CN1740564A - 海浪压差阻力泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主要是利用海浪上下波动的能量以及海水阻力对气泵及其阻力翼板所产生的压差阻力，对泵体系统内部工作介质实施周期性压缩做功，获得压缩空气，特别是利用该气泵组成阵列后，提供连续不断的压缩空气，压缩空气可用于推动空气涡轮机带动发电机转动，产生电能。其特征是阻力泵由气缸、活塞、进气口、排气口和浮箱组成，在气缸的上、下两端各装有一个进气口和一个排气口，每个进气口和排气口处都装有一个单向阀，活塞装配在气缸内部，活塞两侧连接有一根向外延伸的拔杆，拔杆上装有阻力翼板；气缸装在整个阻力泵体的中部，阻力泵体的上下两端各装配连接一个整流罩，在每个整流罩的末端各装有一个万向接手，整流罩的外形呈圆弧形；阻力翼板的两端分别与拔杆经过数个铰链相互铰接，阻力翼板的另一端与回转支架铰接，导向支架与回转支架借助螺栓固定安装在气缸外壳的连接座上；阻力翼板的形状可是三角形、半圆形，最好为三角形，浮箱底部装有连接环。

Description

海浪压差阻力泵

技术领域：本发明涉及一种主要是利用海浪上下波动的能量以及海水阻力对气泵及其阻力翼板所产生的压差阻力，对泵体系统内部工作介质实施周期性压缩做功，获得压缩空气，特别是利用该气泵组成阵列后，提供连续不断的压缩空气，压缩空气可用于推动空气涡轮机带动发电机转动，产生电能。

背景技术：气泵是一种工业上常用的设备，其工作原理是利用其它能量(如电能、汽油等)将常压空气转化为压缩空气后输送到空气管网，或者将压缩空气储存在储气瓶、储气罐中待用。压缩空气广泛用于汽车车胎充气、喷漆、增压、通风以及驱动其它机械装置进行做功。中国专利CN2461651Y公开了一种在水中工作的空气泵，它是一个放置在水中，利用电池驱动产生压缩空气的气泵，这类气泵的缺点是需耗用其它能源才能获得压缩空气。现有海浪发电机大多数是利用海浪波动时产生的水平推力推动发电机叶片转动获得电能(潮汐发电)，因此这类海浪发电厂建设成本高。中国专利CN1279349公开了一种名为“海浪浮力驱动机组”，它是利用海浪上下起浮(垂直方向)产生的力量进行发电，其是将多台底部带有浮箱数台单机串联放置，共同带动一根从动轴工作，当海浪上下起浮(波动)时，波峰与波谷在同一位置的周期交换所产生的水位升降，推动单机浮箱上下起浮，使从动轴转动，将海浪上下起浮能量转化为动能，动能再转化为电能。这种方法的缺点是需在海底固定机座，制作一根很长的从动轴，造价高，难以实施。

在德国下萨克森州，建成的世界第一座空气发电站，其中的两个储气站是利用了两个废弃的盐矿矿井，井深分别为658米和800米，可以储存空气31万立方米，最大承受压力为70巴，足够提供290MW的发电机组工作3小时，所需空气流量28.7m³/s，而美国在亚拉巴马州建造的“三星”电站储气量达900万立方米，将可发电2700MW，相当于2个大型核电站的峰值发电量，可满足68万户居民的两天用电，其空气流量为52.08m³/s，说明空气涡轮机每秒所需空气流量都不大。

发明内容：本发明的目的在于克服现有技术不足，发明一种直接利用海浪上下波动及海水阻力相互作用的能量，对阻力泵中的空气进行压缩，获得压缩空气。多组海浪压差阻力泵的有效组合，形成一个海浪压差阻力泵阵列，能够在一定区域内纵横漂移。该阵列产生的压缩空气可储存在漂浮于海面上的各浮箱中，最后借助铠装空气管将压缩空气导入空气涡轮机，从而带动发电机组转动，获得电能。

