一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置

1.本发明涉及海洋可再生能源利用技术领域，具体涉及一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，它利用垂荡运动在管内形成振荡水柱俘获波浪能发电，同时在双管之间的底部设置潮流能发电模块。


背景技术：

2.海洋波浪能是一种依附在海水表面的可再生能源，是表面海浪具有的动能和势能。波浪能是一种清洁的可再生能源，蕴藏丰富，分布广泛，开发潜力巨大。但由于海洋环境恶劣，波浪能量的不稳定、不集中，导致波浪能发电不稳定，转换效率低，利用成本高等问题，其商业化利用未得到大规模地推广。
3.波浪能利用技术种类繁多，根据工作原理的不同，可分为振荡水柱式、振荡浮子式、越浪式和其他形式。按照波能装置离海岸的远近不同，可分为靠岸式、近岸式和离岸式。离岸漂浮式波能装置可以利用远海丰富的波浪能资源，建造受环境影响小，适用面广，成为当今波浪能利用技术的发展主流。
4.潮流能作为海洋可再生能源的重要组成部分，其储量丰富且可持续利用，具有很大的发展潜力。潮流能资源主要分布在海岬、岛屿及河口区域，这对有着漫长海岸线和众多岛屿的我国有着巨大的吸引力。
5.潮流能发电装置在开发过程中，逐渐研发出多种不同的结构形式，其中根据来流的流向与水轮机装置转动轴的位置关系,可分为水平轴式水轮机和垂直轴式水轮机，还有通过支撑臂摆动来获能的振荡水翼技术。现有的多数潮流能装置采用直接固定于海底的方法，这样更有利于获能的穏定，但如果需要在离岸较远、水位较深的地方安装装置，则需采用漂浮式结构以便于安装和节约成本。利用天然潮流所带来的动能推动装置发电的技术可以避免如潮汐发电站或水电站需要修建堤坝与配奪设施，能减少相应的投资，且水轮机装置对生态环境影响小。然而，水轮机旋转面的面积只占据了潮流截面的一小部分，对潮流能的利用率较低，同时要求潮流流速达到一定的条件来保证发电。
6.双管波能装置是由两根中间掏空的矩形长管道的浮体和空气透平发电机组构成，浮体的尺寸远小于波长。双管波能装置是一种漂浮振荡水柱式波能发电装置，它利用气动式能量摄取系统转换能量，具有结构简单、可靠性高和易于维护等优点。振荡水柱像活塞一样推动气室内的空气往复运动，气流方向呈周期性变化，一般是利用双向气流作用于空气透平。双管波能装置是利用浮体的振荡运动吸收波浪能，四周无遮挡具有良好的“天线”聚波条件，拥有良好的俘获特性。海上波浪发杂多变，波浪周期多样，不规则波浪周期变化范围大，通过双管振荡水柱，增加运动自由度，多个固有响应周期，拓宽波浪响应周期。双管之间设置潮流能发电模块，提高装置的海上环境适应性。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，以解决海
洋中波浪能和潮流能等绿色可再生能源没有被有效的利用，转化成电能为人类能源使用供给。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，包括双管振荡水柱模块，浮力舱模块，潮流能发电模块和锚泊系统，其特征在于：还包括透平发电机组模块；所述浮力舱模块包括半圆柱体浮力舱、长方体浮力舱和舱盖组成，所述双管振荡水柱模块分别固定在浮力舱模块的两端，两个所述双竖直管道均为空心管道且内部设置为上端气室和下端水室，所述浮力舱模块内部固定连接有透平发电机组模块，所述潮流能发电模块设置于双管振荡水柱模块之间并且设置于浮力舱模块底部，所述透平发电机组模块设置于浮力舱模块内部；所述浮力舱模块与潮流能发电模块之间固定设置有一根用于相互连接空心管道接线管道；所述潮流能发电模块包括潮流能叶轮和潮流能发电机，所述潮流能发电机固定设置于两个双竖直管道之间底部，所述潮流能叶轮与潮流能发电机传动连接。
9.所述浮力舱模块包括半圆柱壳浮力舱、长方体壳浮力舱和舱盖，所述半圆柱形浮力舱固定连接于两个双竖直管道之间，所述长方形浮力舱固定连接于半圆柱形浮力舱上部并且固定连接于两个双竖直管道之间，所述舱盖固定连接于长方形浮力舱顶部。
10.所述透平发电机组模块包括发电机支撑架、空气透平机、对称翼叶片和进、排气空隙，所述空气透平机固定连接于长方形浮力舱内壁上，所述发电机支撑架固定设置于空气透平机底部，所述对称翼叶片固定连接于空气透平机与长方形浮力舱连接的管道中，所述进、排气空隙设置于对称翼叶片与空气透平机之间。
11.所述一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置还包括太阳能光伏发电设备模块和辅助模块，所述太阳能光伏发电设备包括固定设置于舱盖顶部的支撑杆上。
12.所述辅助模块包括人孔、通气孔和支撑杆，所述支撑杆数量设置为多个，所述支撑杆设置于太阳能发电板与舱盖之间，所述太阳能发电板通过支撑杆与舱盖固定连接，所述通气孔固定设置于舱盖顶部，所述人孔设置于通气孔一侧。
