CN117823321A - 张力腿型波浪能生成器绝热caes系统 - Google Patents

Abstract

一种张力腿型波浪能生成器绝热CAES系统，包括：与海底相连的漂浮平台以及设置于其上的柱塞机构和浮子楔形体、与柱塞机构相连的止回阀以及依次相连的四通换向阀、压缩气缸对、热能储存单元、压缩空气储存罐、膨胀涡轮机和发电机，浮子楔形体带动柱塞机构动作，发电机与膨胀涡轮机连接，柱塞推动水流出柱塞水缸，后经管路流经截止止回阀，发电机在垂直和水平方向上与张力腿平台甲板室固定间距设置且高于海平面。本发明能够大幅降低海洋波浪能发电装置在海浪作用下的运动，即浮子楔形体仅产生在升沉自由度上的运动。因而可大幅降低柱塞水缸和发电机发生故障损毁的风险，大大降低设备更换或维修保养的费用。同时本发明所提出的波浪能发电装置也不会对海洋环境造成严重的污染。

Description

张力腿型波浪能生成器绝热CAES系统

技术领域

本发明涉及的是一种海上波浪能发电领域的技术，具体是一种张力腿型波浪能生成器绝热压缩空气储能(CAES)系统。

背景技术

波浪能这种可再生能源是只要有海浪就能发电来使用。这种能源的两个主要缺点是它的间歇性和可利用率往往与电力需求不一致。海浪波高的变化使波浪能并入电网成为一项挑战。储能系统可以通过储存多余的能量，并在需求大于供给时释放出来，从而提供稳定和可预测的电力能量。压缩空气储能是利用压缩空气来储存能量，以便日后需要时使用。海浪能可再生能源产生的多余能量可以通过这种技术储存起来。

传统的压缩空气储能系统可以有效地储存未使用的能源，但大规模应用的热损耗较大，因为压缩空气会产生热量、造成能量损失。另外，传统的压缩空气储能系统需要很大的储气室(深入地下的洞穴、等)，受地理位置的限制很大，而且能量密度很小。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种张力腿型波浪能生成器绝热CAES系统，能够大幅降低海洋波浪能发电装置在海浪作用下的运动，即浮子楔形体仅产生在升沉自由度上的运动。因而可大幅降低柱塞水缸和发电机发生故障损毁的风险，大大降低设备更换或维修保养的费用。同时本发明所提出的波浪能发电装置也不会对海洋环境造成严重的污染。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种张力腿型波浪能生成器绝热CAES系统，包括：与海底相连的漂浮平台以及设置于其上的柱塞机构和浮子楔形体、与柱塞机构相连的止回阀以及依次相连的四通换向阀、压缩气缸对、热能储存单元、压缩空气储存罐、膨胀涡轮机和发电机，其中：浮子楔形体带动柱塞机构动作，发电机与膨胀涡轮机连接，柱塞推动水流出柱塞水缸，后经管路流经截止止回阀，发电机在垂直和水平方向上与张力腿平台甲板室固定间距设置，而且高于海平面。

所述的浮子楔形体由两部分组成，上部为一圆柱体，下部分为一个圆锥体。

所述的止回阀由四个阀门组成。

所述的柱塞机构包括：柱塞水缸和设置于其内的柱塞，其中：柱塞与浮子楔形体相连，柱塞水缸的两端分别与止回阀相连。

所述的压缩气缸对由两个并联的压缩气缸、组成，压缩气缸的输出端分别通过阀门、与热能储存单元相连。

所述的漂浮平台包括：支撑箱体和分别设置于其上下面的张力腿平台甲板室和平台底浮箱，其中：支撑箱体的底部通过张力腿筋腱与设置于海底的固位基板相连。张力腿平台的受到的浮力始终大于张力腿平台自身的重力，这样使得在张力腿筋腱内始终产生向下的拉力，也即是张力腿筋腱始终处于绷紧状态。由于张力腿平台的作用，浮子楔形体在海洋波浪的作用下将主要产生升沉自由度的运动。