本发明结构是：海浪压差阻力泵是阻力泵由气缸、活塞、进气口、排气口和浮箱组成，在气缸的上、下两端各装有一个进气口和一个排气口，每个进气口和排气口处都装都有一个单向阀，活塞装配在气缸内部，活塞两侧连接有一根向外延伸的拔杆，拔杆上装有阻力翼板；气缸装在整个阻力泵体的中部，阻力泵体的上下两端各装配连接一个整流罩，在每个整流罩的末端各装有一个万向接手，整流罩的外形呈圆弧形；阻力翼板的两端分别与拔杆经过数个铰链相互铰接，阻力翼板的另一端与回转支架铰接，导向支架与回转支架借助螺栓固定安装在气缸外壳的连接座上；阻力翼板的形状可是三角形、半圆形，最好为三角形，浮箱底部装有的连接环。

工作原理：本发明每个海浪压差阻力泵的上下两端都装有万向接手(3)，通过将多个海浪压差阻力泵两端万向接手(3)相互对接后，最上部的一个海浪压差阻力泵端头万向接手(3)与漂在水面上浮箱(5)底部的连接环联接，由于串接后的海浪压差阻力泵重心都向下，呈垂直稳定状态，如同一根链条。海浪压差阻力泵两侧的阻力翼板(22)展开在海水中，能够最有效地利用海水阻力，浮箱带动气缸(1)上下穿梭，使气缸与活塞有效进行相对运动，从而压缩工质做功。

当海浪从波谷位置上升到波峰位置时，漂浮在海面上的浮箱(5)随之浮起，拉动挂在浮箱(5)底部的海浪压差阻力泵向上运动，每个海浪压差阻力泵的外形如纺锤体，这种外形特征能保证在阻力泵被拉起时，海水阻力较小，压差小，每个海浪压差阻力泵能迅速上升，而装在海浪压差阻力泵两侧的阻力翼板(22)展开在海水中，海水阻力较大，压差大，阻力翼板(22)上升速度落后于随浮箱(5)上浮拉起的阻力泵泵体的速度，因阻力翼板(22)直接与活塞(2)连接，浮箱(5)与气缸体连接，故这个速度之差就导致活塞(2)与气缸(1)相对运动，活塞(2)压缩气缸(1)下部的空气，气缸内活塞下部进气口(11)处的单向阀关闭，排气口(12)处的单向阀打开，压缩空气经排气口(12)单向阀后，进入高压储气箱，在此压缩过程中，气缸内活塞上部的进气口(11)处的单向阀打开，排气口(12)处的单向阀关闭，空气进入上部工作室，得到压缩气体。

当海浪从波峰位置下降到波谷位置时，阻力泵自重大，能随海浪波谷迅速下降，而阻力翼板(22)下降速度滞后，活塞(2)压缩气缸(1)上部的空气，获得压缩空气。这样阻力泵气缸(1)随海浪起浮在海水中做上下穿梭运动，而阻力翼板(22)在活塞行程内基本保持不动，只进行回转运动。在气缸(1)对活塞(2)进行往复相对运动过程中，由于单向阀的单向导通作用，活塞相对于气缸在其内部进行往复的吸气和压缩做功，此后将进行同样的往复运动。

对于此种阻力泵而言，只要海面存在波动，就能有效获得压缩空气。当将成百上千个本发明海浪压差阻力泵放置在近海和深海海面之下，组合为阵列，进气管从浮箱顶部采气，排气管道相互连接，就能不间断地获得大量压缩空气。获得的压缩空气通过管道再输送到空气涡轮机，就可带动发电机转动，得到电能。

漂浮在海面上的浮箱(5)作用有两个：一个作用是让挂在浮箱(5)下部的各个海浪压差阻力泵保持在水面下一定位置，有效地工作；另一个作用是储存压缩空气，让整个系统有效工作。浮箱(5)可为高压储气箱，不断接收和储存各个海浪压差阻力泵所产生的压缩空气。

本发明安装的活塞为双头活塞，工作介质为空气(具有无腐蚀性、可压缩性、无使用成本等特点)，其运动方向为单向流动，这样能够保证活塞在每一个行程过程中都能压缩工作介质做功。