13.本发明的技术效果和优点：1. 基于振荡浮体俘获波能的理念，可以优化波能发电装置的外形结构，提高浮体的垂荡运动性能，减少造波能量损失，从而提高装置的波能俘获性能。振荡浮体四周无遮挡，可获得较好的俘获性能。采用双管，可以提高对入射波的响应效率，使其在实际的不规则波下具有更好的俘获性能。
14.2. 由于波能发电装置是利用浮体的垂荡运动来俘获波浪能，利用管道和水柱的相对运动输出气动能量，通过双向气流做功。气室在吸气和排气过程中都可输出能量，可提高浮体运动性能，从而在过程中输出更多的气流能，装置的俘获性能并未明显降低。
15.3. 采用双管可以在波能较低的时候提高俘获的波能。双管的尺寸在经过设计测试和模拟后可以显著提高波能的俘获效率。由于采用双管，可以稳定地提高波能俘获性能，以匹配简单高效的空气透平机组，使其在额定工况下高效运行，提高发电效率和发电稳定性。
16.4. 空气透平发电机组可以放置于浮力舱内部，降低装置的重心，且浮力舱可以采
用全封闭设计，减少海洋环境对机组的腐蚀影响。空气透平机组可以模块化生产，便于批量化生产，易于维护、检修和更换，有利于商业化的推广和应用。
17.5. 基于双管的设计在双管中间安装潮流能叶片状发电装置，在浮体上方安装太阳能发电装置，将自然能源利用效率提高一个阶段，三种能源的利用也显著提高了装置的发电性能。
附图说明
18.图1为本发明中整体结构示意图；图2为本发明中的立体图；图3为本发明中浮力舱顶部甲板及其上面的其他辅助模块部分结构示意图；图4为本发明中的整流模块部分和透平发电机组的结构示意图；图5为本发明装置锚泊实施例的主视图。
19.图中：1、振荡水柱模块；101、右水柱室；102、右气室；103、左水柱室；104、左气室；2、浮力舱模块；201、半圆柱壳浮力舱；202、长方体壳浮力舱；203、舱盖；3、透平发电机组模块；301、发电机支撑架；302、空气透平机；303、对称翼叶片；304、进、排气空隙；4、锚泊系统；401、锚；402、锚链；403、锚链管道；404、锚机；5、太阳能光伏发电设备；501、太阳能发电板；6、辅助模块；601、人孔；602、通气孔；603、支撑杆；7、潮流能发电模块；701、接线管道；702、潮流能叶轮；703、潮流能发电机。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.本发明提供了如图中所示的一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，如图1所示，由振荡水柱模块1、浮力舱模块2、透平发电机组模块3、锚泊系统4、太阳能光伏发电设备5、其他辅助模块6、和潮流能发电设备7组成。所述振荡水柱模块1由双长方体管道101和气室102组成。在波浪的作用下，整个浮体产生垂荡运动，迫使管道内的水柱产生相对运动形成振荡水柱，并推动上部气室102内的空气往复运动，通过进、排气管道推动管道中的对称翼叶片303旋转即使其在排气过程中输出气流做功，吸气和排气过程阻尼较小。所述浮力舱2两旁是双长方形管道101，上面部分是矩形浮力舱202和舱盖203，下面部分是半圆柱形浮力舱201，浮力舱2内部可添加适量的配重，浮力舱2内部可容纳发电系统以及其他设备。
22.图2是一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置的立体图，双竖直管道101和双气室102组成的振荡水柱模块位于浮力舱模块2的两端，在双竖直管道101中间，浮力舱模块2的下部是潮流能发电模块7，潮流能发电模块7由潮流能叶轮702通过增速齿轮箱与潮流能发电机703连接，海水的潮流推动叶轮旋转，并保持叶轮面与潮流方向垂直，通过接线管道701中所接电线将转化的电能存储到浮力舱2内部的电能存储设备中。
23.如图3所示，舱盖203上布置了锚泊系统4、太阳能光伏发电设备5和其他辅助模块
6。在甲板203上安装有通气管602，采用弯管设计，开口向下，舱盖203上安装有人孔601，可供安装调试或检测维修时人员进出舱内，以及更换部分设备。在甲板203安装有足够的支撑杆603撑起架子上的太阳能光伏发电板。
24.如图2和图4所示，所述透平发电机组模块3由双长方形竖直管道101及浮力舱2组成的振荡单浮体在入射波的作用下整体产生垂荡运动，迫使双竖直管道内的水柱产生相对运动，水柱在相对气室102管道向下运动时，大量空气从进、排气空隙304进入气室102内并驱动对称翼叶片303旋转，水柱相对向上运动时，水柱像活塞一样压缩空气，压缩气流从进、排气空隙304排出并驱动对称翼叶片303旋转带动电机302稳定输出电能。
25.如图5所示，所述锚泊系统模块由锚401；锚链402；锚链管道403；锚机404组成，锚机固定于甲板203上，锚链管道403固定在双管道外部下端与浮力舱2底部持平，锚链402从锚链管道403穿过，一端与锚机404相连以实现收放功能，锚401固定在锚链402末端。锚泊系统设置有四个，前后左右对称布放，与波浪方向大致相同。
