CN116085177A - 防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于波浪能发电装置技术领域，具体公开了一种防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，包括依次连接的气室、旋转弯头和导流管导流管内设置导轨、往复推板和透平。该波能转换装置，其导流管水平设置、导流管内设置往复推板，巧妙地将气室内的液位升沉转化为导流管内往复推板的相对往复运动，在波浪能转化气压能的情况下再次转化为往复推板的机械能，再通过推板的往复运动将其机械能转化为气压能，最后通过透平发电将其转化为电能。本发明的波能转换装置在发电过程中，气流交换过程变慢，气流相对稳定；解决了“高能量的波浪导致气室内气体交换过快造成透平转速较高引起发电机过载损毁”的技术问题。

Description

防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及一种振荡水柱式波浪能发电装置，属于波浪能发电装置技术领域。

背景技术

随着科学技术的不断进步，社会和经济的快速发展，现有的能源结构作为人类赖以生存的物质基础已经远远不适应现今的发展速度。传统的化石能源的储量问题和对环境产生的负面影响都引起了人类的重视，发展清洁的可再生能源是解决这一问题的重要措施。海洋能是海洋中的清洁能源，波浪能是海洋能的其中一部分，其储量巨大，易获得且清洁无污染。近些年来，波浪能日益成为国内外科学家关注和研究的重点。

波浪能装置从技术原理上主要是分为了振荡水柱式、越浪式和振荡体式三种。振荡水柱式波浪能发电装置通常依靠装置内部的液面升沉来获取波浪能，该种类波浪能装置研究起步较早且较为成熟，与其他形式的发电装置相比该装置发电原理较为简单，结构坚固耐用，并且发电装置都在水面以上，未与海水有直接接触，因此保养维护方便。

目前大部分的振荡水柱式波浪能发电装置大多集中于近岸，且大多与防波堤相结合。由于近岸的波浪衰减较严重，其蕴含的能量已有下降，因此近岸式振荡水柱式波浪能发电装置的发电效率普遍较低。发展深远海的漂浮式波浪能发电装置能够利用能量较为集中的波浪提高发电效率，与浮标相结合能够解决浮标供电稳定性的问题。但是，由于深远海的波浪一般能量较高，导致安装于浮标的振荡水柱式波浪能发电装置的电机容易损毁。

发明内容

本发明的目的在于解决现有深远海的安装于浮标的振荡水柱式波浪能发电装置存在的电机容易毁损的技术问题，提供一种能安全布置在浮标上、其电机不容易毁损、能够在深远海的极端海况中持续工作、能将波浪能转化为电能的波浪能发电装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，所述浮标包括主体及设置于主体周围、与主体连接的浮筒，其特征在于，包括：

气室，设置于所述主体下方，其底部开口，其顶部具有出气口；

导流管，其两端开口，水平设置于所述浮筒的上方；所述导流管分为第一段和第二段；

旋转弯头，两端开口，其一端与所述导流管的其中一端连通，其另一端与所述气室的出气口连通；

导轨，水平设置在所述导流管内，位于第一段，与所述导流管静连接；

往复推板，设置在所述导流管内，位于第一段，其边缘与所述导流管内壁密封接触，与所述导轨动连接，能沿所述导轨水平往复运动；

透平，设置在所述导流管内，位于第二段；所述透平在竖直方向上的边缘与所述导流管的内壁密封接触；

其中，所述往复推板水平往返运动产生的气流带动透平发电。

本发明通过研究发现，深远海的安装于浮标的振荡水柱式波浪能发电装置，其电机容易毁损的原因为：一方面，高能量的波浪导致海水容易从气室溢流至透平造成电机锈蚀损毁；另一方面，高能量的波浪导致气室内气体交换过快造成透平转速较高引起发电机过载损毁。

本发明增设导流管、旋转弯头、往复推板和导轨，并将透平设置在导流管内远离气室的一端，从而将进入气室的波浪与透平隔离开来，解决了“海水容易从气室溢流至透平造成电机锈蚀损毁”的技术问题。具体来说，首先，导流管和旋转弯头的设置，延长了透平与气室之间的距离，使得波浪难以到达透平；其次，旋转弯头和水平设置的导流管，改变了通道的方向，使得波浪难以到达透平；再次，导流管中设置的往复推板将透平与气室隔离开来，使得进入气室的波浪无法通过往复推板，进而无法接触透平。

