CN117627844A - 一种后弯管波浪能发电的船头结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种后弯管波浪能发电的船头结构，包括破浪锥头和压水板，所述压水板水平设置在破浪锥头上端，所述压水板下表面为光滑弧形曲面；船头迎浪处压水板设计成光滑曲面，使波浪顺着压水板下方的曲面流动，减少波浪与船头作用过程中的能量损失，同时在压水板向下运动过程中，压水板与波面接触，二者产生抨击，波浪对压水板产生较大的作用力，该作用力与中空压水板、破浪锥头所受浮力共同作用于船头，使得装置船头在进入水面以下后迅速出水，产生较大的纵摇运动，提高了波浪能发电装置的发电效率。

Description

一种后弯管波浪能发电的船头结构

技术领域

本发明涉及一种后弯管波浪能发电的船头结构，属于波浪能发电技术领域。

背景技术

由于海洋波浪能资源储巨大，开发前景广阔，利用波浪能发电近年来受到了研究人员的广泛关注。常见的波浪能发电装置工作原理主要有振荡浮子式、振荡水柱式和越浪波式。

其中后弯管技术作为近年来振荡水柱式的主流技术一种，具有良好的俘获宽度比，可以在波浪作用下俘获波浪能，利用自身产生的摇荡运动获得机械能，利用管道、气室、透平等将机械能转化为电能。

而为了更好的使得船头部分快速向上运动，产生较大幅度的纵摇运动响应，需要对船头部分进行改进，提高装置的发电效率，同时不妨碍波浪能发电装置的姿态稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种后弯管波浪能发电的船头结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的技术方案如下：

一种后弯管波浪能发电的船头结构，包括：

破浪锥头；

压水板，所述压水板水平设置在破浪锥头上端，所述压水板下表面为光滑弧形曲面。

优选的，所述破浪锥头和/或压水板中空设置。

优选的，所述压水板下方曲面的剖面形状呈四分之一周期的规则波曲线；

或弧形曲线。

优选的，所述破浪锥头呈流线型或尖型或锥型。

优选的，所述压水板从破浪锥头上端向对立两侧水平延伸并对称设置。

本发明具有如下有益效果：

船头迎浪处压水板设计成光滑曲面，使波浪顺着压水板下方的曲面流动，减少波浪与船头作用过程中的能量损失，同时在压水板向下运动过程中，压水板与波面接触，二者产生抨击，波浪对压水板产生较大的作用力，该作用力与中空压水板所受浮力共同作用于船头，使得装置船头在进入水面以下后迅速出水，产生较大的纵摇运动，提高了波浪能发电装置的发电效率。

锥形的破浪锥头，减小了沿着船头流线表面流体的运动速度，减少了造波损失。并且由于独特的锥形的船头结构设计，使得波浪能发电装置在纵摇运动时不断对波浪进行切割，使得船尾附近处的波浪作用力增大，将船尾高高抬起，同船头进行往复的相互运动，降低波浪传播过程中的能量损失，加剧装置纵摇运动，提高装置的发电效率。

附图说明

图1为本发明船头立体结构示意图；

图2为本发明船头主视图；

图3为本发明船头侧视图；

图4为本发明船头俯视图；

图5为本发明规则波曲线示意图；

图6为本发明后弯管波浪能发电装置第一个视角立体结构示意图；

图7为本发明后弯管波浪能发电装置第二个视角立体结构示意图；

图8为本发明后弯管波浪能发电装置侧视图。

图中附图标记表示为：

1、破浪锥头；2、压水板；3、水平管道；4、弯管道；5、气室；6、浮力舱；7、系泊点；8、翼板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

实施例：如图1-5所示：

压水板2水平设置在破浪锥头1上端且一体成型，压水板2和破浪锥头1内部中空设置有利于为后弯管波浪能发电装置提供浮力，让发电装置的船头部分高于船尾部分，使得波浪更好作用于船头。破浪锥头1相对位于压水板2中部位置。

