CN117927409A - 一种复合点吸收式波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种复合点吸收式波浪能发电装置，包括浮于水面的空气透平式发电组件及位于水下的对转式发电组件；空气透平式发电组件与对转式发电组件二者通过连接杆相连，均通过吸收波浪能产生电能；空气透平式发电组件包括具有透平腔的浮体及设于透平腔的透平发电机组；当空气透平式发电组件做垂荡运动时，透平腔两端气压差所产生的气流驱动透平发电机组旋转发电；对转式发电组件包括同轴设置且转向相反的正向发电机组和反向发电机组；当对转式发电组件做垂荡运动时，水流驱动正向发电机组和反向发电机组二者反向转动发电。本发明中采用两种不同发电原理进行耦合发电，能高效地将垂荡机械能转换成电能，使能量吸收效率和发电效率均得到显著提升。

Description

一种复合点吸收式波浪能发电装置

技术领域

本发明涉及波浪能发电技术领域，特别涉及一种复合点吸收式波浪能发电装置。

背景技术

灯塔、海上渔场及无人探测器等处于深远海的设备，通常由波浪能发电装置提供清洁、持续、可靠的电力供给需求，除了点吸收式波浪能发电装置之外，大部分波浪能发电装置受其工作原理限制，仅能适用于浅水或近海。点吸收式波浪能发电装置能够吸收浮体垂荡方向的波浪能量，将低频的波浪能持续转化为电能，无需以海底作为参考吸收能量，能适用于深远海环境，在波浪能利用领域具有广阔的发展前景。

然而，现有点吸收式波浪能发电装置的体积相对波浪来说较小，为了满足深远海的供能需求，如何提高其能量吸收效率与发电功率是一个急需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种复合点吸收式波浪能发电装置，采用两种不同发电原理进行耦合发电，使能量吸收效率和发电效率均得到显著提升。

本发明所提供的复合点吸收式波浪能发电装置，包括浮于水面的空气透平式发电组件、位于水下的对转式发电组件及固连于空气透平式发电组件与对转式发电组件之间的连接杆，空气透平式发电组件与对转式发电组件二者同步做垂荡运动以通过吸收波浪能产生电能；

其中，空气透平式发电组件包括具有透平腔的浮体及设于透平腔的透平发电机组；当空气透平式发电组件做垂荡运动时，透平腔两端气压差所产生的气流驱动透平发电机组旋转发电；

对转式发电组件包括同轴设置且转向相反的正向发电机组和反向发电机组；当对转式发电组件做垂荡运动时，水流驱动正向发电机组和反向发电机组二者反向转动发电。

优选的，透平发电机组包括可转动设于透平腔的旋转叶轮及均固设于透平腔的上透平发电机和下透平发电机，上透平发电机和下透平发电机二者的转轴均分别与旋转叶轮的两端同轴相连。

优选的，透平发电机组还包括固设于旋转叶轮与上透平发电机之间的上整流盘及固设于旋转叶轮与下透平发电机之间的下整流盘，上整流盘和下整流盘二者用于对透平腔的水流进行整流以形成驱动旋转叶轮持续单向转动的旋转气流。

优选的，旋转叶轮包括若干呈环状分布的圆弧叶片，上整流盘包括若干呈环状分布的上偏流板，下整流盘包括若干呈环状分布的下偏流板，全部上偏流板和全部下偏流板一一相对且均呈圆弧状；当任一圆弧叶片旋转至两端分别与相对的上偏流板和下偏流板相切时，上偏流板、圆弧叶片及下偏流板光滑衔接形成用于产生旋转气流的凹形流道。

