CN117550017B - 可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置及方法，所述Spar形波浪能发电浮标装置包括空气透平、主浮筒和中心管，所述主浮筒为内部空心且中心设有通孔的环形结构，所述中心管包括从上往下依次连通的主直管、第一尾管和第二尾管，所述主直管通过所述通孔固定嵌套在主浮筒上，所述空气透平固定安装于主直管的上部内，所述第一尾管的上端与主直管的下端固定连接，所述第二尾管活动套设于第一尾管的外侧，所述主浮筒固定有用于驱动第二尾管相对第一尾管上下运动调整位置的升降驱动机构。本发明在采集波浪能过程时，能够通过改变尾管长度来提高波浪能转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及波浪能发电浮标领域，特别涉及一种可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置及方法。
背景技术
波浪能作为一种海洋能源，是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，由大气层的风和海水的重力作用下形成的永不停歇、周期波动的运动，是一种取之不尽用之不竭的海洋可再生能源。
目前，国内外针对Spar形中心管振荡水柱式波浪能发电浮标的研究较多。Spar形中心管波浪能浮筒由一个轴对称的旋转浮体和中间的竖管组成。管的开口端向下浸入水中，在中心管中形成水柱。水柱以上的管道用作气室，顶部安装有空气涡轮发电机。由于浮标是轴对称的，其水动力性能与入射波的方向无关。单柱式浮筒中的浮体直径远小于波长，在入射波的作用下主要做升沉运动。浮筒与水柱之间的相对运动在管道中出现，形成振荡水柱。水柱像活塞一样推动气室中的空气往复运动，往复运动的气流带动空气涡轮旋转，带动电机发电。Spar浮标结构简单，但影响其一次能量转换特性的因素很多，包括浮体的尾管长度、吃水深度、底部形状以及外部空气动力阻尼等。例如，中国发明专利申请公开号CN111874159A提出了一种波浪能发电浮标；中国发明专利申请公开号CN116080825A公开了一种波浪能发电浮标及其工作方法。
然而，现有Spar形浮标尾管长度固定，导致装置中振荡水柱的自然周期固定，无法根据波浪情况调整装置中振荡水柱的自然周期，波能转换效率较低。因此，需要设计一种可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置及方法，在波浪能收集过程中能够根据波浪情况调节尾管长度，提高Spar形浮标的波能转换效率。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置及方法，能够在Spar形浮标采集波浪能过程时，通过改变尾管长度来提高波浪能转换效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置，包括空气透平、主浮筒和中心管，所述主浮筒为内部空心且中心设有通孔的环形结构，所述中心管包括从上往下依次连通的主直管、第一尾管和第二尾管，所述主直管通过所述通孔固定嵌套在主浮筒上，所述空气透平固定安装于主直管的上部内，所述第一尾管的上端与主直管的下端固定连接，所述第二尾管活动套设于第一尾管的外侧，所述主浮筒固定有用于驱动第二尾管相对第一尾管上下运动调整位置的升降驱动机构；
其中，所述升降驱动机构为电动推杆，所述电动推杆的外套管固定在主浮筒的内壁上，所述主浮筒的底部开设有推杆导向孔，所述电动推杆的推杆穿过推杆导向孔后与第二尾管固定连接，所述电动推杆的推杆与推杆导向孔滑动密封配合。
优选地，所述第二尾管的内壁与第一尾管的外壁滑动密封连接。
进一步优选地，所述第一尾管的下端固定有橡胶止水环，所述橡胶止水环与第二尾管的内壁滑动接触。
