CN117489517B - 一种共振沉箱式波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种共振沉箱式波浪能发电装置包括共振沉箱单元、波能转换单元、沉降单元；所述共振沉箱单元包括有沉箱箱体，整流罩；所述沉箱箱体侧壁上设置有开口，在沉箱箱体开口两侧对称设置有两个整流罩，一侧固定在沉箱箱体开口一侧，另一侧固定在沉箱箱体侧壁上，在水平面投影呈圆弧状，本发明通过沉箱结构的优化设计，特别是整流罩的设计，可以实现对波浪的放大功能，提高发电功率；另外通过沉箱的拘束，波能转换装置运动的自由度受到大幅度的限制，可以避免波能转换装置在海浪中发生不必要的运动影响发电效率或造成设备损伤；在极端天气下，可以以主动带动浮子下沉同时将箱口关闭，可以很大程度上避免装置的损毁。

Description

一种共振沉箱式波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及波浪发电设备技术领域，具体为一种共振沉箱式波浪能发电装置。

背景技术

共振沉箱式波浪能发电装置是一种利用海浪能转化为电能的设备，通过沉箱的特殊设计使得装置在海浪的作用下产生共振效应，从而提高能量转化效率。沉箱的主要功能是放大波浪，利用港池共振效应来提高波浪能密度，当共振沉箱放大波浪后，波能转换装置便可从中将更多的波浪能转换为电能，以此改善某些海域低波能密度不足的问题。另外由于波能转换装置设置在共振沉箱內部，可受到共振沉箱的保护，减少其可能受到的外部损坏

如何提高沉箱最大化通过共振提高能力转化效率是相关研究的关键，也是产品设计中的难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种共振沉箱式波浪能发电装置，以解决现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种共振沉箱式波浪能发电装置包括共振沉箱单元、波能转换单元；所述共振沉箱单元包括有沉箱箱体，整流罩、箱底盖板、箱顶密封结构；所述波能转换单元设置在沉箱箱体内部；所述沉箱箱体为管状结构，箱体侧壁上设置有开口，所述开口的圆心角为60°-90°，箱底盖板设置在沉箱箱体底部，箱顶密封结构设置在箱顶围板上部开口处，用以封闭沉箱箱体上下开口；在沉箱箱体开口两侧对称设置有两个整流罩，所述整流罩包括有整流罩壁，封板，所述整流罩壁高度同沉箱箱体高度一致，一侧固定在沉箱箱体开口一侧，另一侧固定在沉箱箱体侧壁上，在水平面投影呈圆弧状，所述整流罩壁形成圆弧状结构的半径为沉箱箱体半径的30％—60％，所述封板设置在整流罩壁上下两端，将整流罩壁同沉箱箱体之间的空间封闭。

进一步的，所述共振沉箱单元还包括有环形箱门组件；所述环形箱门组件可活动的设置在沉箱箱体的开口处。

进一步的，所述环形箱门组件包括门板、箱门轨道、驱动结构，所述门板为弧形板材，为一个或两个，箱门轨道设置在所述箱底盖板和箱顶密封结构相对的侧面；在所述门板外侧壁设置有至少一个胶柱；所述驱动结构包括有驱动电机、滚柱，所述滚柱为轴状结构，竖向布置，上下同门板可转动连接，上下布置的齿轮，在沉箱内壁相应位置设置有齿槽；所述驱动电机设置在滚柱上方，同滚柱连接。

进一步的，所述沉箱箱体11的内径为(0.40～0.55)/k，其中k为装置使用海域波浪波数的均值。

进一步的，所述整流罩的封板上设置有开合的阀门口。

进一步的，所述波能转换单元包括有浮子组件、传动组件、发电组件；所述浮子组件包括有内浮子、抗扭壳，所述抗扭壳为空心圆柱结构，底部设置有底板，底板中央设置有通孔，在所述底板的通孔处设置有过滤网，所述抗扭壳外径小于沉箱内径，所述内浮子为实心圆柱结构，所述内浮子设置在所述抗扭壳内部空腔内，在所述内浮子侧壁和所述抗扭壳内壁之间设置有空隙，在空隙内设置有球形滚珠串。

