CN114876713B - 气动式波力发电装置以及双体气动式波力发电船 - Google Patents

气动式波力发电装置以及双体气动式波力发电船 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种气动式波力发电装置，涉及海洋波浪能利用领域。该装置包括浮力舱、海水流道、导流板、空气流道、空气透平和发电机，其中，浮力舱设置于由相互连通的竖直段流道和水平段流道所组成的海水流道的水平段上，空气流道设置于竖直段流道顶部且与竖直段流道连通，水平段流道在远离竖直段流道的一端开设有海水流道口，空气透平分别连接空气流道和发电机；浮力舱在靠近竖直段流道一端的两侧宽度超出海水流道的宽度而形成双翼端，浮力舱在靠近海水流道口一端的宽度逐渐收窄直至形成尖端。本公开还提供一种包括该装置的双体气动式波力发电船。本公开提供的该装置可实现高效宽频俘能，该发电船可实现深远海无系泊自动保持位置。

Description

气动式波力发电装置以及双体气动式波力发电船
技术领域
本公开涉及海洋波浪能利用技术领域，具体涉及一种气动式波力发电装置以及双体气动式波力发电船。
背景技术
目前，面对旺盛的海上能源需求，因地制宜利用波浪能发电是最佳解决方案之一。在迈向深远海的过程中，若就近配备波浪发电装置，即可实现便捷经济的电能供应，极大缓解续航能力受限的痛点，提升海洋装备的自持力和可靠性。
然而，现有的波力发电装置仍存在若干不足，导致其在实际应用中进展缓慢，目前尚无法实现产业化运营，这些不足主要包括：
(1)波浪能俘获效率仍然较低，符合高效俘能工况的波浪频率范围仍然较窄。现有的波能俘获装置一般采用等宽式或前方后尖式浮力舱，一方面，未能充分俘获其四周海水所蕴含的波浪能量，其峰值效率还未达到极限。另一方面，高效俘能只在设计波浪条件(即，波浪频率宽度)下实现，一旦实际海况偏离其设计条件，俘能效率快速降低。因此，现有的波能俘获装置的结构形式和体型尺寸等还需以增加效率和加宽频率响应为目标进一步改进和优化。
(2)在深远海的应用场景中，无动力波能发电装置需要运维船拖放到位，每次拖放和维护作业成本昂贵。同时，当布置海域的水深较大(千米以上)时，难于通过锚链系泊，无动力的装置势必随波逐流，难以维持在指定区域内工作。
(3)在极端海况下，浮式波力发电装置可能发生侧倾，造成船只倾覆、设备损毁。在正常海况下，侧倾对气动式波浪能俘获装置的俘能也是不利的。因此，需要对现有装置构造进行改进，以减小其在波浪中的侧倾响应，提高其舒适性和可靠性。
(4)用于波浪能转换的冲动式空气透平的性价比仍然较低，体现在：要不就是其结构简单、体型较小、效率较低的I型流道轴流式冲动式空气透平，要不就是效率较高、体型笨重庞大的U型流道冲动式空气透平。传统空气透平因我国海域波能密度相对较低以及波浪能利用成本高而不具有竞争力，发明结构简单、体型较小、效率高的新型冲动式透平对提高性价比和走向商业化显得非常必要。
(5)海洋波浪的大小和方向都是随时变化的，使得波浪能发电的输出不稳定，表现为短时间尺度变化和长时间尺度变化的叠加，大规模接入电网会产生某种程度上的冲击和不稳定性。因此，需要对波浪能发电储能方式进行更新，以提高短时间尺度上波浪能发电输出的稳定性，增加波浪能利用率；同时也以提高随机波动下波浪能机组适应微网电压波动特性的能力，以及充分利用多余无法上网的波浪能的不同规模的能量储存。
发明内容
为了克服上述相关技术存在的至少一项技术问题，本公开提供了一种高效宽频俘能的气动式波力发电装置、高效的冲动式空气透平以及可实现深远海无系泊自动保持位置的双体气动式波力发电船。
本公开的一方面提供了一种气动式波力发电装置，包括浮力舱、海水流道、导流板、空气流道、空气透平和发电机，其中：海水流道包括相互连通的竖直段流道和水平段流道，空气流道衔接于竖直段流道顶部且与竖直段流道连通，水平段流道在远离竖直段流道的一端开设有海水流道口，空气透平分别连接空气流道和发电机；浮力舱设置于水平段流道的顶壁上方，浮力舱在靠近竖直段流道一端的两侧宽度超出海水流道的宽度而形成双翼端，浮力舱在靠近海水流道口一端的宽度逐渐收窄直至形成尖端。
进一步地，海水流道的竖直段流道连通于水平段流道的一端，形成L型海水流道；或者海水流道的竖直段流道连通于水平段流道的中部。
进一步地，水平段流道的顶壁与靠近海水流道口的竖直段流道的侧壁之间采用圆角或45°倒角衔接；水平段流道的底壁与远离海水流道口的竖直段流道的侧壁之间采用直角转折。
进一步地，海水流道内部设置有多个垂直隔板，垂直隔板与水平段流道两侧的垂直侧壁平行；
其中，至少存在一个垂直隔板向海水流道口外平直延伸，直至搭接到导流板上。
进一步地，浮力舱从双翼端到尖端的收窄线型采用直线或者由外凸曲线和内凹曲线组成的光滑流线。
进一步地，还包括：导流板，设置于海水流道口的外侧，导流板采用倾斜平板或者曲面板。
进一步地，倾斜平板靠近海水流道口的一端上抬且远离海水流道口的一端下压，倾斜平板所在平面与水平段流道的中轴面垂直。
进一步地，倾斜平板与水平段流道之间还设置有多个刚性连杆，倾斜平板通过多个刚性连杆与水平段流道固定连接；倾斜平板的宽度不大于海水流道的宽度。
