WO2015014241A1 - 水压式波浪能转换器 - Google Patents

Abstract

一种用于将波浪的能量转换为高压水能量的水压式波浪能转换器，由浮于水面的、矩形的上浮体（1），水下的、圆柱壳形的下浮体（2）和第一缆绳（3），第二缆绳（4），挂杆（5），球铰接挂钩（6），海底锚桩（7）等系留设施组成。上浮体（1）较宽的两侧边垂直地固定有多个水压缸（8），水压缸（8）通过活塞头（27），活塞杆（28）和活塞杆座（29）与下浮体（2）可靠连接。水压式波浪能转换器可以将波浪运动的垂直分量和水平分量转换为高压水能，用以冲击水轮发电机组发电，造价较低，维护简单，波能转换率高。

Description

水压式波浪能转换器

技术领域

本发明属于可再生能源范畴，涉及一种将海洋波浪能转换为高压 水能， 以推动水轮发电机发电的装置。

背景技术

为了减少碳排放， 以遏制全球变暖， 出现了很多利用海洋波浪能 发电的产品和专利， 如英国的 "海蛇"装置， 它由三节， 每节长 40M, 直径约 3M的金属圆筒组成， 圆筒内装有液压机械， 金属圆筒在波浪 中起伏， 驱动液压机械发电， 最大发电功率为 750kw。 其缺点是结构 复杂， 维护困难， 波能利用效率低。 又如 "浮箱式波浪能发电装置" (中国专利号： 85100366. 4)， 该装置由水面的缸浮体， 水下的活塞 浮体和系留装置组成， 在波浪的作用下， 缸浮体和活塞浮体作相对运 动而发电。 要求在波浪（非正弦波）作用时， 缸浮体和活塞浮体随波 浪周期摆动， 但实际上活塞浮体以其下方的两处系留点为转轴转动， 带动缸浮体也同样作大角度转动， 故缸浮体虽然吃水增加了， 浮力也 增加了， 但作功分量很小， 即发电量很小； 同时缸浮体因为作大角度 转动， 浮力增加很多， 故当波浪作用力减弱时， 缸浮体立刻在浮力作 用下返回垂直位置， 即缸浮体的运动与波浪周期不同歩。 另外， 缸浮 体上的压力缸缸盖与压力缸内径相等， 使布置在缸盖上的进水阀， 排 水阀的通径较小， 导致吸、 排水不畅； 进水阀和排水阀的结构也不合 适， 使压力缸不能保持气密和水密； 再就是框架式导向轨易腐蚀、 受 损， 导致缸浮体运动受阻， 活塞杆变形。

发明内容

本发明的目的是， 提供一种能可靠地、高效率地将波浪的作用力 转换为水的压力的装置， 高压水可用于冲击水斗式水轮机发电。

本发明的技术方案是， 水压式波浪能转换器由上浮体 1， 下浮体 2， 第一缆绳 3， 第二缆绳 4， 挂杆 5， 球铰接挂钩 6和海底锚桩 7组 成， 其特征是， 上浮体 1为矩形的空心混凝土构筑物， 其较宽的两侧 各垂直地、 等距离地固定有两个以上 （含两个） 水压缸 8， 水压缸 8 的上端固定有喇叭形接头 9， 下端固定有喇叭形接头 10， 喇叭形接头 9的大端有缸盖 11， 缸盖 11的中央有排水口 12， 两边有进水口 13， 喇叭形接头 10的大端有缸盖 14，缸盖 14中心的圆孔安装有轴瓦 15， 周边有排水口 16和进水口 17， 排水口 12， 16分别与排水阀室 18， 排水管 19， 20连接， 进水口 13， 17分别与进水阀室 21， 进水管 22 连接， 排水阀室 18内有排水阀 23和压簧 24， 进水阀室 21内有进水 阀 25和压簧 26， 水压缸 8内有与缸壁滑动配合的活塞头 27和与之 连接的活塞杆 28， 上浮体 1连同水压缸 8的比重为 0. 5， 下浮体 2为 密封的圆柱形壳体， 下浮体 2的上部有数量和位置均与活塞杆 28对 应的活塞杆座 29， 下浮体 2的一侧有第一耳环 30， 31， 另一侧有第 二耳环 32， 33， 第一缆绳 3经挂杆 5与第一耳环 30， 31固定连接， 第二缆绳 4经挂杆 5与第二耳环 32， 33固定连接， 挂杆 5经球铰接 挂钩 6与海底锚桩 7连接。

