CN210714917U - 一种波能聚焦装置以及波能发电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种波能聚焦装置以及波能发电系统。波能聚焦装置由波峰柱体单元按特定空间布局型式周期性排列组成；波能发电系统由波能聚焦装置以及发电装置组成，发电装置由支撑架、金属面板、波浪能发电装置定子、导向柱和振荡浮子组成。本实用新型不仅可用来稳定、持续地发电，而且结构简单成本低，维护海岸美观，保持生态平衡。
Description
技术领域
本实用新型涉及开发海洋可再生能源装置，特别涉及一种波能聚焦装置以及波能发电系统。
背景技术
随着化石燃料枯竭，可再生能源的开发与利用逐渐受到各国的重视。国务院于2016年发布的“十三五”国家科技创新规划中，在“构建具有国际竞争力的现代产业技术体系”和“发展保障国家安全和战略利益的技术体系”两章中均强调了海洋能开发问题。波浪能是海洋可再生能源的一种，因其具有能量密度高、分布面广、清洁可再生等优势而备受关注，已有近200年的探索历史。然而波浪能也是可再生能源中最不稳定的能源，无论是时间上还是空间上都有着典型的随机特征，从而造成了波浪能利用上的困难，虽不断有技术突破，却难以业务化应用。
波浪能发电是波浪能利用中研究最多也是最为重要的方式，其基本原理是利用各种不同机制的发电装置获取包括势能和动能在内的海浪机械能进行发电。现阶段对波浪发电的研究都主要集中于如何有效促进波能转化装置的能量传递与转化效率等具体的机械设计方向，对组合型波浪能发电装置的布局优化、微电网等方向也已进行了深入的研究，然而鲜有从通过提高目标海域波能密度来改善波浪能发电效能的研究成果。
布拉格共振理论是指当波浪传播通过存在周期性连续起伏地形的海域时，如果起伏地形波长为波浪波长一半的整数倍，波浪会与地形发生共振，将波浪反射，入反射叠加将形成大范围的立波，从而增大该区域内部分位置的波高值。现有技术尝试根据布拉格共振将波浪向海反射的特性，发展系列潜堤达到海岸防护作用，然而布拉格共振引起的入反射波叠加本身还起到了波能聚焦的效果，即提升了确定区域的波能密度，这一现象从波浪能利用的角度尚未引起足够的重视。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型提供一种结构和施工过程简单、成本低且可稳定持续发电的提高波浪发电效能的一种波能聚焦装置以及波能发电系统，该波能聚焦装置将漂浮在海面的发电装置通过固定平台固定位置，通过布设波峰柱体单元并按特定空间布局型式进行周期性排列，而使入射波浪发生布拉格共振，并将波浪能量聚集在特定区域，提高目标海域的波能密度，从而提高波浪能发电装置的发电效能。
技术方案：本实用新型所述的一种波能聚焦装置，包括不少于两列的聚焦阵列，所述聚焦阵列由若干个间隔分布的波峰柱体单元排列成V型或者弧形，所述波峰柱体单元为曲面体，曲面体由底部以及向远离底部的方向形成的凸部组成。
所述波峰柱体单元为半圆柱体、近似半圆柱体、截面为半正弦形或近似半正弦形的曲面体，所述波峰柱体单元的底部呈矩形，波峰柱体单元的底部的宽度为入射波波长一半的整数倍，相邻的聚焦阵列的距离与波峰柱体单元的底部的宽度相等。
所述波能聚焦装置呈V型，所述V型的角度为145°-180°。波能聚焦装置为弧形时，形成的圆弧对应的圆心角θ为145°-180°。优选地上述θ角为150°-175°。
本实用新型提供了一种波能发电系统，包含波能聚焦装置和发电装置。
所述发电装置包括波能转换装置，所述波能转换装置包括第一金属面板，位于第一金属面板上方的可移动第二金属面板、所述第二金属面板上方固定有波浪能发电装置定子，所述波浪能发电装置定子中心设置有导向柱，所述导向柱贯穿第一金属面板、第二金属面板以及波浪能发电装置定子，所述导向柱下端设置有振荡浮子。
优选地，支撑架设置在波能聚焦装置的波能聚焦区，所述的波能聚焦区为波浪通过波能聚焦装置，会引发布拉格共振，在地形迎浪侧出现明显的波高增大区域，称作波能聚焦区。
