CN115539285A - 波浪能转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了波浪能转换装置，包括外壳，外壳内有进水腔与出水腔，两腔开口上安装单向导流栅；在两水腔之间装有水涡轮机，水涡轮机上方可连永磁发电机主轴；进水腔和出水腔的单向导流栅上下按横向V字型排列，外壳在V字形开口处设有进出水口；所述的进水腔和出水腔以非对称组合，进水腔和出水腔分别有与外壳顶部相连的部分，并于其上设置有排风口。本发明提升波浪发电的效率和稳定性。

Description

波浪能转换装置

技术领域

本发明涉及清洁能源利用领域，尤其是波浪能转换装置。

背景技术

随着工业规模的发展，对能量的需求是越来越多。能量价格的增涨导致了对各种各样可选择能源的考虑。另一方面传统的化石能源带来了巨大的难以消除的碳排放和污染效应。近年来以风能、太阳能为主的新型清洁能源越来越多地得到应用，但是存在着能量密度低且能量供应不稳定的问题。

波浪能作为海洋能的一种具体形态，也是海洋能中最主要的能源之一，它的开发和利用对缓解能源危机和减少环境污染是非常重要的。汹涌的海浪运动产生巨大的、永恒的和环保的能量，如果能将海浪的动能及其他水面的波浪能充分利用起来，则世界能源的前景会相当广阔和光明。

除此之外，波浪能转换装置也当作良好的波浪吸能装置使用。

目前已经有一些业内先行者对波浪能发电做了多种有益的尝试，例如日本Hatakeyama的公开专利JP 11-117847公开了一种能量生成装置，它有一个流入腔和一个流出腔。流入腔的前壁有多个阻止回流板设置成向里打开。流出腔的前壁有多个阻止入流板，设置成向外打开。流入腔与流出腔连接，中间被一带有连接孔的隔离体分隔开。一连接到流出腔里的发电机的涡轮机被设置在连接孔里。该流出腔设置有一个盖子。

然而。这样已知的一种波能量转换装置在尽可能多地转换波能量的效率方面存在一些缺陷，从而并不实用。因此提供一种高效率的、可靠的、节约成本的将波能量转换为电力的装置会是非常需要的。

中国专利200880131611.2揭示了一种高效的波浪能转换装置，包括前部和与该前部正对着的后部，顶部和与该顶部正对着的底部，具有隔断的进水腔，在顶部和隔断之间的所述前部上的进水阀，以及一进水腔通气孔，其中，该进水阀允许水流从一个方向上流进进水腔。出水腔有一个位于该隔断和底部之间的出水阀，以及设置在该隔断和顶部之间的出水腔通气孔，该出水腔通气孔用于维持出水腔内空气的大气压力。连接导管将进水腔的隔断连接到出水腔；作为对波浪能引起的水流进入进水腔的响应，至少部分安装在该连接导管内的发电机会产生电能。

以上现有技术的问题在于：由于进出水腔一上一下对称设置的需要造成出水腔不能直接连接外壳顶部，排风困难降低效率。上下对称设计使得进出水腔都需要较大进出水口，造成设计困难在实践中往往难以满足。

纵观全球波浪发电的现状，波浪发电的缺点仍然存在效率较低，稳定性差的问题。

因此，需要有一种全新设计的波浪能转换装置做出革命性的改变，提升波浪能转换的效率和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种全新设计的波浪能转换装置提升波浪能转换的效率和稳定性。

为了实现这一目的，本发明提供了波浪能转换装置包括外壳，外壳内有进水腔与出水腔，两腔开口上安装单向导流栅；在两水腔之间装有水涡轮机，水涡轮机上方可连永磁发电机主轴；进水腔和出水腔的单向导流栅上下按横向V字型排列，外壳在V字形开口处设有进出水口；进水腔和出水腔以非对称组合，进水腔和出水腔分别有与外壳顶部相连的部分，并于其上设置有排风口。