在波浪的传播过程中，波浪顺着船头的流线型结构经过破浪锥头1，锥形结构的破浪锥头1方便切割波浪，使得船头的压水板2向下运动。由于压水板2下方是光滑曲面，因此降低了在船头向下运动过程中波浪能量的损失，船头继续向下运动，波浪与压水板2水平部分相互抨击，对船头部分有一个较大的波浪作用力，同时，中空的破浪锥头1与压水板2能够为船头提供较大的浮力，在浮力与波浪对船头的作用力共同作用下，使得船头部分快速向上运动，使得装置产生较大幅度的纵摇运动响应，提高装置的发电效率；

同时，压水板2从破浪锥头1上端开始向对立两侧水平延伸，破浪锥头1对立两侧的压水板2左右部对称设置，压水板2辅助水平方向上不会发生较大幅度的横摇运动，维持发电装置运动过程的姿态保持稳定，也保证了波浪能发电装置在不同海况环境下的姿态稳定性。

关于船头压水板2下表面的曲面形状，在选择时不限于某种特定的曲面形状，可以考虑多种形状，但无论选择何种形状，最终目的均是使得波浪传播过程中的能量损失降低。例如选择圆的部分圆弧或是选择椭圆形的某一段曲线作为压水板2下方曲面的剖面形状，可以保证减少波浪与船头压水板2曲面作用过程中的能量损失，同时这类形状也便于生产制造；

进一步的，如图3和5中的粗线所示，还可以选择将规则波四分之一周期内的曲线作为压水板2的下方曲面的剖面形状，在波浪传播过程过，波浪的波面能与船头压水板2下方曲面恰好贴合，最大限度的减少波浪能量损失，针对规则波参数的选择，则可以根据工作海域特定的海况，选择该海况下对应的有义波高与波浪周期作为规则波的波高以及周期。有义波高可取历史海况波高数据中的平均值。

翼板8的下表面和压水板2虽然均来自“规则波四分之一周期内的曲线”，但是，波浪从船头向船尾方向传播时与结构发生相互作用，进而波浪发生变化。

如图6-8所示，为后弯管波浪能发电装置，包括船身、船头以及安装在船身两侧的翼板8，船身由气室5、两端开口的后弯管结构和浮力舱6构成，后弯管结构包括水平管道3和弯管道4，弯管的水平管道3上部连接浮力舱6，气室5位于弯管道4上方，气室5管道上方可用于放置空气透平装置，用于将机械能转换为电能，此外，装置的单点系泊系统7位于船身纵向长度上前侧靠近重心的位置，可保证波浪能发电装置在危险海况下工作的安全性，同时单点系泊系统7的位置不会限制波浪能发电装置纵摇运动响应，使装置始终保持高发电效率状态保证了装置在危险海况工作的安全性；船身两侧放置有两块曲边梯形结构的翼板8，以保证波浪能发电装置在工作海况作用下姿态的稳定性，同时为装置提供船宽方向的浮力，抑制横摇运动。

水平管道3的截面形状为“陀螺状”，采用陀螺形是为了能保证流道内部曲面较为光顺，减少流体在流道中流动过程中与避免之间发生相互摩擦产生的能量损失，能够有效减少装置做摇荡运动时受到的水的阻力，增大了运动幅度，提高装置的俘获性能。此外，水平管道3内流道为流线型曲面，降少了波浪运动的能量损失。弯管道4的入口截面积大于气室5的水平截面积，使得流体在气室内流动的速度大于水平管道3的流体速度，提高气动效率。气室5位于弯管道4上方，流体在后弯管中的流动使得气室内的压力发生变化形成压差。

浮力舱6则是位于水平管道3的上方，一方面为装置提供浮力，保证装置在运动过程中姿态的稳定性，另一方面，将浮力舱6内部划分为若干个上下多层分布的小压载水舱室，根据对工作海域的海况调研情况，提前预设不同的压载水方案，使得装置可以针对不同等级的工作海况，调整舱室的压载情况，改变装置的重心位置和质量分布，从而调整装置的纵摇运动固有周期，调整后该波浪能发电装置的纵摇运动固有周期调整与工作海域所处的海况的波浪周期接近，使得波浪能发电装置与波浪之间尽可能发生共振，以获得更大的纵摇运动响应，使得装置能够保持较高的发电效率。