进一步地，曲面板包括水平平面段、弧面段和倾斜平面段中的至少两段顺次衔接形成：水平平面段由海水流道口的外侧水平延伸形成；弧面段连接水平平面段或倾斜平面段；倾斜平面段靠近海水流道口的一端上抬且远离海水流道口的一端下压。
进一步地，水平平面段的宽度小于海水流道的宽度，或者水平平面段在远离海水流道口方向的宽度逐渐收窄；弧面段的宽度保持相同。
进一步地，导流板的中部开设有长方形开口。
进一步地，空气透平和发电机采用防海水或防潮防盐雾封装，空气透平与发电机之间采用无接触式的磁联轴方式连接。
进一步地，空气透平包括分别设置于首部和尾部的拓宽段，以及设置于中部的收窄段，其中：首部和尾部的拓宽段的流道内部分别设置有上游导叶和下游导叶；收窄段的流道内部设置有透平转子，透平转子在周期性往复气流驱动下单向转动。
进一步地，上游导叶和下游导叶对称分布，拓宽段和收窄段所组成的整体流道的内壁呈光滑的流线面。
进一步地，上游导叶和下游导叶各自包括相互连接的直线段叶片和曲线段叶片，其中：直线段叶片设置于靠近收窄段的一侧，直线段叶片所在轮毂可单向转动且可转动方向与透平转子的转动方向相同；曲线段叶片设置于远离收窄段的一侧，曲线段叶片所在轮毂固定不动。
进一步地，还包括：飞轮储能系统，设置于浮力舱内部且连接发电机，用于将发电机所发电能转换为飞轮的动能储存，以及将飞轮储存的动能带动发电机发电；飞轮储能系统包括依次连接的飞轮转子、磁悬浮轴承、电动发电机、电力转换器和真空室。
进一步地，还包括：电解水制氢储能系统，设置于浮力舱内部且连接发电机，用于将波浪能所发电能转化为氢能储存；电解水制氢储能系统包括依次连接的补水系统、电解槽、氢气纯化装置和氢气储存设备。
进一步地，还包括：配重块，设置于浮力舱内部，用于调整装置的重心位置。
进一步地，水平段流道的过流断面采用五边形、直角梯形或矩形。
进一步地，五边形由设置于上部的第一矩形和设置于下部的等腰三角形拼合而成，等腰三角形的底边与第一矩形的长边重合；直角梯形由设置于上部的第二矩形和设置于下部的直角三角形拼合而成，直角三角形的一个直角边与第二矩形的长边重合，直角三角形的另一个直角边在气动式波力发电装置的外侧壁面上。
进一步地，海水流道轴线的底部设置有锚泊固定环，锚泊固定环位于离海水流道口的水平距离为1/2～2/2海水流道水平段长度之间。
本公开的另一方面提供了一种双体气动式波力发电船，包括：两个上述气动式波力发电装置；双体连接结构，用于连接两个气动式波力发电装置；以及，船只航行机构，用于辅助船体航行。
进一步地，两个气动式波力发电装置相互间隔并排布置，其中：两个气动式波力发电装置的空气流道相向延伸并搭接成一体，使两个空气流道相互连通；空气透平设置于相互连通的空气流道的中轴面上，两个气动式波力发电装置共用一个空气透平和一个发电机。
进一步地，双体连接结构包括多个连梁，连梁设置于两个气动式波力发电装置的水平段流道靠近海水流道口一端的相对的内侧壁且搭接两个气动式波力发电装置。
进一步地，双体连接结构还包括连接浮体，连接浮体的两端搭接在两个气动式波力发电装置的浮力舱的双翼端，使得两个浮力舱连为一体。
进一步地，气动式波力发电装置的竖直段流道的外壁面设置有滑轨，船只航行机构包括可升降船艏壳、卷扬机和螺旋桨，其中：可升降船艏壳设置于海水流道靠近竖直段流道的一端外侧，可升降船艏壳靠近竖直段流道的一端开口；卷扬机设置于每个气动式波力发电装置的空气流道顶部，可升降船艏壳通过卷扬机沿气动式波力发电装置的滑轨下放或上提至水线以上。
进一步地，螺旋桨采用以下两种布置方式中的一种：螺旋桨单个布置于双体连接结构的中轴面上，船只航行机构还包括与螺旋桨配套的船舵；螺旋桨成对布置于气动式波力发电装置的水平段流道靠近海水流道口一端的下方。
与现有技术相比，本公开提供的气动式波力发电装置以及双体气动式波力发电船，至少具有以下有益效果：
(1)本公开的气动式波力发电装置提出多种新型俘能结构，例如“双竖直流道”和“鸭尾”导流板等设计，实现了显著的增效拓频。其中，“双竖直流道”使得竖直流道内水体运动更顺直，减小了紊动耗散；“鸭尾”导流板通过增加每个波周期内进出装置的海水方量，明显提升了俘获宽度比，通过将海水流道口后下方更大范围的海水引向流道口，从而明显拓宽了频响宽度。
(2)本公开的气动式波力发电装置采用“双翼”式浮力舱，即浮力舱向两侧延伸出适当距离，好处主要有四：一是充分利用装置两侧波浪能量，增加有利的随波运动响应、提高装置俘获宽度比；二是增加浮力舱横向宽度，减小不利于俘能的侧倾；三是增大了竖直流道侧浮力，有助于改善装置偏心、减少装置死重，升高装置浮心、增强抗倾性能；四是浮力舱尖端细长，可引导波浪平顺传播到流道口。