进一步的，在所述抗扭壳上部设置有抗扭壳上封板，所述抗扭壳上封板中央设置有通孔，通孔尺寸略小于内浮子外径。

进一步的，所述传动组件包括有液压传动部、齿轮传动部；所述液压传动部包括浮子连杆、主液压缸，所述浮子连杆底部同内浮子上表面固定连接，顶部同主液压缸缸体底部连接，所述主液压缸的活塞杆同竖向布置的齿条固定连接，主液压缸纵向运动会带动齿条纵向往复运动；在主液压缸和浮子连杆之间设置有缓冲弹簧垫圈；齿轮传动部包括有齿条、齿轮传动组，齿轮传动组包括有主齿轮、副齿轮，其中主齿轮与齿条啮合，副齿轮与主齿轮啮合，副齿轮中央同发电组件的发电机输入轴连接；所述主齿轮、副齿轮的转动轴可转动的连接到沉箱单元。

进一步的，所述波能转换单元的浮子组件、传动组件、发电组件可以为一组也可以为多组。

进一步的，所述共振沉箱式波浪能发电装置还包括有沉降单元，所述沉降单元包括有沉降电机；所述沉降电机输出轴同主齿轮连接。

本发明通过沉箱结构的优化设计，特别是整流罩的设计，可以实现对波浪的放大功能，提高发电功率；另外通过沉箱的拘束，波能转换装置运动的自由度受到大幅度的限制，可以避免波能转换装置在海浪中发生不必要的运动影响发电效率或造成设备损伤；在极端天气下，可以以主动带动浮子下沉同时将箱口关闭，可以很大程度上避免装置的损毁。

附图说明

图1是本发明整体方案示意图

图2是本发明一种实施例的共振沉箱单元立体示意图

图3是本发明一种实施例的共振沉箱单元的沉箱箱体立体示意图

图4是沉箱箱体结构模型示意图

图5是本申请沉箱箱体结构波浪增幅数据分析图

图6是本发明共振沉箱单元的环形箱门组件示意图

图7是本发明共振沉箱单元的环形箱门组件另一角度示意图

图8是本发明一种实施例的波能转换单元示意图

图9是本发明一种实施例的浮子组件示意图

图10是本发明一种实施例的传动组件、发电组件、沉降组件示意图

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。

如附图1-10所示，本发明所涉及的一种共振沉箱式波浪能发电装置包括共振沉箱单元1、波能转换单元2、沉降单元3

如附图1-10所示，所述共振沉箱单元1包括有沉箱箱体11，整流罩12、箱底盖板13、箱顶密封结构14、环形箱门组件15。

所述沉箱箱体11为管状结构，箱体侧壁上设置有开口111，所述开口的圆心角为60°-90°。箱底盖板13设置在沉箱箱体11底部，箱顶密封结构14设置在箱顶围板14上部开口处，用以封闭沉箱箱体11上下开口。

更进一步的，所述沉箱箱体11的内径为(0.40～0.55)/k，其中k为装置使用海域波浪波数的均值，k值多数在0.03～0.07。例如某海域的海浪周期在11s居多时(即k约为0.05)，此时的沉箱内径应取0.40/0.05<r<0.55/0.05，即沉箱半径需在8m～11m之间。

在开口两侧对称设置有两个整流罩12，所述整流罩12包括有整流罩壁121，封板122，所述整流罩壁121高度同沉箱箱体11高度一致，一侧固定在沉箱箱体开口一侧，另一侧固定在沉箱箱体侧壁上，在水平面投影呈圆弧状，所述整流罩壁121形成圆弧状结构的半径为沉箱箱体11半径的30％—60％_，优选为50％；所述整流罩壁121的圆心角为120-260度；所述封板122设置在整流罩壁121上下两端，将整流罩壁121同沉箱箱体11之间的空间封闭。所述封板122上设置有开合的阀门口122a，可以根据需要向将整流罩壁121同沉箱箱体11之间内空间经管道泵入或吸出海水，由此实现对整体结构在水平高度的调节，以获得更好的发电效率，另外在某些极端天气下还可以将装置整体沉入水下，降低受到损害的风险。