所述振荡浮子为空腔结构，所述振荡浮子的顶端设置有进水口，所述振荡浮子的底端设置有出水口。
所述第一金属面板下方设置有用于支撑发电装置的支撑架。
所述第一金属面板上垂直波浪传播方向等距设置若干第一螺纹孔，第二金属面板沿波浪传播方向等距设置若干第二螺纹孔，波浪能发电装置定子四个角分别设置螺母结构，螺母外表面设置有与第一螺纹孔和第二螺纹孔相匹配的螺纹。
所述振荡浮子的腔体内设置有填充物。本实用新型中的填充物优选为水，可以调节浮子的重量，有利于改善浮子吸收波能效果，从而提高波能发电效率。
本实用新型波能发电系统的工作方法，包括以下步骤：
(1)收集目标海域波浪的波高、波长、周期及水深等基本参数；
(2)基于所获取的波浪参数确定波峰柱体单元的尺寸，包括长度、宽度、振幅及两波峰柱体单元的间距，波峰柱体单元的宽度为入射波波长一半的整数倍，两波峰柱体单元的间距与波峰柱体单元宽度相等；
(3)确定波峰柱体单元的空间布局形式，空间布局选择V型或弧形，将若干波峰柱体单元排列成聚焦阵列，相邻聚焦阵列的间距为与波峰柱体单元的宽度相等；
(4)根据波浪聚焦区域波能聚焦特性，调节振荡浮子的质量，改变共振频率，使之与波浪发生共振；
(5)调整第二金属面板和波浪能发电装置定子的位置，使得振荡浮子中心正好位于波能聚焦区中心，并用螺丝将波浪能发电装置定子固定在第二金属面板上。
有益效果：(1)本实用新型通过设置的波峰柱体单元以及波峰柱体单元的空间布局形成布拉格共振，引起的水体共振使得水面波动幅度的急剧增大，本实用新型通过三维布拉格共振对通过具有特定空间布局的起伏地形向海侧的波浪起到能量积聚的效果，从而增大目标海域的波高，并用积聚的能量进行发电，提高目标海域波能密度来改善波浪能发电效能；(2)本实用新型的发电装置固定在波能聚焦区中心，使波浪能发电效能最大化；(3)本实用新型的发电装置与波能聚焦装置的位置可以根据波能聚焦装置调整，调整振荡浮子，使其位于波能聚焦中心，提高发电效能；(4)本实用新型不仅可用来稳定、持续地发电，而且结构简单成本低，维护海岸美观，保持生态平衡。
附图说明
图1是本实用新型波能聚焦装置V型结构俯视图；
图2是本实用新型波峰主题单元的侧视图；
图3是本实用新型波能聚焦装置弧形结构俯视图；
图4为本实用新型第一金属板的结构示意图；
图5为本实用新型第二金属板的结构示意图；
图6是本实用新型波能聚焦装置与发电装置在波浪港池中相对位置结构示意图；
图7是本实用新型实施例2中波能发电系统结构示意图；
图8是本实用新型波能发电系统的俯视图；
图9是本实用新型波能发电系统的俯视图；
图10是本实用新型波能聚焦装置为V型布局，夹角θ＝155.32°和θ＝172.84°时的波能聚焦点处的波面过程线；
图11分别是在本实用新型波能聚焦装置为V型布局，夹角θ＝155.32°和θ＝172.84°与θ＝180°(地形垂直布置)时的波能聚焦点处的波面过程线对比图。
具体实施方式
实施例1：如图1-3所示，本实用新型所述的波能聚焦装置1由18个波峰柱体单元110按周期性排列成V型，或由15个半正弦混凝土波峰柱体单元110按周期性排列成圆弧形；波能聚焦装置1由三列聚焦阵列10组成，聚焦阵列10由若干间隔设置的波峰柱体单元110组成，波峰柱体单元为曲面体，该曲面体由底部111以及向远离底部的方向形成的凸部112组成，波峰柱体单元可以为半圆柱体、近似半圆柱体或者是截面为半正弦形的曲面体。本实施例中选择的曲面体为截面呈半正弦形的曲面体。
如图2所示，波峰柱体单元的底部为矩形，矩形的长度为波峰柱体单元的长度l，矩形的宽度为波峰柱体单元的宽度Lb，凸部112最高点距离底部111的距离为波峰柱体单元的振幅D。
波峰柱体单元的长度l根据波浪能发电区域的规模确定，宽度Lb为入射波波长L一半的整数倍，相邻聚焦阵列之间的间距d与波峰柱体单元宽度Lb相等，振幅D与水深h比值为不宜过小，以形成明显的布拉格反射现象，使得波浪相对透射率更小，反射率更大，反射频率带宽更宽。