优选的，上透平发电机和下透平发电机二者远离旋转叶轮的一端均呈半球状。

优选的，透平腔的其中一端内壁一体式设有压缩环，压缩环用于使透平腔的两端存在气压差。

优选的，浮体的外侧壁一体式设有若干阻力鳍，全部阻力鳍用于将空气透平式发电组件转动时产生的反向扭矩传递至水体。

优选的，对转式发电组件还包括具有导流腔的导流罩和固设于导流腔的固定环，正向发电机组包括正向发电机及分别与正向发电机的转轴相固连的正向叶轮和正向叶盘，反向发电机组包括反向发电机及分别与正向发电机的转轴相固连的反向叶轮和反向叶盘；正向发电机与反向发电机分别固设于固定环两侧，正向叶轮和反向叶轮二者的旋转方向保持相反。

优选的，正向叶轮和反向叶轮二者的端部均固设有导流头锥。

优选的，正向叶轮包括若干呈环状分布的正向叶片，反向叶轮包括若干呈环状分布的反向叶片，全部正向叶片和全部反向叶片均沿导流腔的周向倾斜设置。

相对于背景技术，本发明所提供的复合点吸收式波浪能发电装置，包括空气透平式发电组件、对转式发电组件之间和固连于空气透平式发电组件与对转式发电组件之间的连接杆。

空气透平式发电组件浮于水面，包括具有透平腔的浮体及设于透平腔的透平发电机组。当空气透平式发电组件在波浪的作用下做垂荡运动时，波浪会使透平腔两端的体积发生变化而产生气压差，气压差所产生气流会驱动透平发电机组旋转发电。

对转式发电组件位于水下，包括同轴设置且转向相反的正向发电机组和反向发电机组。当对转式发电组件随空气透平式发电组件同步做垂荡运动时，因垂荡运动而流动的水流会驱动向发电机组和反向发电机组二者同步转动发电，但二者转动方向相反，扭矩相互抵消。

本发明中空气透平式发电组件和对转式发电组件二者采用两种不同发电原理进行耦合发电，通过吸收波浪能，高效地垂荡机械能转换成电能，使能量吸收效率和发电效率均得到显著提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施例所提供的复合点吸收式波浪能发电装置的结构图；

图2为图1的剖视图；

图3为图1中浮体的剖视图；

图4为图1中透平发电机组的结构图；

图5为图4中旋转气流的局部流动状态图；

图6为图1中对转式发电组件的剖视图；

图7为图1中正向发电机组在受到自上而下流动的水流冲击时的旋转状态图；

图8为图1中正向发电机组在受到自下而上流动的水流冲击时的旋转状态图。

图1中的双向箭头指代整套装置做垂荡运动时的运动方向；

图2中的双向箭头指代整套装置做垂荡运动时的运动方向，两个单向箭头指代流经透平腔的双向气流方向；

图5中的箭头指代凹形流道内旋转气流的流动方向；

图7中的箭头指代自上而下流动的水流方向；

图8中的箭头指代自下而上流动的水流方向。

附图标记如下：

空气透平式发电组件1、对转式发电组件2和连接杆3；

浮体11和透平发电机组12；

透平腔111、压缩环112和阻力鳍113；

旋转叶轮121、上透平发电机122、下透平发电机123、上整流盘124、下整流盘125、凹形流道126、上连接板127和下连接板128；

正向发电机组21、反向发电机组22、导流罩23、固定环24和导流头锥25；

正向发电机211、正向叶轮212和正向叶盘213；

反向发电机221、反向叶轮222和反向叶盘223；

导流腔231。

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。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例公开了一种复合点吸收式波浪能发电装置，如图1至图6所示，包括空气透平式发电组件1、对转式发电组件2及连接杆3。

其中，空气透平式发电组件1浮于水面，能够在波浪的作用下产生垂荡运动。空气透平式发电组件1包括浮体11和透平发电机组12，浮体11的中心具有透平腔111，但需注意的是，透平腔111的横截面是变化的，透平腔111可由两段横截面不同的型腔组合而成，使透平腔111两端的空腔体积不同，从而使气体在进出透平腔111的过程中压力会发生变化，这样流入透平腔111的波浪会因透平腔111空腔体积变化而产生气压差，因气压差所产生的气流为透平发电机组12提供机械能。此外，在波浪的垂荡作用下，透平腔111内会产生双向气流，其中一条气流自透平腔111的上端流向其下端，另一条气流自透平腔111的下端流向其上端，两条气流的流向相反。