26.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，包括双管振荡水柱模块（1），浮力舱模块（2），潮流能发电模块（7）和锚泊系统（4），其特征在于：还包括透平发电机组模块（3）；所述浮力舱模块包括半圆柱体浮力舱（201）、长方体浮力舱（202）和舱盖（203）组成，所述双管振荡水柱模块（1）分别固定在浮力舱模块（2）的两端，两个所述双竖直管道均为空心管道且内部设置为上端气室（102）、（104）和下端水室（101）、（103），所述浮力舱模块（2）内部固定连接有透平发电机组模块（3），所述潮流能发电模块（7）设置于双管振荡水柱模块（1）之间并且设置于浮力舱模块（2）底部，所述透平发电机组模块（3）设置于浮力舱模块（2）内部；所述浮力舱模块（2）与潮流能发电模块（7）之间固定设置有一根用于相互连接空心管道接线管道（701）；所述潮流能发电模块（7）包括潮流能叶轮（702）和潮流能发电机（703），所述潮流能发电机（703）固定设置于两个双竖直管道之间底部，所述潮流能叶轮（702）与潮流能发电机（703）传动连接。2.根据权利要求1所述的一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，其特征在于：所述浮力舱模块（2）包括半圆柱壳浮力舱（201）、长方体壳浮力舱（202）和舱盖（203），所述半圆柱形浮力舱（201）固定连接于两个双竖直管道之间，所述长方形浮力舱（202）固定连接于半圆柱形浮力舱（201）上部并且固定连接于两个双竖直管道（1）之间，所述舱盖（203）固定连接于长方形浮力舱（202）顶部。3.根据权利要求1所述的一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，其特征在于：所述透平发电机组模块（3）包括发电机支撑架（301）、空气透平机（302）、对称翼叶片（303）和进、排气空隙（304），所述空气透平机（302）固定连接于长方形浮力舱（202）内壁上，所述发电机支撑架（301）固定设置于空气透平机（302）底部，所述对称翼叶片（303）固定连接于空气透平机（302）与长方形浮力舱（202）连接的管道中，所述进、排气空隙（304）设置于对称翼叶片（303）与空气透平机（302）之间。4.根据权利要求1所述的一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，其特征在于：还包括太阳能光伏发电设备模块（5）和辅助模块（6），所述太阳能光伏发电设备（5）包括固定设置于舱盖（203）顶部的支撑杆（603）上。5.根据权利要求4所述的一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，其特征在于：所述辅助模块（6）包括人孔（601）、通气孔（602）和支撑杆（603），所述支撑杆（603）数量设置为多个，所述支撑杆（603）设置于太阳能发电板（501）与舱盖（203）之间，所述太阳能发电板（501）通过支撑杆（603）与舱盖（203）固定连接，所述通气孔（602）固定设置于舱盖（203）顶部，所述人孔（601）设置于通气孔（602）一侧。6.根据权利要求5所述的一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，其特征在于：所述人孔（601）、通气孔（602）和锚泊系统（4）均设置于舱盖（203）顶部。7.根据权利要求1所述的一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，其特征在于：所述锚泊系统（4）包括锚（401）、锚链（402）、锚链管道（403）和锚机（404），所述锚泊系统一共有四组，分位于单浮体装置的四端，所述锚链管道（403）固定连接于双竖直管道四端侧壁上，所述锚链（402）固定设置于锚链管道（403）内部并且一端延伸至外侧，所述锚（401）固定连接于锚链（402）一端，所述锚机（404）固定设置于舱盖（203）顶部四侧并且设置于锚链管
道（403）上面。

技术总结
本发明公开了一种带有双竖直管道的振荡单浮体的发电装置，包括振荡单浮体气动式波浪能发电装置和俘获潮流能并将其转换为电能的装置。由双竖直管道和浮力舱组成的振荡单浮体在入射波的作用下，俘获波浪能转换为浮体摇荡运动的机械能，迫使双管内的水柱产生振荡运动形成振荡水柱，通过进、排气管道内的往复空气流驱动透平发电机组发电。由叶片和发电机组成的水平轴潮流能发电装置在双管之间，叶片俘获潮流能并将其转换为叶轮旋转的机械能，通过连接的变速器和发电机将机械能转换成电能。在装置的顶部甲板上可安装太阳能光伏板和风力机等辅助发电装置，形成一个海上多能互补的能源综合利用平台。本发明采用振荡单浮体结构，可靠性好，利用双管形成不同的振荡水柱以适应不同周期的波况，在双管底部安装的潮流能发电装置，适应性强，采用模块化便于商业化生产和应用。用。用。


技术研发人员：李猛 杨泽华 伍儒康 李果
受保护的技术使用者：南京工程学院
技术研发日：2022.03.29
技术公布日：2023/5/13