CN1773104A - 气室斜靠岸式单向稳定气流波能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明系波能发电装置，主要由振荡气室1，方圆渐变段2，逆止阀3，稳压气室4，透平发电机组5组成。波浪使斜靠在岸边的振荡气室1内的水形成振荡水柱，振荡水柱上下振荡使空气往复进出，由于两个逆止阀3的作用，空气只能从进口进，出口出，单向流动。从出口出来的断续的气流经过稳压气室4稳压后，变成压力稳定的连续的气流，再通过可调气流的透平发电机组发出比较稳定的电流。本发明通过对气流进行整流，稳压，调流等措施提高了波能利用率。

Description

气室斜靠岸式单向稳定气流波能发电装置

技术领域：本发明系波浪发电领域。

技术背景：

由于波浪能是清洁无污染可再生的能源，世界各国都投入了大量人力物力进行研究。总的来说波浪能利用目前还未进入实用阶段。从以下资料中可以看出世界各国波浪能研究利用水平。

漂浮式波能装置

日本海明号II期试验“海明”波力发电计划是由日本海洋科学技术中心(JAMSTEC)牵头，美国、英国、挪威、瑞典、加拿大等国参加的一项国际合作研究。研究在长80m，宽12m，由13个振荡水柱气室组成的船型漂浮式结构上进行。1978年至1979年完成了第1期试验，对三种不同形式的波力发电机组进行了对比试验。第II期海上试验于1985年至1986年进行。研究的主要目标是提高发电效率，减小机组体积和重量，改进海底输电系统和锚泊系统并根据海上运行结果评价波浪发电的经济性能。试验结果表明，“海明”号的船身结构海底电缆和锚泊设计较成功，但发电效率令人失望，系统总效率不超过6.5％，因而估算出的发电成本偏高。试验结束后，“海明”号被送往船厂解体，完成了其历史使命。作为一个大型国际合作项目，“海明”计划的贡献不仅在于获得了大量的技术成果，还在世界范围内推动了波浪能研究。

固定式波能装置

欧共体的OSPREY号

0SPREY意为海洋涌浪动力可再生能源(Ocean Swell Powered Renewable EnergY)。该装置为波一风能两用近岸装置。1995年英国制造了第一座OSPREY，称为OSPREY I，为2MW沉箱式波(OWC)—风力电站。计划置于15-20米水深，距海岸1km之内。波能装置为振荡水柱式，具有一个气室，两个直立的气管。装有两台500kW的Wells透平，波能装机容量为500kW。风能装机容量为1500kW。造价为350万美元。1995年8月2日建造完毕，下水时装置受到损坏，九个沉箱中的两个破损，又遇到恶劣海况，使装置下沉，无法上浮。最后只好将装置上的透平及其余设备拆除。装置则于1995年8月27日破坏沉没。

OSPREY I沉没之后，英国又准备开始研建OSPREY 2000，装机容量仍为2MW。采用低成本的钢—混凝土标准件结构元件，可以迅速安装和拆卸，尽量减小对环境的冲击，结构寿命为60年，机电设备更新寿命为20年。由于吸收了OSPREY I的教训，新的OSPREY 2000将采用组合结构和更好的安装程序，使海上安装时间减少到最小。预计OSPREY 2000将在爱尔兰建造。爱尔兰具有欧洲最好的波能，近岸波能达到每年48TWhrs(兆兆瓦小时)，但却有超过90％能源需要进口。

英国的75kW岸式波能装置(OWC)

由欧共体波能发展计划JOULE 2资助，英国在苏格兰Islay岛上一条天然港内建了一座75kW振荡水柱式波能装置。研建目的是发展一种岸式波能装置的标准模式，将波能装置分解成一个个的单元，再组合起来，以此发展波能装置产业化；另外为500kW振荡水柱式波能装置透平研究提供实海况研究条件。

电站的施工从1986年开始，完工于1991年。由于气候条件恶劣，海上施工难艰，建造周期和投资都大大超出预计。气室由前墙、顶和后墙组成，两侧墙有天然港壁代替。气室面积25m2，用了450t钢筋混凝土(含钢筋100t)。其中300t为预制钢筋混凝土，分成6t一个的小块。尽管如此，现场施工仍十分艰难，对天气的依赖性非常大。即便在天然港口建一个围堰，波浪仍严重的干扰装置的建造。