下面对本发明的工作原理和工作过程作详细的说明。

波浪是水质点的环形运动，此环形运动的任一点都可以分解为垂 直方向和水平方向两个运动分量， 垂直方向分量称为垂直波， 它对波 浪中的物体有抬升作用， 水平方向分量称为摇荡波， 它对物体有推拉 作用， 摇荡波的能量较大。 当波浪到达本发明装置时， 因下浮体 2及 其上的活塞杆 28已被锚定， 垂直波只会使上浮体 1及固定于其上的 水压缸 8向上抬升， 故活塞头 27作向下的相对运动， 使其下方的海 水受压； 同时另一分量摇荡波使上浮体 1和下浮体 2倾斜， 因活塞杆 28的连接作用， 和第一缆绳 3， 第二缆绳 4的约束作用， 使上浮体 1， 下浮体 2以球铰接挂钩 6为转轴， 作相同角度倾斜， 使上浮体 1的吃 水增加， 因此所受的浮力也增加了， 增加的浮力称为附加浮力， 以 F 表示， F的分量 也使上浮体 1向上抬升， 如图 8所示， 于是在垂直 波和摇荡波的共同作用下， 上浮体 1向上抬升， 活塞头 27下方的海 水受压， 缸盖 14上进水阀室 21内的进水阀 25关闭， 排水阀室 18内 的排水阀 23打开， 高压水经排水管 20排出作功， 同时缸盖 11上排 水阀室 18内的排水阀 23在弹簧 24的作用下关闭， 保证了水压缸 8 内的气密， 在外界大气压力的作用下， 进水阀室 21内的进水阀 25打 开， 经进水管 22抽吸海水到活塞头 27上方的缸体内， 以备下一歩作 功。

当波浪经过 1/2周期后， 抬升力和推拉力均已消失， 下浮体 2在 其浮力的水平分量作用下向垂直位置回归， 并经活塞杆 28带动上浮 体 1回归垂直位置。 因上浮体 1在抬升作功过程中吃水减少了， 即具 有了位能， 如图 9所示， 故在重力作用下落回海面， 因活塞 27已被 具有足够浮力的下浮体 2顶住， 故活塞 27作向上的相对运动， 与前 述类似， 高压水经排水管 19排出作功， 同时进水口 17抽吸海水到活 塞 27下方的缸体内， 以备下一波浪到来时作功。

由上述可知， 在波浪的前半周期内， 本发明将波浪能的一部分转 换为高压水能供输出， 另一部分转换为上浮体 1的位能供贮存， 由于 上浮体的比重为 0. 5， 所以这两部分能量是相等的。 而在波浪的后半 周期， 贮存的位能又转换成高压水能输出， 且转换过程与波浪同歩， 故本发明可持续地输出高压水能。高压水经柔性压力管引至水斗式水 轮机一发电机组发电，水斗式水轮机一发电机组安装在本发明内侧附 近海面的平台或趸船上， 所发电力为交流电， 可直接并入附近海岸上 的电网。

当波浪小于设计利用波高时， 高压水的压强较小， 所发电力也较 少， 但仍可持续发电； 当波浪大于设计利用波高时， 将出现尚未经过

1/2周期， 而活塞 27已到达水压缸 8的下端， 不能再移动作功的情 况， 高压水的输出将出现间断， 解决的办法是适当增加水压缸 8和活 塞杆 28的长度， 使在大波浪时仍能持续作功。

水压缸 8可由无缝钢管制成，缸内壁衬以由耐海水腐蚀的钛金属 板制成的缸套。

第一缆绳 3， 第二缆绳 4可以由高强度钢丝制成， 也可以由强度 更高且耐腐蚀的炭纤维或芳族聚酰胺纤维制成，炭纤维或芳族聚酰胺 纤维缆绳外面包覆有铠装保护层。

由上述可知， 本发明的优点是：

1、 通过在下浮体 2两侧多点系留的方式， 使下浮体 2只能以球 铰接挂钩 6为转轴摆动， 自身不会转动， 从而使上浮体 1， 下浮体 2 和第一缆绳 3， 第二缆绳 4能够在摇荡波的作用下以相同角度倾斜， 使摇荡波能量被充分利用， 并使上浮体 1的作功过程与波浪同歩。

2、 上浮体 1两侧边垂直排列的多个水压缸 8和下浮体 2上与之 对应排列的活塞杆 28将上浮体 1和下浮体 2可靠地联系在一起， 故 即使在严酷的海洋环境中， 上浮体 1也能运动自如。

3、 水压缸 8的上、 下两端采用喇叭形接头， 使进水口、 排水口 的布置合理， 保证了水压缸 8吸、 排水的通畅。 4、在作功转换时刻， 即排水口 12或 16停止排出高压水的瞬间， 压簧 24和排水阀 23保证了缸内的气密， 使压力缸 8能重新充满水； 在进水口 13或 17停止进水的瞬间，压簧 26和进水阀 25保证了缸内 的水密， 使高压水不致泄漏， 使面使水压缸 8能有效工作。

此外，本发明还具有造价较低，维护简单，波能转换率高等优点。 本发明可安装在海岸线附近， 向沿海城市供电， 经过升压后也可 向内陆城市供电。

本发明还可安装在远离大陆的岛屿附近，向缺乏能源又难以铺设 供电电缆的海岛供电。

附图说明

图 1为水压式波浪能转换器的主视图

图 2为水压式波浪能转换器主视图的 A向视图

图 3为水压缸 8的正向剖视图

图 4为排水阀室 18的正向剖视图

图 5为排水阀室 18的正向剖视图的 B向视图

图 6为进水阀室 21的正向剖视图

图 Ί为进水阀室 21的正向剖视图的 C向视图

图 8为摇荡波作功的示意图

图 9为重力作功的示意图

在所述附图中， 1一上浮体， 2—下浮体， 3—第一缆绳， 4—第二 缆绳， 5—挂杆， 6 球铰接挂钩， 7—海底锚桩， 8—水压缸， 9， 10 喇叭形接头， 11 缸盖， 12—排水口， 13—进水口， 14 缸盖， 15 轴瓦， 16—排水口， 17—进水口， 18—排水阀室， 19， 20—排水管， 21—进水阀室， 22—进水管， 23—排水阀， 24 压簧， 25—进水阀， 26—压簧， 27—活塞头， 28—活塞杆， 29—活塞杆座， 30， 31—第一 耳环， 32， 33—第二耳环。

