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CN120027007A - 基于势能驱动的风电场波浪能发电装置 - Google Patents

基于势能驱动的风电场波浪能发电装置 Download PDF

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CN120027007A
CN120027007A CN202510378771.2A CN202510378771A CN120027007A CN 120027007 A CN120027007 A CN 120027007A CN 202510378771 A CN202510378771 A CN 202510378771A CN 120027007 A CN120027007 A CN 120027007A
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outlet pipe
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徐胜
高晴伟
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Jiangsu University of Science and Technology
Original Assignee
Jiangsu University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，包括取水装置、储水装置、泄水装置、泵水装置、浮体装置、势能发生装置、涡轮发电机和光能发生装置；取水装置内部包括取水片、移动杆和浮子；取水装置上方有第一进水管和第一出水管，取水装置的下方有第二进水管和第二出水管；第一出水管、第二出水管与储水装置之间连接有三通连接器；泄水装置内有浮球和阀门，阀门和浮球之间有连接杆；浮球的上方有永磁体；浮球下方有浮球支撑板，泄水装置上开设有孔；永磁体与泄水装置的顶部的距离等于阀门与泄水装置的底部开口的距离；通过水压压缩泵水装置内的空气，将水压入泵水管内。本发明发电装置与风电场结合，利用资源的同时提高了装置的稳定性。

Description

基于势能驱动的风电场波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及波浪发电技术领域，尤其涉及一种基于势能驱动的风电场波浪能发电装置。
背景技术
波浪能发电作为一种可再生能源技术，具有重要的研究和应用价值，波浪能的能量密度相对较高，尤其是在中纬度30°至40°区域，波浪能可达30至70kW/m，某些地方甚至高达100kW/m，波浪能是海洋中分布最广的可再生能源，可以成为海上偏远地区的能量来源。波浪能发电的基本原理是通过捕获波浪的动能和势能，将其转化为电能。主要的转换技术包括：振荡水柱式、振荡浮子式、越浪式、鸭式、筏式等。未来对波浪能发电装置的研发将会在将波浪能与其它可再生能源(如太阳能、风能等)进行集成，形成多能互补系统，提高能源供应的稳定性和可靠性。波浪能发电技术未来有望在多自由度阵列化发电、多能互补耦合发电、多功能综合平台利用等方面取得新突破。
而现有的传统振荡浮子式波浪能发电装置虽然具有一定的优势，但也存在一些不足之处。如稳定性不足：在恶劣海况下，振荡浮子式装置可能会出现较大的晃动和位移，影响其正常工作；维护成本高：装置在海洋环境中运行，需要定期进行维护和检修。由于其位置偏远，维护工作难度大、成本高。传统越浪式波浪能发电装置也存在一些不足之处，如波浪能利用率低：在某些海况下，波浪能量无法有效转化为电能，导致能量转换效率不高；结构复杂：越浪式装置通常由斜坡式引浪面、蓄水池、导流叶片和出水管等多部分组成，结构相对复杂，增加了建造和维护的难度。
此外传统波浪能发电装置功能单一，发电效率不高，建造维护成本高，不能很好的与其他可再生能源进行集成，波浪能发电装置需要形成多功能互补系统，提高能源供应的稳定性和可靠性。
发明内容
发明目的：针对上述现有设计的缺点或不足，本发明提出一种基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，通过把取水装置、储水装置、泄水装置、泵水装置、连接设备采取圆周阵列的方式与浮体装置、势能发生装置连接构成一个整体，增加了发电量的同时提高了稳定性；减少造价成本、建造难度、维护成本，综合利用功能提高发电效率；通过加入光能发生装置利用了光能发电，提高了发电量；通过与风电场结合，利用了风电场中的空闲海域增加多能源发电量的同时提高装置的稳定性。