由于种种原因，装置的效率不高。

通过研建，研究人员得到建造岸式波能装置的标准模式的准则：1)装置必须设计成为标准模式，使之能够被大批量生产。波能装置必须是可适应不同地形，而不应有明显变化。2)现场施工工作量应该尽量减少，且应在施工开始时进行，以最大限度的利用可施工天气。3)波能装置及其支撑结构必须可以被水浮起或能被吊起。4)机器电器等也应该是标准的。

研究还建议用钢—混凝土混合结构以适合大批量生产和减小材料用量，用具有半球形顶的圆柱气室以降低结构应力，使未来建于北大西洋的12m直径、15m高的波能装置的气室重量可降到500t以下，以实现将费用降低到每千瓦装机容量1000英镑的目标。

2.11中国3kW岸式振荡水柱波力电站

中国科学院广州能源研究所在位于南海的珠海市大万山岛建成一座岸式振荡水柱型示范波力电站。装机容量3kW。这是中国第一座试验波力电站。该电站建于一块巨大的岩石上。该电站的建造始于1986年，主体混凝土结构完工于1989年。1989年、1990年及1991年分别对其做了三次海上运行试验，研究了实海况下气室、透平及电机的性能。试验结果表明，该电站具有很好的实海况性能。

电站的设计波况为H1/10＝1.5m，平均周期为6.5s。设计来波平均功率为4.4kW/m。气室宽4m，长3m，与开口宽6m，长6m的喇叭口形港相连。Wells透平的直径为0.8m叶片的稠密为0.8242，轮毂叶稍直径比为0.6，叶型为NACA-0021，叶片数为10。电机转速为1500 RPM。在气室与Wells透平之间装有一个安全控制蝶阀。

在实海况运行试验中，利用广州能源研究所研制的测量系统得到电站的各种参数计录，包括水柱运动，气室压力，Wells透平的转速及电机的输出功率等。波况由位于电站前方400m远处的SBF1-1型自动遥控测波仪测得。基于这些有限的数据，也可以得到以下结论：中国首座波力电站具有良好的能量转换性能。增大装机容量可以获得更大的平均输出功率。实海况试验同时也反映了电站存在着可靠性和安全性方面的问题。由于气室顶到平均海平面的距离太小(约5m)，水往往容易直接打击透平和电机，电站缺乏长期运行的能力。这些问题已在新建造的20kw波力电站中得到改善。

中国20kW岸式振荡水柱波力电站

在3kw波力电站的结构上，广州能源研究所已于1996年2月完成了20kw波力电站的建造。该电站为“八五”攻关项目，得到国家科学技术委员会的支持。20kw电站的主要目的是为了展示波浪能的实际应用。出于安全方面的考虑，设计了一个带有破浪碓的过渡振荡气室及气道，将机组提高到海面上约16m高之处，大大地减小了海浪对机组直接打击的可能性。发电装置为一变速恒频电机。发出的电将与柴油发电机联网。

该电站的主体混凝土结构已于1994年9月完成。透平与电机于1996年2月安装并开始试发电。初步试验的结果表明，20kW波力发电机组在H1/10＝1.2～1.5m，平均周期T＝5～6s时的电力平均输出为3.5～5kW，峰值功率可达14.5kW，总能量平均俘获宽度比约在20～40％的范围，优于日本、英国和挪威的同类电站

中国100kW岸式振荡水柱波力电站

100kW岸式波力电站是一座与电网并网运行的岸式振荡水柱型波能装置，建于广东省汕尾市遮浪镇最东部，即北纬22°39’，东经115°34’。100kW岸式波力电站的研建为科技部“九五”科技攻关项目。项目开始于1996年12月，工程结束于2001年2月。现在已经进入试发电和实海况试验阶段。从试发电和实海况试验的情况来看，电站设计合理，波能转换效率较高，达到了设计要求。

100kW岸式波力电站包括振荡气室主体结构、透平发电机组和输配电控制系统等部分。电站主体能抵抗50年一遇台风，工作寿命15年。在入射波高H1/10＝1~3m，平均周期T＝5~7s时，平均发电功率N＝5~40kW，最大发电功率Nmax＝100kW。100kW岸式波力电站的研建，使大型波能装置的设计、建造、保护等各方面均有较大程度的提高，推进波能装置的实用化进程，使我国的波能转换研究基本达到国际同时期的先进水平。