具体实施方式

一台水压式波浪能转换器， 上浮体高 3M, 厚 4M， 宽 12M, 为空 心钢筋混凝土构筑物， 两侧边各垂直安装有三只圆柱形的水压缸， 水 压缸高度也为 3M， 内径 300mm， 由厚 5mm的无缝钢管制成， 其内壁贴 装有厚 1mm的钛金属缸套， 上浮体连同水压缸总重为 72T , 比重 0. 5。 6个水压缸均通过直径为 40mm的活塞杆与下浮体连接， 下浮体由厚 4mm的钢板制成， 直径为 3. 2M, 长 12M, 其上部有 6个位置与活塞杆 对应的活塞杆座， 其两边各有两只用于固定缆绳的耳环。下浮体总重 约 10T , 能够提供 86. 5T的浮力。

在船坞内将预制好的上浮体和下浮体组装在一起，在下浮体内注 入海水， 使其比重增加到略大于 1， 然后用拖轮将上浮体和下浮体的 组合体拖运至预空海域，用由芳族聚酰胺纤维制成的铠装缆绳将下浮 体与已埋设好的海底锚桩连接， 然后将下浮体内的海水抽出， 使下浮 体恢复浮力， 并调整缆绳的长度， 使活塞处于水压缸缸体的上端， 即 上盖附近， 使作功距离最长， 并使缆绳在挂杆两边的长度相等， 以保 证上浮体和下浮体均在水平位置， 此时上浮体半浮于海面， 其下方附 近水平锚定着下浮体， 该水压式波浪能转换器即安装完毕。该转换器 适用的最大有效浪高为 3M,相当于实际浪高 4. 2M ,在有效波高 1. 5M, 波浪周期为 6S时， 输出的高压水最大压强为 1. 7MP a, 平均输出功 率为 800KW。

Claims

权利要求

1、 一种水压式波浪能转换器， 由上浮体 （1)， 下浮体 （2)， 第 一缆绳 （3)， 第二缆绳 （4)， 挂杆 （5)， 球铰接挂钩 （6) 和海底锚 桩 （7) 组成， 其特征是， 上浮体 （1) 为矩形的空心混凝土构筑物， 其较宽的两侧各垂直地、等距离地固定有两个或两个以上水压缸（ 8 )， 水压缸 （8) 的上端固定有喇叭形接头 （9)， 下端固定有喇叭形接头 (10)， 喇叭形接头 （9) 的大端有缸盖 （11)， 缸盖 （11) 的中央有 排水口 （12)， 两边有进水口 （13)， 喇叭形接头 （10) 的大端有缸盖 (14)， 缸盖（14)中心的圆孔安装有轴瓦（15)， 周边有排水口 （16) 和进水口 （17)， 排水口 （12)， (16)分别与排水阀室 （18)， 排水管 (19)， (20) 连接， 进水口 （13)， (17) 分别与进水阀室 （21)， 进 水管 （22) 连接， 排水阀室 （18) 内有排水阀 （23) 和压簧 （24)， 进水阀室 （21) 内有进水阀 （25) 和压簧 （26)， 水压缸 （8) 内有与 缸壁滑动配合的活塞头（27)和与之连接的活塞杆（28)， 上浮体（1) 连同水压缸 （8) 的比重为 0.5， 下浮体 （2) 为密封的圆柱形壳体， 下浮体 （2) 的上部有数量和位置均与活塞杆 （28) 对应的活塞杆座 (29)， 下浮体 （2) 的一侧有第一耳环 （30)， （31)， 另一侧有第二 耳环（32)， （33)， 第一缆绳（3)经挂杆（5)与第一耳环（30)， (31) 固定连接， 第二缆绳 （4) 经挂杆 （5) 与第二耳环 （32)， (33) 固定 连接， 挂杆 （5) 经球铰接挂钩 （6) 与海底锚桩 （7) 连接。

2、根据权利要求 1所述的水压式波浪能转换器， 其特征还在于， 水压缸 （8) 可由无缝钢管制成， 缸内壁衬以由耐海水腐蚀的钛金属 板制成的缸套。

3、根据权利要求 1所述的水压式波浪能转换器， 其特征还在于， 第一缆绳 （3 )， 第二缆绳 （4) 可以由高强度钢丝制成， 也可以由强 度更高且耐腐蚀的炭纤维或芳族聚酰胺纤维制成，炭纤维或芳族聚酰 胺纤维缆绳外面包覆有铠装保护层。