技术方案：本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置包括取水装置、储水装置、泄水装置、泵水装置、势能发生装置、浮体装置、涡轮发电机和光能发生装置；泵水装置和势能发生装置之间有泵水管；
取水装置包括取水片、移动杆和浮子；取水装置的上方有第一进水管和第一出水管，取水装置的下方有第二进水管和第二出水管；第一出水管、第二出水管与储水装置之间连接有三通连接器；
泄水装置内有浮球和阀门，阀门和浮球之间有连接杆；浮球的上方有永磁体；浮球下方有浮球支撑板，泄水装置上开设有孔；永磁体与泄水装置的顶部的距离等于阀门与泄水装置的底部开口的距离；
泄水装置的泄水口和出水管与储水装置之间连接有三通连接器；泵水装置带有阀门，泵水装置为具有空气密度的密闭容器，出水管与阀门间连接有双通连接器；阀门在出水管内水压作用下打开，进而通过压缩泵水装置内的空气，将水压入泵水管内。
永磁体、浮球、连接杆和阀门的质量和大于永磁体与泄水装置顶面贴合时的磁力。
第一出水管、第二出水管和储水装置的出水管上设有单向止回阀。
势能发生装置为上底面面积大于下底面的空心圆台。
取水装置、储水装置、泄水装置和泵水装置呈圆周阵列与势能发生装置连接。
第一进水管和第二进水管的管口设有防止杂物进入的网纱。
浮体装置由边缘圆环状的浮体和圆周阵列的梯形浮体组成。
浮球支撑板为中心圆直径小于浮球直径的圆环结构。
泄水装置上开设的孔的面积和小于泄水装置的进水口面积。
光能发生装置为一半球面型的网格框架，该网格框架用于铺设光伏板。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明波浪能发电装置结构设计合理，通过把取水装置、储水装置、泄水装置、泵水装置、连接设备均采取圆周阵列的方式与浮体装置、势能发生装置连接构成一个整体，提高了采集波浪能的效率，提高了发电量。
(2)本发明波浪能发电装置应用场所是海上风电场的各个风机工作区域的中间空闲海域；通过与光能发生装置和海上风电场结合提高了能源的利用效率，由于发电装置与风机底座连接在一起，提高了发电装置的稳定性。
(3)该发电设备检修方便、制作简单、造价成本低；发电装置与风电场结合，综合利用资源的同时提高了总体发电量。
附图说明
图1为本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置的工作场景示意图；
图2为本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置结构俯视图；
图3为本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置的主体结构示意图；
图4为本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置的工作原件结构示意图；
图5为本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置的工作原理平面示意图；
图6为本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置的势能发生装置结构示意图；
图7为本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置的取水装置剖面示意图；
图8为本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置的泄水装置的剖面示意图；
图9为本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置的泵水设备剖面示意图；
图10为本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置的装置底部结构图。
具体实施方式
图1-10中：势能发生装置1；势能发生装置进水口1-1；光能发生装置2；涡轮发电机机3；取水装置4；第一进水管4-1；第二进水管4-2；第一出水管4-3；第二出水管4-4；移动杆4-5；浮子4-6；取水片4-7；取水装置的进水口处第一阀门4-8；取水装置的进水口处第二阀门4-9；取水装置出水口处第三阀门4-10；取水装置出水口处第四阀门4-11；取水装置进水管的管口纱布4-12；储水装置5；储水装置的进水水管5-1；储水装置的出水水管5-2；泄水装置6；泄水装置内部的浮球6-1；泄水装置内部的连接杆6-2；泄水装置内部的阀门6-4；浮球支撑板6-3；泄水装置孔6-5；微型永磁体6-6；泵水装置7；泵水装置阀门7-1；泵水装置泵水口7-2；取水装置和储水装置之间三通连接器8；泵水装置和势能发生装置之间双通连接器9；连接固定杆件10；浮体装置11；附体固定设备内侧梯形浮体11-1；泄水装置处三通连接器12；泵水装置处双通连接器13；泵水管14；泄水装置和泵水设备之间出水水管15；第一单向止回阀16-1；第二单向止回阀16-2；第三单向止回阀16-3；泄水装置中浮球顶部到容器内部顶面距离H1；泄水装置阀门到泄水装置开口处的距离H2。