其中，进水腔分为进水腔前部和进水腔后部，进水腔前部的横截面是一个四边形，该四边形的较宽底面是外壳面对波浪，进水腔前部的底部设有外高内低倾斜的进水单向导流栅；进水腔后部的横截面为由一段螺旋线围成的平面，该螺旋线与进水腔前部横截面四边形的两个侧边一边相切一边相交，进水腔后部的前端与进水腔前部相通，进水腔后部的底部与进水腔前部的底部相连，进水腔后部的底部设有水涡轮机腔以容纳水涡轮机并与出水腔相通。螺旋线是渐开螺旋线，与进水腔前部横截面四边形的侧边相切的是渐开螺旋线的外端，相交的是内端。

进水腔后部顶部设有通孔使得设置在进水腔后部内的水涡轮机桨轴与外壳上部的永磁发电机相连，水涡轮机的定子和转子与水涡轮机桨轴相连接。水涡轮机桨轴外设有水涡轮机轴套，所述的水涡轮机轴套外径为水涡轮机的转子直径的四分之一到二分之一。水涡轮机采用定子与转子搭配，相对水流方向，定子设置在转子的前方，定子和转子对水流的迎角相反。

外壳内除进水腔、换能腔以及水涡轮机腔以外的其余部分形成出水腔，出水腔下部与进水腔的进水腔后部底部通过水涡轮机腔连通。出水腔下部设有外低内高倾斜设置的出水腔单向导流栅，其外部下缘与进出水口下端相连，其内部上缘与进水腔下部或底部相连。所述的进水腔和出水腔的单向导流栅上下按横向V字型排列，其形成的角度为大于等于30度至小于180度。

进出水口上设有防污栅栏。外壳底部与后侧以圆弧板过渡。还可以多台波浪能转换装置相连使用。

本发明的有益效果是通过对水动力或波浪能吸收的关键特征进行了大幅度的流体力学性能的改良，使得水利能更为稳定，而提供更为稳定的电力输出。优化了水流入射角，在高速旋转涡流中，大大提高水轮机效率。进水腔的形状提高聚能效果，大大提高吸能效率，同时单向导流栅上下按横向V字型排列降低了吃水要求，从而降低制造和安装成本。外壳底部与后侧以圆弧板过渡减少外壳底部的涡流，从而提高出水腔排水的效率或提高吸能效率。通过大量水池试验(超过1600次)和电脑模拟已证实：本发明的波浪能转换装置，能够更高效地转换波浪能至电能或提高吸能效率，同时使输出电力稳定性大幅度提升。与背景技术中提到的现有技术相比，本发明在同样设计工况下效率更高，功率输出更加稳定，并且由于设计尺寸变小，生产成本会进一步降低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

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为本发明的一个实施例的外观示意图；

图2为图1去除顶盖后的结构示意图；

图3为图1的底部结构示意图；

图4为图1去除一侧后的结构示意图；

图5为图1实施例的纵截面图；

图6是本发明另一实施例去除顶盖后的结构示意图；

图7为图6实施例的外观示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。首先请参照图1，图1为本发明的一个实施例的外观示意图。在图1的实施例中，波浪能转换装置是一个水密的容器，其外壳面对波浪的一侧定义为前端，前端下部设有进出水口23，进出水口23设有防污栅栏17。

后端下部设有圆弧状倒角24。流体力学模拟证实在这个部位，圆弧连接能大大减少外壳底部11的涡流，从而提高出水腔26排水的效率和吸能效率。同时减少水动力对设备的冲击。

外壳上部还设有永磁发电机2，永磁发电机2通过水涡轮机轴套32，以及设置在其内的水涡轮机桨轴与水涡轮机的定子5和转子6相连接。水涡轮机的定子5和转子6设置在进水腔后部28底部的水涡轮机腔22内。

