CN203515939U - 以"点头鸭"为波能采集器的波浪发电装置 - Google Patents

Abstract

以“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置，所述的“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置，具有一垂直于来波方向安装的转动轴，装置的横截面轮廓呈鸭蛋形，其特征是采用“点头鸭”为波能采集器，但去除“点头鸭”内液压及转换装置，空间填充聚氯乙烯发泡体，使其成为永久浮力舱，波能采集器立于可变浮力舱，可变浮力舱装设注水／排水管阀及进／排气管阀，鸭体嵌装水平滑道直线发电单元，垂直方向装设垂直滑动直线发电单元，四套与四角锚固柱结合，滑动套筒就是直线发电单元定子，另一为中心垂直滑动直线发电单元，垂直滑动直线发电单元装设防污损生物刮板装置及刮擦装置。本实用新型若能大力推广，有望实现波能发电的实用化，产业化。

Description

以"点头鸭"为波能采集器的波浪发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种以“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置(以下简称“点头鸭)，属于海洋能源利用技术领域。

背景技术

一位叫Salter的工程师在他1974年的论文中介绍了一种独特的波能转换方法，由于该装置的形状和运行特性酷似鸭的运动，因而称其为“点头鸭”。鸭式装置是一种经过缜密推理设计出来的、该装置具有一垂直于来波方向安装的转动轴，装置的横截面轮廓呈鸭蛋形，其前端(迎浪面)较小，其后部(背浪面)较大，水下部分为圆弧形，装置在波浪作用下绕转动轴往复转动时，装置的后部因为圆弧形，不造出向后行进的波，又由于鸭式装置吃水较深，海水靠近表面的波难以从装置下方越过，故鸭式装置的背后往往为无浪区，这使得鸭式装置可以将所有的短波拦截下来，如果设计得好，鸭式装置在短波时的一级转换效率可以接近于100％。在波浪运动的一个周期内，点头鸭将运动能和位能两者同时通过液压装置转化出去，然后再由液压系统把动能转换为电能。其优点如文献[1]专家指出的是：

·鸭式技术是世界上效率最高的波浪能技术。

·环保：不破坏海岸、海底，一投即用。

·可批量生产，易于走向标准化，技术易于走向成熟。

不过在不规则波作用下的“点头鸭”式性能研究表明，在不规则波作用下，系统效率要低许多。在恶劣的海洋环境下，装置也极易损坏，由于存在这些缺陷，所以Salter点头鸭没有得到广泛推广。因此，为了让“点头鸭装置”能发挥效能首先必须要做到：

1.装置必须在一定水深范围，即处于规则波范围；

2.必须有规避災难性海况(如台风袭击)的方法；

3、必须有全天候的波面能利用能力。

本专利发明人在已公示(授权公告号CN202851250U)，实用新型名称为”基于新型系泊的“点头鸭”式波浪能转换装置”发明里，提出了一种基于CN201962696U，已公开的带水力冲刷助沉及加固地基设置的水下杯形基础的系泊方案，该技术方案的要点是：点头鸭装置X，Y方向即水平方向约束，Z方向即垂直方向自由，具体办法是让点头鸭装置四角能上下滑动在基础立起的导管上，导管采用海洋石油隔水套管快速对接技术，完成导管与基础预埋管连接，同时顶部端头连接上一圈连系杆，最后放入点头鸭装置並与点头鸭装置滑动套管连接。本实用新型对鸭体不作改动前提下，将其水下附体设计为沉垫式，即封闭箱状，并安装有注水/排水管阀及进/排气管阀，可通过注/排水调节，让点头鸭装置处于最理想的波面高度，在強台风袭击前注水下沉保护鸭体，为安全计本实用新型还设置了防脱安全绳。本实用新型彻底解决困惑本技术的难点，让前述3项技术问题得以完善解决，使点头鸭装置能真正发挥效益。

但“点头鸭装置”是将运动能和位能两者同时通过液压装置转化出去，然后再由液压系统把动能转换为电能的，其机体目前均需进口，货源不可取，且价格高昂，装置的缺陷如文献[1]介绍的.鸭体内部装有复杂的机械和发电机构，制造和安装难度大，而且缺乏缓冲环节，受突发性大波作用下容易损坏，需要体积较