(3)本公开的气动式波力发电装置搭载储能模块，其可采用飞轮储能技术和电解水制氢储能技术。用于波浪能发电中的飞轮储能是一种短时间尺度的储能技术，当电动发电机的转速增高时将电能转换为飞轮的动能储存，而当电动发电机的转速降低时将飞轮的动能转换为电能释放出来，从而减少透平机组运转过程的转速波动，实现波能发电的削峰填谷，稳定装置电力输出功率；在非规则波条件下波高较小时，可由飞轮带动空气透平启动运转，从而避免因浪小而无法启动，实现小海况下保持一定出力、尽量减少停机；在波高过大时，可将所述发电机所发电能转换为飞轮的动能储存，从而避免因浪过大而导致发电机过速。利用波浪能发电来电解水制氢是一种长时间尺度的适应宽功率波动的储能技术，它根据波浪能发电具有间歇性、波动性和随机性以及很难为负载提供一个持续稳定的电力供应的特点，解决宽功率波动的储能系统。应用微电网电解水制氢储能技术：1)增加波浪能利用率；2)利用多余无法上网的波浪能生产氢气储存；3)减少波电微网的输出波动且满足电网的功率要求，在随机的小风时间段通过燃料电池进行提供负荷需求。
(4)本公开的气动式波力发电装置，空气透平和发电机采用防潮封装，在海洋腐蚀环境中具有高可靠性，采用无接触式的磁联轴方式，降低由于防潮封装引起的额外摩擦所产生的阻尼，减少发电过程中的能量损耗。
(5)本公开的气动式波力发电装置采用新型I型流道冲动式空气透平，其流道采用首尾拓宽、中间收窄的流线体型，上下游导叶、转子叶片的线形经过优化，下游导叶的直线段可随气流推动单向转动，减少了转子叶片处的气体流出与下游直线段导叶之间的固有错位，增加转子流出通畅的通道面积，减少出口导向叶片系统处的停滞压力损失，实现周期性双向气流通过时的气动能量高效转换为透平的转动动能。
(6)本公开的双体气动式波力发电船，可利用自身俘获的波能发电，驱动可升降船艏壳、电动机、螺旋桨等实现自航，通过船载GPS定位，在深远海域无系泊条件时能够自行维持在指定海域范围内工作。进行发电时，将可升降船艏壳吊升至水线以上；当GPS定位发现船体已漂至指定范围边缘时，启动自航系统，驶回指定范围中央，自航时将可升降船艏壳下放至水中以减小航行阻力。
(7)本公开的双体气动式波力发电船，可根据工况需求，灵活选配螺旋桨和船舵，以节约成本。若指定工作海域范围较小，或要求自航的转向能力强，可选择在双体船两侧船底的成对布置的螺旋桨；若不要求较强的转向能力，可选择单一布置在中轴面上的配置方向舵的螺旋桨。
(8)本公开的双体气动式波力发电船，双体结构可减小不利于俘能的侧倾，提升船体的抗倾覆能力，改善在大浪和极端海况下船体的生存能力。同时，双体船的浮舱总容积较大，布置各类设备和配重空间更宽裕。此外，波浪从双体船中间通过时，两侧水平流道的五边形或直角体型有利于双体船中间侧中一个船体运动所产生的辐射能量被另一个船体所俘获，且双体船中间所兴的波浪会促进两侧浮体和流道内水体耦合振荡，形成增效拓频的效果。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的气动式波力发电装置的轴测图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的气动式波力发电装置的主视图；
图3示意性示出了根据本公开另一实施例的气动式波力发电装置的轴测图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的空气透平的剖切结构图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的电解水制氢储能系统的原理图；
图6示意性示出了根据本公开实施例的双体气动式波力发电船在第一视角下的轴测图；
图7示意性示出了根据本公开实施例的双体气动式波力发电船在第二视角下的轴测图；
图8示意性示出了根据本公开另一实施例的双体气动式波力发电船在第二视角下的轴测图。
【附图标记说明】
1-气动式波力发电装置；
11-浮力舱；111-双翼端；112-尖端；113-配重块；
12-海水流道；121-竖直段流道；123-垂直隔板；122-水平段流道；
1221-海水流道口；13-导流板；131-水平平面段；132-弧面段；
133-倾斜平面段；134-长方形开口；135-刚性连杆；14-空气流道；15-空气透平；
151-拓宽段；152-收窄段；153-上游导叶；154-透平转子；
155-下游导叶；156-直线段叶片；157-曲线段叶片；16-发电机；
17-飞轮储能系统；18-电解水制氢储能系统；181-补水系统；
182-电解槽；183-氢气纯化装置；184-氢气储存设备；
2-双体连接结构；21-连梁；22-连接浮体；
3-船只航行机构；31-可升降船艏壳；32-卷扬机；33-螺旋桨；34-船舵。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本公开提供一种高效宽频俘能的气动式波力发电装置以及可实现深远海无系泊自动保持位置的双体气动式波力发电船。其中，该气动式波力发电装置既可独立运用于有系泊的波力发电场景，也可作为本公开提供的双体气动式波力发电船的组成部分之一。
图1示意性示出了根据本公开实施例的气动式波力发电装置的轴测图。
图2示意性示出了根据本公开实施例的气动式波力发电装置的主视图。
参阅图1和图2，本公开实施例提供了一种气动式波力发电装置，包括浮力舱11、海水流道12、导流板13、空气流道14、空气透平15和发电机16。