参照图1-10，本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电装置包括作为一个工作单元的取水装置4，储水装置5，泄水装置6，泵水装置7和势能发生装置1。其中，取水装置4、储水装置5、泄水装置6、泵水装置7、连接设备均采取圆周阵列的方式与浮体装置和势能发生装置1连接构成一个整体。连接设备为双通连接器、三通连接器和单向阀门。
本实施例中，该发电装置通过圆周阵列的方式一共包括6个工作单元。6个工作单元通过连接固定设备：取水装置4和储水装置5之间连接三通连接器8，泵水装置7和势能发生装置1之间有双通连接器9，连接固定杆件10，浮体装置11，浮体装置内侧梯形浮体11-1，泄水装置处三通连接器12，泵水装置处双通连接器13，泵水管14连接固定。浮体装置是使该发电装置固定在浮体装置上构成一个整体并大部分漂浮于海面以上。泵水装置7将水泵入势能发生装置1。
取水装置4内部包括移动杆4-5、浮子4-6、取水片4-7用于取水，第一进水管4-1、第二进水管4-2。取水装置的进水口处第一阀门4-8、第二阀门4-9，第一出水管4-3、第二出水管4-4，以及取水装置出水口处第三阀门4-10、第四阀门4-11。取水装置4的出水口处所连接的两根出水管内部均安装单向止回阀，两根出水管在水平位置交汇成单根出水管道，连接处用三通连接器连接。第一出水管4-3和第二出水管4-4在水平位置用三通连接器8和储水装置5的进水管5-1连接。
本实施例中，取水装置4内的进水口和出水口对称布置，以及进水口、出水口处布置的单向开关阀门组成。左侧上下对称位置布置的均为进水口和进水口单向开关阀门，进水口处所连接的两根进水管深入海面以下，并且在管口包装网纱防止杂物进入。右侧上下对称位置布置的均为出水口和出水口单向开关阀门，出水口处所连接的两根出水管内部均安装单向止回阀。两根出水管在水平位置处交汇成单根出水管道，连接处用三通连接器连接。
储水装置5有进水管5-1和出水水管5-2。储水装置5用来存储水并传送到泄水装置6中。储水装置5为一空心圆柱型的罐体，上部有进水口与取水装置的两根出水水管交汇成的单根出水管道连接，下部布置有出水管道，出水管道处安装一单向止回阀门。
泄水装置6为一非密封罐状容器，该容器由永磁体、浮球6-1、浮球支撑板6-3、以及连接位于泄水装置进水口下方的阀门和浮球底部的连接杆6-2组成。该阀门初始状态为开启状态，该浮球初始状态为静置于浮球支撑板6-3上。泄水装置6的边缘开孔6-5。
永磁体位于浮球内部顶面位置处，该泄水装置的罐顶内为具有磁性的金属。在不受浮力作用下，浮球、永磁体、连接杆、阀门的总重量大于微型永磁体和罐顶内部表面结合时的磁力。浮球支撑板为圆环状其中间空心圆部分直径小于浮球最大直径。浮球支撑板6-3与泄水装置6内部固定连接。泄水装置外部入水口与储水装置5下部的出水管道连接。泄水装置6为非密封罐状容器，即在容器周边开孔6-5，开孔6-5的直径小于容器的进水口直径，开孔6-5的位置在浮球支撑板以下和以上分布，所有开孔总面积小于容器入水口面积。
泄水装置6和泵水装置7中间连接一段出水管15。泵水装置7内部有阀门7-1，泵水口7-2，外部接泵水口7-2连接有泵水管14。
泵水装置的压力罐的内部具有空气密度。压力罐的罐口处安装有单向阀门，阀门的开启位置为朝罐内开启，该阀门的初始状态为闭合状态。在泵水装置的罐口用双通连接器与第二段出水管道连接。靠近罐口处有一出水口，该出水口外部连接泵水管。
势能发生装置为上底面大，下底面小，且无上下底面的空心圆台，以及与该圆台下底面结合的涡轮发电机和管道组成。管道外径与此圆台下底面直径大小一致且结合在与圆台下底面同一水平面处，涡轮发电机位于该管道内部，该管道用于保护涡轮发电机。势能发生装置的圆台容器上部圆周阵列有进水口与泵水装置的出水口外接的泵水管连接。势能发生装置底部的涡轮发电机用于将此圆台中水的势能转换为机械能进而转化为电能。