本发明导向支架(24)用于控制活塞拨杆(21)位置，导向支架(24)能够引导拨杆(21)延正确轨道上下移动，用于限制拨杆(21)回转位置，当拨杆(21)位于导向支架(24)中的槽孔中心位置时，两片阻力翼板(22)与回转支点之间无间隙，可有效避免阻力翼板(22)在作上下回转运动时引起冲击，造成损坏。配合气缸体(1)中活塞进行相对运动的阻力翼板(22)设计为三角形状(单边)。该形状能够保证阻力泵在运动过程中借助海水阻力产生一个转动力矩，从而将运动过程中海水在气缸体(1)与阻力翼板(22)上下端面之间的压力差转化为气缸和活塞进行相对运动的动能。在海浪波峰与波谷的转化过程中，阻力翼板(22)两端面的压力差也将随其进行方向改变，这样就能保证气缸体中的活塞(2)能够随之进行往复运动，从而确保阻力泵运动的可行性和有效性。在活塞运动的有效行程内，海浪越大，该阻力气泵的工作效率就越高。在海浪波峰与波谷的转化过程中，阻力泵在阻力翼板(22)的作用下，在气缸有效行程走完后，整个气泵运行运动减速，就跟不上海浪交替变化的速度，这就形成一定时间的延迟，跟不上波峰的泵体，就连同浮体就浸入水中，而在波谷时依靠自身重量及惯性，钻入水中，在钻入水中的过程中，行程走完后，由于受到阻力翼板(22)作用减速，这样就限制了钻入深度，所以就形成了平稳的运动状态，保证了消峰填谷的效果，好比战斗机着陆打开阻力伞一样，造成急剧减速。

为了防止阻力翼板(22)的上下端面之间因压差过大时对阻力翼板(22)及气缸造成损坏，在阻力翼板(22)与气缸体之间留有一定的引流间隙，可以引导阻力翼板(22)在正确的方向上运动。如遇台风等大浪天气，因每个海浪压差阻力泵是纵向和横向都相互串联的，重心都向下，且串联的海浪压差阻力泵深入水中有一定的深度，所以在大浪中不会发生倾覆。使用安全可靠。金属结构的万向接手(3)能够保证每个海浪压差阻力泵连接可靠。

虽然本发明每个海浪压差阻力泵所产生的压缩空气量小，但充分利用海水每时每刻上下波动的能量，不间断产生压缩空气，积少成多，无环境污染和其它能量消耗。只要有海浪存在，该阻力泵就能工作。与当前世界上最普遍采用的海浪发电方法相比具有明显优势，现有的海浪发电方式通常在海浪低于1.3米以下时就不能有效工作，而此种海浪压差阻力泵就可有效避免这一情况的发生。

这种压缩空气可能用来发电、也可以用来推动一些设备进行做功，这种气泵产生的压缩空气可以用于发电，这就意味使用此种工作原理的海浪压差阻力泵，可以将提供出所需任意流量的压缩空气

附图说明：下面结合附图所示实施例，对本发明结构作进一步说明，但本发明保护范围不限于此实施例。

图1为本发明9个浮箱悬挂着数个海浪压差阻力泵列阵方式漂浮在水中，其中每个浮箱下部又串连放置4个海浪压差阻力泵，获得的压缩空气再与发电厂接通发电的示意图。其中各个浮箱(5)之间采用硬连接方式相互联接。

图2为本发明一个海浪压差阻力泵的主视图。

图3为图2所示海浪压差阻力泵B-B方向的剖视图。

图4为图2所示海浪压差阻力泵A-A方向的剖视图。

图5为本发明一个浮箱(5)与两个海浪压差阻力泵通过万向接手(3)相互串联连接后，漂浮在水面上的状态示意图。

图6为本发明一个海浪压差阻力泵漂浮在静止水面下的状态示意图。

图7为本发明一个海浪压差阻力泵在海浪波谷时，阻力翼板(22)和气缸体两者相对位置的状态图。波谷时其中因气缸体自重大，下沉快；而阻力翼板(22)展开面积大，阻力大，下沉相对较慢，故阻力翼板(22)中部带动活塞向上运动。

图8为本发明一个海浪压差阻力泵在海浪波峰时，阻力翼板(22)和气缸体两者相对位置的状态图。其中气缸体受上部连接的浮箱(5)拉力作用，在波峰时迅速上升，而阻力翼板(22)展开面积大，阻力大，上升速度相对较慢，故阻力翼板(22)中部带动活塞向下运动。