如图1所示，波能聚焦装置为V型时，V型的角度θ为145°-180°；如图3所示，波能聚焦装置为弧形时，形成的圆弧对应的圆心角θ为145°-180°。
实施例2：本实用新型所述的波能发电系统包括波能聚焦装置1以及发电装置2，本实用新型的发电装置为振荡浮子式发电装置，并对振荡浮子式发电装置进行以下改进，如图4所示，本实用新型的发电装置，设置有两块金属面板，分别为第一金属面板201以及第二金属面板202，第一金属面板201下端设置有支撑第一金属面板的支撑架206，第一金属面板焊接在支撑架206上，并在第一金属面板上方设置有第二金属面板202。
如图4所示，第一金属板201为中空的框形结构，在垂直波浪传播方向的框形本体两侧边设置有若干等距的第一螺纹孔2011。
如图5所示，第二金属板202为长条形金属板，长条形金属板与波浪传播方向平行的两侧边分别等距设置有第二螺纹孔2021，第二金属板上设置便于浮子沿着波浪传播方向移动的矩形导向槽。第二金属板的另外两侧边设置有用于有第一金属板连接的固定孔。第一金属板以及第二金属板形成横向以及纵向的调节体系，用于横向或纵向调整波浪能发电装置位置，使振荡浮子中心正好位于波能聚焦区中心，波浪能发电效能最大化。
可举例的调节方法为：将第二金属板202的两端固定孔与第一金属板上的第一螺纹孔2011对齐，用螺母固定，波浪能发电装置定子四个角分别设置螺母结构，用螺母固定于第二金属板的第二螺纹孔上，根据波能聚焦区中心的位置，调节波浪能发电装置定子的位置，进而调节浮子的位置，保证浮子位于波能聚焦区中心。
如图6所示，第二金属面板202上方设置有波浪能发电装置定子203，波浪能发电装置定子203中心设置贯穿第一金属面板、第二金属面板以及波浪能发电装置定子的导向柱204，导向柱204下端固定有振荡浮子205，振荡浮子205为空腔结构，在空腔结构中填充有填充物207，本实施例中所用的填充物为水，并且在振荡浮子205上方设置有进水口，振荡浮子下方设置有出水口，通过进水口以及出水口的设置调节振荡浮子空腔内的水量，进而调整振荡浮子的质量，从而提高波能发电效率。
如图7-9所示，波能聚焦装置1的开口面向波浪入射方向，波能聚焦装置1可为V型或者弧形，波能聚焦装置1与发电装置2的相对位置可以根据目标海域的波浪情况进行调节，使得振荡浮子205位于波能聚焦装置1的聚焦中心。
实施例3：下面对本实用新型提供的发电系统进行模拟应用，选取数值波浪港池长×宽×水深＝32m×32m×0.16m；
根据测定的数值波浪港的入射波波长L，确定波峰柱体单元的宽度Lb，具体为波峰柱体单元的宽度Lb为入射波长L的一半，波峰柱体单元的宽度Lb×振幅D＝0.25m×0.1m，整个波能聚焦装置1的长度为3m，相邻聚焦阵列10间距为0.25m。
将波峰柱体单元的地形布置成如图5所示的V型或如图6所示的圆弧形，对比分析波能聚焦效果。其中，V型布局由18块波峰柱体单元组成，V型夹角θ分别取155.32°、172.84°、180°；圆弧形地形布局由15块波峰柱体单元组成，圆弧形对应的圆心角θ取180°。
(1)确定波能聚焦装置1的空间布局型式，实施例1的条件下，采用V型空间布局和圆弧形空间布局。首先设置V型空间布局夹角θ＝155.32°。
(2)取波浪港池水深0.16m，规则入射波波陡kA＝0.05，调整入射波的周期，使混凝土波峰柱体单元110的宽度恰好为规则入射波波长的一半。在实施例1的条件下入射波的周期选用0.93s，波浪入射方向与地形的对称轴平行。波浪经过波能聚焦装置1后，大部分能量将被反射，并在装置迎浪侧产生不完全立波区，波高逐渐增大。
(3)调节发电装置的位置，使振荡浮子205恰好在聚焦区域中心，此处波高差最大，发电功率也最大。
(4)振荡浮子205与波浪能发电装置定子203组成的振荡浮子式发电装置收集到波浪能后转换为机械能发电。
改变V型夹角θ＝172.84°和180°，重复上述过程1～4进行试验。
