WO2022155943A1 - 配有外置透空结构的浮式双气室振荡水柱波能发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种配有外置透空结构的浮式双气室振荡水柱波能发电装置，包括透空结构（1）、振荡水柱系统和锚泊固定系统。将浮式双气室振荡水柱波能转换装置和透空结构（1）有效结合，不仅能提高装置的能量转换效率、拓宽装置的有效频带宽度，同时透空结构（1）也能对波浪尤其是短波进行一定的消能，降低装置受到的波浪荷载，提高装置的生存能力。
Description
本发明涉及一种带有外置透空结构的浮式双气室振荡水柱波能转换装置，属于新能源技术利用领域。
浩瀚的海洋拥有丰富的可再生能源，波浪能作为海洋能可再生能源的一种，其储量巨大，开发利用波浪能资源可以有效的缓解传统化石能源短缺的问题以及使用化石能源造成的环境污染问题，所以波浪能发电具有广阔的应用前景。波浪能发电装置按照工作原理主要分为振荡水柱式、越浪式、振荡体式三种，其中振荡水柱波能装置由于其空气透平不直接与海水接触，不易发生腐蚀，且装置具有结构简单、可靠性高的优点，目前被广泛研究和应用。从波浪能到电能一般需要进行三次能量转换：即波浪进入气室形成振荡水柱迫使气室内空气在气孔处形成往复气流，将波浪能转换成空气动能，完成能量的第一次转换；气流带动空气透平转动，将空气动能转换成透平的机械能，完成能量的第二次转换；最后，透平带动发电机工作，将机械能转换成电能，完成能量的第三次转换。
早期的振荡水柱波浪能发电装置多为岸基固定式结构，由于近岸波能密度相对较低，装置的发电功率也因此受到一定限制，不利于装置的大规模商业化。而浮式振荡水柱波能装置可以克服上述问题，能对波浪能资源更丰富的深远海的波浪能进行开发利用。振荡水柱波能装置需要波浪频率与装置频率接近时，其能量转换效率才较大。因此，为了提高装置的能量转换效率和拓宽装置的有效频带宽度，本发明采用了双气室结构的振荡水柱波能装置。
波能装置工作时需要经受波浪、海流、风等多种环境荷载的作用，生存环境恶劣。尤其是在短波作用下，由于其透射能力较弱，会在装置前产生较大的反射，不仅会导致装置的能量转换效率较低，也产生了较大的波浪荷载，威胁装置的安全运行。透空结构对波浪具有较好的消能效果，被广泛应用于需要消浪的海洋工程结构中。因此，本发明提出在双气室振荡水柱波能装置周围增加透空结构，不仅能提高装置的能量转换效率、拓宽装置的有效频带宽度，也能对波浪尤其是短波进行一定的消能、降低装置受到的波浪荷载，提高装置的生存能力。
针对上述现存的问题，本发明设计了一种配有外置透空结构的浮式双气室振荡水柱波能转换装置，双气室结构能俘获更宽频率的波浪，提高装置的发电效率；外置透空结构能有效的降低转换装置的受到的波浪荷载，从而提高装置的生存能力。
一种配有外置透空结构的浮式双气室振荡水柱波能发电装置，包括透空结构、双气室振荡水柱系统和锚泊固定系统；
透空结构1是一个圆环柱体结构，固定于外圆环柱体3外侧，其内半径与外圆环柱体的外半径相同，表面均匀分布有圆形孔洞，孔洞大小及分布密度根据目标海域实际海况确定；
双气室振荡水柱系统主要由外半球环体2，外圆环柱体3、内圆环柱体4、内半球环体5、内圆柱体6、外气室7、内气室8、十字支撑横梁9、第一气孔通道11、第一涡轮发电系统12、第二气孔通道13和第二涡轮发电系统14组成；其中，外气室7是由外半球环体2、外圆环柱体3，内圆环柱体4和内半球环体5共同形成的空腔，外圆环柱体3与外半球环体2相接；内气室8是由内圆环柱体4、内半球环体5和内圆柱体6形成的空腔，内圆环柱体4和内半球环体5相接；内圆柱体6顶部位于内气室8内，超过水面位置与内半球环体5有距离；十字支撑横梁9固定于内圆柱体6顶部，用于支撑和固定外圆柱环体3和内圆环柱体4；外半球环体2顶端留有第一气孔通道11和第二气孔通道13，两个气孔通道分别对应内气室8和外气室7，第一涡轮发电系统12位于第一气孔通道11内，第二涡轮发电系统14位于第二气孔通道13内；
锚泊固定系统由多根锚链10组成，锚链10一端与内圆柱体6相连，一端固定在海底。
采用浮式结构，可以应用到波浪能密度更大的深远海区域。
采用振荡水柱系统采用双气室结构，能够俘获频率带更宽的波浪，提高装置的发电效率。
采用外置透空板结构，能减小装置受到的波浪荷载，从而提高装置的生存能力，进而保证振荡水柱波能装换装置系统能够长期高效稳定的运行。
图1为本发明带有外置透空板结构的浮式双气室振荡水柱波能转换装置结构示意图。
图2为外圆环柱体，内圆环柱体和内圆柱体结构示意图。
图3为外半球环体结构示意图。
图4为透空结构示意图。