100kW波力电站设有过压自动卸载保护、过流自动调控、水位限制、断电保护、超速保护等功能。所有保护功能均在计算机控制下自动执行，大大地减小了人工干预的需要，使波能装置在实用化道路上迈出了坚实的一步(摘自中国新能源网)。

从以上资料中可以看出，如今的波能发电装置存在下列问题：制造成本高；效率低；发电容量小。

本发明结构简单，所有部件都可以在工厂中预制好后，现场组装即可。与其它波能电站相比，本发明的方法的波能电站可以在很短的时间内建成，使波浪发电的成本大大下降，使波浪发电达到了可以大规模推广的实际应用水平。

发明内容：

1要解决的技术问题：

(1)成本高，主要原因是结构不合理，需要现场施工的工作多。

(2)效率低，主要原因是流过透平机叶轮的气流大小和方向都在周期性的改变，造成透平机在恶劣的工况下运行，那能有较高的效率。

2针对上述问题，本发明的解决方案如下：

解决问题(1)的方案是：将振荡气室横截面作成长方形，向后斜靠在岸边，借助岸基的支撑，以减小对振荡振荡气室的结构强度要求，可以节损材料。再就是将振荡气室的大件分成若干块，在水泥预制构件厂里预制，现场吊装，因为振荡气室靠在岸边，吊装方便，可以节约时间，节损人力，节约成本。

解决问题(2)的方案是：把振荡气室的出口分为进气口和出气口，用两个特制的(方框形多叶片)逆止阀3使进出气口只能进气或出气，不能逆向流动，并且在通向透平机的气道中加装了气体稳压气室4，使得流入透平机的气流处于稳定状态。在透平机叶轮前面设置能控制气流大小也能使气流旋转的导流叶片23，转动导叶23可以控制气流的大小，也可以使透平机开关机。解决问题(2)的方案可以简单地概括为：“整流、稳压、调流”，这些措施使进入透平机的气流平稳，使能量转换效率得以提高。

本发明的波能发电装置其结构如图1所示，主要由振荡气室1，方圆过渡段2，逆止阀3，稳压气室4，透平发电机组5等组成。

本发明的技术方案的工作原理是：由于波浪的作用，水在振荡气室中产生振荡水柱，进而导致振荡气室中的空气随着水柱的升降而流出流进。一个逆止阀只许气体从其进气口中流进，另一个逆止阀只许气体从出气口中流出，气体流出后通过稳压气室稳压，再驱动透平机发电。其工作流程是：由振荡气室将波能转换成气体的压能，再由透平发电机组将气体的压能转换成电能。

下面简述各部件的结构特点：

振荡气室1的结构特点：

振荡气室由前壁l3，后壁11，两侧壁12等合围而成，断面成长方形，振荡气室下大上小，外观成扇形，如图2所示。振荡气室以45°左右角度倾斜地靠在岸边，充分利用海岸的支撑力，可以减小对振荡气室的强度要求，可以增强振荡气室的抗风浪打击能力，也可以充分利用波浪的横向力和波浪沿岸爬升的特点使波浪在振荡气室中振荡得更高，以提高能量转换效率。下宽上窄的结构有四个好处。(1)下口宽可以更多地吸收波浪能，因波浪能的大小与其宽度成正比。(2)下宽上窄可以使波浪在振荡气室中的振幅更大。(3)上端窄可以更好地与振荡气室的进出气口对接，使气流更顺畅。(4)可以减小钢筋混凝土的用量。

振荡气室1的后壁可以直接在地基上现浇混凝土，其两边与两侧壁相对应的位置应作好如图2A-A剖视图所示的沟槽14。两侧壁和前壁可以分成多块在工厂用钢筋混凝土预制好，再运到现场组装。组装时先将两侧壁混凝土块吊入后壁相对应的沟槽中，使侧壁与后壁相互啮合，之后用卡条15卡在侧壁12和后壁11之间的沟槽14的间隙中，再用水泥灰桨灌在侧壁和后壁沟槽的间隙中，使它们凝固在一起。两侧壁安装好后，再将前壁各块依次吊入，扣在两侧壁上，安装完成后的形状如图2所示。各混凝土块应连结牢固，否则混凝土块会被波浪压缩的空气推动，应用地锚将后壁，特别是两侧边锚紧。