优选地，所述第一尾管和第二尾管均为上细下粗的喇叭管，所述第二尾管的内径略大于第一尾管的外径。
优选地，所述推杆导向孔内套设有密封用的橡胶垫圈，所述电动推杆的推杆与橡胶垫圈滑动接触。
优选地，所述电动推杆的数量为多个，多个所述电动推杆均匀分布。
优选地，所述主浮筒的外壁固定连接有系泊环。
同时，本发明还提供一种可变尾管长度的波浪能发电方法，采用所述的可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置，包括以下步骤：
S1、设定有功波高的工作范围，下限值为h1，上限值为h2；
S2、由水深测量仪和波浪仪测得的水深、波高、波浪周期，确定最佳波能转换效率对应的尾管长度范围；
S3、计算实际波高值h(i)，并判断h(i)是否在有功波高的工作范围内，若不在，则停止Spar形波浪能发电浮标装置工作；若在，即h1<h(i)<h2，根据设计阶段的实验数据，确定最优波能转换效率对应的尾管长度范围；
S4、通过升降驱动机构驱动第二尾管相对第一尾管上下运动，在最优波能转换效率对应的尾管长度范围内调整第二尾管位置；
S5、实时监测空气透平的发电输出电压信号，并判断发电输出电压信号是否达到峰值，若未达到，则重复步骤S4；若达到，则使升降驱动机构停止工作，以固定第二尾管位置。
优选地，步骤S5中，在固定第二尾管位置后，记录尾管长度、波浪周期、波高和水深信息，为相似海况下寻找最优波能转换效率对应的尾管长度范围提供依据。
本发明具有以下有益效果：针对现有Spar形浮标尾管长度固定，导致装置中振荡水柱的自然周期固定，无法根据波浪情况调整装置中振荡水柱的自然周期，从而导致波能转换效率较低的问题，本发明通过电动推杆调节尾管长度、改变在装置中振荡水柱的自然周期，以应对不同波况，从而保证发电装置获得最优的波能转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，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为本发明实施例的整体结构示意图。
图2为本发明实施例的局部结构示意图。
图3为本发明实施例的流程示意图。
图中标记：1、空气透平，2、中心管，3、主浮筒，4、系泊环，5、升降驱动机构，6、橡胶止水环，21、主直管，22、第一尾管，23、第二尾管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
实施例：如图1~2所示，一种可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置，包括空气透平1、主浮筒3和中心管2，所述主浮筒3为内部空心且中心设有通孔的环形结构（如圆环形结构），所述中心管2包括从上往下依次连通的主直管21、第一尾管22和第二尾管23，所述主直管21通过所述通孔固定嵌套在主浮筒3上，所述空气透平1固定安装于主直管21的上部内，所述第一尾管22的上端与主直管21的下端固定连接，所述第二尾管23活动套设于第一尾管22的外侧，所述主浮筒3固定有用于驱动第二尾管23相对第一尾管22上下运动调整位置的升降驱动机构5。其中，所述主浮筒3为Spar形波浪能发电浮标装置提供浮力。
在本实施例中，为了避免海水经由第一尾管22和第二尾管23的空隙流动而降低波能转换效率，所述第二尾管23的内壁与第一尾管22的外壁滑动密封连接，防止了海水经由第一尾管22和第二尾管23的空隙流动，进而提高了波能转换效率。具体而言，所述第一尾管22的下端可以固定有橡胶止水环6，所述橡胶止水环6与第二尾管23的内壁滑动接触，实现了第二尾管23与第一尾管22之间的滑动密封。