在该具体实施例中，透平腔111的其中一端内壁一体式设有压缩环112，使透平腔111形成阶梯状型腔，阶梯状型腔由两段圆柱型腔组合而成，这样透平腔111的上端内径小于其下端内径，压缩环112能增大流过的气流压力，使透平腔111的上端气压大于下端气压，进而使透平腔111的两端存在气压差。当然，透平腔111的结构不限于此。

透平发电机组12设于透平腔111内，用于将垂荡机械能转换成电能，为深远海的设备供电。当空气透平式发电组件1在波浪的作用下做垂荡运动时，波浪会使透平腔111两端的体积发生变化而产生气压差，气压差所产生气流会驱动透平发电机组12旋转发电。

连接杆3固连于空气透平式发电组件1和对转式发电组件2之间，将垂荡运动由空气透平式发电组件1传递至对转式发电组件2，使空气透平式发电组件1和对转式发电组件2二者同步做垂荡运动。连接杆3可以是铠装电缆，但不限于此。连接杆3的两端分别穿过空气透平式发电组件1和对转式发电组件2，并通过固定螺母进行锁紧固定。

对转式发电组件2包括正向发电机组21和反向发电机组22，正向发电机组21和反向发电机组22二者同轴设置，但二者的转向相反，使二者转动时产生的扭矩相互抵消。当对转式发电组件2随空气透平式发电组件1同步做垂荡运动时，因垂荡运动而流动的水流会驱动正向发电机组21和反向发电机组22二者同步转动发电。

综上所述，本发明中空气透平式发电组件1为浮于水面的浮体11，对转式发电组件2为位于水下的沉体，通过优化浮体及沉体的结构，使空气透平式发电组件1和对转式发电组件2二者采用两种不同发电原理进行耦合发电，二者同步做垂荡运动，通过吸收波浪能，高效地将垂荡机械能转换成电能，使能量吸收效率和发电效率均得到显著提升。

透平发电机组12包括旋转叶轮121、上透平发电机122和下透平发电机123。旋转叶轮121可转动设于透平腔111内。在透平腔111两端气压差所产生的气流作用下，旋转叶轮121能绕透平腔111的轴线转动。上透平发电机122和下透平发电机123二者均固设于透平腔111内。具体地，上透平发电机122的外侧面与透平腔111的内壁之间固连有若干块上连接板127，全部上连接板127呈辐射状分布，使气流能从相邻两块上连接板127之间的缝隙流过。上透平发电机122的外侧面与透平腔111的内壁之间固连有若干块下连接板128，使上透平发电机122采用相同的方式固定在透平腔111内。

上透平发电机122和下透平发电机123二者的转轴均分别与旋转叶轮121的两端同轴相连，使上透平发电机122和下透平发电机123二者的转轴同步转动，实现发电。上透平发电机122和下透平发电机123二者的结构及工作原理具体可参考现有技术，在此不再详述。

透平发电机组12还包括上整流盘124和下整流盘125，上整流盘124固设于旋转叶轮121与上透平发电机122之间，下整流盘125固设于旋转叶轮121与下透平发电机123之间。上整流盘124和下整流盘125二者用于对透平腔111的水流进行整流，以形成驱动旋转叶轮121持续单向转动的旋转气流。

旋转叶轮121包括若干呈环状分布的圆弧叶片，全部圆弧叶片均匀分布，且弯曲半径均相同。上整流盘124包括若干呈环状分布的上偏流板，全部上偏流板均匀分布，且均呈圆弧状，每个上偏流板的弯曲半径相同。下整流盘125包括若干呈环状分布的下偏流板，全部上偏流板和全部下偏流板一一相对。全部下偏流板均匀分布，也均呈圆弧状，每个下偏流板的弯曲半径相同。但是，每个上偏流板的凸起方向及每个下偏流板的凸起方向均与每个圆弧叶片的凸起方向相反。