本发明的波能转换装置，其导流管水平设置、导流管内设置往复推板，巧妙地将气室内的液位升沉转化为导流管内往复推板的相对往复运动，在波浪能转化气压能的情况下再次转化为往复推板的机械能，再通过推板的往复运动将其机械能转化为气压能，即，是将捕获的波浪能通过往复推板的传递转化为可利用的气压能，最后通过透平发电将其转化为电能。与现有技术中气室内的气流直接作用于透平的波能转换装置相比，本发明的波能转换装置在发电过程中，气流交换过程变慢，气流相对稳定；解决了“高能量的波浪导致气室内气体交换过快造成透平转速较高引起发电机过载损毁”的技术问题。

根据本发明公开的一些实施例，所述导流管，其位于第一段的一端位于所述气室的上方、与所述气室静连接，其位于第二段的一端位于所述浮筒的上方、与所述浮筒静连接。

根据本发明公开的一些实施例，包括弹簧，所述弹簧套设于所述导轨，所述弹簧沿水平方向伸缩。弹簧能够帮助往复推板做往复运动，保证推板能够及时归位，进一步防止气流交换过快。具体的，所述弹簧可以分布于所述往复推板的水平方向的两侧。更为具体的，所述往复推板可以位于所述导轨的中间位置，位于所述往复推板的水平方向的两侧的弹簧的长度相等。

根据本发明公开的一些实施例，包括限位装置，所限位装置设置于所述导轨的水平方向的两端。限位装置能够保证往复推板在限定的区域内运动，达到控制导流管内气体流量的目的，进而防止电机因气体通过较多造成过载损坏。

根据本发明公开的一些实施例，所述往复推板开设有水平通孔，所述通孔的形状、尺寸与所述导轨的截面的形状、尺寸相匹配；所述导轨穿过所述通孔。

根据本发明公开的一些实施例，所述导轨的数量可以为一个或者两个以上。为了防止所述往复推板在沿导轨进行水平往返运动时发生倾斜，优选的，所述导轨的数量为三个以上；考虑到实施复杂程度，所述导轨的数量可以为四个。

根据本发明公开的一些实施例，所述导轨为圆杆形状；所述导轨的表面与所述通孔内壁接触。

根据本发明公开的一些实施例，所述透平为冲击式透平。相比其他类型的透平，冲击式透平能够适应多种气流条件，发电效率较高。

根据本发明公开的一些实施例，包括管夹，所述管夹包括有孔板体、支脚；

所述有孔板体，竖向设置，其底端与所述气室或所述浮筒静连接；所述有孔板体上开设有水平固定孔，所述固定孔的形状、尺寸与所述导流管截面的形状、尺寸匹配；所述导流管穿过所述固定孔；

所述支脚设置于所述有孔板体的底端、与所述气室或所述浮筒静连接。

根据本发明公开的一些实施例，包括电池模块；所述电池模块与所述透平的输出电接口电连接。

本发明的有益效果是：

本发明提供的波浪能发电装置，利用往复推板促使透平发电，与其他振荡水柱发电装置相比具有较高的可靠性和稳定性，能够有效利用海洋波浪能，实现了能量捕获，提高了装置生存能力。

往复推板能够阻隔气室中产生的高盐度水汽，且能够保证在极端海况发生时上涌之导流管内的海水不侵入透平，能够在保证透平装置的发电连续性和降低装置维护费用。

能利用气室吸收不同方向的深远海波浪能，浮标的垂荡、横荡、横摇和纵摇多个运动方式与波浪产生的液位相对变化都能够通过导流管与往复推板相互作用形成往复运动，从而带动透平发电。充分利用各个方向上的波浪能，提高波浪能利用率，从而达到实现高效发电的目的。

安装于浮标上，可为浮标中的观测装置和卫星定位收发装置等低功率电器持续供电；适合于不同型号的浮标，包括但不仅限于浮标的深远海浮式平台；适合于各种极端海况区域。

本发明的波浪能发电装置，结构简单可靠，易于维护，建造和维修成本低，同时极端海况下生存能力较强，能获得较大的经济收益。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的旋转弯头的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的引流管的内部结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的冲击式透平的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的导流管与气室的连接结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的导流管与浮标浮筒的连接结构示意图；

