CN202266365U - 振荡水柱-u型管组合型波能转换装置 - Google Patents

Abstract

一种适于提高波能转换效率的振荡水柱-U型管组合型波能转换装置，包括置于水中且上部为气室(4)的振荡水柱型波能转换装置(14)、装有透平(6)的空气管道(5)，所述振荡水柱型波能转换装置(14)的顶部端口同空气管道(5)的一端连通；所述空气管道(5)的另一端同U型管(10)的一端连通，管内装有流体(9)的所述U型管(10)的另一端与大气相通；U型管(10)的底部通过管道(12)与注液抽液控制系统(11)相连。所述流体(9)可以是水。该波能转换装置可以在任意频率的入射波时，通过简单的调节，获得较高的能量吸收效率，且结构简单；还可对现有的振荡水柱型波能转换装置进行改进。

Description

振荡水柱-U型管组合型波能转换装置

技术领域

本实用新型涉及用于将波浪能转换为电能的振荡水柱型波能转换装置；该装置可建设在近岸、海洋平台及大型海洋浮体结构上，在为沿岸、海洋平台、大型海洋浮体结构提供电能的同时，可以减小波浪对相应结构物的作用。 

背景技术

随着世界经济的发展，世界能源需求将进一步增加，而石油、煤炭等资源在不断减少。同时，传统化石能源还会导致严重的环境问题。因此，人们迫切的需要找到新的清洁能源。波能作为一种取之不竭的可再生清洁能源，以其具有能量密度高、分布面广等优点，受到越来越多的关注。 

振荡水柱(OWC)型波能转换装置是波能转换装置的一种，它具有维护简单，无水下活动部件等优点，受到人们的极大关注。该类型装置通过气室将波浪能转换为空气流的能量，再通过空气透平将气流能量转换为电机转轴的轴功，最后通过发电机将轴功转换为电能。 

大量的研究表明，当OWC的几何形状确定后，只有波长为特定值的入射波，才能使OWC的波能吸收效率达到最大值。由于海洋中波浪的频率是连续变化的，其波长不是唯一的，因此，在实际运行中，OWC的效率会下降很多。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，针对现有振荡水柱型波能转换装置在实际应用中波能吸收效率低的缺陷，提出一种振荡水柱-U型管组合型波能转换装置，以提高任意频率入射波时振荡水柱型波能转换装置的能量吸收效率；它既可作为新的波能转换装置，也可对现有的振荡水柱型波能转换装置进行改进。 

本实用新型的技术方案是，所述振荡水柱-U型管组合型波能转换装置包括置于水中且上部为气室的振荡水柱型波能转换装置、装有透平的空气管道，所述振荡水柱型波能转换装置的顶部端口同空气管道的一端连通，其结构特点是，所述空气管道的另一端同U型管的一端连通，管内装有流体的所述U型管的另一端与大气相通。 

以下对本实用新型做出进一步说明。 

根据SARMENTO(Sarmento A J N A， 

 A F.Wave generation by an oscillatingsurface-pressure and its application in wave-energy extraction[J].J.Fluid Mech，1985，150：467-485.)的结论，当透平前方的空气压强(即腔室内的气体压强)与通过透平的空气流量之间存在合适的相位差时，振荡水柱型波能转换装置的波能吸收效率可以达到100％。 

参见图1，本实用新型所述振荡水柱-U型管组合型波能转换装置的工作原理是，利用U型管10内流体的振荡来使透平前方的空气压强与通过透平的空气流量之间出现相位差，从而实现提高振荡水柱型波能转换装置的波能吸收效率的目的。并且，通过调节U型管10内部液体的多少来控制上述相位差的大小，可实现在任意频率入射波下，振荡水柱型波能转换装置的波能吸收效率接近100％。 

U型管10内的流体根据拉格朗日积分可得： 

式中 

v₂、v₀，P₂、P₀分别为U型管10左右两侧的速度势函数，液面速度，液面上压强。ρ为U型管内液体密度，g为重力加速度，x为U型管10左侧液面离开平衡位置的距离(如图1所示)。 

由于U型管10两侧液面运动速度大小相同，即|v₂|＝|v₀|＝v，故式(1)可简化 为： 

式(2)左端有： 

式中，L为U型管10内液体长度。 

式(2)右端压强P₀可取零，故有： 

$-L\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{P_2}{\mathrm{\ρ}}+2\mathrm{gx}---\left(3\right)$

当透平为线性透平时，有P₂＝P₁+CQ，其中，P₁为通过透平前气体的压强，Q为体积流量，C为透平系数。若忽略空气压缩性，体积流量Q与U型管10内液体流动速度v有Q＝vS，其中S为U型管10的横截面积。 