在本实施例中，为了便于海水流进第一尾管22和第二尾管23，所述第一尾管22和第二尾管23均优选为上细下粗的喇叭管，所述第二尾管23的内径略大于第一尾管22的外径，即第二尾管23的内壁与第一尾管22的外壁之间间隙配合，从而便于升降驱动机构5驱动第二尾管23沿第一尾管22上下运动，进行第二尾管23上下位置的调整。其中，所述第一尾管22位于主浮筒3的下方，既可以是主直管21的延长结构，即第一尾管22与主直管21一体制作，也可以是分开制作再固定连接。
在本实施例中，所述升降驱动机构5优选为电动推杆，但不局限于此，只要能够实现往复运动并在指定位置停留的驱动机构即可；所述电动推杆的数量优选为多个（如两个），多个所述电动推杆均匀分布（如左右对称分布），所述电动推杆的外套管固定在主浮筒3的内壁上，所述主浮筒3的底部开设有推杆导向孔，所述电动推杆的推杆穿过推杆导向孔后与第二尾管23固定连接。其中，所述电动推杆的推杆从主浮筒3内伸出的长度可根据实际波况选择，最终调整第二尾管23的位置，并改变Spar形波浪能发电浮标装置的自然周期，从而保证最优的波能转换效率。
在本实施例中，所述电动推杆的推杆与推杆导向孔滑动密封配合，避免了海水经由推杆导向孔渗入主浮筒3内。具体而言，所述推杆导向孔内可以套设有密封用的橡胶垫圈（图中未绘示），所述电动推杆的推杆与橡胶垫圈滑动接触，实现了电动推杆的推杆与推杆导向孔的滑动密封。
在本实施例中，为了便于定位Spar形波浪能发电浮标装置，所述主浮筒3的外壁固定连接有系泊环4，可以将绳索一端绑系于相对固定体上（如船舶、海岸、岛礁、海上平台等），将绳索另一端绑系于系泊环4上，来定位Spar形波浪能发电浮标装置。
本实施例的工作原理：Spar形波浪能发电浮标装置的主浮筒的尺寸远小于波长，Spar形波浪能发电浮标装置俘获波浪能的能力同波浪入射的方向无关。在波浪作用下，Spar形波浪能发电浮标装置主要做垂荡运动，从而导致中心管内的水柱在管内做相对振荡运动，振荡运动的水柱面相当于一个活塞，推动气室内的空气往复运动，从而使气室内的空气获得动能，运动的空气通过一个喷气口推动空气透平旋转，从而带动发电机发电。
Spar形波浪能发电浮标装置的空气透平的平均吸收功率公式如下：
；
其中，ω是角频率，ρ是海水密度，L是浮标长度，l是振荡水柱的增加长度，g是重力加速度，X是海平面x方向的复振幅，Y是海平面y方向的复振幅，k是空气透平的比例常数。
根据上述公式，当改变浮标长度和振荡水柱的增加长度，会改变空气透平的平均吸收功率，进而影响Spar形波浪能发电浮标装置的波能转换效率。
在设计阶段，可以将Spar形波浪能发电浮标装置的样机放置于实验室造波水槽中进行实验，分析在不同尾管长度、波高、波浪周期、水深等要素下，波能转换效率的变化规律，为实际海况下Spar形波浪能发电浮标装置确定最优波能转换效率对应的尾管长度范围提供数据依据。
为了保证Spar形波浪能发电浮标获得最优的波能转换效率，需要监测浮标所在位置的实时海洋信息，如波浪高度、水深等。因此，需要布置配套仪器：波浪仪、水深测量仪等。
如图1至图3所示，本实施例还提供一种可变尾管长度的波浪能发电方法，采用所述的可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置，包括以下步骤：
S1、设定有功波高的工作范围，下限值为h1，上限值为h2；
S2、由水深测量仪和波浪仪测得的水深、波高、波浪周期，确定最佳波能转换效率对应的尾管长度范围；
S3、计算实际波高值h(i)，并判断h(i)是否在有功波高的工作范围内，若不在，则停止Spar形波浪能发电浮标装置工作；若在，即h1<h(i)<h2，根据设计阶段的实验数据，确定最优波能转换效率对应的尾管长度范围；
S4、通过升降驱动机构5驱动第二尾管23相对第一尾管22上下运动，在最优波能转换效率对应的尾管长度范围内调整第二尾管23位置；
S5、实时监测空气透平1的发电输出电压信号，并判断发电输出电压信号是否达到峰值，若未达到，则重复步骤S4；若达到，则使升降驱动机构5停止工作，固定第二尾管23位置。