其中，100.浮标、101-1.第一浮筒、101-2.第二浮筒、101-3.第三浮筒、101-4.第四浮筒、102.主体、103-1.第一浮筒配重块、103-2.第二浮筒配重块、103-3.第四浮筒配重块、201.气室端管夹、201-1.气室端有孔板体、201-2.气室端支脚、202.透平端管夹、202-1.透平端有孔板体、202-2.透平端支脚、300.导流管、301.气室、302.电池模块、303.旋转弯头、303-1.垂直段、303-2.第一弯曲段、303-3.水平段、303-4.第二弯曲段、304.往复推板、305.透平、305-1.前侧轮毂、305-2.前侧导流叶片、305-3.动叶片、305-4.后侧导流叶片、305-5.后侧轮毂、306-1.第一导轨、306-2.第二导轨、306-3.第三导轨、306-4.第四导轨、307-1.第一限位装置、307-2.第二限位装置、307-3.第三限位装置、307-4.第四限位装置、308-1.第五限位装置、308-2.第六限位装置、308-3.第七限位装置、308-4.第八限位装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

用于安装波浪能发电装置的浮标100可以采用现有任意一种浮标100，通常包括主体102及浮筒；浮筒设置于主体102周围、与主体102连接；浮筒下部位于海水中，浮筒的上部位于海水之上，主体102位于海水之上。具体的，可以如图1所示，浮标100包括一个主体102及四个浮筒；四个浮筒围绕主体102均匀分布，四个浮筒（第一浮筒101-1、第二浮筒101-2、第三浮筒101-3、第四浮筒101-4）通过多处桁架与主体102连接。

一种防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，包括：气室301、导流管300、旋转弯头303、导轨、往复推板304和透平305。

气室301设置于浮标100主体102的下方，其底部开口，其顶部具有出气口；气室301的底部位于海水之下。气室301可以为呈筒状、竖向设置。气室301可以设置在浮标100主体102的正下方，与浮标100主体102静连接。气室301的出气口可以位于气室301的顶部。具体的，可以如图1所示，气室301为内径大于浮标100主体102外径的圆筒，竖向设置，其顶部密封，顶表面为平面；其出气口位于气室301顶表面凸出于浮标100主体102的位置。

导流管300，两端开口。为了方便描述，将导流管300分为两段，第一段和第二段。如图2所示，导流管300的右边部分为第一段，导流管300的左边部分为第二段。导流管300为等内径圆管状结构。导流管300的粗细程度以能够安装透平305为宜。

导流管300水平设置于浮筒的上方。具体的，导流管300的位于第二段的一端位于浮筒的上方，导流管300的第一段朝向出气口方向延伸，位于第一段的一端可以位于气室301的上方。导流管300与浮筒之间为静连接，具体的，可以是可拆卸连接。导流管300与气室301静连接，具体的，可以是可拆卸连接。

导流管300与浮筒之间、导流管300与气室301之间，可以直接连接，也可以采用连接件连接。具体的，可以如图1、5、6所示，采用气室端管夹201和透平端管夹202作为连接件。气室端管夹201包括气室端有孔板体201-1、气室端支脚201-2；气室端有孔板体201-1，竖向设置，其底端与气室301静连接；气室端有孔板体201-1上开设有水平固定孔，固定孔的形状、尺寸与导流管300截面的形状、尺寸匹配；导流管300穿过固定孔；气室端支脚201-2设置于气室端有孔板体201-1的底端、与气室301静连接。具体的，还可以在气室端有孔板体201-1底部开有与桁架相对应的孔洞辅以多个气室端支脚201-2用以固定于气室301之上。与之相同，透平端管夹202包括透平端有孔板体202-1和透平端支脚202-2，透平端管夹202和第三浮筒101-3静连接。

