置包括导流片基座、表面波导流片、船用安装架和升降导轨，船用安装架两端垂直设置有升降导轨，2个船用安装架分别通过升降导轨活动连接至导流片基座两端，导流片基座上均匀分布设置有表面波导流片，相邻表面波导流片间组成供波浪进入的径向缝；
导流片基座为半圆环状，表面波导流片为矩形片，表面波导流片平面垂直设置于导流片基座上；
径向缝的宽度由导流片基座的外侧向内侧降低；
导流片基座和表面波导流片满足如下关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，ro为导流片基座的外径，ri为导流片基座的内径，r为导流片基座的半径，介于ro与ri之间，为导流片基座上各点距导流片基座中心的距离，
Figure 571449DEST_PATH_IMAGE002
为水波场中水波的波长，m为表面波导流片个数；
表面波导流片数量大于等于3个；
船用安装架两端分别设置有吃水深度定位器，吃水深度定位器包括伺服电机和滚珠丝杠，滚珠丝杠一端连接有导流片基座，另一端穿过船用安装架连接有伺服电机；
波浪能发电装置包括浮子、液压转换器、船挂式安装架、发电装置和蓄电池，其中，浮子两侧通过导轨设置于船挂式安装架，浮子通过浮子连杆连接有液压转换器，液压转换器将波浪能转换为液压能，液压转换器连接有发电装置，发电装置连接有蓄电池；
导轨和升降导轨的上端和下端分别设置限位块；
浮子外侧为双段圆弧状，上段圆弧的弧长大于下段圆弧的弧长；
浮子内部设置有纳米发泡塑料，浮子外部包裹有人造海豚皮。
2.如权利要求1所述的基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置，其特征在于，发电装置包括液压马达和发电机，液压马达外接有液压转换器，液压马达输出端通过联轴器连接有发电机，发电机连接有蓄电池；
液压马达输出端和联轴器之间设置有扭矩仪，通过扭矩仪测量液压马达的输出扭矩。
3.如权利要求2所述的基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置，其特征在于，波浪增强装置和船挂式安装架均选用耐腐蚀合金材料。
4.如权利要求2所述的基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置，其特征在于，船体上设置有光伏板和风力发电机，光伏板和风力发电机均连接至蓄电池。
5.一种如权利要求4所述的基于船体两侧波浪增强原理的船用波浪能发电装置的工作方法，其特征在于，步骤如下：
（1）波浪增强装置通过船用安装架置于船体上，表面波导流片内设置波浪能发电装置，波浪能发电装置通过船挂式安装架挂装于船体，发电装置和蓄电池置于船体内；
（2）导流片基座和表面波导流片对波浪的水波场产生干涉作用，进而利用水波共振提高波浪能发电装置周边波浪的振幅；
（3）浮子随波浪做垂荡运动，获取波浪能，浮子垂荡运动时带动浮子连杆运动，进而驱动液压转换器做功，将波浪能转换为液压能；
（4）液压能驱动液压马达转动，液压马达将液压能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能；
（5）波浪能发电装置产生的电能与光伏板和风力发电机产生的电能共同存储于蓄电池。
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