在本实施例中，步骤S5中，在固定第二尾管23位置后，可以记录尾管长度、波浪周期、波高和水深信息，为相似海况下寻找最优波能转换效率对应的尾管长度范围提供依据。
特别需要说明的是，本发明中未详细描述的术语和内容均属于现有技术，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置，其特征在于，包括空气透平、主浮筒和中心管，所述主浮筒为内部空心且中心设有通孔的环形结构，所述中心管包括从上往下依次连通的主直管、第一尾管和第二尾管，所述主直管通过所述通孔固定嵌套在主浮筒上，所述空气透平固定安装于主直管的上部内，所述第一尾管的上端与主直管的下端固定连接，所述第二尾管活动套设于第一尾管的外侧，所述第二尾管的内壁与第一尾管的外壁滑动密封连接，所述第一尾管的下端固定有橡胶止水环，所述橡胶止水环与第二尾管的内壁滑动接触，所述第一尾管和第二尾管均为上细下粗的喇叭管，所述第二尾管的内径略大于第一尾管的外径，所述主浮筒固定有用于驱动第二尾管相对第一尾管上下运动调整位置的升降驱动机构；
其中，所述升降驱动机构为电动推杆，所述电动推杆的数量为多个，多个所述电动推杆均匀分布，所述电动推杆的外套管固定在主浮筒的内壁上，所述主浮筒的底部开设有推杆导向孔，所述电动推杆的推杆穿过推杆导向孔后与第二尾管固定连接，所述电动推杆的推杆与推杆导向孔滑动密封配合，所述推杆导向孔内套设有密封用的橡胶垫圈，所述电动推杆的推杆与橡胶垫圈滑动接触。
2.根据权利要求1所述的可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置，其特征在于，所述主浮筒的外壁固定连接有系泊环。
3.一种可变尾管长度的波浪能发电方法，采用可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置，其特征在于，所述可变尾管长度的Spar形波浪能发电浮标装置包括空气透平、主浮筒和中心管，所述主浮筒为内部空心且中心设有通孔的环形结构，所述中心管包括从上往下依次连通的主直管、第一尾管和第二尾管，所述主直管通过所述通孔固定嵌套在主浮筒上，所述空气透平固定安装于主直管的上部内，所述第一尾管的上端与主直管的下端固定连接，所述第二尾管活动套设于第一尾管的外侧，所述主浮筒固定有用于驱动第二尾管相对第一尾管上下运动调整位置的升降驱动机构；其中，所述升降驱动机构为电动推杆，所述电动推杆的外套管固定在主浮筒的内壁上，所述主浮筒的底部开设有推杆导向孔，所述电动推杆的推杆穿过推杆导向孔后与第二尾管固定连接，所述电动推杆的推杆与推杆导向孔滑动密封配合；
所述可变尾管长度的波浪能发电方法包括以下步骤：
S1、设定有功波高的工作范围，下限值为h1，上限值为h2；
S2、由水深测量仪和波浪仪测得的水深、波高、波浪周期，确定最佳波能转换效率对应的尾管长度范围；
S3、计算实际波高值h(i)，并判断h(i)是否在有功波高的工作范围内，若不在，则停止Spar形波浪能发电浮标装置工作；若在，即h1<h(i)<h2，根据设计阶段的实验数据，确定最优波能转换效率对应的尾管长度范围；
S4、通过升降驱动机构驱动第二尾管相对第一尾管上下运动，在最优波能转换效率对应的尾管长度范围内调整第二尾管位置；
S5、实时监测空气透平的发电输出电压信号，并判断发电输出电压信号是否达到峰值，若未达到，则重复步骤S4；若达到，则使升降驱动机构停止工作，以固定第二尾管位置。
4.根据权利要求3所述的可变尾管长度的波浪能发电方法，其特征在于，步骤S5中，在固定第二尾管位置后，记录尾管长度、波浪周期、波高和水深信息，为相似海况下寻找最优波能转换效率对应的尾管长度范围提供依据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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