图9为本发明数组海浪压差阻力泵呈放射状列阵方式漂浮在水中的俯视图。其中发电机组位于中部位置，每组放射状浮箱最顶端为一个半潜桩柱。

具体实施方式：按图2所示结构制作海浪压差阻力泵，气体泵体长1030mm，最大直径Φ150mm，气缸直径Φ50mm，活塞长220mm，活塞行程92mm，翼板长930mm，宽480mm，拨杆长1030mm，Φ16mm，回转支架长423mm，宽141mm，导向支架长395mm，宽141mm，万向连接杆Φ32mm，长790mm。将制作好的海浪压差阻力泵按图1方式安装阵列排放在海面，在将海浪压差阻力泵(设每个气缸活塞的截面积为1平方米)，气体初始压强为P₀个大气压(1.033巴)，如每个海浪有1米的波动，能保证这个阻力泵活塞有x米行程，那么被压缩气体体积就是V₀＝x×1＝x立方米，通过不断增压最后得到P₁＝70巴的压缩气体，根据PV/T＝恒量，那么压缩后相同温度下得到的70巴压缩气体体积为V₁，

V₁＝P₀×V₀/P₁＝1.033×x/70＝0.0147571x立方米。

每一个气缸能得到70巴的压缩气体0.0147571x立方米。那么根据布局图，很多同样的气缸同时不间断的工作后，通过减压满足涡轮机不断工作要求。

海浪上下波动每平方米推力达20～60吨，这样一定数量的海浪压差阻力泵一起工作后，气体在单向阀的作用下，始终处于不断增压状态，最终达到有70巴的压强不是问题，而且压缩气体不断补充，每秒流量可以远大于德国下萨克森州及美国在亚拉巴马州建造的空气发电站工作所需流量，在同样70巴的压强下减压推动空气涡轮机工作，同样能够满足68万户甚至更多用户的用电需求。

本发明海浪压差阻力泵由于该泵具有体积可大可小、结构简单、投资费用省、安装及维护方便等特点，因此适用于没有任何使用价值的浅海或深海区域，即便是对于风高浪急的海域也可设置发电厂。另外，通过在海面上设置海浪压差阻力泵阵列，不仅可以获得足够能量驱动发电机工作，同时还可起到削波的作用，能够有效抗击海浪对海岸及海岸附近区域的破坏性冲击。此项发电方式不仅有利于节约能源，而且对环境没有任何污染，完全符合国家的环境保护法规。

1-气缸；11-进气口；12-排气口；13-单向阀；2-活塞；21-拔杆；22-阻力翼板；23-铰链；24-导向支架；25-连接座；3-万向接手；4-整流罩；5-浮箱；6-回转支架；7-半潜桩柱。

Claims (4)

1、一种海浪压差阻力泵，其特征是阻力泵由气缸(1)、活塞(2)、进气口、排气口和浮箱(5)组成，在气缸(1)的上、下两端各装有一个进气口(11)和一个排气口(12)，每个进气口(11)和排气口(12)处都装都有一个单向阀(13)，活塞(2)装配在气缸(1)内部，活塞(2)两侧连接有一根向外延伸的拔杆(21)，拔杆(21)上装有阻力翼板(22)。

2、根据权利要求1所述的海浪压差阻力泵，其特征是气缸(1)装在整个阻力泵体的中部，阻力泵体的上下两端各装配连接一个整流罩(4)，在每个整流罩(4)的末端各装有一个万向接手(3)，整流罩(4)的外形呈圆弧形。

3、根据权利要求1或2所述的海浪压差阻力泵，其特征是阻力翼板(22)的两端分别与拔杆(21)经过数个铰链(23)相互铰接，阻力翼板(22)的另一端与回转支架(6)铰接，导向支架(24)与回转支架(6)借助螺栓固定安装在气缸外壳的连接座(25)上。

4、根据权利要求1或2所述的海浪压差阻力泵，其特征是阻力翼板(22)的形状可是三角形、半圆形，最好为三角形，浮箱(5)底部装有的连接环。

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