大密封舱，但密封难度却很大，当然除巨大的加工成本造成价格昂贵外，还有维护困难的问题。

因此要发挥“点头鸭”前述的优点，必需去除液压转换系统，改用滑块式动子永磁直线发电装置，在专利”基于新型系泊的“点头鸭”式波浪能转换装置”(授权公告号CN202851250U)的开创性的锚固及规避台风优势下，引入海洋工程成熟技术，有望实现波能发电的实用化，产业化。

非专利文献；

[1].波浪能技术及其前景(中国科学院广州能源研究所、游亚戈研究员2010年11月24日

[2].海洋波浪能发电装置的研究现状与发展前景(张丽珍、羊晓晟、王世明、梁拥成、(上海海洋大学工程学院、上海)

[3].基于永磁直线发电机的海洋发电系统概述(张玉麒，许晖西北工业大学航海学院西安)

专利文献；

[1}.受权公告号CN201962696U实用新型名称：带水力冲刷助沉及加固地基设置的水下杯形基础(专利号：201020276443.0)发明人：古国维专利权人：古国维

[2}.受权公告号CN202851250U实用新型名称：基于新型系泊的“点头鸭”式波浪能转换装置(专利号：201220234644.3)发明人：古国维专利权人：古国维

[3]申请公布号CN102374105A发明名称：重力式真空滑道磁力波浪发电装置(申请号201110286943.1)发明人：娄保东，伏潜，申请人：河海大学

发明内容：

分析了“点头鸭”式波浪发电装置现状，本实用新型提出了系列的改进方案，其特征是：

1.以“点头鸭”为波能采集器，但去除“点头鸭”内部的液压及转换装置，空间填充聚氯乙烯或聚苯乙烯发泡体，最好采用高发泡，闭孔型硬质泡沬发泡体，使其成为永久浮力舱，这样做的好处是彻底解除了制约“点头鸭”式波浪发电装置的复杂而又昂贵的“点头鸭”内部的液压及转换装置，同时解决了原来的“点头鸭”式波浪发电装置，需要体积较大密封舱，但密封难度却很大的问题，填充聚氯乙烯或聚苯乙烯发泡体后既不怕破损，也大大降低了加工难度。

2“点头鸭”为波能采集器立于可变浮力舱，可变浮力舱为钢结构的密闭箱体，箱体装设注水/排水管阀及进/排气管阀，用于调节浮力，使“点头鸭”装置处于理想的工作高度，在台风袭击前又可往可变浮力舱注水下沉，以确保装置的安全。

3.可变浮力舱支承在钢结构的密闭箱体的设备舱上，设备舱将来可用于汇集发电单元的电力，再通过储能器及逆变器将电力输出，这样以“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置，将可以变成一座独立的发电站。

4.设备舱通过四角套入导管滑动的发电机定子套筒，让其能上下滑动在基础导管上，一方面使“点头鸭”装置X，Y方向即水平方向约束，Z方向即垂直方向自由，並处于理想的工作高度，同时利用其上下滑动，构造垂直滑动直线发电单元。

5.波浪发电装置由三部分组成：

A.装于鸭体的水平滑道直线发电单元，水平滑道直线发电单元是通过嵌挿方式放置在鸭体的，这种安装方式好处是：可通过嵌插深度调节鸭体重心，使鸭体在不受力状态处于理想的鸭形，而不致以鸭体重心的偏移倒向一边。

B.在导管滑动区间，由焊接一段纯铁导管的振子磁轭，与四角套入导管滑动的发电机定子套筒形成的垂直滑动直线发电单元；

C.装设于设备舱的发电机定子套筒与对应的纯铁导管的振子磁轭形成的垂直滑动直线发电单元。

6.在垂直滑动直线发电单元有专门设计的防污损生物刮板装置及刮擦装置。这是一项基于实踐的简单而实用创新，在湛江受涨潮淹没的渡船码头，每次退潮后，码头工人都要用刷子刮擦一遍，以防止污损生物生长，影响行人及车辆，码头工人这种作业方式其效果有目共睹。