通过数值仿真和具体实验，验证本申请所述涉及的沉箱结构具有优异的波浪放大功能，可以提高波浪能输入的方式提高发电功率。具体验证方法如下：

附图4所示的两种不同沉箱结构，一种是含有整流罩的，一种是不含有整流罩的。在该验证中，沉箱所处海况为水深(h)12.19m；平均波高(H)2.43m、波浪周期(T)9s～20s。采用利用StarCCM+创建波浪水池，进行网格划分并创建沉箱与海浪作用的物理模型，模拟计算可以得到沉箱内部波浪增幅情况。

附图5所示为沉箱中心点处的波浪增幅，该案例以波浪周期T＝11s，沉箱开口60°为例。最内侧曲线为无沉箱时的波浪曲线；中间曲线为无整流罩沉箱内部的波浪曲线；外侧曲线为有整流罩沉箱内部的波浪曲线。可以看出，沉箱的作用会给波浪带来放大效果，有整流罩沉箱的波浪放大作用要优于无整流罩沉箱。当波浪稳定后，测出不同周期下沉箱内部的平均波高S，S与初始波高H的比值即放大系数，放大系数可以量化沉箱的波浪放大效果。以沉箱开口60°为例，在不同的波浪周期下，无整流罩沉箱和有整流罩沉箱的放大系数R均大于1，说明在不同波浪周期下，该沉箱结构均可以放大波浪，在波浪周期T＝11s下的波浪放大效果最佳，且有整流罩沉箱的放大效果要优于无整流罩沉箱。

如附图6、7所示，环形箱门组件15可活动的设置在沉箱箱体11的开口111处，包括门板151，所述门板151为弧形板材，可以为一个或两个，附图所示为两个，通过移动门板151可以实现对沉箱箱体11开口111的打开和关闭。

在所述箱底盖板13和箱顶密封结构14相对的侧面设置有箱门轨道155，所述箱门轨道155可以为所述箱底盖板13和箱顶密封结构14表面边缘的有至少一道环形凸起，所述环形凸起131可以为两道，也可以为一道。当为一道时，环形凸起131同沉箱箱体11内壁构成环形箱门运动的下部轨道。还可以为多个圆周阵列固定在所述箱底盖板13和箱顶密封结构14表面的限位凸起。在门板151面向门板151的侧面还可以设置有多个圆周分布的滚轮151a。

为提高门板151的密封作用，在所述门板151外侧壁设置有至少一个胶柱152，用于封闭门板151外侧壁同沉箱箱体11内壁之间存在空隙，附图中设置有两个胶柱152。

环形箱门组件15还设置有驱动结构，包括有驱动电机153、滚柱154，所述滚柱154为轴状结构，竖向布置，上下同门板151可转动连接，上下布置的齿轮，在沉箱内壁相应位置设置有齿槽；所述驱动电机153设置在滚柱154上方，同滚柱154连接，可以带动滚柱154转动，通过齿轮同齿槽咬合实现移动，实现门板151的开闭。所述环形箱门组件15的驱动结构还可以为其他领域内常用的驱动方式。

如附图8、9、10所示，所述波能转换单元2设置在沉箱箱体11内部，用于发电，包括有浮子组件21、传动组件22、发电组件23。

在波浪的作用下，浮子组件21纵向运动，带动传动组件22运动，进而连接发电组件23实现发电功能。

所述浮子组件21包括有内浮子211、抗扭壳212。所述抗扭壳212为空心圆柱结构，底部设置有底板2120，底板中央设置有通孔k，所述抗扭壳212外径小于沉箱内径，为避免水草等杂物进入，在所述底板的通孔处设置有过滤网k1。