当任一圆弧叶片旋转至两端分别与相对的上偏流板和下偏流板相切时，上偏流板、圆弧叶片及下偏流板光滑衔接形成凹形流道126，用于引导透平腔111的气体流动，从而产生旋转气流，使旋转叶轮121持续保持单向转动。具体地，相切的上偏流板与圆弧叶片之间光滑衔接形成S形流道，相切的下偏流板与圆弧叶片之间也光滑衔接形成S形流道，两条S形流道便光滑衔接形成凹形流道126。

上透平发电机122远离旋转叶轮121的一端及下透平发电机123二者远离旋转叶轮121的一端均呈半球状，利于气流均匀流过透平腔111。

浮体11的外侧壁一体式设有若干阻力鳍113，全部阻力鳍113用于将空气透平式发电组件1转动时产生的反向扭矩传递至水体，避免空气透平式发电组件1在水面上发生自旋。具体地，浮体11的底端一体式固设有凸缘环，全部阻力鳍113一体式固设于凸缘环外侧面上，且全部阻力鳍113呈圆环状均匀分布。每个阻力鳍113具体可呈三角状，但不限于此。

对转式发电组件2还包括具有导流腔231的导流罩23和固设于导流腔231的固定环24。正向发电机组21和反向发电机组22均固设于导流腔231内，导流腔231呈圆柱状，其两端均设有锥形导流口，用于引导水流汇聚至导流腔231内。正向发电机组21和反向发电机组22分别固设于固定环24的两侧，固定环24的外侧面一体式固设有若干根呈辐射分布的固定杆，与导流罩23的内壁相固连。

正向发电机组21包括正向发电机211及分别与正向发电机211的转轴相固连的正向叶轮212和正向叶盘213。当对转式发电组件2做垂荡运动时，水流会驱动正向叶轮212和正向叶盘213顺时针转动，进而带动正向发电机211的转轴同步顺时针转动，正向发电机211将垂荡机械能转换为电能，实现发电。

同样地，反向发电机组22包括反向发电机221及分别与正向发电机211的转轴相固连的反向叶轮222和反向叶盘223。当对转式发电组件2做垂荡运动时，水流会驱动反向叶轮222和反向叶盘223逆时针转动，进而带动反向发电机221的转轴同步逆时针转动，反向发电机221也将垂荡机械能转换为电能，实现发电。

正向叶轮212和反向叶轮222二者的旋转方向保持相反，从而正向发电机211和反向发电机221二者的转向始终相反。正向发电机211和反向发电机221二者的结构及工作原理均可参考现有技术在此不再详述。

正向叶轮212和反向叶轮222二者的端部均固设有导流头锥25，用于减小水流阻力。

正向叶轮212包括若干呈环状分布的正向叶片，全部正向叶片沿导流腔231的周向均匀分布，且沿导流腔231的轴向倾斜设置。每片正向叶片与导流腔231的轴向之间的倾角范围可介于0~15度之间。

如图7所示，当水流自上而下流经正向叶轮212时，水流冲击全部正向叶片，使正向叶轮212绕正向叶盘213的安装轴顺时针摆动，直至摆动至极限位置，正向叶轮212在极限位置锁定；改变水流方向，如图8所示，水流自下而上流经正向叶轮212，正向叶轮212在极限位置解除锁定，使正向叶轮212顺着水流继续绕正向叶盘213的安装轴顺时针摆动；这样正向发电机211能始终保持顺时针转动，满足吸收双向来流条件。

反向叶轮222包括若干呈环状分布的反向叶片，全部反向叶片沿导流腔231的周向均匀分布，且沿导流腔231的轴向倾斜设置。每片反向叶片与导流腔231的轴向之间的倾角范围可介于0~15度之间。反向叶片的工作原理可参考正向叶片，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的复合点吸收式波浪能发电装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种复合点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，包括浮于水面的空气透平式发电组件（1）、位于水下的对转式发电组件（2）及固连于所述空气透平式发电组件（1）与所述对转式发电组件（2）之间的连接杆（3），所述空气透平式发电组件（1）与所述对转式发电组件（2）二者同步做垂荡运动以通过吸收波浪能产生电能；