其中，海水流道12包括相互连通的竖直段流道121和水平段流道122，空气流道14衔接于竖直段流道121顶部且与竖直段流道121连通，水平段流道122在远离竖直段流道121的一端开设有连通大海的海水流道口1221，以供波浪作用下海水流入或流出。空气透平15分别连接空气流道14和发电机16。由此，空气流道14与竖直段流道121的顶部衔接，空气与海水形成的气液界面可在衔接处一定范围内上下振荡。同时，通过空气透平15，空气能自外界大气进入空气流道14，或自空气流道14流到大气，从而驱动空气透平15转动发电。
浮力舱11设置于水平段流道122的顶壁上方，浮力舱11在靠近竖直段流道121一端的两侧宽度超出海水流道12的宽度而形成双翼端111，浮力舱11在靠近海水流道口1221一端的宽度逐渐收窄直至形成尖端112。
可选地，浮力舱11从双翼端111到尖端112的收窄线型采用直线或者由外凸曲线和内凹曲线组成的光滑流线。
本公开实施例中，海水流道12的竖直段流道121连通于水平段流道122的一端，形成L型海水流道。或者，海水流道12的竖直段流道121连通于水平段流道122的中部。为了简要起见，本公开在后续附图中仅仅显示L型的海水流道并进行描述。
可选地，水平段流道122的顶壁与靠近海水流道口1221一侧的竖直段流道121的侧壁之间采用圆角或45°倒角衔接，水平段流道122的底壁与远离海水流道口1221一侧的竖直段流道121的侧壁之间采用直角转折。
可选地，海水流道12内部设置有多个垂直隔板123，垂直隔板123与水平段流道122两侧的垂直侧壁平行；其中，至少存在一个垂直隔板123向海水流道口1221外平直延伸，直至搭接到导流板13上。由此，垂直隔板123将海水流道12的部分区段分隔成前、后两个并联通道，称为“双竖直流道”形式。“双竖直流道”可以引导海水流道12内的水体在竖直方向平顺流动，防止横向碰撞损失，减小了紊动耗散，有利于提升俘能效率。
为考虑增强导流板13的可靠性，本实施例的多个垂直隔板123相互平行，关于装置中轴面对称布置。并且，部分垂直隔板123可以延伸至与导流板13搭接，以便形成固定框架。此外，本公开对垂直隔板123的具体数量不做限制，一般可以设置为1～3个。
由此可见，浮力舱11的两端分别形成双翼端111和尖端112，构成“双翼”形式。与现有的等宽式或前方后尖式浮力舱相比，本实施例的浮力舱11具有以下四方面优势：
(1)双翼端111在竖直段流道121附近提供更多浮力，有助于缓解现有的浮力舱中的竖直段流道121及其上的空气流道14、空气透平15等结构和设备质量集中导致的装置艏部偏重问题，优化装置运行时的漂浮姿态，减小配重块114带来的死重；
(2)拓展迎波面受波面积，这有助于艏部纵摇，加大竖直段流道121内水体与装置耦合振荡，实验条件下双翼部位每延米可带来俘能增长约6％：
(3)双翼端111延伸装置总宽，增大装置抗侧倾力臂，可减小不利于俘能的侧倾摆动，提升恶劣海况中装置的稳定性和生存概率；
(4)浮力舱11收窄曲线采用直线或由外凸曲线和内凹曲线所组成的光滑流线，使尖端112更为细长，波浪沿浮力舱11侧壁传播时能更加平顺地到达海水流道口1221上方，传播过程中能量的损失更小。
图3示意性示出了根据本公开另一实施例的气动式波力发电装置的轴测图。
结合图1和图3所示，本实施例中，该气动式波力发电装置还包括导流板13，设置于海水流道口1221的外侧，导流板13采用倾斜平板或者曲面板。
具体地，如图3所示，在导流板13采用倾斜平板时，该倾斜平板靠近海水流道口1221的一端上抬且远离海水流道口1221的一端下压，倾斜平板所在平面与水平段流道122的中轴面垂直。由此，倾斜平板的位置在海水流道口1221外一定距离处，倾斜平板所在平面与整个装置的水平面呈一定夹角。
进一步地，倾斜平板与水平段流道122之间还设置有多个刚性连杆135，倾斜平板通过多个刚性连杆135与水平段流道122固定连接。倾斜平板的宽度不大于海水流道12的宽度。
如图1所示，在导流板13采用曲面板时，该曲面板包括水平平面段131、弧面段132和倾斜平面段133中的至少两段顺次衔接形成：水平平面段131由海水流道口1221的外侧水平延伸形成；弧面段132连接水平平面段131(若有)或倾斜平面段133(若有)；倾斜平面段133靠近海水流道口1221的一端上抬且远离海水流道口1221的一端下压。
需要说明的是，附图1和2示出了一个水平平面段131与水平段流道122的顶壁等高的实施例，仅仅为了整洁便于理解，本实施例的水平平面段131的高度并不限定于与水平段流道122的顶壁等高。例如，水平平面段131可以由水平段流道122的顶壁向海水流道口1221的外侧水平延伸形成，也可以由水平段流道122垂直往下一段距离后向海水流道口1221的外侧水平延伸形成。
进一步地，水平平面段131的宽度小于海水流道12的宽度，或者水平平面段131在远离海水流道口1221方向的宽度逐渐收窄；弧面段132的宽度保持相同。
由此可见，无论是导流板13采用倾斜平板还是曲面板，靠近海水流道口1221的一端上抬，远离海水流道口1221的一端下压，使得导流板13始终呈“鸭尾”形式。