7.钢构件的防腐蚀通过牺牲阳极实现，放置位置不作规定，放置之处只要钢构件不被隔离，均可起到保护作用。

8.此外设计有二套防脱装置，一是防脫绳，二是滑动导管顶装设的防脫弹簧阻尼器。

9.导管顶部由连系杆联系起来，连系杆型式不作限制。

10.“点头鸭”装置的基础不限形式，但推荐选用受权公告号CN201962696U专利基础，因该基础有自浮自安装优点，可降低海上安装成本。

本实用新型的优越性是：受力明确，造价低，安全可靠，可操作性強，波浪水平，垂直的作用均用于发电，达到效益的最大化。对于发电装置的水下部分，应用海洋石油常规成熟有效的技术进行了完善的处理，本实用新型即使災难性海况也不易损坏，现在又通过可变浮力舱箱体装设注水/排水管阀及进/排气管阀，用于调节浮力，在台风袭击下还可注水下沉确保安全。另一个突出优点是若採用推荐的古国维受权公告号CN201962696U的专利新型基础，利用其自浮，自安装特点及“点头鸭”为永久浮力舱可自浮，可变浮力舱可调节升沉特点，可实现不必动用大型海上工程船舶完成海上安装，从而大笔节约工程费用，因为海洋工程特点是海上安装费用可高达整个工程费用的30％至50％。本实用新型大大地提升了“点头鸭”式装置的价值，若能大力推广，有望实现波能发电的实用化，产业化。

附图说明

图1是以“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置立面示意图；

图2是以“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置平面示意图；

图3是以“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置与图1方向垂直的另一方向立面示意图；

图4是以“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置与图1方向垂直的另一方向平面示意图；

图5是以“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置各大部件关系图，本图有助于了解本实用新型的构造並方便指导安装；

图6是“点头鸭”波能采集器构造示意图；

图7是“点头鸭”波能采集器纵剖面示意图

图8是“点头鸭”波能采集器转轴支承节点构造示意图；

图9是“点头鸭”波能采集器筒形鸭身封头构件109构造示意图；

图10是“点头鸭”波能采集器筒形鸭身加強件110构造示意图；

图11是嵌置于“点头鸭”的水平滑道直线发电单元1-1剖面构造示意图；

图12是嵌置于“点头鸭”的水平滑道直线发电单元，动子滑动构造示意图，一般动子仅为滑道长1/3；

图13是垂直滑动直线发电单元定子8-1，8-2构造示意图；

图14是垂直滑动直线发电单元定子2-2剖面构造示意图，本图也显示了振子磁轭的构造示意；

图15是防污损生物刮板装置构造示意图；

图16是防污损生物刮擦装置构造示意图；

图17是.钢构件的防腐蚀牺牲阳极构造示意图。

在附图中：“点头鸭”波能采集器1，其中鸭尾筒体101，鸭身轮廓体钢板102，“点头鸭”波能采集器转轴103，转轴推力轴承104，转轴滾动轴承105，轴盖106，固定螺栓107，防脱插销108，鸭尾筒体端板109，鸭尾筒体加強板110，聚氯乙烯或聚苯乙烯发泡填充体111，固定支架2，可变浮力舱3，其中：注水/排水管阀301，进/排气管阀302，钢构件303，围护结构钢板304，设备舱4，其中：设备舱与导管导管滑动定子连接板401，连接板连接螺栓402，防脫安全绳吊耳403，四角导管5，其中：导管纯铁段振子磁轭501，四角导管上段502，防脫套筒503，柱间联系杆504，橡胶防踫垫505，基础6；其中：预埋吊耳601，中心导管7，其中：垂直滑动直线发电单元纯铁段振子磁轭701，垂直滑动直线发电单元定子8-1，垂直滑动直线发电单元定子8-2，其中：定子铁芯800，嵌接之永磁体801，嵌接之定子绕组802，定子不锈钢封板803，导向滑轮804，固定螺杆805，固定螺姆806，连接板807，连接板加劲板808，水平滑道直线发电单元9，其中：定子铁芯901，定子绕组902，固定螺杆903，固定螺姆904，动子组块滑轮905，滑轮滑轨906，动子组块结构不锈钢芯板907，动子永磁体908，封闭盒体909，端部弹性缓冲帽910，防污损生物刮板装置10-1，其中：壳体1001，与定子伸缩连接件1002，环状刮板1003，壳体聚氯乙烯或聚苯乙烯发泡填充体1004，防污损生物刮擦装置10-2，其中：壳体1005，刮擦杆固定槽1006，刮擦杆1007，刮擦棒推力弹簧1008，钢构件的防腐蚀牺牲阳极11，其中：鋁阳极块1101，钢筋1102，被保护钢结构1103，防脫安全绳12。