技术效果

本发明通过张力腿平台使其受到的浮力始终大于张力腿平台自身的重力，使得在张力腿筋腱内始终产生向下的拉力，也即是张力腿筋腱始终处于绷紧状态；通过热能储存单元储存压缩过程中产生的热能后，进行膨胀操作以收集这些能量。与现有技术相比，由于张力腿平台的作用，浮子楔形体在海洋波浪的作用下将只产生升沉自由度的运动的同时，绝热压缩空气储能系统不需要使用化石燃料，也不会产生任何排放。

附图说明

图1为本发明结构图；

图中：固位基板1、张力腿筋腱2、平台底浮箱3、浮子楔形体4、支撑箱体、柱塞6、张力腿平台甲板室7、撑材8、柱塞水缸9、水管10、水管11、阀门12、阀门13、阀门14、阀门15、水管16、水管17、四通换向阀18、水管19、阀门20、阀门21、阀门22、阀门23、水管24、热能储存单元25、压缩空气储存罐26、水管27、水管28、水管29、膨胀涡轮机30、发电机31、右压缩气缸32、左压缩气缸33。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种张力腿平台约束的波浪能生成器绝热压缩空气储能系统，包括：与海底相连的漂浮平台以及设置于其上的柱塞机构和浮子楔形体4、与柱塞机构相连的止回阀以及依次相连的四通换向阀18、压缩气缸对、热能储存单元25、压缩空气储存罐26、膨胀涡轮机30和发电机31，其中：浮子楔形体4带动柱塞机构动作，发电机31与膨胀涡轮机30连接，柱塞推动水流出柱塞水缸，后经管路流经截止止回阀，发电机在垂直和水平方向上与张力腿平台甲板室固定间距设置，而且高于海平面。

如图1所示，所述的浮子楔形体4由两部分组成，上部为一圆柱体，圆柱体的高为64m，圆柱体的圆截面的直径为28m，圆柱体的外壳板采用32mm厚的高强度钢板制成。浮子楔形体4的最下部分为一个圆锥体，圆锥体的高为24.3m，圆锥体的外壳同样采用32mm厚的高强度钢板制成。

所述的止回阀由四个阀门组成。

所述的柱塞机构包括：柱塞水缸9和设置于其内的柱塞6，其中：柱塞6与浮子楔形体4相连，柱塞水缸9的两端分别与止回阀相连。

所述的压缩气缸对由两个并联的压缩气缸31、32组成，压缩气缸的输出端分别通过阀门21、22与热能储存单元25相连。

所述的漂浮平台包括：支撑箱体5和分别设置于其上下面的张力腿平台甲板室7和平台底浮箱3，其中：支撑箱体5的底部通过张力腿筋腱2与设置于海底的固位基板1相连。张力腿平台的受到的浮力始终大于张力腿平台自身的重力，这样使得在张力腿筋腱2内始终产生向下的拉力，也即是张力腿筋腱2始终处于绷紧状态。由于张力腿平台的作用，浮子楔形体在海洋波浪的作用下将主要产生升沉自由度的运动。

如图1所示，所述的张力腿平台甲板室7为一截面为正方形的薄箱，该截面为正方形的薄箱的规格尺寸为：长×宽×高＝205m×205m×35m。该截面为正方形的薄箱的外壳采用32mm厚的高强度钢板制成。

如图1所示，所述的支撑箱体5共有4个，每一个都是一个截面为正方形的柱体，该截面为正方形的柱体的长×宽×高＝18m×18m×85m。该截面为正方形的柱体的外壳采用32mm厚的高强度钢板制成。

如图1所示，所述的平台底浮箱3为一个截面为正方形的柱体，该截面为正方形的柱体的特征尺寸＝150m×18m×18m。该截面为正方形的柱体的外壳采用32mm厚的高强度钢板制成。

所述的张力腿筋腱2采用4根φ280mm×36mm的无缝钢管制成。

所述的发电机31的额定功率为10400kW。

优选地，所述的膨胀涡轮机在海平面以上有一定的高度。

本实施例的工作过程如下：当海面上产生波浪时，浮子楔形体4在海洋波浪的作用下会产生起伏振荡运动，但由于张力腿平台的约束作用，浮子楔形体4仅会产生在升沉自由度上的运动。浮子楔形体4的向上升沉运动将向上推动柱塞6，柱塞6推动柱塞水缸9内的水流出并经截止止回阀。