旋转弯头303，两端开口，其一端与导流管300的开口端连通，其另一端与气室301的出气口连通。旋转弯头303为管状结构，其一端开口向下，其另一端开口为水平开口。由于导流管300的开口为水平开口、气室301的出气口竖直向上，两者的开口方向不一致；所以，旋转弯头303的作用是将气室301的出气口与导流管300的开口连通。旋转弯头303可以为一体成型结构，也可以由多段管状结构组装而成。具体的，旋转弯头303的结构，可以如图2所示，由垂直段303-1、第一弯曲段303-2、水平段303-3和第二弯曲段303-4依次连接而成。

往复推板304，设置在导流管300内，位于第一段，其边缘与导流管300内壁密封接触，能水平往复运动。往复推板304可以采用为有机材质，使其具有质量较轻且耐腐蚀的特点。当导流管300为圆管时，往复推板304为圆形板状结构。往复推板304的四周边缘与导流管300内壁之间没有缝隙，使得位于往复推板304一侧的空气或海水不能通过往复推板304与导流管300内壁之间的连接位置进入往复推板304的另一侧，即往复推板304将导流管300分隔为两个密闭空间。同时，往复推板304与导流管300内壁之间是动连接，以保证往复推板304能水平往复运动。具体的，可以如图3所示。

导轨，水平设置在导流管300内，位于第一段，与导流管300静连接；往复推板304与导轨动连接，往复推板304能沿导轨水平往复运动。导轨的作用在于限制往复推板304只在导流管300的径向方向（水平）上移动，防止往复推板304在做往复运动时有侧翻、卡顿的问题。具体的，导轨的数量可以为四个，如图3所示，分别为第一导轨306-1、第二导轨306-2、第三导轨306-3和第四导轨306-4。

导轨可以采用现有任意一种导轨，往复推板304上设置有与导轨相匹配的结构，以实现往复推板304沿导轨水平运动。具体的，可以如图3所示，采用杆状结构作为导轨，此时，往复推板304开设有水平通孔，通孔的形状、尺寸与导轨的截面的形状、尺寸相匹配；导轨穿过往复推板304的通孔，导轨的表面与通孔内壁接触。当导轨采用圆杆形状；此时，往复推板304的通孔为圆形孔。导轨可以为不锈钢耐腐蚀圆杆件。

可以在导轨上套设弹簧，弹簧沿水平方向伸缩，以帮助往复推板304回位。具体的，可以在一个导轨上设置两个弹簧，两个弹簧分布于往复推板304的水平方向的两侧。更为具体的，如图3所示，往复推板304位于导轨的水平方向的中间位置。弹簧的弹性系数可通过当地海域的波浪条件能够在气室301中产生的气流条件选择不同的弹簧以适应往复推板304的运动。

可以在导轨的水平方向的两端设置限位装置。限位装置可以为块体结构的限位块。限位装置可以采用橡胶材质，具有耐腐蚀和冲击的特点。当导轨的数量为四个时，每个导轨的两端均设置限位装置。具体的，可以如图3所示，设置八个限位装置，分别为：第一限位装置307-1、第二限位装置307-2、第三限位装置307-3、第四限位装置307-4、第五限位装置308-1、第六限位装置308-2、第七限位装置308-3、第八限位装置308-4。

透平305，设置在导流管300内，位于第二段。透平305设置在靠近导流管300密封端的一侧。可以采用现有任意一种透平305。具体的，可以如图3、4所示，采用冲击式透平305；冲击式透平305，依次包括前侧轮毂305-1、前侧导流叶片305-2、动叶片305-3、后侧导流叶片305-4以及后侧轮毂305-5。相对更加靠近往复推板304的轮毂为前侧轮毂305-1。

电池模块302与透平305的输出电接口电连接。导流管300中的密封端开设有能使电线通过的空洞。电线一端连接透平305的输出电接口另一端连接电池模块302。透平305发电机发出的电经过电池模块302中的整流模块存储于电池之中，可以供浮标100上电子设备使用。

可以在浮标100上设置与浮筒数量相等的防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，也可以在浮标100的其中一个浮筒上设置防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的导流管300。当在浮标100的其中一个浮筒上设置防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的导流管300、且浮标100的浮筒的数量为两个以上时，可以在没有设置防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的浮筒上设置配重块，以保证整个浮标100系统的平衡。具体的，可以如图1所示，当浮标100包括四个浮筒时，在第三浮筒101-3上设置防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的导流管300，可以在第一浮筒101-1、第二浮筒101-2和第四浮筒101-4上对应设置第一浮筒配重块103-1、第二浮筒配重块103-2和第四浮筒配重块103-3。