具体实施方法

如图5所示本实用新型由四大部分組成，即一为点头鸭体及嵌置于“点头鸭”的水平滑道直线发电单元，二为支架，可变浮力舱及设备舱，三为基础，导管以及纯铁段振子磁轭。第四部分为附件如防脫套筒503，柱间联系杆504；橡胶防踫垫505，防污损生物刮板装置10-1，防污损生物刮擦装置10-2，下面参照说明书附图，说明各部分具体实施方法：

首先根据水深，“点头鸭装置”距离设备舱高度及工作海况确定垂直滑动直线发电单元的导管振子磁轭长度，将数据交发电机专业制造商。本实用新型的水平滑道直线发电单元，垂直滑动直线发电单元均应由发电机专业制造商加工，其制作程序以垂直滑动直线发电单元为例：用冲床冲切垂直滑动直线发电单元定子800，通过固定螺杆805，固定螺姆806，让定子成形，通过连接板807与定子不锈钢封板803的焊接，及通过焊接连接板加劲板808.使连接板807与定子不锈钢封板803间有可靠连接，最后装上导向滑轮804，即完成定子预制，同时应完成的还有导管的振子磁轭，是将对应导管外径一致的纯鉄管，均匀开有嵌填非导磁材料的槽，嵌填的导磁材料可以是改性环氧树脂为基体的复合材料，再机加工处理成表面光滑的管段。

水平滑道直线发电单元9之定子加工完全类似于垂直滑动直线发电单元之定子加工，不再重复说明。

水平滑道直线发电单元9之动子为永磁体，加工稍复杂，首先制作动子组块结构不锈钢芯板907，二侧贴永磁体贴片908，芯板上下二面安装动子组块滑轮905，二端头安装弹性缓冲帽910，水平滑道直线发电单元9之定子加工完全类似于垂直滑动直线发电单元之定子加工，由固定螺杆903，固定螺姆904固定后，在不锈钢封闭盒体909内上下装上滑轮滑轨906后密封起来即可，等待总装。

点头鸭体制作推荐鸭尾筒体101用玻璃钢管制作，玻璃钢管内放置筒体加強板110，二端用筒体端板109，构件109，110与筒体101连接可用铆接也可用粘接，接着套进转轴103，然后用钢板102做成鸭形，方法是鸭身轮廓体钢板102，以鸭尾筒体101为基座，铆钉在鸭尾筒体101上，用密封胶封堵所有接缝，再在鸭身临时开孔，从孔填充聚氯乙烯或聚苯乙烯发泡体，填充聚氯乙烯或聚苯乙烯发泡体既保证浮力的安全，也有利于“点头鸭”波能采集器的強度。“点头鸭”制作完成后，用电动工具开出嵌放水平滑道直线发电单元9的位置，嵌放进水平滑道直线发电单元9，嵌放水平滑道直线发电单元9，有调配鸭体重心功能，所以，固定前应放机架上，看鸭体重心是否合适，调配好嵌进深度后，再用调配了固化剂的环氧树脂胶泥固定，点头鸭体制作即告结束，等待总装。