如图1所示，本实施例中，导流板13的中部开设有长方形开口134，以便海水从流道口1221流出时能够顺畅地通过导流板13。此外，长方形开口134的大小可根据实际需要进行设置，具体本公开不作限制。
分析可知，与现有装置相比，本公开实施例中提供的“鸭尾”导流板13可实现显著增效宽频作用：设计工况下俘获宽度比增加18.5％，俘获宽度比大于0.6的频响宽度拓宽约70％。其机理在于：
(1)增大海水出入方量，实验表明在优选位置安装优选体型的导流板13后，每个波周期内出入海水流道12的海水方量平均增加8％，出入海水体积越大，空气流道14内受压缩和膨胀而产生的气流越强烈，气动能越多；
(2)转化纵摇能量，例如在海水流入海水流道12时，导流板13随装置纵摇，因而相对于周围水体下压，其倾角会将板下相对向上运动水体引导为向海水流道口1221运动，从而加速水体进入海水流道12；
(3)优化装置外流场，传统装置的流道口后方稍远处的水体被后方波浪牵引朝远离装置的方向运动，其能量没有被吸收，本公开实施例提供的导流板13可阻挡后方波浪的牵引作用，使得海水流道口1221与导流板13之间大范围的水体均朝海水流道12运动，可供俘获的水体动能更多。
可选地，空气透平15和发电机16采用防海水或防潮防盐雾封装，空气透平15与发电机16之间采用无接触式的磁联轴方式连接，降低由于防水或防潮防盐雾封装引起的额外阻尼力矩，从而增加波浪能发电系统的出力。
图4示意性示出了根据本公开实施例的空气透平的剖切结构图。
如图4所示，本实施例中，空气透平15包括分别设置于首部和尾部的拓宽段151，以及设置于中部的收窄段152。其中，首部和尾部的拓宽段151的流道内部分别设置有上游导叶153和下游导叶155；收窄段152的流道内部设置有透平转子154，透平转子154在周期性往复气流驱动下单向转动。上游导叶153和下游导叶155对称分布，拓宽段151和收窄段152所组成的整体流道的内壁呈光滑的流线面。
由此，本实施例提供了一种新型的冲动式空气透平，在现有等内径流道的冲动式空气透平基础上增大了拓宽段流道的内径，从而增大了导叶排进口处前沿的过流面积，有效减少下游一排导叶处气动能的损失，进而提高了透平的效率。
上游导叶153和下游导叶155各自包括相互连接的直线段叶片156和曲线段叶片157。其中，直线段叶片156设置于靠近收窄段152的一侧，直线段叶片156所在轮毂可单向转动且可转动方向与透平转子154的转动方向相同；曲线段叶片157设置于远离收窄段152的一侧，曲线段叶片157所在轮毂固定不动。
通过本公开的实施例，空气透平15采用新型的I型流道冲动式空气透平，周期性往复气流双向通过空气透平15，驱动透平转子154单向转动，实现气动能高效转化为转动动能。此外，本实施例的曲线段固定不转动(即曲线段所在轮毂是固定不动的)，直线段设计为只能单向转动(即直线段所在轮毂是单向转动的)，可转动方向与转子转动方向相同。于是，在上游导叶153或下游导叶155作为进气侧导叶时，直线段所受空气驱动的转矩，其方向与可转动方向相反，故不能转动；在上游导叶153或下游导叶155作为出气侧导叶时，直线段受空气驱动的转矩，其方向与可转动方向相同，可受气流驱动转动，以减小转子叶片出流方向与下游导叶直线段方向的夹角，从而减小出气侧导叶对气流的阻碍，提升气动能转化成转动动能的效率约30％。
可选地，该气动式波力发电装置还包括：飞轮储能系统17，设置于浮力舱11内部且连接发电机16，用于将发电机16所发电能转换为飞轮的动能储存，以及将飞轮储存的动能带动发电机16发电。具体来说，飞轮储能系统17用于将发电机16所发的高于在短间尺度内不稳定电能的时均值时的电能转换为飞轮的动能储存，以及将飞轮储存的动能在发电机16输出不稳定电能低于时均值时带动发电机16发电，把其所储存的动能转化为电能，从而削峰填谷解决电力输出的波动问题。
该飞轮储能系统17例如可以包括依次连接的飞轮转子、磁悬浮轴承、电动发电机、电力转换器和真空室。其中，飞轮是由波浪能发电装置所发的电来驱动飞轮加速旋转，电动发电机将作电机运行，电能转变为机械能储存；当需要时，飞轮减速，电动发电机将作发电机运行，将飞轮动能转换成电能，从而对低电压进行快速放电补偿而高电压进行快速充电消耗，进而减少透平发电机机组运转过程的转速波动，平滑波浪能发电非稳定输出的有功功率。
由此，飞轮储能系统17可以实现波能发电的削峰填谷，稳定装置电力输出功率。在非规则波条件下波高较小时，可由飞轮带动所述空气透平15启动运转，从而避免因浪小而无法启动；在波高过大时，可将发电机16所发电能转换为飞轮的动能储存，从而避免因浪过大而导致发电机过速。
图5示意性示出了根据本公开实施例的电解水制氢储能系统的原理图。
如图5所示，可选地，该气动式波力发电装置还包括：电解水制氢储能系统18，设置于浮力舱11内部且连接发电机16，用于将波浪能所发电能转化为氢能储存。具体来说，电解水制氢储能系统18可以与飞轮储能系统17联动解决电力输出波动问题，在长时间尺度内当波浪能实际所发电能高于给电网供电预测曲线时，将高出的剩余电力电解水制氢和氧转化为氢能和氧能储存；反之，当实际发电量低于预测曲线时，则利用储藏罐中储存的氢和氧，通过燃料电池发电并提供给系统电网。