综合以上，式(3)可写为： 

$L\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{\mathrm{CS}}{\mathrm{\ρ}}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+2\mathrm{gx}=-\frac{P_1}{\mathrm{\ρ}}---\left(4\right)$

上式为受迫振动方程，若P₁为简谐变化，可以设P₁＝-|P₁|cosωt，式(4)各项同除以L，可化作标准形式 

式中， 

为U型管系统的无阻尼固有频率， 

为阻尼比，B＝|P₁|/2g为与幅值相等的常值力施加于U型管一端所引起的液面静变化。引入量纲一的激励频率s＝ω/ω₀，根据振动理论，方程(5)的稳态响应为： 

式中幅值A_x与ρ、g、ω、|P₁|、C、S、L有关，相位 

由于x与Q同相，故腔室(气室4)内的空气压强P₁与通过透平6的气体流 量Q之间的相位差也为： 

根据以上分析，由于传统振荡水柱型波能转换装置的空气管道直接连通的是大气，在线性透平时，其腔室内的空气压强与通过透平的气体流量之间不会有相位差。本实用新型在传统振荡水柱型波能转换装置的空气管道后加上U型管装置，由于U型管10内液体的运动，使腔室内的空气压强与通过透平的气体流量之间产生相位差。通过调整液体的多少，即参数L，可以使P₁与Q之间产生合适的相位差，以保证流量Q与压强P₁之间的相位差为所需相位差。 

如图1所示，按图示A方向传播的入射波2在传到OWC装置时，波的运动方式及能量绕过OWC前墙3使OWC腔室内的液面作上下振荡，进而使气室4内的空气往复通过连接有发电装置的透平6，连接在空气管道5后的U型管10内流体9的振荡，可以极大的提高OWC对波能吸收的效率。根据理论分析，所述振荡水柱-U型管组合型波能转换装置的几何尺寸及U型管内液体的多少应满足以下条件：U型管的尺寸应该与OWC腔体尺寸相匹配，通过调整U型管内液体的多少可以获得所需的相位差。 

本实用新型装置中，当入射波传播到振荡水柱装置时，腔室内液面做振荡运动，通过对腔室内气体压强信号的分析，得到气体压强的变化频率ω。当U型管的大小确定时，根据前述式(6)可以计算出U型管内所需液体的量。由本实用新型波能转换装置的结构设计可看出，调节U型管内液体多少是非常容易实现的。只需从U型管10的底部引出一根管道12，管道的另一端附加一套注液和抽液的控制系统11，就可针对不同的入射波调节U型管内液体的多少，从而实现在任意频率入射波时，都可以得到最大效率。 

由以上可知，本实用新型为一种振荡水柱-U型管组合型波能转换装置，它 提高了任意频率入射波时振荡水柱型波能转换装置的能量吸收效率，且结构简单；既可作为新的振荡水柱型波能转换装置，也可对现有的振荡水柱型波能转换装置进行改进。 

附图说明

图1是本实用新型一种实施例的结构原理图，图中箭头A为入射波传播方向。在图中： 

1-静水面，     2-入射波，                   3-OWC前墙， 

4-气室，       5-空气管道，                 6-透平， 

7-水底，       8-OWC后墙，                  9-流体， 

10-U型管，     11-注液抽液控制系统，        12-管道， 

13-阀门        14-振荡水柱型波能转换装置。 

具体实施方式

如图1所示，所述振荡水柱-U型管组合型波能转换装置包括置于水中且上部为气室4的振荡水柱型波能转换装置14、装有透平6的空气管道5，所述振荡水柱型波能转换装置14的顶部端口同空气管道5的一端连通；所述空气管道5的另一端同U型管10的一端连通，管内装有流体9的所述U型管10的另一端与大气相通。所述流体9为水。 

如图1所示，进一步地，在U型管(10)的底部通过管道(12)与注液抽液控制系统(11)相连；该注液抽液控制系统(11)用以调节U型管(10)内的液体的量。注液抽液控制系统(11)可采用现有技术结构。 

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。 

Claims (3)

1.一种振荡水柱-U型管组合型波能转换装置，包括置于水中且上部为气室(4)的振荡水柱型波能转换装置(14)、装有透平(6)的空气管道(5)，所述振荡水柱型波能转换装置(14)的顶部端口同空气管道(5)的一端连通；其特征是，所述空气管道(5)的另一端同U型管(10)的一端连通，管内装有流体(9)的所述U型管(10)的另一端与大气相通。

2.根据权利要求1所述振荡水柱-U型管组合型波能转换装置，其特征是，U型管(10)的底部通过管道(12)与注液抽液控制系统(11)相连。

3.根据权利要求1所述振荡水柱-U型管组合型波能转换装置，其特征是，所述流体(9)为水。

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