方圆过渡段2

由于振荡气室出口为方形，而管道及透平机都是圆形的，故应设置一个方圆过渡段。在方圆过渡段方形一端开有能插入逆止阀的插槽21，如图3所示。图中所画为从上方抽插逆止阀的方圆过渡段，槽口方向开在上方，插槽21槽口方向也可以开在两侧，从两侧抽插逆止阀。方圆过渡段应与振荡气室连结牢固，并应固定在地基上。

逆止阀3

逆止阀3作成方框形的，有多片轴线水平的可转动的叶片31，如图4所示。主要由两侧板32，上顶板33，下底板34，轴套35，挡板36，沉头螺钉37等组成。当气流正向流入时，叶片31被气流推开，空气可以通过逆止阀，反之则叶片31被气流推向关闭，空气不能通过逆止阀。这种方框形多叶片逆止阀只能用于方形管道中，安装时只须插入插槽中即可，更换流通的方向也很快，只须抽出翻个面插入即可。这种逆止阀只能垂直安装，垂直安装使叶片在自身重力的作用下即可使逆止阀关闭。这种逆止阀3具有多个叶片，叶片数量应视具体使用的实际情况而定。为什么要用那么多叶片呢？因为有如下好处：叶片多叶片端部到转轴的距离就短(即叶片窄)，叶片转动的角速度一样时，叶片端部处的线速度就小，由全开到关闭时的叶片相互撞击的力量就小，叶片端部移动的路程短，关闭的时间就短。在振荡气室中的水柱由向上转向向下，或者由向下转向向上的过程中，必定有一短暂的暂停时间，当然空气也会有一个短暂的暂停流动的时间，在这段短暂的时间中，叶片如果能在自身重力的作用下回到关闭状态，而不是等到反向气流将其冲向关闭，是最好的了，这样可以减小叶片关闭时的冲击力，延长逆止阀的使用寿命，逆止阀每天动作万次以上，属易损部件。叶片窄，扫风面积小，空气阻力就小，靠自重关闭的速度也会快一些，即使在风向转换的短暂时间内不能达到全关状态，也能预先关一段，减小了关闭时的撞击力。逆止阀在由全开到全关过程中必定有一部分气体随着叶片转动而流出去，而损失一部分气体，在这方面，多叶片逆止阀就比单叶片逆止阀损失的气体要少，虽然这部分气体对于透平机来说很少，但由于逆止阀每天动作在一两万次左右，其累积效应也是很可观的，尢其是在波浪较小时效果更明显。

稳压气室4

由于振荡气室1内的空气是随着振荡水柱一次一次地输出的，气流不是连续的，气体的压强也在不断地变化，如果直接对透平机作功，这对透平机的来说，运行工况太差了，透平机在这种工况下工作不可能有高的效率。要提高透平机的能量转换效率必须使气流连续，气压稳定。故在气流通道中设置一气体稳压气室4。

稳压气室4如图1所示，稳压气室4是一个位于整个波能装置的底部低于海平面的地下室41。其室顶面低于海平面1米，其下底面高程为-3米，即室内高度为2米。室顶有与气流通道相通的通气管道42，其管径与气流通道的管径相同。其靠海边的底部有与大海相通的进出水口43，其出口顶面高程等于或低于室底高程。其稳压原理是：在稳压气室无气贮存时，海水充满整个稳压气室，振荡气室1中压出的空气首先进入稳压气室4中，将海水从进出水口43挤出，随着空气不断地被压入，稳压气室4中的海水水位不断下降，气体压强也随之不断上升。打开透平机组自动调速装置，开启透平机组开始发电，通过调节导叶开度，使贮气式稳压气室中的水位基本保持不变，则气体压强也基本不变。振荡气室1中振荡水柱上升时，空气被压出振荡气室1，一部分空气直接进入透平机组作功，另一部分未用完的空气则在稳压气室4中贮存起来，使其中水位稍微下降，气压稍微增大，其变化量很小。反之振荡气室1中振荡水柱下降时，空气从方圆渐变段的进气口进入振荡气室1，出气口无空气输出，稳压气室4中贮存的空气在海水压力下输出到透平机组，使透平机组不间断工作，这时气压将稍微下降。在一个波浪周期中，气压变化很小，其变化量与稳压气室4的室内面积成反比。这种稳压气室使气压稳定在0.1-0.3kg/cm²之间，到了0.3kg/cm²时，稳压气室内的海水已全部排空，再有空气进入，空气从进出水口直接溢出到海中，使气压不可能超过额定值。同时起到了安全阀的作用。改变稳压气室的高程和高度可以改变稳压值和稳定范围，但这也同时改变了振荡气室所受的压力，稳压值定的高，振荡气室的强度就要高。这种稳压气室如果容积足够大，则可以贮存较多的压缩空气，以供浪小时使用，因此具有一定的短时调节作用，有利于提高波能发电装置的单机运行能力，提高电能质量。在有特大波浪时，海水可能会漫过振荡气室1，这部分海水可通过管道42流入到稳压气室4中，而不会流到透平机组中，保护了透平发电机组。