防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置的工作过程：气室301中的液面在波浪以及浮标100运动的情况下产生液面的升沉，气室301内原有的空气在液面的升沉运动下被推动，通过旋转弯头303将气室301内受迫的气体导入导流管300内、往复推板304的右侧。在气室301内的液面升沉运动的推动下，进入导流管300的气体在导流管300内、往复推板304右侧形成前后移动的气流，导流管300内、往复推板304右侧的气流进而推动往复推板304进行前后侧的往复移动，往复推板304的前后侧移动的频率大体上与气室301内气体的升沉频率相关。往复推板304在导流管300的径向方向上往返移动，导流管300内、往复推板304左侧（透平305侧）的气体在往复推板304的冲击下与外部气体产生交换，气体交换时产生的气体流动将推动透平305进行发电工作。气流从导流管300内向外时，气流通过前侧导流叶片305-2、后侧导流叶片305-4对动叶片305-3进行冲击使得动叶片305-3进行旋转，动叶片305-3带动后侧轮毂305-5，后侧轮毂305-5中放置有发电机，进而完成发电工作。气流换向后，气流从导流管300外向内流动时，气流首先通过后侧轮毂305-5、再通过动叶片305-3最后经过前侧导流叶片305-2，发电过程相同，只有气流换向，动叶片305-3始终沿着一个方向旋转。后侧轮毂305-5中的发电机发出的三相交流电经过电池模块302中的整流模块存储于电池之中。电池之中的电可以供浮标100上电子设备使用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，所述浮标包括主体及设置于主体周围、与主体连接的浮筒，其特征在于，包括：

气室，设置于所述主体下方，其底部开口，其顶部具有出气口；

导流管，其两端开口，水平设置于所述浮筒的上方；所述导流管分为第一段和第二段；

旋转弯头，两端开口，其一端与所述导流管的其中一端连通，其另一端与所述气室的出气口连通；

导轨，水平设置在所述导流管内，位于第一段，与所述导流管静连接；

往复推板，设置在所述导流管内，位于第一段，其边缘与所述导流管内壁密封接触，与所述导轨动连接，能沿所述导轨水平往复运动；

透平，设置在所述导流管内，位于第二段；所述透平在竖直方向上的边缘与所述导流管的内壁密封接触；

其中，所述往复推板水平往返运动产生的气流带动透平发电。

2.根据权利要求1所述的防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，其特征在于，所述导流管，其位于第一段的一端位于所述气室的上方、与所述气室静连接，其位于第二段的一端位于所述浮筒的上方、与所述浮筒静连接。

3.根据权利要求1所述的防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，其特征在于，包括弹簧，所述弹簧套设于所述导轨，所述弹簧沿水平方向伸缩。

4.根据权利要求3所述的防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，其特征在于，所述弹簧分布于所述往复推板的水平方向的两侧。

5.根据权利要求1所述的防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，其特征在于，包括限位装置，所限位装置设置于所述导轨的水平方向的两端。

6.根据权利要求1所述的防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，其特征在于，所述往复推板开设有水平通孔，所述通孔的形状、尺寸与所述导轨的截面的形状、尺寸相匹配；所述导轨穿过所述通孔，所述导轨的表面与所述通孔内壁接触。

7.根据权利要求1所述的防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，其特征在于，所述导轨的数量为四个。

8.根据权利要求1所述的防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，其特征在于，所述导轨为圆杆形状。

9.根据权利要求1所述的防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，其特征在于，所述透平为冲击式透平。

10.根据权利要求1所述的防浪涌的浮标用振荡水柱式的波浪能发电装置，其特征在于，包括气室端管夹，所述气室端管夹包括气室端有孔板体、气室端支脚；

所述气室端有孔板体，竖向设置，其底端与所述气室静连接；所述气室端有孔板体上开设有水平固定孔，所述固定孔的形状、尺寸与所述导流管截面的形状、尺寸匹配；所述导流管穿过所述固定孔；

所述气室端支脚设置于所述气室端有孔板体的底端、与所述气室静连接。

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