风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置

1.本发明涉及一种风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，属于波浪能发电装置技术领域。


背景技术：

2.海上蕴含着丰富的风能和波浪能。波浪能发电装置根据其发电原理可分为振荡水柱式（owc）、振荡体式和越浪式三类。振荡水柱式波浪能装置结构简单，能量转换的运动部件均位于水面以上不与海水相接触，防腐性能好，方便维护。
3.在研究开发利用波浪能的过程中发现，波浪能单能种发展也存在一定的局限性，因此结合海上风力发电使得风机与波浪能发电装置耦合发电成为可能。振荡水柱式波浪能装置逐渐与防波堤、风机等基础结构进行耦合，提高了波浪利用率。
4.目前，振荡水柱式波浪能装置的结构形式有靠岸式和离岸式，形状有矩形、u型、圆柱形等，气室结构有单气室、多气室。现有振荡水柱式波浪能装置大多数是单侧迎浪，对不同方向的波浪不能很好的吸收，对不同方向的波浪利用率不高。不同时刻的潮位也会有所不同，若潮位较低，owc设计较深的吃水会增加材料成本；owc设计的吃水较浅则不利于形成封闭的气室，装置利用率低。对于多气室owc，若在每个气室出气口处连接一个空气透平及发电机则会增加成本投入。