透平发电机组5

透平发电机组5在气流通道中的固定方式如图5所示，发电机50在前，叶轮56在后，发电机50为同步发电机，形状为细长圆柱形，与发电机外壳间隙配合的圆环51连有三根支柱52，一根在圆环51的顶部，另两根对称分布在两侧，沿圆周均匀分布，三根支柱52的另一端都与气流通道的内壁相连。前后各有一个这样的支撑点支撑着透平机组。发电机安装时，只须将发电机插入圆环51的孔中，圆环51圆周分布有六个能抵紧发电机的螺钉，将螺钉抵在与发电机50外壳对应的圆孔中。圆环51的支柱52都做成扁平的流线形，以减小对气流阻力。后支撑点的圆环51要长一些，更象一截短管，以便作为活动导叶53的轴套的支座。活动导叶轴伸出气流通道之外，通过套在气流通道外圆的调节环54带动导叶轴的拐臂55使所有导叶轴同时转动，进而改变导叶53开度，控制气流量大小。调节环54由自动调速器推动其转动，以自动维持透平发电机组的转速。活动导叶53可以让气流在进入透平叶轮前旋转起来，使气流正对叶片冲击，在气流量减小的情况下可让气流速度不减小。加装活动导叶虽然增加了装置的复杂性，但可以提高转轮的工作效率。活动导叶53的数目应与叶轮56的叶片数相同。靠近叶轮的三根支柱52的扁平方向应以其长轴线为自转轴顺着气流旋转方向转30°-40°角，这样作既可以提高其支撑强度，又可以使气流转向旋转。适当减小透平机叶轮56处的过流断面以提高气体运动的速度，将与叶轮56的出口相接的管道57作成喇叭口形，使流出透平机的气体的流速尽可能小，因为气体的动能为E＝1/2mv²，将尾气管57作成喇叭口形也可以提高透平机效率。叶轮56是整个装置中的关键部件，其性能直接影响透平机的效率。本发明装置中的叶轮与其它波浪发电装置中的透平机叶轮完全不同，其叶片数可以多达20片，叶片角度(与转轴中心线间的夹角)也比其它装置的角度小。因为在气流进入叶轮前就已由导叶导向旋转，只要叶片面对气流的方向，气流的旋转直接带动叶轮旋转，这种结构可以大大减小轴向气推力。活动导叶与叶轮的间距以活动导叶开至最大时不与叶轮相撞为准。叶轮56直接连结到发电机轴端。

在振荡气室1，方圆渐变段2，稳压气室4，透平发电机组5等全部安装完毕后，将两个逆止阀3插入其插槽中，在波浪的作用下，空气会一次又一次进入到气流通道中，不断挤出稳压气室4中的海水，空气气压渐渐升高到一定值时，开启调速器，打开导叶，透平发电机组开始发电，整个波能装置即可运行起来。透平发电机组5需要检修时，只须将两个逆止阀3抽出，振荡气室处于敞开状态，气流通道中就没有气流了，不会影响检修工作的进行。