所述的浮子楔形体的支撑结构限制浮子楔形体的运动，这意味着唯一可以利用的运动是浮子楔形体随入射波浪所产生的升沉运动。波浪是推动柱塞水缸9中的柱塞6通过浮子楔形体4的升沉运动做往复运动的力量，从而导致定期抽水。当柱塞水缸9正常工作时，就会出现这种情况。由于四单向阀整流器的特殊构造，它确定水流的方向。由于整流器是由四个单向阀组成的，而整流器的设计目的就是确定水流的方向，因此就会出现这种情况。在右压缩气缸32正在充气和左压缩气缸33正在压缩空气的情况下，四通换向阀18被设置在左侧位置。这是一个阀门设置示例。阀门21、23和22均处于关闭状态，而阀门20则处于打开状态。由于活塞运动得较低，位于柱塞水缸9柱塞6下方的水通过单向阀14被迫进入左压缩气缸33。水进入左压缩气缸33后，左压缩气缸33中的空气被压缩，从而储存能量。单向阀12将右压缩气缸32中的水输送到柱塞水缸9的上部。由于阀门20在循环的这一阶段处于打开状态，因此在循环的这一阶段，右压缩气缸32中的空气量不断增加。此外，空气还通过阀门20进入右压缩气缸32。位于柱塞水缸9柱塞6上方的水通过单向阀15被泵入左压缩气缸33，而位于右压缩气缸32中的水则通过单向阀13被泵入柱塞水缸9的下部隔室。当柱塞水缸9的柱塞6向上运动时，就会出现这种情况。当水从右压缩气缸32转移到左压缩气缸33时，左压缩气缸33中的空气会经历一个额外的压缩过程，从而使空气被压缩得更大。波能是这一传输过程的驱动力。从这时起柱塞水缸9的往复运动将不断重复，直到左压缩气缸33中的空气被压缩到事先规定的储存压力。达到该压力后，阀门22将被打开，左压缩气缸33中的压缩空气将被排空，通过热能储存单元25后，将被储存在压缩空气储存罐26中。此过程重复进行，直到达到所需的压力。直到水位达到左压缩气缸33的最高水位，之前所述的柱塞水缸9的运动将继续进行。此时，空气将完全排入压缩空气储存罐26中，因为它已达到最高位置。在此过程中，空气将以大气压力或已确定的压力完全注入右压缩气缸32。

绝热压缩空气储能系统与传统压缩空气储能系统和第二代压缩空气储能系统有很大区别。绝热压缩空气储能系统的特点是不需要使用化石燃料，也不会产生任何排放。热能储存单元25储存压缩过程中产生的热能。之后，再进行膨胀操作，以收集这些能量。

随后，四通换向阀18的位置发生变化，阀门20、21和22关闭，阀门23打开。之后，右压缩气缸32中的空气被压缩，压缩方式与本文前面详细介绍的过程类似。为此，将水从左压缩气缸33抽到右压缩气缸32。此外，每当水在两个压缩气缸之间来回流动时，压缩空气储存罐26中就会聚集波浪能。这是在水运动时发生的。为确定压缩空气储存罐26是否已达到其最大储存能力，也就是这一循环的持续点，可以使用储存压力进行测量。之后，可以将储存的压缩空气运送到下游的设施，利用空气膨胀涡轮机和发电机发电。这样做是为发电。

经过具体实际实验，在ANSYS-AQWA中模拟中国海南岛波浪条件的具体环境设置，建立上述系统的数值模型，模拟浮子楔形体和柱塞水缸柱塞在模拟入射波作用下的运动，通过计算每个时间步长的外力，将水力阻力纳入模型。结果显示系统在中国海南岛波浪条件下的等温压缩过程中，储能效率和往返效率分别达到62.4％和49.6％。

所述的液压阻力，通过在每个时间步长计算这一外力而纳入模型的，并根据压缩缸的状态计算。

所述的模拟，包括模型参数设置、网格生成、将外力整合到模型中、数据后处理以及相关假设。

通过比较在20天海试期间相同波浪条件下四种情况的模拟结果，可以看出：在相同几何尺寸下，本发明提出的张力腿平台约束的波浪能生成器绝热压缩空气储能系统的储能功率大于同尺寸传统型系统的储能功率。这是因为传统型系统使用的是准绝热压缩空气储能方法，而大容量的压缩空气储能法，在此过程中会以热量形式损失大量功。

