CN85100366B - 浮箱式波浪能发电装置 - Google Patents

Abstract

一种浮箱式波浪能发电装置，是系留式的波能发电设备，包括压力缸、缸浮体、活塞浮体及由钢缆、球铰接挂钩、海底锚桩组成的系留设施。压力缸为活塞式，缸内的工作介质为海水，亦可采用空气，可有效地利用海洋波浪的垂直波和摇荡波。缸浮体、活塞浮体、海底锚桩均由钢筋混凝土制成，耐腐蚀、造价低。系留设施系泊可靠，并使装置始终正对着波浪，因而充分吸收了波浪能，并不易损坏。

Description

水压式波浪能发电装置

本发明涉及一种浮箱式波浪能发电装置。

众所周知，人们对波能发电装置进行了很多研究。例如美国专利说明书US 3，569，725所公开的波能发电浮标就是其中之一，该装置的波能转换机构主要包括压力缸浮体，活塞浮体及压力贮存室等，从它的技术特征看来，只能够吸收波浪中垂直波的部分能量发电，而几乎不能吸收波浪中摇荡波的能量，故对波浪能的利用率较低，仅适合于为海洋中的信号浮标提供小功率电力，且该装置的系留设施也不适合于大容量的波能发电装置。

本发明的目的在于，针对上述已有技术的不足，提供一种既能高效率地吸收垂直波的能量，又能充分吸收摇荡波的能量，且适合于较大容量发电设备的浮箱式波浪能发电装置，并提供一种相应的系留设施。

按照本发明的浮箱式波能发电装置，是由波能转换装置。系留设施，水轮机或空气涡轮机和发电机组成，波能转换装置包括内壁衬有缸套的压力缸，压力缸内有一作上下滑动的活塞，活塞由外缘装有活塞环的活塞头与空心活塞杆组成，空心活塞杆与压力流体导管连通。压力缸是与缸浮体连成一体的，缸浮体为长方体形的。中空的预制钢筋混凝土构筑物，其两侧安装有滑轮，滑轮在导向轨上滑动，导向轨垂直固定在活塞浮体上，其顶端用框架连接加固。空心活塞杆亦垂直固定在活塞浮体上并用支撑杆加固。活塞浮体为钢筋混凝土或耐蚀金属板制成的中空的圆筒形结构物，其下部通过钢缆与球铰接挂钩相连，球铰接挂钩与海底锚桩连接，海底锚桩深埋于海底沉积层中或用水泥砂浆与海底基岩固接。

本发明所述的浮箱式波能发电装置能够适应波浪的自然形状，使垂直波和摇荡波都得到了充分的利用，故与其它类型的装置相比较，在输出功率相同时，本发明的尺寸较小。

本发明的主要部分-缸浮体，活塞浮体和海底锚桩均由钢筋混凝土预制，造价低，不怕海水腐蚀，只需定时更换缸套和活塞环，和更换用于保护钢缆等部件的阳极板，故其成本较低，维护较简单。

本发明在采用空气作介质时，贮气罐可使输出电压稳定。采用海水作工作介质时，利用迭加法使输出水压功率得到补偿，输出电压也较稳定，故电的质量较好。

不论是大波浪或小波浪，也不论波浪从哪个方向袭来，本发明均能够利用，故年运行小时数较高。

又由于缸浮体和活塞浮体都是钢筋混凝土预制件，在施工现场构筑好海底锚桩后，将缸浮体和活塞浮体拖运到现场，即可安装发电，故施工较方便。

下面结合附图对本发明作出进一步的说明。

图1是按照本发明的浮箱式波能发电装置的波能转换装置的构造图;

图2是本发明的装置中的压力缸构造图;

图3是摇荡波作功的示意图;

图4是采用“水压功率迭加法”时本发明装置的安装位置;

图5示出了缸浮体的尺寸标注代号。

本发明的波能转换装置如图1所示。它由浮于海面9的缸浮体1，固定于1之上的压力缸2，滑轮3，和活塞浮体7，固定于7之上的压力流体导管4，活塞杆5，支撑杆6，导向轨10，以及组成系留设施8的钢缆11，球铰接挂钩12，海底锚桩13所构成。