固定支架2，可变浮力舱3，设备舱4均为一般的钢结构，只是因用于海上，所不同的是与陆上房屋钢结构作业相比要求要高一些，並应考虑多为管构件，对接难度要比型材高，制作应严格遵守建造程序，材料选择上应选择可焊性好的钢材，在焊接环节上应有完善的焊接程序，焊缝检测程序，焊接人员应持合格的焊工证书，严禁无证或等级不够人员施焊。固定支架2，可变浮力舱3，设备舱4制作按下顺序进行：

a.放样切割：

b.打磨剖口；

c.组对焊接；

d.附件焊接：

e.焊缝检验，可用磁粉探伤抽检；

f.整体组装

固定支架2，可变浮力舱3，设备舱4可把它焊接成一整体，等待总装。

最后一大部分为附件，在图1，3，15.16，17均有明确标示，构件又不大，按图制作即可，只是防污损生物刮板及防污损生物刮擦应选用耐磨橡胶材料。

第三大部分的基础，导管以及纯铁段振子磁轭体，本实用新型并不限定基础型式，但考虑海上安装的便利及基础本身造价，优选受权公告号CN201962696U本发明人发明的专利基础。为此，在岸上工地按海洋钢筋混凝土构筑物建造规程及专利201020276443.0要求预制完成钢筋混凝土基础，如图5示之顶板上，通过预埋或杯形基础方案，安装带纯铁段振子磁轭的导管5，导管7，同时预埋好吊耳601。

当各大部分完成预制之后转入陆上总装阶段，陆上总装方案依海上安装不同而不同：

A.整体吊装方案：优点是简单，快捷，安全可靠。缺点是海上安装要动员较大吨位浮吊，海上安装成本较高。若採用整体吊装方案，陆上总装只需要将各部分依次装配起来，吊上运输驳船，由浮吊投放入指定水域，在现场调节可变浮力舱注水/排水管阀301，进/排气管阀302，使“点头鸭”波能采集器1处于设计标高。

B.分段浮运自安装方案：优点是不必动员较大吨位浮吊，从而降低海上安装成本。缺点是复杂，必须对每一环节作精确的计算及计划，另外，由于海上海况多变有一定风险。若採用分段浮运自安装方案，陆上总装成二大块，一块是基础6，导管以及纯铁段振子磁轭体5，7，一块是“点头鸭”波能采集器1，支架2，可变浮力舱3及设备舱4。海上安装也分二阶段，首先浮运或驳运基础6，导管以及纯铁段振子磁轭体5，7，至安装水域将其沉放下水，然后调平基础，使导管以及纯铁段振子磁轭体5，7，保持垂直。第二阶段浮运或驳运“点头鸭”波能采集器1，支架2，可变浮力舱3及设备舱4至安装水域后投放入水，在辅助工作船及潜水员协助下，通过调节可变浮力舱注水/排水管阀301，进/排气管阀302，让垂直滑动直线发电单元定子8-2及防污损生物刮擦装置10-1，防污损生物刮擦装置10-2，一起套入基础四角的导管5，因中心导管7位置是唯一的，垂直滑动直线发电单元定子8-2套入基础四角的导管5，则垂直滑动直线发电单元定子8-2套入中心导管7，由潜水员挂上防脫安全绳12，最后调节可变浮力舱注水/排水管阀301，进/排气管阀302，使“点头鸭”波能采集器1处于设计标高。

电能外输是另一课题，本实用新型不作叙述，实际上波能发电涉及系统工程，如基础本身就是个大课题，本实用新型只是假定基础是可实现的，因此，系统工程涉及旳诸多课题，只能在实施中再作相关考虑。

Claims (2)

1.以“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置，所述的“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置，具有一垂直于来波方向安装的转动轴，装置的横截面轮廓呈鸭蛋形，其特征是采用“点头鸭”为波能采集器，但去除“点头鸭”内部复杂精密的液压及转换装置，空间填充聚氯乙烯发泡体，使其成为永久浮力舱，波能采集器立于可变浮力舱，可变浮力舱装设注水／排水管阀及进／排气管阀，鸭体嵌装水平滑道直线发电单元，垂直方向装设垂直滑动直线发电单元，四套与四角锚固柱结合，滑动套筒就是直线发电单元定子，另一为中心垂直滑动直线发电单元，垂直滑动直线发电单元装设防污损生物刮板装置及刮擦装置。 

2.根据权利要求1所述的以“点头鸭”为波能采集器的波浪发电装置，其特征是垂直滑动直线发电单元，均在导管滑动区间焊接一段纯铁导管的振子磁轭。 

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