所述内浮子211为实心圆柱结构，所述内浮子211设置在所述抗扭壳212内部空腔内。在所述内浮子211侧壁和所述抗扭壳212内壁之间设置有空隙，在空隙内设置有球形滚珠串213。

未避免内浮子211和球形滚珠串213从抗扭壳212内脱出，在所述抗扭壳212上部设置有抗扭壳上封板2121，所述抗扭壳上封板2121中央设置有通孔，通孔尺寸略小于内浮子211外径。

波浪冲击抗扭壳212，抗扭壳可与内浮子发生相对转动、轴向远动，从而吸收波浪对浮子产生的扭矩，减少传动结构受力，避免装置结构被破坏。

所述传动组件22包括有液压传动部221、齿轮传动部222。

所述液压传动部221包括浮子连杆2211、主液压缸2212，所述浮子连杆2211底部同内浮子211上表面固定连接，顶部同主液压缸2212缸体底部连接，在波浪作用下，内浮子211纵向运动通过浮子连杆2211带动主液压缸2212纵向运动。

主液压缸2212的作用为缓冲，减缓浮子的突然受力对波能转换系统造成的冲击，能够起到保护装置的同时，确保整个发电装置有着稳定的功率输出，而不会忽高忽低。

所述主液压缸2212的活塞杆同竖向布置的齿条2221固定连接，主液压缸2212纵向运动会带动齿条纵向往复运动。

在所述主液压缸2212活塞杆顶部设置有防撞球z1，在所述防撞球z1和活塞杆顶部、主液压缸2212和浮子连杆2211之间设置有缓冲弹簧垫圈z2，通过缓冲弹簧垫圈z2可以控制主液压缸2212的运动幅度。

齿轮传动部222包括有齿条2221、齿轮传动组2222，附图齿轮传动组2222包括有两个齿轮，分别为主齿轮c1、副齿轮c2，齿轮传动组2222的主齿轮c1与齿条2221啮合，副齿轮c2与主齿轮c1啮合，在传动时，齿条2221纵向运动带动主齿轮c1转动，主齿轮c1带动副齿轮c2，副齿轮c2中央同发电组件23的发电机输入轴连接，带动发电机动作，实现发电。

所述波能转换单元2的浮子组件21、传动组件22、发电组件23可以为一组也可以为多组，附图所示为两组，对称的设置在内浮子211上。

所述沉降单元3包括有沉降电机31；所述沉降电机31输出轴同主齿轮c1连接动。在台风天气或其他恶劣海况时，沉降电机31启动，带动主齿轮c1转动，齿条2221下移，进而带动浮子下沉到海底，防止装置结构被海浪破坏。

所述主齿轮c1、副齿轮c2的转动轴可转动的连接到沉箱单元1，可以直接连接到沉箱单元1的沉箱箱体11内壁，也可以通过支架，如附图所示支架z3连接。

在适宜海况下，箱门结构的滚柱在电机驱动下转动以齿轮啮合传动的方式推动箱门沿凹槽轨道运动，打开箱门，波浪传递至沉箱内，将传入沉箱内部的波浪放大；随着波浪的传递，浮子受到波浪的影响纵向运动，抗扭壳与内浮子沿浮子轴向发生相对转动，抵抗扭矩，防止浮子被破坏；浮子运动带动液压杆运动进而带动齿轮条移动、主副齿轮转动，驱动机箱连杆转动进而使得发电机内部转子转动，实现发电功能。