压力缸由缸体17和活塞16组成，如图2所示。压力缸体是一个耐蚀性能好的金属圆筒，其内壁衬有缸套。缸的两端（22，29）为球面，用法兰盘和螺栓与缸体17连接，以便安装和拆卸。两端球面内沿各有一个稍向内延伸的限位环15，18。压力缸上球面端22中央有阀门20和汲水管19，下球面端29中央也有一圆孔，安装有轴瓦31，31起密封高压水或空气和导向的作用。其旁另有一圆孔，安装有阀门30。汲水管入口和阀门30外侧均装有栅栏，以阻止海洋生物或其它杂物进入缸内。阀20的阀板上装有浮子14以利于关闭。阀20和阀30均为汲水阀或吸气阀。活塞16由外缘装有活塞环25的圆形活塞头24和空心活塞杆5组成，它可在压力缸内上、下滑动，两球面端的限位环15，18确定了它的滑行区间。活塞头中心有一圆孔，装有阀门23，活塞杆的长度大于压力缸的高度，并使活塞浮体处于波谷以下附近位置，其空心的内部是压力流体的输出通道。活塞杆可通过轴瓦31作上、下滑动，其上端是与活塞头相连的空心室杆头28，28的侧面有一圆孔，装有阀门26，阀23和阀26均为排水阀或排气阀，它们共同一个阀板27。

缸浮体1为钢筋混凝土预制的中空的长方体形结构物，压力缸固定其上，由此构成的总比重为0.5。缸浮体的两侧各装有两组以上的滑轮3，滑轮可沿着导向轨10滑动，如图1所示。

活塞浮体7亦为钢筋混凝土或耐蚀金属板制成的中空的圆筒形结构物，它的比重小，故具有较大的正浮力，两根以上的导向轨10分别垂直固定在它的两侧，导向轨的上端部用框架连接加固。空心活塞杆5垂直固定在它的上面，支撑杆6用于提高活塞杆受压时的稳定性。压力流体导管4与空心活塞杆相通，起输送高压流体的作用，活塞浮体由海底系留设施系留在水表面以下5～6米处，即设计利用波浪的波谷以下附近位置。

系留设施由钢缆11，球铰接挂钩12和海底锚桩13构成，海底锚桩是预应力钢筋混凝土构筑物，因此具有良好的抗拉和耐腐蚀性能。

本发明的工作原理叙述如下：

众所周知，波浪是海洋表层的水质点在原地作的环形运动。这种环形运动可分解为垂直方向的运动-垂直波，和水平方向的运动一摇荡波，本发明装置的工作过程亦是上述两种分解波的作功过程，分别叙述如下：

垂直波从波谷开始上升时，水质点的动能作用于缸浮体底部，将缸浮体向上抬升，此时被活塞浮体锚定的活塞作向下的相对运动，使活塞头下面的海水受压，于是阀23和阀30立即关闭而阀26开启，高压水从活塞杆内通道经压力流体导管送出，冲击水轮机发电，同时阀20开启，抽汲海水到缸内，以备下一步作功。到达波峰后，垂直波动能耗完，缸浮体在重力的作用下开始下落，此时固定在活塞浮体上的活塞就受到一个向下的压力，由于活塞浮体的正浮力能克服这个向下的压力，使活塞停留在水中原来的高度位置，因此活塞相对于下落的缸浮体作向上运动，使活塞上面的海水受压，于是阀20，阀26关闭而阀23开启，高压水经阀23及导管4冲击水轮机作功，同时阀30打开，抽汲海水到缸内，以备下一波到来时作功。

摇荡波从原点开始沿着波长方向发展时，水质点的动能作用于缸浮体的侧壁，如图3中箭头所示，使缸浮体倾斜，缸浮体的吃水深度增加了，见图3，故受到的浮力也增加了，因为摇荡波的作用而使缸浮体增加的浮力称为附加浮力，在附加浮力的作用下，缸浮体上升，活塞相对来说，是向下运动，于是同前述垂直波作功过程一样，高压水从导管5排出，同时阀20打开，抽汲海水以备下一步作功。当摇荡波经二分之一周期后，动能耗完，作用于缸浮体侧壁的力消失，缸浮体返回到垂直位置，此时其吃水深度减小，在重力的作用下缸浮体下落，与垂直波作用时重力作功过程相同，排出高压水冲击水轮机发电。

由上述作功过程可知，在波浪的前半周时间内，垂直波和摇荡波能量的一部分转换为高压水能，另一部分转换为缸浮体势能。当垂直波和摇荡波动能消耗完毕后，缸浮体势能也会逐渐转换为高压水能。设水是不可压缩的，并忽略活塞的摩擦损失和水能的沿程损失和局部损失，则上述两种转换都是完全的，即垂直波和摇荡波的能量都转换成了高压水能。