改变地形空间布局型式为圆弧形，重复上述过程1～4进行试验。
基于实施例1波能聚焦装置1的聚波效果已用数值模型展开验证。数值模型为基于高阶谱方法(HOS)建立的考虑地形影响的三维布拉格共振波浪演变模型，该模型已与现有研究成果进行了对比验证，结果吻合较好，模型有较好的可靠性与准确性。
实施例1的结果以地形为V型布局为例，试验结果如图10和图11所示。图10(a)为V型夹角为155.32°时波能聚焦点处的波面时间序列图10(b)为V型夹角为172.84°时波能聚焦点处的波面时间序列图，从图10中可以看出当波浪通过V型布局的地形时，会引发布拉格共振，在地形迎浪侧出现明显的波高增大区域，本实用新型中称作波能聚焦区。进而将结果与地形为垂直布局(θ＝180°)时的结果进行对比，对比结果如图11所示，图11(a)为θ＝155.32°与θ＝180°的对比，图11(b)为θ＝172.84°与θ＝180°的对比，从图11(a)、图11(b)中可知，θ＝155.32°时，最大波高为入射波高的2.44倍，θ＝172.84°时，最大波高为入射波高的2.33倍，θ＝180°时，最大波高为入射波高的1.70倍。说明当θ＝155.32°和θ＝172.84°时，V型布局比垂直布局(θ＝180°，即二维情形)下的波高更大，有更好的聚波效果。因此，本实用新型可提高目标海域的波能密度，进而提高波浪能发电效能。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (9)
1.一种波能聚焦装置，其特征在于，所述波能聚焦装置（1）包括不少于两列的聚焦阵列（10），所述聚焦阵列（10）由若干个间隔分布的波峰柱体单元（110）排列成V型或者弧形，所述波峰柱体单元（110）为曲面体，曲面体由底部（111）以及向远离底部的方向形成的凸部（112）组成。
2.根据权利要求1所述的波能聚焦装置，其特征在于，所述波峰柱体单元为半圆柱体、近似半圆柱体或者截面为半正弦形，所述波峰柱体单元的底部呈矩形，波峰柱体单元的底部的宽度为入射波波长一半的整数倍，相邻的聚焦阵列的距离与波峰柱体单元的底部的宽度相等。
3.根据权利要求1所述的波能聚焦装置，其特征在于，所述波能聚焦装置（1）呈V型，所述V型的角度为145°-180°；所述波能聚焦装置为弧形，形成的圆弧对应的圆心角θ为145°-180°。
4.一种波能发电系统，其特征在于，包含如权利要求1-3任一所述的波能聚焦装置（1）和发电装置（2）。
5.根据权利要求4所述的波能发电系统，其特征在于，所述发电装置（2）包括波能转换装置（20），所述波能转换装置包括第一金属面板（201），位于第一金属面板（201）上方的可移动第二金属面板（202）、所述第二金属面板上方固定有波浪能发电装置定子（203），所述波浪能发电装置定子（203）中心设置有导向柱（204），所述导向柱（204）贯穿第一金属面板、第二金属面板以及波浪能发电装置定子，所述导向柱下端设置有振荡浮子（205）。
6.根据权利要求5所述的波能发电系统，其特征在于，所述振荡浮子（205）为空腔结构，所述振荡浮子（205）的顶端设置有进水口，所述振荡浮子的底端设置有出水口。
7.根据权利要求5所述的波能发电系统，其特征在于，所述第一金属面板（201）下方设置有用于支撑发电装置（2）的支撑架（206）。
8.根据权利要求5所述的波能发电系统，其特征在于，所述第一金属面板(201)上垂直波浪传播方向等距设置若干第一螺纹孔，第二金属面板（202）沿波浪传播方向等距设置若干第二螺纹孔，波浪能发电装置定子四个角分别设置螺母结构，螺母外表面设置有与第一螺纹孔和第二螺纹孔相匹配的螺纹。
9.根据权利要求6所述的波能发电系统，其特征在于，所述振荡浮子（205）的腔体内设置有填充物（207）。
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