势能发生装置1通过泵水管14和泵水装置7连接，势能发生装置1外部连接光能发生装置2吸收光能，还包括涡轮发电机3用于发电。第一出水管4-3上设有第一单向阀16-1，第二出水管4-4上设有第二单向阀16-2，储水装置5的出水管5-2上设有第三单向止回阀16-3。
整个圆周阵列的6个工作单元用浮体装置连接固定提高了发电量。发电装置整体位于风电场风机之间的海域，通过和周围风机底座半张紧连接提高了稳定性。
如图5、图7所示，取水装置4有和取水装置内部密合的取水片4-7，与容器底部开口处密合的移动杆4-5。波浪带动浮子4-6上下运动，移动杆4-5与浮子4-6和取水片4-7连接。浮子4-6上下运动带动取水片4-7上下运动。由于装置内部是密闭的，在波浪作用下浮子4-6带动取水片4-7向上运动时，装置容器取水片以下部分压强变小，装置下部进水口处第二阀门4-9在压强作用下开启，海水通过第二进水管4-2进入装置取水片4-7以下部分空间。而装置不会从第二出水管4-4中进水是由于下部出水处第四阀门4-11此时在压强作用下闭合和第二出水管4-4内部具有第二单向止回阀16-2。此时装置容器取水片以上部分压强变大，上部进水口处第一阀门4-8此时在压强作用下闭合，上部出水口处第三阀门4-10此时在压强作用下打开，水从第一出水管4-3流出。由于装置是内部密闭的，在波浪作用下浮子4-6带动取水片4-7向下运动时，装置容器取水片以上部分压强变小，装置上部进水口处第一阀门4-8此时在压强作用下开启，海水从第一进水管4-1进入装置取水片4-7以上部分空间。装置不从第一出水管4-3中进水是由于上部出水第三阀门4-10此时在压强作用下闭合和上部的第一出水管4-3内部具有第一单向止回阀16-1。此时装置容器取水片以下部分压强变大，下部进水口处第二阀门4-9此时在压强作用下闭合，下部出水口处第四阀门4-11此时打开，水从下部的第二出水管4-4流出。
泄水装置6和泵水装置7如附图5、图8、图9所示。储水装置5的出水管5-2和泄水装置6的泄水口、出水管15之间连接有三通连接器。出水管15和泵水装置7的开口通过双通连接器13相连。
初始条件：(1)泄水装置6内部的永磁体6-6、浮球6-1、连接杆6-2、阀门6-4四者的质量之和大于微型永磁体6-6与泄水装置6内部顶面贴合时的磁力；(2)泄水装置6上的孔6-5总面积小于容器的容器口面积；(3)H1、H2大小相等；四、泵水设备7内部具有空气密度并密闭，且初始状态下装置的阀门7-1处于闭合状态。
本发明基于势能驱动的风电场波浪能发电方法包括以下步骤：
(1)波浪通过浮子4-6带动取水片4-7向上运动时，取水片以下部分压强变小，进水口处的第二阀门4-9开启，海水通过第二进水管4-2进入取水片4-7以下空间；此时取水片以上压强变大，第一进水口处的第一阀门4-8在压强作用下闭合，上部出水口处第三阀门4-10在压强作用下打开，水从上部的第一出水管4-3流出。在波浪通过浮子4-6带动取水片4-7向下运动时，取水片以上压强变小，装置上部进水口处第一阀门4-8在压强作用下开启，海水从第一进水管4-1进入取水片4-7以上空间。此时取水片以下压强变大，下部进水口处的第二阀门4-9此时在压强作用下闭合，下部出水口处第四阀门4-11打开，水从第二出水管4-4流入储水装置5；
(2)储水装置5的出水管5-2中的水进入泄水装置6中，水位升高带动浮球6-1提升，当永磁体6-6、浮球6-1、连接杆6-2、阀门6-4四者的重力之和减去浮力后的力小于微型永磁体6-6与泄水装置6内部顶面贴合时的磁力时，永磁体6-6与泄水装置内部顶面在磁力作用下贴合。由于H1和H2相等，阀门6-4和泄水装置6的开口贴合，此时水的流向流速突然改变，由于流体的惯性引起的压力波动导致出水管5-2和15内部水压激增，压力激增的同时也保证泄水装置6的阀门6-4不由于重力作用打开。并且由于第三单向止回阀16-3的存在保证水不倒流。
(3)泵水装置7的阀门7-1的重力小于下方管内水的压力时打开。由于泵水装置7内部密闭且具有空气密度，水将上方的空气压缩，此时泵水装置7内部压力激增把装置内的水压入泵水口7-2连接的泵水管14中。装置内的水压入泵水管14后，装置和下方水管内水压迅速衰减，此时由于泵水装置7内部压力和泵水装置阀门7-1自身重力大于下方水管内的压力，使泵水装置阀门7-1重新关闭。泄水装置6由于泄水装置小孔6-5的排水导致水位降低，浮球6-1所受浮力减小，并且下方水管内水压降低，永磁体6-6、浮球6-1、连接杆6-2、阀门6-4四者的重量之和大于微型永磁体6-6与泄水装置6内部顶面贴合时的磁力，使得阀门6-4再次打开。
(4)势能发生装置1通过泵水管14和泵水装置7连接，将水泵入势能发生装置1的容器中，势能发生装置1外部连接光能发生装置2吸收光能发电，势能发生装置1内部的涡轮发电机3将水的势能转换为电能用于发电。