选用有两个喷嘴的水斗式水轮机，该型水轮机在水压波动较大时效率比较稳定。发电机组和配电装置可放在平底驳船上，平底驳船依靠海底锚桩和锚泊浮筒固定在本发明装置的近旁。亦可放置在附近的海上平台上。所发电力经由海底电力电缆送往岸上。

本发明之波能转换装置与水轮机一发电机组配套成本发明之完整的波能发电系统。

本发明的另一种型式是，缸浮体上的压力缸内被压缩的不是海水而是空气，为此取消阀20处的汲水管，另在阀30处安装一根向上伸出至海面上的吸气管，作功过程仍如上述。高压空气经导管4进一压力调节设备一贮气罐，然后通过减压阀，以稳定的压力冲击空气透平发电，这样做输出电压很平稳，但波能利用效率有所降低。

在用海水作为作功介质时，本发明采用水压功率迭加法，使输出电压具有较好的稳定性，即在安装本发明装置时，将相邻的两组装置的缸浮体的距离1，调整为设计利用波浪的波长λ的四分之一，如图4所示。两组装置排出的高压水分别通过流体导管进入水斗式水轮机的两个喷嘴，冲击同一台水轮机32。因为错开安装，故当装置Ⅰ的输出水压功率最小时，装置Ⅱ的输出水压功率最大，即通过输出水压功率的迭加，使水轮机的输出功率较为稳定，减少了电压的波动。

本发明装置具有自动定向功能。为了充分利用波浪，本发明装置应安装在水深30～50处，在这样的深度，海面一般是开阔的，波浪可能从任意方向袭来，由于本发明装置的系留设施采用球铰接挂钩，当波浪不是从正面袭来时，缸浮体会受到转矩作用，依靠球铰接挂钩，自动转向，直到正对着波浪。转矩消失时为止，因而波浪能的利用率较高，并避免了缸浮体出现中拱或中垂，保护了缸浮体。

本发明装置还能使波浪产生偏转，广泛地收集波浪能。偏转效应是：当沿着海岸，在水深数十米处，安装很多组本发明装置以便大规模开发波浪能时，波浪可能不会正对着装置袭来，设装置Ⅰ安装在多组装置的一端，波浪从这一端袭来，如前所述，装置Ⅰ依靠球铰接挂钩，会自动转向，正对着波浪，由于装置Ⅰ使波浪受阻，故其近处的波速较小，而较远处的波速较大，于是波浪发生了偏转，相邻的装置Ⅱ又会使波浪进一步偏转。这样几次偏转以后，波浪会正对着其它各组装置袭来，而波能并没有损失，广泛地被收集。

本发明装置的系留设施之一为海底锚桩，锚桩由预应力钢筋混凝土制成。构筑海底锚桩时，若海底基岩裸露，则采用水下爆破法，在海床上形成一个凹坑，然后将锚桩放入坑内，并用水泥砂浆填满坑和锚桩之间的空隙，待水泥固结后。海底锚桩即告筑成。在这种情况下，海底锚桩的抗拉力是由海水的压力和水泥砂浆的固结力组成的。

若海底沉积层很厚，则采用“脉冲气流沉桩法”或其它方法，将锚桩沉埋到沉积层深部，然后将水泥砂浆压注到锚桩下面，在这种情况下，锚桩的抗拉力F是由四部分组成的：

F＝W+R+Q+P

式中：W-锚桩重;R-水泥固结力;

Q-锚桩与上层的侧摩阻力;

P-海水与沉积层的压力。

其中P是主要的部分，即F≈P

设埋桩处的水深50米，上复沉积层厚50米，沉积物的容重为2，又设锚桩的横截面积为4米〈`;2;`〉，则锚桩抗拉力F≈P＝600吨。增加锚桩的横截面积，可获得更大的抗拉力。

实施本发明时，应选择本发明安装的海域的年平均波高为设计利用波高H，并据此确定缸浮体高度a-（1.3～2）H，缸浮体宽度b-a，选择缸浮体长度L为20～30米。

压力缸高度h-a，为了使在狂浪时活塞仍然能够移动作功，也可选择h-（1.2～1.5）a。压力缸的直径和个数决定于选用的水轮机或空气涡轮机的型号，以水轮机为例，若其工作水头较高，流量较小，则压力缸直径较小，个数较少，反之则直径较大，个数较多。