图5为外圆环柱体，内圆环柱体，内圆柱体结构以及十字支撑横梁水平剖视图。
图中：1透空结构；2外半球环体；3外圆环柱体；4内圆环柱体；5内半球环体；6内圆柱体；7外气室；8内气室；9十字支撑横梁；10锚链；11第一气孔通道；12第一涡轮发电系统；13第二气孔通道；14第二涡轮发电系统。
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1：配有外置透空结构的浮式双气室振荡水柱波能转换装置，包括透空结构、双气室振荡水柱系统和锚泊固定系统。主要组成结构有透空结构1，外半球环体2，外圆环柱体3，内圆环柱体4，内半球环体5，内圆柱体6，外气室7，内气室8，十字支撑横梁9，锚链10，第一气孔通道11，第一涡轮发电系统12，第二气孔通道13，第二涡轮发电系统14。
透空结构1位于装置最外侧，内表面与外圆环柱体3外表面紧密贴合，顶面和外圆环柱体3处于同一高度，底面低于外圆环柱体3，对短波进行一定的消能、降低装置受到的波浪荷载。
所述振荡系统中，外半球环体2，外圆环柱体3，内圆环柱体4，内半球环体5，内圆柱体6轴线重合。其中，外半球环体2下端开口，与外圆环柱体3内外半径相等，两者轴线重合且上下紧密结合，外半球环体2顶端中心位置设有两个圆柱形第一气孔通道11和气通道213，第一气孔通道11和第二气孔通道13半径大小依据实际海况而定；第一气孔通道11内装有第一涡轮发电系统12，第二气孔通道13内装有第二涡轮发电系统14，第一涡轮发电系统12和第二涡轮发电系统14在双向气流作用下均能旋转，使装置在吸气和排气的过程中都能够发电。外气室7和内气室8分别安装有涡轮发电系统，设计内半球环体5分隔外气室7和内气室8；内半球环体5位于外半球环体2内，且二者轴线重合；内半球环体5下部开口，并与其等内外半径的圆环柱体4上下贴合，二者轴线重合；内半球环体5顶部留有圆柱形通道与第一气孔通道11相连；外气室7连接第二气孔通道13和第二涡轮发电系统14；内气室8连接第一气孔通道11和第一涡轮发电系统12；内圆柱体6由两个半径不同的圆柱体组成，两圆柱体轴线重合，位于结构中心，上圆柱半径小，下圆柱半径大，为整个装置提供浮力，上圆柱体顶面高度与内圆环柱体4等高，底面低于内圆环柱体4，在上圆柱顶部通过十字支撑横梁9同内圆环柱体4以及外圆环柱体3相连，十字支撑横梁9贯穿上圆柱体和内圆环柱体4，与外圆环柱体2相连，支撑和固定结构；下圆柱体半径大于上圆柱体但小于内圆环柱体4，在下圆柱底部通过多根锚链10固定在海底。
使用时，装置采用锚链固定。在海浪作用下，两个气室内的水柱上下振荡做活塞运动，迫使外部空气通过各自的通气孔道流进流出气室，推动涡轮发电系统工作，从而发电，且空气流进流出气室时，涡轮机都能发电。
除上述实施方式外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (1)
- 一种配有外置透空结构的浮式双气室振荡水柱波能发电装置，其特征在于，该配有外置透空结构的浮式双气室振荡水柱波能发电装置包括透空结构、双气室振荡水柱系统和锚泊固定系统；透空结构（1）是一个圆环柱体结构，固定于外圆环柱体（3）外侧，其内半径与外圆环柱体的外半径相同，表面均匀分布有圆形孔洞，孔洞大小及分布密度根据目标海域实际海况确定；双气室振荡水柱系统主要由外半球环体（2），外圆环柱体（3）、内圆环柱体（4）、内半球环体（5）、内圆柱体（6）、外气室（7）、内气室（8）、十字支撑横梁（9）、第一气孔通道（11）、第一涡轮发电系统（12）、第二气孔通道（13）和第二涡轮发电系统（14）组成；其中，外气室（7）是由外半球环体（2）、外圆环柱体（3），内圆环柱体（4）和内半球环体（5）共同形成的空腔，外圆环柱体（3）与外半球环体（2）相接；内气室（8）是由内圆环柱体（4）、内半球环体（5）和内圆柱体（6）形成的空腔，内圆环柱体（4）和内半球环体（5）相接；内圆柱体（6）顶部位于内气室（8）内，超过水面位置与内半球环体（5）有距离；十字支撑横梁（9）固定于内圆柱体（6）顶部，用于支撑和固定外圆柱环体（3）和内圆环柱体（4）；外半球环体（2）顶端留有第一气孔通道（11）和第二气孔通道（13），两个气孔通道分别对应内气室（8）和外气室（7），第一涡轮发电系统（12）位于第一气孔通道（11）内，第二涡轮发电系统（14）位于第二气孔通道（13）内；锚泊固定系统由多根锚链（10）组成，锚链（10）一端与内圆柱体（6）相连，一端固定在海底。
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