在恶劣海况下，发电机内部线圈断电；沉降电机启动，带动主齿轮反方向转动，齿轮条和液压杆下移，使得浮子下沉；箱门在电机的驱动下反方向转动，推动箱门关闭，将浮子封闭在沉箱内部，保护装置结构。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”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；可以是直接相连，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发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种共振沉箱式波浪能发电装置，其特征在于，包括共振沉箱单元、波能转换单元；所述共振沉箱单元包括有沉箱箱体，整流罩、箱底盖板、箱顶密封结构；所述波能转换单元设置在沉箱箱体内部；所述沉箱箱体为管状结构，箱体侧壁上设置有开口，所述开口的圆心角为60°-90°，箱底盖板设置在沉箱箱体底部，箱顶密封结构设置在箱顶围板上部开口处，用以封闭沉箱箱体上下开口；在沉箱箱体开口两侧对称设置有两个整流罩，所述整流罩包括有整流罩壁，封板，所述整流罩壁高度同沉箱箱体高度一致，一侧固定在沉箱箱体开口一侧，另一侧固定在沉箱箱体侧壁上，在水平面投影呈圆弧状，所述整流罩壁形成圆弧状结构的半径为沉箱箱体半径的30％—60％_，所述封板设置在整流罩壁上下两端，将整流罩壁同沉箱箱体之间的空间封闭。

2.根据权利要求1所述一种共振沉箱式波浪能发电装置，其特征在于，所述共振沉箱单元还包括有环形箱门组件；所述环形箱门组件可活动的设置在沉箱箱体的开口处。

3.根据权利要求2所述一种共振沉箱式波浪能发电装置，其特征在于，所述环形箱门组件包括门板、箱门轨道、驱动结构，所述门板为弧形板材，为一个或两个，箱门轨道设置在所述箱底盖板和箱顶密封结构相对的侧面；在所述门板外侧壁设置有至少一个胶柱；所述驱动结构包括有驱动电机、滚柱，所述滚柱为轴状结构，竖向布置，上下同门板可转动连接，上下布置的齿轮，在沉箱内壁相应位置设置有齿槽；所述驱动电机设置在滚柱上方，同滚柱连接。

4.根据权利要求1所述一种共振沉箱式波浪能发电装置，其特征在于，所述沉箱箱体的内径为(0.40～0.55)/k，其中k为装置使用海域波浪波数的均值。

5.根据权利要求1所述一种共振沉箱式波浪能发电装置，其特征在于，所述整流罩的封板上设置有开合的阀门口。

6.根据权利要求1所述一种共振沉箱式波浪能发电装置，其特征在于，所述波能转换单元包括有浮子组件、传动组件、发电组件；所述浮子组件包括有内浮子、抗扭壳，所述抗扭壳为空心圆柱结构，底部设置有底板，底板中央设置有通孔，在所述底板的通孔处设置有过滤网，所述抗扭壳外径小于沉箱内径，所述内浮子为实心圆柱结构，所述内浮子设置在所述抗扭壳内部空腔内，在所述内浮子侧壁和所述抗扭壳内壁之间设置有空隙，在空隙内设置有球形滚珠串。

7.根据权利要求6所述一种共振沉箱式波浪能发电装置，其特征在于，在所述抗扭壳上部设置有抗扭壳上封板，所述抗扭壳上封板中央设置有通孔，通孔尺寸略小于内浮子外径。

8.根据权利要求6所述一种共振沉箱式波浪能发电装置，其特征在于，所述传动组件包括有液压传动部、齿轮传动部；所述液压传动部包括浮子连杆、主液压缸，所述浮子连杆底部同内浮子上表面固定连接，顶部同主液压缸缸体底部连接，所述主液压缸的活塞杆同竖向布置的齿条固定连接，主液压缸纵向运动会带动齿条纵向往复运动；在主液压缸和浮子连杆之间设置有缓冲弹簧垫圈；齿轮传动部包括有齿条、齿轮传动组，齿轮传动组包括有主齿轮、副齿轮，其中主齿轮与齿条啮合，副齿轮与主齿轮啮合，副齿轮中央同发电组件的发电机输入轴连接；所述主齿轮、副齿轮的转动轴可转动的连接到沉箱单元。

9.根据权利要求8所述一种共振沉箱式波浪能发电装置，其特征在于，所述波能转换单元的浮子组件、传动组件、发电组件可以为一组也可以为多组。

10.根据权利要求1所述一种共振沉箱式波浪能发电装置，其特征在于，所述共振沉箱式波浪能发电装置还包括有沉降单元，所述沉降单元包括有沉降电机；

所述沉降电机输出轴同主齿轮连接。