技术实现要素：

5.为了解决现有振荡水柱式波浪能装置对波浪能的利用率低的技术问，本发明提供了一种风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置。
6.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，包括：支撑结构，竖向设置；与所述支撑结构的竖向所垂直的方向为所述支撑结构的径向；塔筒，连接于所述支撑结构的上方；风力发电装置，安装于所述塔筒顶部；若干振荡水柱；所述振荡水柱为空心柱状结构，其两端开口；若干所述振荡水柱，竖向、绕所述支撑结构周围设置，其上部端口位于同一平面；沿所述支撑结构的其中一径向，所述振荡水柱的长度依次递减，所述振荡水柱的内径依次递减或递增；汇流管道，设置于所述振荡水柱的上方，其进气口与若干所述振荡水柱的顶部开口连通；透平发电机，设置于所述汇流管道的出气口。
7.根据本发明公开的一些实施例，沿所述支撑结构的其中一径向，若干所述振荡水柱长度等差变化。
8.根据本发明公开的一些实施例，若干所述振荡水柱沿所述支撑结构的其中一径向
对称分布。
9.根据本发明公开的一些实施例，若干所述振荡水柱的外径相等。
10.根据本发明公开的一些实施例，还包括若干通电阀门；若干所述通电阀门安装于若干所述振荡水柱的底部开口处。
11.根据本发明公开的一些实施例，还包括若干特斯拉阀；若干所述特斯拉阀连接于所述汇流管道的进气口与若干所述振荡水柱的顶部开口之间。
12.根据本发明公开的一些实施例，还包括支撑盘；所述支撑盘开设有若干竖向通孔，所述通孔的内径与所述振荡水柱的外径匹配；所述支撑盘套设于所述支撑结构，所述振荡水柱的上端穿过所述支撑盘的通孔、与所述所述支撑盘静连接。
13.根据本发明公开的一些实施例，所述风力发电装置包括风机叶片、轮毂和机舱；所述风机叶片与所述轮毂固定连接，所述机舱与所述轮毂动连接。
14.本发明的有益效果是：若干振荡水柱的长度不等，多长度的设计能适应不同潮位和波高，使得装置具备潮差变化下连续工作的能力；若干振荡水柱按照长度的递增或递减有序排列，能进一步提高对不同波高的利用率。
15.若干振荡水柱的内径不等，多内径的设计使得振荡水柱能与波浪产生多重共振，提高波浪能利用率。
16.振荡水柱围绕支撑结构呈环形均匀间隔排布，并沿支撑结构的径向呈对称排布，使其具有适应不同方向波浪的能力。
17.设计汇流管道，是为了多振荡水柱共享管道、汇集气流，减少发电成本。
18.在振荡水柱底部安装通电阀门，实现对振荡水柱的开口与堵口；以保证振荡水柱在不工作的情况下减少漏气现象。
19.设计特斯拉阀使得振荡水柱呼出的气流能加速进入汇流管道，同时也减少了在低潮位时阀门关闭的振荡水柱吸入气流的流量。
20.振荡水柱式波浪能发电装置结构简单，易于拆卸与维护。
附图说明
21.图1是本发明实施例提供的一种风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置的结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置的局部结构示意图；图3是本发明实施例提供的一种风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置的另一局部结构示意图；图4是本发明实施例提供的一种风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置的通电阀门的结构示意图图5是本发明实施例提供的一种风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置的特斯拉阀的结构示意图其中，1.风机叶片、2.轮毂、3.机舱、4.塔筒、5.支撑结构、6.汇流管道、7.特斯拉阀、8.支撑盘、9.振荡水柱、10.通电阀门。
实施方式
22.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
23.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
24.一种风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱9式发电装置，如图1、2或3所示，包括支撑结构5、塔筒4、风力发电装置、若干振荡水柱9、汇流管道6和透平发电机；其中，支撑结构5、塔筒4和风力发电装置从下而上依次设置。支撑结构5，竖向设置，设置在最下方；支撑结构5的上部安装塔筒4，塔筒4竖向设置，塔筒4上部安装有风力发电装置；若干振荡水柱9，竖向设置，绕支撑结构5周围设置；汇流管道6设置于若干振荡水柱9的上方。透平发电机（图中未示出）设置于汇流管道的出气口。
25.如图1、2或3所示：支撑结构5可以为单桩支撑结构5。塔筒4竖向设置，其底部与支撑结构5的顶部连接；支撑结构5和塔筒4位于同一竖直线上。风力发电装置可以采用现有任意一种风力发电装置；具体的，可以采用包括空气透平的风力发电装置；例如，可以如图1所示，风力发电装置包括风机叶片1、轮毂2和机舱3；风机叶片1与轮毂2固定连接，机舱3与轮毂2动连接。风机叶片1在风力带动下以机舱3为轴在竖直平面内转动。
26.振荡水柱9为中空柱状结构，其两端开口；可以为圆柱状结构。振荡水柱9的材质可以采用轻质高强度材料，减少对风机单桩基础的荷载响应。如图2所示，振荡水柱9的底部开口处可以安装通电阀门10。具体的，通电阀门10可以通过法兰与振荡水柱9的底部开口相接。通电阀门10外表面采取防腐措施。通电阀门10可以是现有任意一种通电阀门10，具体的，可以采用如图4所示的通电阀门10。设计通电阀门10是为了保证振荡水柱9在不工作的情况下减少漏气现象，低潮位时，较短的振荡水柱9可能不能形成密闭的气室，因此气室会出现漏气现象。所以，当振荡水柱9不能正常工作时通电阀门10关闭。当潮位变化能使气室形成一个封闭气室时，通电阀门10打开。
27.一台风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱9式发电装置包括若干振荡水柱9。若干振荡水柱9的长度不等、内径不等。所述“不等”是指不完全相等，存在相等的，也存在不相等的。若干振荡水柱9的外径，可以相等，也可以不相等；为了方便实施，若干振荡水柱9的外径相等。若干振荡水柱9，竖向设置且围绕支撑结构5设置，分布在支撑结构5的周围。若干振荡水柱9的上部端口位于同一平面。
28.沿支撑结构5的其中一径向（与支撑结构5的竖向所垂直的方向为支撑结构5的径向，下同），振荡水柱9的长度依次递减。具体的，可以如图2、3所示，从左到右（支撑结构5的其中一径向），振荡水柱9的长度依次递减；例如，从左到右，若干振荡水柱9长度等差变化。需要注意的是，高度较高的振荡水柱9位于迎浪侧，高度较低的振荡水柱9位于背浪测，（即，长度较小的振荡水柱9位于迎浪侧，长度角大的振荡水柱9位于背浪测）以实现对于多个不同方向的波浪利用率最高。