其中，光能发生装置整体为一半球面型的网格框架，每个网格用于铺设光伏板。此半球面型的网格框架的直径与势能发生装置的空心圆台的上底面直径相同，并且该半球面网格框架底部与空心圆台容器的上底面连接。半球面型的网络框架不仅提供了光能发电而且在海上风暴或降雨时增加了圆台的水量增加了发电量。
浮体装置是由边缘圆环状的浮体和圆周阵列的内侧梯形浮体结合通过固定杆件连接取水装置、储水装置、泄水装置、泵水装置、连接设备、势能发生装置构成一个整体，使整体漂浮于海面上。浮体装置边缘圆环状浮体除了作为连接固定设备还用作检修平台。

Claims (10)

1.一种基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，其特征在于：包括取水装置(4)、储水装置(5)、泄水装置(6)、泵水装置(7)、势能发生装置(1)、浮体装置、涡轮发电机和光能发生装置；所述泵水装置(7)和势能发生装置(1)之间有泵水管(14)；
所述取水装置(4)包括取水片(4-7)、移动杆(4-5)和浮子(4-6)；所述取水装置(4)的上方有第一进水管(4-1)和第一出水管(4-3)，取水装置(4)的下方有第二进水管(4-2)和第二出水管(4-4)；所述第一出水管(4-3)、第二出水管(4-4)与储水装置(5)之间连接有三通连接器(8)；
泄水装置(6)内有浮球(6-1)和阀门(6-4)，阀门(6-4)和浮球(6-1)之间有连接杆(6-2)；所述浮球(6-1)的上方有永磁体(6-6)；浮球(6-1)下方有浮球支撑板，泄水装置(6)上开设有孔(6-5)；所述永磁体(6-6)与泄水装置(6)的顶部的距离等于阀门(6-4)与泄水装置(6)的底部开口的距离；
所述泄水装置(6)的泄水口和出水管(15)与储水装置(5)之间连接有三通连接器；所述泵水装置(7)带有阀门(7-1)，所述泵水装置(7)为具有空气密度的密闭容器，所述出水管(15)与所述阀门(7-1)间连接有双通连接器(13)；所述阀门(7-1)在出水管(15)内水压作用下打开，进而通过压缩泵水装置(7)内的空气，将水压入泵水管(14)内。
2.根据权利要求1所述的基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，其特征在于：所述永磁体(6-6)、浮球(6-1)、连接杆(6-2)和阀门(6-4)的质量和大于永磁体(6-6)与泄水装置(6)顶面贴合时的磁力。
3.根据权利要求1所述的基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，其特征在于：所述第一出水管(4-3)、第二出水管(4-4)和储水装置(5)的出水管(5-2)上设有单向止回阀。
4.根据权利要求1所述的基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，其特征在于：所述势能发生装置(1)为上底面面积大于下底面的空心圆台。
5.根据权利要求1所述的基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，其特征在于：所述取水装置(4)、储水装置(5)、泄水装置(6)和泵水装置(7)呈圆周阵列与势能发生装置(1)连接。
6.根据权利要求1所述的基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，其特征在于：所述第一进水管和第二进水管的管口设有网纱。
7.根据权利要求1所述的基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，其特征在于：所述浮体装置(11)由边缘圆环状的浮体和圆周阵列的梯形浮体(11-1)组成。
8.根据权利要求1所述的基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，其特征在于：所述浮球支撑板为中心圆直径小于浮球直径的圆环结构。
9.根据权利要求1所述的基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，其特征在于：所述泄水装置上开设的孔(6-5)的面积和小于泄水装置的进水口面积。
10.根据权利要求1所述的基于势能驱动的风电场波浪能发电装置，其特征在于：所述光能发生装置为一半球面型的网格框架，所述网格框架铺设有光伏板。
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