结果表明，随着柱塞水缸面积和储能压力的增加，储能功率得到提高。储能效率和往返效率分别达到62.4％和49.6％。通过将发明的绝热压缩空气储能系统与相同条件下的传统波浪能转换器原型进行比较，结果显示系统在中国海南岛波浪条件下的等温压缩过程中，功率输出最多可提高32％。与波频相比，整个系统的捕获系数对波高更为敏感。该绝热压缩空气储能系统在中国海南岛波浪条件下，捕获系数可高达23％。这项发明为高效波能转换和储存的提供一个全新的方法。

通过将发明的绝热压缩空气储能系统与相同条件下的传统波浪能转换器原型进行比较，结果显示系统在中国海南岛波浪条件下的等温压缩过程中，功率输出最多可提高32％，储能功率提高46％以上。本发明提出的张力腿平台约束的波浪能生成器绝热压缩空气储能系统比传统的波能转换器具有更好的性能，性能优于文献报道的传统波浪能转换器系统。系统具有更好的性能。基于等温压缩过程，在相同波浪条件下，储能功率提高46％以上。储能功率几乎与柱塞水缸面积成正比。而波浪条件则为其设定上限。然而，最大储能压力与柱塞水缸面积成反比，从而降低相同波浪条件下的能量密度。柱塞水缸活塞面积对储能效率和往返效率的影响不大。在等温压缩条件下，储能效率和往返效率分别为62.4％和49.6％。然而压缩过程对储能效率和往返效率都有很大影响。压缩气缸容积变化对储能功率和储能效率的影响较小。储能功率的增加速度随着储能压力的增加而降低。压力增加时，储能功率的增加率降低。高储能压力导致波能转换器的液压阻力增大。但在等温压缩条件下，储存压力对系统效率的影响较小，而在多向压缩条件下和绝热压缩过程中对系统效率有负面影响。如果压缩循环从预充压开始、储能功率随着充气前压力的增加而增加；到一个最佳点，超过该点后，预充压力的进一步增加会降低储能功率。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种张力腿型波浪能生成器绝热CAES系统，其特征在于，包括：与海底相连的漂浮平台以及设置于其上的柱塞机构和浮子楔形体、与柱塞机构相连的止回阀以及依次相连的四通换向阀、压缩气缸对、热能储存单元、压缩空气储存罐、膨胀涡轮机和发电机，其中：浮子楔形体带动柱塞机构动作，发电机与膨胀涡轮机连接，柱塞推动水流出柱塞水缸，后经管路流经截止止回阀，发电机在垂直和水平方向上与张力腿平台甲板室固定间距设置且高于海平面。

2.根据权利要求1所述的张力腿型波浪能生成器绝热CAES系统，其特征是，所述的浮子楔形体由两部分组成，上部为一圆柱体，下部分为一个圆锥体。

3.根据权利要求1所述的张力腿型波浪能生成器绝热CAES系统，其特征是，所述的柱塞机构包括：柱塞水缸和设置于其内的柱塞，其中：柱塞与浮子楔形体相连，柱塞水缸的两端分别与止回阀相连。

4.根据权利要求1所述的张力腿型波浪能生成器绝热CAES系统，其特征是，所述的压缩气缸对由两个并联的压缩气缸、组成，压缩气缸的输出端分别通过阀门、与热能储存单元相连。

5.根据权利要求1所述的张力腿型波浪能生成器绝热CAES系统，其特征是，所述的漂浮平台包括：支撑箱体和分别设置于其上下面的张力腿平台甲板室和平台底浮箱，其中：支撑箱体的底部通过张力腿筋腱与设置于海底的固位基板相连；张力腿平台的受到的浮力始终大于张力腿平台自身的重力，这样使得在张力腿筋腱内始终产生向下的拉力，也即是张力腿筋腱始终处于绷紧状态，由于张力腿平台的作用，浮子楔形体在海洋波浪的作用下将主要产生升沉自由度的运动。