根据缸浮体的尺寸，还可以推算出活塞浮体的正浮力和钢缆。海底锚桩等的抗拉力。活塞浮体的尺寸，钢缆的横截面积，海底锚桩的横截面积和埋设深度等就都可以决定下来了。作为本发明的实际应用之一是，设所在海域的年平均波高H＝3米，选择缸浮体高a和宽b均为4米，长为20米，选用工作水头为1千米左右的水斗式水轮机，在缸浮体上安装两个高为4米，内径为30厘米的压力缸，缸体用普通钢材制作，活塞头用10NiCuAl钢制作，活塞杆用20Al2VX_t无缝钢管制作。在波高为3米。波浪周期为6秒时，压力缸内的最大压头P＝113.2公斤/厘米²，在一个波浪周期内的平均输出水压功率约为800千瓦;当波高为1.5米，周期为4秒时，平均输出水压功率约为300千瓦，如波高为5米，周期为10秒，平均输出水压功率约1000千瓦，但此时重力作功过程不能与波浪完全同步，水体也有一定程度的抬升，即波浪的能量未能被充分利用。

采用两套本发明装置作为一组，按前述“水压功率迭加法”安装后，将装有发电机组的平底驳船用海底锚桩和锚泊浮筒固定在装置近旁，即可配套投入运行。

Claims (4)

1、一种浮箱式波能发电装置，它包括波能转换装置，水轮机和发电机，所述波能转换装置包括内壁衬有缸套的压力缸。由装有活塞环的活塞头与空心活塞杆构成的活塞以及与空心活塞杆连通的压力流体导管，所述压力缸是与缸浮体连成一体的，缸浮体的两侧安装有滑轮，所述滑轮在导向轨上滑动，所述导向轨垂直固定在活塞浮体上且其顶端用框架连接加固，所述空心活塞杆固定在活塞浮体上并用支撑杆加固，所述活塞浮体的下部通过钢缆与系留设施相连。本发明的特征是，所述缸浮体为长方体形的、中空的预制钢筋混凝土构筑物，活塞浮体为钢筋混凝土预制或金属板材制成的。中空的且一般为圆柱形的结构物，所述系留装置由球铰接挂钩和深埋于海底或用水泥砂浆固结在基岩上的海底锚桩构成，所述压力缸是两端为球面的金属圆筒，该两球面端均有向内延伸的限位环，上球面端中央圆孔外侧有一汲水管而内侧有一单向阀，下球面端中央圆孔装有轴瓦，其旁有一单向阀，所述活塞的活塞头中心有一单向阀门，活塞杆上部有一个其直径较下部通道直径要大的空心室，该空心室的侧壁有一单向阀，它与活塞头中心阀门共用一个阀板。

2、根据权利要求1所述的浮箱式波能发电装置，其特征还在于，所述波能转换装置的压力缸汲水管外端口及下球面端单向阀外侧均装有栅栏。

3、根据权利要求1所述的浮箱式波能发电装置，其特征还在于，所述波能转换装置的海底锚桩为预应力钢筋混凝土构件。

4、一种浮箱式波能发电装置，它包括波能转换装置，空气涡轮机和发电机，所述波能转换装置包括内壁衬有缸套的压力缸。由装有活塞环的活塞头与空心活塞杆构成的活塞以及与空心活塞杆连通的压力流体导管，所述压力缸是与缸浮体连成一体的，缸浮体的两侧安装有滑轮，所述滑轮在导向轨上滑动，所述导向轨垂直固定在活塞浮体上且其顶端用框架连接加固，所述空心活塞杆固定在活塞浮体上并用支撑杆加固，活塞浮体的下部通过钢缆与系留设施相连，本发明的特征在于，所述缸浮体为长方体形的，中空的预制钢筋混凝土构筑物，活塞浮体为钢筋混凝土预制或金属板材制成的，中空的且一般为圆柱形的结构物，所述系留装置由球铰接挂钩和深埋于海底或用水泥砂浆固结在基岩上的海底锚桩构成，所述压力缸是两端为球面的金属圆筒，该两球面端均有向内延伸的限位环，上球面端中央有一与大气相通的单向阀，下球面端中央圆孔装有轴瓦，其旁有一圆孔，该圆孔的外侧装有伸出水面的吸气管，内侧有一单向阀，所述活塞的活塞头中心有一单向阀门，活塞杆上部有一个其直径较下部通道直径要大的空心室，该空心室的侧壁有一单向阀，它与活塞头中心阀门共用一个阀板。

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