对称的两块曲边梯形翼板8分别位于船身两侧，两侧翼板8内部均为中空结构，可以在船宽方向的两侧提供较大的浮力，在装置发生横摇运动时提供较大的恢复力，保证装置在水平方向上不会发生较大幅度的横摇运动，维持装置运动过程的姿态保持稳定。翼板8相对位于船尾附近，比如从船身中部延伸至船尾，在波浪由船头向船尾传播过程中，翼板8下方的曲面首先与波浪发生相互作用，当波浪流经翼板8下方，首先沿着其下部曲面向下运动，翼板8下部的光滑曲面可以有效减少波浪向下运动过程中造成的波浪能量损失，波浪向下运动过程中与翼板8相互作用，对船尾产生一个向上的作用力，同时翼板8的中空结构也能为装置尾部提供一个向上的浮力，装置尾部在两种力共同作用下迅速抬升，使得装置产生较大幅度的纵摇运动响应，提高装置的发电效率。若翼板8从船头开始延伸，中空翼板8提供的浮力就会在船长方向上也提供较大的恢复力，会抑制与发电效率相关的纵摇运动。

船身侧壁整体式结构的大翼板与分布式结构的多个小翼板相比具有以下优点，首先，更少的部件可以更好地保证两侧翼板8结构的一致性，不会致使装置发生横倾，其次是整体式结构部件少，可靠性更高，后期如果发生故障也更加便于维修。

关于翼板8的下表面的曲面形状，在选择时不限于某种特定的曲面形状，可以考虑多种翼板形状，但无论选择何种形状，最终目的均是使得波浪传播过程中的能量损失降低。例如选择圆的部分圆弧或是选择椭圆形的某一段曲线作为翼板8下方曲面的剖面形，可以保证减少波浪与翼板8曲面作用过程中的能量损失，同时这类形状也便于生产制造；

如图5中的粗线所示，还可以选择将规则波四分之一周期内的曲线作为曲面翼板8的下方曲面的剖面形状，在波浪传播过程过，波浪的波面能与翼板8下方曲面恰好贴合，最大限度的减少波浪能量损失，针对规则波参数的选择，则可以根据工作海域特定的海况，选择该海况下对应的有义波高与波浪周期作为规则波的波高以及周期。有义波高可取历史海况波高数据中的平均值。

波浪能发电装置所处工作海域的海况会随着季节与气候发生实时变化，但海洋工程中认为同一海域内的短期海况在三个小时内是没有变化的，不同的海况对应不同的波浪周期，而波浪能发电装置若想达到较高的发电功率，需要让发电装置自身的固有周期，尤其是与发电功率相关的纵摇固有周期尽量接近对应海况的波浪固有周期，海洋工程中浮体的固有周期会受到浮体的重心位置以及重量分布的影响，因此可以将波浪能发电装置的浮力舱6分割为若干个小压载水舱室，通过改变小压载水舱室的状态，改变波浪能发电装置的重心位置以及重量分布，进而改变波浪能发电装置的纵摇运动固有周期，当调整后的纵摇运动固有周期与当前海况的波浪周期相同或较为接近时，波浪能发电装置受波浪作用，在纵摇方向上会发生剧烈的共振运动，使得纵摇运动一直保持较大运动幅度，波浪能发电装置保持在高水平的发电效率上。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种后弯管波浪能发电的船头结构，其特征在于，包括：

破浪锥头(1)；

压水板(2)，所述压水板(2)水平设置在破浪锥头(1)上端，所述压水板(2)下表面为向下延伸的光滑曲面。

2.如权利要求1所述的一种后弯管波浪能发电的船头结构，其特征在于：所述破浪锥头(1)和/或压水板(2)中空设置。

3.如权利要求1所述的一种后弯管波浪能发电的船头结构，其特征在于：所述压水板(2)下方曲面的剖面形状呈四分之一周期的规则波曲线；

或弧形曲线。

4.如权利要求1所述的一种后弯管波浪能发电的船头结构，其特征在于：所述破浪锥头(1)呈流线型或尖型或锥型。

5.如权利要求1所述的一种后弯管波浪能发电的船头结构，其特征在于：所述压水板(2)从破浪锥头(1)上端向对立两侧水平延伸并对称设置。