电解水制氢储能系统18例如可以包括依次连接的补水系统181、电解槽182、氢气纯化装置183和氢气储存设备184。其中，补水系统181从波力发电船周围海水中抽水充入电解槽182，电解槽182中接入直流电，负极处生成的氢气被收集并引入氢气纯化装置183或氢气储存设备184，最终可为其他船只加氢，或者将氢气转运至其他位置。
由此，电解制氢系统对波浪能供电侧不稳定性不敏感，可将波浪能所发电能转化为氢能储存，方便给其他氢能船只加氢，同时将输电变为氢气转运的形式，可以减少深远铺设海输电线路的不便。
可选地，该气动式波力发电装置还包括：配重块113，设置于浮力舱11内部，用于调整装置的重心位置和装置姿态。
本实施例中，水平段流道122的过流断面可以采用五边形、直角梯形或矩形。
具体来说，当水平段流道122的过流断面采用五边形时，该五边形由设置于上部的第一矩形和设置于下部的等腰三角形拼合而成，等腰三角形的底边与第一矩形的长边重合。
当水平段流道122的过流断面采用直角梯形时，该直角梯形由设置于上部的第二矩形和设置于下部的直角三角形拼合而成，直角三角形的一个直角边与第二矩形的长边重合，直角三角形的另一个直角边在气动式波力发电装置的外侧壁面上。
以上只是示例性说明，本实施例不限于此。例如，在一些实施例中，海水流道12轴线的底部设置有锚泊固定环，锚泊固定环位于离海水流道口的水平距离为1/2～2/2海水流道水平段长度之间，以增加装置的纵摇，从而增大波浪能俘获宽度比约6％。由此，本公开提供的气动式波力发电装置，可以独立运用于有系泊的波力发电场景。
基于同一发明构思，本公开还提供了一种双体气动式波力发电船，该双体气动式波力发电船包括两个前述气动式波力发电装置1，还包括双体连接结构2，用于连接两个气动式波力发电装置1；以及，船只航行机构3，用于辅助船体航行。
需要说明的是，该双体气动式波力发电船部分包括的气动式波力发电装置1的实施例方式与前文描述的气动式波力发电装置对应类似，并且所达到的技术效果也对应类似，具体细节请参照前文描述的气动式波力发电装置部分，在此不再赘述。
图6示意性示出了根据本公开实施例的双体气动式波力发电船在第一视角下的轴测图。图7示意性示出了根据本公开实施例的双体气动式波力发电船在第二视角下的轴测图。图8示意性示出了根据本公开另一实施例的双体气动式波力发电船在第二视角下的轴测图。
如图6所示，本实施例中，两个气动式波力发电装置相互间隔并排布置，其中，两个气动式波力发电装置的空气流道14相向延伸并搭接成一体，使两个空气流道14相互连通。空气透平15设置于相互连通的空气流道14的中轴面上，两个气动式波力发电装置共用一个空气透平15和一个发电机16。
结合图6和图7，本实施例中，双体连接结构2包括多个连梁21，连梁21设置于两个气动式波力发电装置的水平段流道122靠近海水流道口1221一端的相对的内侧壁且搭接两个气动式波力发电装置。
可选地，双体连接结构2还可以包括连接浮体22，连接浮体22的两端搭接在两个气动式波力发电装置的浮力舱11的双翼端111，使得两个浮力舱11连为一体。
进一步地，结合图7和图8，前述气动式波力发电装置的竖直段流道121的外壁面设置有滑轨。为了与该滑轨配套，船只航行机构3可以包括可升降船艏壳31、卷扬机32和螺旋桨33。
具体来说，可升降船艏壳31设置于海水流道12靠近竖直段流道121的一端外侧，可升降船艏壳31靠近竖直段流道121的一端开口。卷扬机32设置于每个气动式波力发电装置的空气流道14顶部，可升降船艏壳31通过卷扬机32沿气动式波力发电装置的滑轨下放或上提至水线以上。
可升降船艏壳31外型类似于同吨位一般船只的船艏形状，可用卷扬机32沿竖直段流道121外壁面上的滑轨下放或上提至水线以上。可升降船艏壳31靠近竖直段流道121的一端开口，供下放或上提时海水自由流入或流出可升降船艏壳31与竖直段流道121的外壁面围成的空间。
另外，可以由气动式波力发电装置的发电机16或者飞轮储能系统17供电，驱动螺旋桨33航行。
在一些实施例中，当双体气动式波力发电船内部需要同时设置飞轮储能系统17和电解水制氢储能系统18时，可在其中一个气动式波力发电装置内设飞轮储能系统17，另一个气动式波力发电装置内设电解水制氢储能系统18。
可选地，螺旋桨33可以采用以下两种布置方式中的一种：
(1)如图7所示，螺旋桨33成对布置于气动式波力发电装置的水平段流道122靠近海水流道口1221一端的下方，此时可根据对该双体气动式波力发电船的航行性能要求选择为每个螺旋桨33配置或不配置船舵34；
(2)如图8所示，螺旋桨33单个布置于双体连接结构2的中轴面上，船只航行机构3还包括与螺旋桨33配套的船舵34。
需要说明的是，为避免船体运行过程对流道的干扰，在图7中，成对设置的螺旋桨33以及配套的船舵34可以设置于两个海水流道12的相对内壁的内侧，使得螺旋桨33与海水流道12相互隔开。在图8中，单个设置的螺旋桨33可以具体设置在多个连梁21的中轴面上。