综上所述，本发明的波能发电装置和方法的技术特征是：

(1)将波能转换为气体压能的振荡气室是斜向靠岸布置；(2)具有方圆渐变段，并且其上有可以插入方框形逆止阀的插槽；(3)使用两个方框形多叶片逆止阀使气体单向流动：(4)用具有贮气作用的稳压气室4稳定气体压强；(5)具有能使气流旋转并能调节气流大小的导流叶片机构，使用自动调速器调节转速。(6)具有能够回收透平机叶轮出口动能作用的呈喇叭口形的尾气管。

3本发明的波能发电方法的有益效果

本发明波能发电装置的振荡气室斜向靠岸建设，与其它靠岸的垂直装置或海中的波能装置相比，省去了建设难度最大成本最高的气室顶。由于斜向靠岸布置，降低了对振荡气室的结构强度要求，降低了振荡气室的制造难度和制造成本。整个系统建设绝大部分都在岸上进行，施工难度大大下降，振荡气室分成多个混凝土块预制而成，各混凝土块间靠扣结连结，现场组装速度快，可以较大缩短建设工期，使投资尽快见到成效。

振荡气室斜向布置可以同时利用行进波波能和上下振动的横波波能，再加上装置应用了“整流、稳压、调流”等措施，使透平机组工作稳定，提高了能量转换效率。这都是其它波能发电装置所没有的技术方案，并且这些技术方案都是用非常简单的措施实现的，成本很低。预计建成这种波能发电站的单位千瓦投资小于水电站，稍大于火电站，但波能是清洁无污染的可再生能源，运行费用低，有很大的市场竞争优势。本发明使波能利用可以从此进入实用阶段。

附图说明：

图1为本发明的波能发电装置的总体布置图(含侧视图和俯视图)；

图2为振荡气室1的结构图；

图3为方圆渐变段2的结构图；

图4为方框形多叶片逆止阀3的构造图，含主视图和侧剖图

图5为稳压气室结构图；

图6为透平发电机组示意图；

图1，振荡气室1，方圆渐变段2，方框形多叶片逆止阀3，稳压气室4，透平发电机组5。

图2，后壁11，侧壁12，前壁13，沟槽14，卡条15。

图3，逆止阀插槽21，

图4，叶片31，侧板32，上顶板33，下底板34，挡板36，沉头螺钉37。

图5，地下室41，通气管道42，进出水口43

图6，发电机50，固定发电机的圆环51，支撑发电机的支柱52，活动导叶53，调节环54，导叶拐臂55，叶轮56，透平机尾气管57。

具体实施方式：

这里捉供一个可以建成大型联合波能发电厂的方法：

在海边一个紧挨一个建造多个振荡气室，将方圆渐变段2的出气口与较大直径的管道相连，每二至四个振荡气室共用一个稳压气室和一台透平发电机组，当然这时稳压气室的容量就要比单个振荡气室系统的要大。这样稳压气室和透平发电机组台数可以减少，装置单台容量增大了。整个电站的压缩空气是连通的，可以根据需要选择开机的台数，运行灵活方便。保证透平机组在最高效率区工作，这样也可以提高效率。这样可以建成大型的波能发电厂。

将波能电站和防波堤相结合，既能提供清洁的能源，又能防止波浪对堤内设施的侵害，一举两得，提高综合效益。

Claims (4)

1本发明系一种利用波浪能发电的方法，其特征在于：(1)将波能转换为气体压能的振荡气室是斜向靠岸布置，能同时利用行进波和横波；(2)具有方圆渐变段，并且其上有可以插入方框形逆止阀的插槽；(3)使用两个方框形多叶片逆止阀使气体单向流动；(4)用具有贮气作用的低于海平面的地下稳压气室使气压稳定：(5)具有能使气流旋转并能自动调节转速的导流叶片机构。(6)具有能够回收透平机叶轮出口动能作用的呈喇叭口形的尾气管。

2如权利要求1所述的斜靠岸气室，是由预制混凝土块现场组装而成，各混凝土块采用扣结方式连成一个整体。

3如权利要求1所述的方圆渐变段2，其技术特征在于：方圆渐变段2方形一端有可插入逆止阀3的插槽，另一端为两个圆形的可插入预应力水泥管的进出气口。

4如权利要求1所述的逆止阀3，其技术特征在于：外形为方框形，其两侧板之间装有三片以上是可转动的叶片，其轴线呈水平方向。

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