外壳顶部19设有栅格状的出水腔排风口7和进水腔排风口8。

接下来请参考图2，图2为图1去除顶盖后的结构示意图。在图2中，外壳在面对波浪的侧面下部设有进出水口23，波浪能转换装置拥有进水腔25与出水腔26，通过两腔开口上安装的单向导流栅，两水腔开口向大海吸收波浪能。在两水腔之间装有水涡轮机，将两腔体之间的水力能转换成机械能。水涡轮机上方可通过水涡轮机轴套32以及设置在其内的水涡轮机桨轴16连接永磁发电机2，由机械能转换为电能。这样的设计使得放置在外壳顶端的永磁发电机2有可能免于浸没在海水中，大大延长了其寿命。

进水腔25由两部分组成，进水腔前部27和进水腔后部28，两者衔接围成进水腔25，其中，进水腔后部28顶部设有通孔29使得设置在进水腔后部28腔体内的水涡轮机桨轴16以及水涡轮机轴套32与外壳上部的永磁发电机2相连。进水腔后部28底部形成水涡轮机腔30，设有水涡轮机的定子5和转子6与水涡轮机桨轴16相连接。进水腔后部28形成的水涡轮机腔30底部连通进水腔25和出水腔26。

进水腔前部27的横截面是一个四边形，该四边形的较宽底面是外壳面对波浪，进水腔前部27的底部设有外高内低倾斜的进水单向导流栅3；进水腔后部28的横截面为由一段螺旋线围成的平面，该螺旋线与进水腔前部27横截面四边形的两个侧边一边相切一边相交，进水腔后部28的前端与进水腔前部27相通，进水腔后部28的底部与进水腔前部27的底部相连，螺旋线是渐开螺旋线，与进水腔前部横截面四边形的侧边相切的是渐开螺旋线的外端，相交的是内端。外壳顶部19设有进水腔排风口7。

应当理解以上的实施例是本发明一个较佳的实施例，在另外一些实施例中，进水腔也可以是其他不同形状。仅需满足进水腔前部较宽后部逐渐收窄，后部的底面通过一个水涡轮机腔与出水腔相连通即可。

图3为图1底部结构示意图。在图3中可以看到进水腔后部的底面上设有水涡轮机腔22，其中设有水涡轮机的转子6。图3下部是波浪能转换装置底面，其上有水涡轮机浆帽33。从图3中可以看到外壳底面的后端具有圆弧状倒角24。图3中还可以看到出水腔单向导流栅4和进水口的防污栅栏17。

一些实施例中，本发明的单向导流栅结构与中国专利200880131611.2中的进出水阀相同，当波浪处于波峰时进水单向导流栅3被外部波浪压力打开单向进水，当波浪处于波谷时，出水腔单向导流栅4被内外压力差打开单向出水。

接下来请参阅图4，图4为图1去除一侧后的结构示意图。在图4中可以清楚地看到波浪能转换装置换能腔31和出水腔26的单向导流格栅和上下按横向V字型排列。两腔的单向导流格栅和呈一定角度地面面相对，其形成的角度范围可以是大于等于30度至小于180度。进水腔单向导流格栅3安置于出水腔单向导流格栅4的上方。在侧向垂直截面中按横向V字型逐渐靠拢的排列。在水平截面上形成由大变小的倒V字形。这里的V字形是指一种由宽到窄的结构，V字的极窄部并不一定连接。降低由进水舱后壁产生的内部反射波耗能。这种设置通过换能腔31将进水腔27与出水腔26的水轮番交替出入，能够在最小的共用空间中，与外在的海水进行动能交换。同时在设备前方进出水口开口总尺度(包括进水腔和出水腔单向导流格栅)不变的情况下，因为三角的关系，通过导流格栅的截面积可以提高。因此，捕获波浪中更多的动能，改善了效率。此外，该设计还可以降低设备吃水。

图5为图1实施例的纵截面图；在图5中可以看到水涡轮机的结构，在本实施例中，水涡轮机采用定子5与转子6搭配。相对水流方向，定子5设置在转子6的前方，定子5和转子6对水流的迎角相反。这个定子5与转子6搭配优化了转子6的水流入射角，减少水轮机后方水涡的动能损失，从而提高水轮机效率。这样能够更好的将水流中的动能转换成旋转机械能或者扭矩。在高速旋转涡流中，大大提高水轮机效率。实验证明水涡轮机桨轴适当加粗至水涡轮机转子直径的四分之一到二分之一可以有效提高水流旋转动能。