综上所述，本公开实施例提供了一种气动式波力发电装置以及包括该装置的双体气动式波力发电船，浮力舱采用“双翼”形式，竖直段流道采用“双竖直流道”形式，导流板采用“鸭尾”形式，使得该气动式波力发电装置既可独立运用于有系泊的波力发电场景，也可作为本公开提供的双体气动式波力发电船的组成部分之一。
在本公开的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。
类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“其他实施例”、“一些实施例”、“例如”、“具体地”、或“具体来说”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种气动式波力发电装置，其特征在于，包括浮力舱(11)、海水流道(12)、导流板(13)、空气流道(14)、空气透平(15)和发电机(16)，其中：
所述海水流道(12)包括相互连通的竖直段流道(121)和水平段流道(122)，所述空气流道(14)衔接于竖直段流道(121)顶部且与竖直段流道(121)连通，所述水平段流道(122)在远离竖直段流道(121)的一端开设有海水流道口(1221)，所述空气透平(15)分别连接空气流道(14)和发电机(16)；
所述海水流道(12)内部设置有多个垂直隔板(123)，所述垂直隔板(123)与水平段流道(122)两侧的垂直侧壁平行；其中，至少存在一个所述垂直隔板(123)向所述海水流道口(1221)外平直延伸，直至搭接到所述导流板(13)上；所述垂直隔板(123)将所述海水流道(12)分隔成“双竖直流道”形式，用于引导所述海水流道(12)内的水体在竖直方向平顺流动；
所述浮力舱(11)设置于水平段流道(122)的顶壁上方，所述浮力舱(11)在靠近竖直段流道(121)一端的两侧宽度超出海水流道(12)的宽度而形成双翼端(111)，所述浮力舱(11)在靠近海水流道口(1221)一端的宽度逐渐收窄直至形成尖端(112)；
其中，所述导流板(13)设置于海水流道口(1221)的外侧，所述导流板(13)采用倾斜平板或者曲面板；
所述倾斜平板靠近海水流道口(1221)的一端上抬且远离海水流道口(1221)的一端下压，所述倾斜平板所在平面与水平段流道(122)的中轴面垂直；所述倾斜平板与水平段流道(122)之间还设置有多个刚性连杆(135)，所述倾斜平板通过所述多个刚性连杆(135)与水平段流道(122)固定连接；所述倾斜平板的宽度不大于海水流道(12)的宽度；
所述曲面板包括水平平面段(131)、弧面段(132)和倾斜平面段(133)顺次衔接形成，其中：所述水平平面段(131)由海水流道口(1221)外侧水平延伸形成；所述弧面段(132)连接所述水平平面段(131)或倾斜平面段(133)；所述倾斜平面段(133)靠近海水流道口(1221)的一端上抬且远离海水流道口(1221)的一端下压；所述水平平面段(131)的宽度小于海水流道(12)的宽度，或者所述水平平面段(131)在远离海水流道口(1221)方向的宽度逐渐收窄；所述弧面段(132)的宽度保持相同。
2.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，所述海水流道(12)的竖直段流道(121)连通于水平段流道(122)的一端，形成L型海水流道；或者
所述海水流道(12)的竖直段流道(121)连通于水平段流道(122)的中部。
3.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，所述水平段流道(122)的顶壁与靠近海水流道口(1221)一侧的竖直段流道(121)的侧壁之间采用圆角或45°倒角衔接；
所述水平段流道(122)的底壁与远离海水流道口(1221)一侧的竖直段流道(121)的侧壁之间采用直角转折。
4.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，所述浮力舱(11)从双翼端(111)到尖端(112)的收窄线型采用直线或者由外凸曲线和内凹曲线组成的光滑流线。
5.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，所述导流板(13)的中部开设有长方形开口(134)。
6.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，空气透平(15)和发电机(16)采用防海水或防潮防盐雾封装，所述空气透平(15)与发电机(16)之间采用无接触式的磁联轴方式连接。
7.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，所述空气透平(15)包括分别设置于首部和尾部的拓宽段(151)，以及设置于中部的收窄段(152)，其中：
所述首部和尾部的拓宽段(151)的流道内部分别设置有上游导叶(153)和下游导叶(155)；
所述收窄段(152)的流道内部设置有透平转子(154)，所述透平转子(154)在周期性往复气流驱动下单向转动。