其中，所述空气透平式发电组件（1）包括具有透平腔（111）的浮体（11）及设于所述透平腔（111）的透平发电机组（12）；当所述空气透平式发电组件（1）做垂荡运动时，所述透平腔（111）两端气压差所产生的气流驱动所述透平发电机组（12）旋转发电；

所述对转式发电组件（2）包括同轴设置且转向相反的正向发电机组（21）和反向发电机组（22）；当所述对转式发电组件（2）做垂荡运动时，水流驱动所述正向发电机组（21）和所述反向发电机组（22）二者反向转动发电。

2.根据权利要求1所述的复合点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述透平发电机组（12）包括可转动设于所述透平腔（111）的旋转叶轮（121）及均固设于所述透平腔（111）的上透平发电机（122）和下透平发电机（123），所述上透平发电机（122）和所述下透平发电机（123）二者的转轴均分别与所述旋转叶轮（121）的两端同轴相连。

3.根据权利要求2所述的复合点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述透平发电机组（12）还包括固设于所述旋转叶轮（121）与所述上透平发电机（122）之间的上整流盘（124）及固设于所述旋转叶轮（121）与所述下透平发电机（123）之间的下整流盘（125），所述上整流盘（124）和所述下整流盘（125）二者用于对所述透平腔（111）的水流进行整流以形成驱动所述旋转叶轮（121）持续单向转动的旋转气流。

4.根据权利要求3所述的复合点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述旋转叶轮（121）包括若干呈环状分布的圆弧叶片，所述上整流盘（124）包括若干呈环状分布的上偏流板，所述下整流盘（125）包括若干呈环状分布的下偏流板，全部所述上偏流板和全部所述下偏流板一一相对且均呈圆弧状；当任一所述圆弧叶片旋转至两端分别与相对的所述上偏流板和所述下偏流板相切时，所述上偏流板、所述圆弧叶片及所述下偏流板光滑衔接形成用于产生旋转气流的凹形流道（126）。

5.根据权利要求3所述的复合点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述上透平发电机（122）和所述下透平发电机（123）二者远离所述旋转叶轮（121）的一端均呈半球状。

6.根据权利要求1至5任一项所述的复合点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述透平腔（111）的其中一端内壁一体式设有压缩环（112），所述压缩环（112）用于使所述透平腔（111）的两端存在气压差。

7.根据权利要求1至5任一项所述的复合点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述浮体（11）的外侧壁一体式设有若干阻力鳍（113），全部所述阻力鳍（113）用于将所述空气透平式发电组件（1）转动时产生的反向扭矩传递至水体。

8.根据权利要求1至5任一项所述的复合点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述对转式发电组件（2）还包括具有导流腔（231）的导流罩（23）和固设于所述导流腔（231）的固定环（24），所述正向发电机组（21）包括正向发电机（211）及分别与所述正向发电机（211）的转轴相固连的正向叶轮（212）和正向叶盘（213），所述反向发电机组（22）包括反向发电机（221）及分别与所述正向发电机（211）的转轴相固连的反向叶轮（222）和反向叶盘（223）；所述正向发电机（211）与所述反向发电机（221）分别固设于所述固定环（24）两侧，所述正向叶轮（212）和所述反向叶轮（222）二者的旋转方向保持相反。

9.根据权利要求8所述的复合点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述正向叶轮（212）和所述反向叶轮（222）二者的端部均固设有导流头锥（25）。

10.根据权利要求8所述的复合点吸收式波浪能发电装置，其特征在于，所述正向叶轮（212）包括若干呈环状分布的正向叶片，所述反向叶轮（222）包括若干呈环状分布的反向叶片，全部所述正向叶片和全部所述反向叶片均沿所述导流腔（231）的周向倾斜设置。