进水腔25的进水腔前部27前宽后窄形成倒V字型的进水结构，将水引入处在水涡轮机上方的一个进水腔后部28。进水腔前部27一个斜侧面与进水腔后部28侧面相切连接使得水流旋转，这个结构最大限度的降低由进水腔后部舱壁产生的反射波，而在水涡轮机上方形成一个旋转水体。因高速旋转涡流具有很大的转动惯量，能有效地降低进水腔后部水体的晃荡，使水能更为稳定，从而提供更为稳定的电力输出。

接下来请参考图6，图6是本发明另一实施例去除顶盖后的结构示意图。在图6的实施例中，几个如图1实施例的波浪能转换装置去除相邻的侧面外壳并排连接形成一组更大的波浪能转换装置，其外观如图7所示。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可以容易实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里展示和描述的图例。

Claims (12)

1.波浪能转换装置，包括外壳，外壳内有进水腔与出水腔，两腔开口上安装单向导流栅；在两水腔之间装有水涡轮机，水涡轮机上方可连永磁发电机主轴；其特征在于，所述的进水腔和出水腔的单向导流栅上下按横向V字型排列，外壳在V字形开口处设有进出水口；所述的进水腔和出水腔以非对称组合，进水腔和出水腔分别有与外壳顶部相连的部分，并于其上设置有排风口。

2.如权利要求1所述的波浪能转换装置，其特征在于进水腔分为进水腔前部和进水腔后部，进水腔前部的横截面是一个四边形，该四边形的较宽底面是外壳面对波浪，进水腔前部的底部设有外高内低倾斜的进水单向导流栅；进水腔后部的横截面为由一段螺旋线围成的平面，该螺旋线与进水腔前部横截面四边形的两个侧边一边相切一边相交，进水腔后部的前端与进水腔前部相通，进水腔后部的底部与进水腔前部的底部相连，进水腔后部的底部设有水涡轮机腔以容纳水涡轮机并与出水腔相通。

3.如权利要求2所述的波浪能转换装置，其特征在于所述的螺旋线是渐开螺旋线，与进水腔前部横截面四边形的侧边相切的是渐开螺旋线的外端，相交的是内端。

4.如权利要求2所述的波浪能转换装置，其特征在于所述的进水腔后部顶部设有通孔使得设置在进水腔后部内的水涡轮机桨轴与外壳上部的永磁发电机相连，水涡轮机的定子和转子与水涡轮机桨轴相连接。

5.如权利要求4所述的波浪能转换装置，其特征在于水涡轮机桨轴外设有水涡轮机轴套，所述的水涡轮机轴套外径为水涡轮机的转子直径的四分之一到二分之一。

6.如权利要求1所述的波浪能转换装置，其特征在于所述的水涡轮机采用定子与转子搭配，相对水流方向，定子设置在转子的前方，定子和转子对水流的迎角相反。

7.如权利要求2所述的波浪能转换装置，其特征在于所述的外壳内除进水腔、换能腔以及水涡轮机腔以外的其余部分形成出水腔，出水腔下部与进水腔的进水腔后部底部通过水涡轮机腔连通。

8.如权利要求7所述的波浪能转换装置，其特征在于所述的出水腔下部设有外低内高倾斜设置的出水腔单向导流栅，其外部下缘与进出水口下端相连，其内部上缘与进水腔下部或底部相连。

9.如权利要求1所述的波浪能转换装置，其特征在于所述的进水腔和出水腔的单向导流栅上下按横向V字型排列，其形成的角度为大于等于30度至小于180度。

10.如权利要求1所述的波浪能转换装置，其特征在于所述的进出水口上设有防污栅栏。

11.如权利要求1所述的波浪能转换装置，其特征在于外壳底部与后侧以圆弧板过渡。

12.如权利要求1所述的波浪能转换装置，其特征在于还可以多台波浪能转换装置相连使用。

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