8.根据权利要求7所述的气动式波力发电装置，其特征在于，所述上游导叶(153)和下游导叶(155)对称分布，所述拓宽段(151)和收窄段(152)所组成的整体流道的内壁呈光滑的流线面。
9.根据权利要求7所述的气动式波力发电装置，其特征在于，所述上游导叶(153)和下游导叶(155)各自包括相互连接的直线段叶片(156)和曲线段叶片(157)，其中：
所述直线段叶片(156)设置于靠近所述收窄段(152)的一侧，所述直线段叶片(156)所在轮毂可单向转动且可转动方向与所述透平转子(154)的转动方向相同；
所述曲线段叶片(157)设置于远离所述收窄段(152)的一侧，所述曲线段叶片(157)所在轮毂固定不动。
10.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，还包括：
飞轮储能系统(17)，设置于所述浮力舱(11)内部且连接发电机(16)，用于将发电机(16)所发电能转换为飞轮的动能储存，以及将飞轮储存的动能带动发电机(16)发电；
所述飞轮储能系统(17)包括依次连接的飞轮转子、磁悬浮轴承、电动发电机、电力转换器和真空室。
11.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，还包括：
电解水制氢储能系统(18)，设置于所述浮力舱(11)内部且连接发电机(16)，用于将波浪能所发电能转化为氢能储存；
所述电解水制氢储能系统(18)包括依次连接的补水系统(181)、电解槽(182)、氢气纯化装置(183)和氢气储存设备(184)。
12.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，还包括：
配重块(113)，设置于浮力舱(11)内部，用于调整装置的重心位置。
13.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，所述水平段流道(122)的过流断面采用五边形、直角梯形或矩形。
14.根据权利要求13所述的气动式波力发电装置，其特征在于，所述五边形由设置于上部的第一矩形和设置于下部的等腰三角形拼合而成，所述等腰三角形的底边与所述第一矩形的长边重合；
所述直角梯形由设置于上部的第二矩形和设置于下部的直角三角形拼合而成，所述直角三角形的一个直角边与所述第二矩形的长边重合，所述直角三角形的另一个直角边在所述气动式波力发电装置的外侧壁面上。
15.根据权利要求1所述的气动式波力发电装置，其特征在于，所述海水流道(12)轴线的底部设置有锚泊固定环，锚泊固定环位于离海水流道口(1221)的水平距离为1/2～2/2海水流道水平段长度之间。
16.一种双体气动式波力发电船，其特征在于，包括：
两个如权利要求1～15中任一项所述的气动式波力发电装置；
双体连接结构(2)，用于连接两个所述气动式波力发电装置；以及
船只航行机构(3)，用于辅助船体航行。
17.根据权利要求16所述的双体气动式波力发电船，其特征在于，所述两个气动式波力发电装置相互间隔并排布置，其中：
所述两个气动式波力发电装置的空气流道(14)相向延伸并搭接成一体，使两个空气流道(14)相互连通；
所述空气透平(15)设置于相互连通的空气流道(14)的中轴面上，所述两个气动式波力发电装置共用一个空气透平(15)和一个发电机(16)。
18.根据权利要求16所述的双体气动式波力发电船，其特征在于，所述双体连接结构(2)包括多个连梁(21)，所述连梁(21)设置于所述两个气动式波力发电装置的水平段流道(122)靠近海水流道口(1221)一端的相对的内侧壁且搭接两个气动式波力发电装置。
19.根据权利要求17所述的双体气动式波力发电船，其特征在于，所述双体连接结构(2)还包括连接浮体(22)，所述连接浮体(22)的两端搭接在所述两个气动式波力发电装置的浮力舱(11)的双翼端(111)，使得两个浮力舱(11)连为一体。
20.根据权利要求16所述的双体气动式波力发电船，其特征在于，所述气动式波力发电装置的竖直段流道(121)的外壁面设置有滑轨，所述船只航行机构(3)包括可升降船艏壳(31)、卷扬机(32)和螺旋桨(33)，其中：
所述可升降船艏壳(31)设置于所述海水流道(12)靠近所述竖直段流道(121)的一端外侧，所述可升降船艏壳(31)靠近所述竖直段流道(121)的一端开口；
所述卷扬机(32)设置于每个所述气动式波力发电装置的空气流道(14)顶部，所述可升降船艏壳(31)通过卷扬机(32)沿所述气动式波力发电装置的滑轨下放或上提至水线以上。
21.根据权利要求20所述的双体气动式波力发电船，其特征在于，所述螺旋桨(33)采用以下两种布置方式中的一种：
所述螺旋桨(33)单个布置于所述双体连接结构(2)的中轴面上，所述船只航行机构(3)还包括与所述螺旋桨(33)配套的船舵(34)；
所述螺旋桨(33)成对布置于所述气动式波力发电装置的水平段流道(122)靠近海水流道口(1221)一端的下方。
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