29.支撑结构5前后两侧的振荡水柱9，位于同一径向位置的两个振荡水柱9的长度可以相等也可以不相等；例如，如图2、3所示，从左边数第二位置，位于撑结构前后两侧的两根振荡水柱9的长度可以相等也可以不相等。支撑结构5前后两侧的振荡水柱9，当位于同一径向位置的两个振荡水柱9的长度相等时，以支撑结构5的该径向为轴，位于支撑结构5前后两侧的振荡水柱9对称分布。
30.沿支撑结构5的其中一径向，若干振荡水柱9的内径依次递减或递增；具体的，如图2、3所示，从左到右（支撑结构5的其中一径向），振荡水柱9的内径，可以是依次递减，也可以是依次递增。
31.若干振荡水柱9与支撑结构5之间为静连接，具体可以为可拆卸连接。若干振荡水柱9与支撑结构5之间可以是直接连接，也可以是通过连接件连接。具体的，可以如图3所示，干振荡水柱9与支撑结构5之间通过支撑盘8连接。
32.支撑盘8开设有若干竖向通孔，通孔的内径与振荡水柱9的外径匹配；支撑盘8套设于支撑结构5，振荡水柱9的上端穿过支撑盘8的通孔、与所述支撑盘8静连接。具体的，如图3所示，支撑盘8可以为圆形板状结构。支撑盘8，可以为一体结构，也可以为组装结构。支撑盘8的中心位置开设有与支撑结构5横截面形状、尺寸匹配的中心孔，中心孔能使支撑结构5穿过。支撑盘8上还开设有若干通孔，通孔沿中心孔均匀分布；通孔的数量根据所要安装的振荡水柱9的数量确定，与振荡水柱9的数量一致。支撑盘8与支撑结构5之间为静连接，具体可以为可拆卸连接。支撑盘8安装于支撑结构5的高度位置可根据潮位变化进行调整。支撑盘8与振荡水柱9之间为静连接，具体可以为可拆卸连接。
33.汇流管道6，开设有进气口和出气口；进气口与若干振荡水柱9的顶部开口连通，其出气口处设置透平发电机。汇流管道6，可以套设于支撑结构5，可以为环状管道。如图2所示，环状汇流管道6水平设置，套设于支撑结构5。环状汇流管道6底部开设有若干进气口，进气口的数量与振荡水柱9的竖向相等，进气口的位置与振荡水柱9上端开口的位置对应，进气口与若干所述振荡水柱9的顶部开口连通。
34.汇流管道6的进气口与若干振荡水柱9的顶部开口之间，可以如图2所示，采用若干特斯拉阀7连接；若干特斯拉阀7设置于汇流管道6的进气口与若干振荡水柱9的顶部开口之间。特斯拉阀7可以采用现有任意一种特斯拉阀7；具体的，可以采用如5所示的特斯拉阀7。特斯拉阀7使得振荡水柱9呼出的气流能加速进入汇流管道6，同时也减少了在低潮位时阀门关闭的振荡水柱9吸入气流的流量。震荡水柱上下振动使得气室内部气体压缩和膨胀，产生的气流通过气室顶部的特斯拉阀7进入整流通气管道中，多个振荡水柱9产生的气流共同推动风力发电装置的空气透平旋转实现波浪能到空气透平动能的转换。
35.风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱9式发电装置的工作过程：位于振荡水柱9的底部的通电阀门10打开，各个不同方向的波浪通过通电阀门10进入不同高度的若干振荡水柱9内部形成上下振荡的水体，振荡水柱9内部的上下振荡的水体对振荡水柱9内部气体压缩和膨胀形成的往复气流，往复气流通过振荡水柱9顶部的特斯拉阀7进入汇流管道6内部，实现多个振荡水柱9产生的气流的整流；多个振荡水柱9产生的气流从汇流管道6出气口同推动透平发电机旋转实现波浪能到空气透平动能的转换。
36.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不
需要付出创造性劳动即可作出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，其特征在于，包括：支撑结构，竖向设置；与所述支撑结构的竖向所垂直的方向为所述支撑结构的径向；塔筒，连接于所述支撑结构的上方；风力发电装置，安装于所述塔筒顶部；若干振荡水柱；所述振荡水柱为空心柱状结构，其两端开口；若干所述振荡水柱，竖向、绕所述支撑结构周围设置，其上部端口位于同一平面；沿所述支撑结构的其中一径向，所述振荡水柱的长度依次递减，所述振荡水柱的内径依次递减或递增；汇流管道，设置于所述振荡水柱的上方，其进气口与若干所述振荡水柱的顶部开口连通，透平发电机，设置于所述汇流管道的出气口。2.根据权利要求1所述风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，其特征在于，沿所述支撑结构的其中一径向，若干所述振荡水柱长度等差变化。3.根据权利要求1所述风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，其特征在于，若干所述振荡水柱沿所述支撑结构的其中一径向对称分布。4.根据权利要求1所述风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，其特征在于，若干所述振荡水柱的外径相等。5.根据权利要求1所述风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，其特征在于，包括若干通电阀门；若干所述通电阀门安装于若干所述振荡水柱的底部开口处。6.根据权利要求1所述风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，其特征在于，包括若干特斯拉阀；若干所述特斯拉阀连接于所述汇流管道的进气口与若干所述振荡水柱的顶部开口之间。7.根据权利要求1所述风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，其特征在于，包括支撑盘；所述支撑盘开设有若干竖向通孔，所述通孔的内径与所述振荡水柱的外径匹配；所述支撑盘套设于所述支撑结构，所述振荡水柱的上端穿过所述支撑盘的通孔、与所述所述支撑盘静连接。8.根据权利要求1所述风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，其特征在于，所述风力发电装置包括风机叶片、轮毂和机舱；所述风机叶片与所述轮毂固定连接，所述机舱与所述轮毂动连接。

技术总结
本发明公开了一种风机耦合管风琴式多重共振振荡水柱式发电装置，属于波浪能发电装置技术领域。该发电装置包括支撑结构、塔筒、风力发电装置、若干振荡水柱和汇流管道；支撑结构竖向设置在最下方，支撑结构的上部安装塔筒，塔筒上部安装风力发电装置，若干振荡水柱绕支撑结构周围竖向设置，汇流管道设置于若干振荡水柱的上方。若干振荡水柱的长度不等，能适应不同潮位和波高，具备潮差变化下连续工作的能力；若干振荡水柱的内径不等，能与波浪产生多重共振，提高波浪能利用率；振荡水柱围绕支撑结构呈环形均匀间隔排布，具有适应不同方向波浪的能力。本发明提供的振荡水柱式波浪能发电装置，对波浪能的利用率高，结构简单，易于拆卸与维护。与维护。与维护。


技术研发人员：刘臻 孙雨婷 孙睿洁 许传礼 丁磊 宋馨钰 黄丽
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/6/26