一种U型自航式波力发电装置的制作方法

本发明涉及波浪能转换技术领域，具体为一种u型自航式波力发电装置。

背景技术：

波浪能蕴藏丰富，开发利用潜力巨大。然而由于波浪能密度低、海洋环境的恶劣、漂浮装置不可自然接近、海水的腐蚀、海生物附着等因素，开发利用海洋波浪能成本昂贵。这些成本主要表现在装置的材料成本、建造成本、转换机构成本、投放、运输和回收成本、锚泊成本、维护成本、环境成本等。

目前波浪能利用技术种类繁多，然而因漂浮式波浪能利用技术适应面广而成为世界研究的主流，绝大部分漂浮式技术可分为3类，振荡水柱技术、越浪技术、振荡浮子技术，如图1所示。漂浮振荡浮子技术是利用波浪能量推动一个浮体相对另一个浮体(支撑平台)平动或转动转换能量，基于该技术发展的装置必须是双(多)浮体而且必须潜入或半潜入海水中，这一特点意味着材料利用率低(双或多浮体)、浮体间相撞问题不可避免、海生物附着影响大、投放时间长(浮态调节需要时间和设备)，其性价比受技术路线影响提高有限。漂浮越浪技术是利用波浪的爬升作用，把波浪能转换为海水的势能，基于该技术发展的装置特点是单浮体(承载平台)，装置要承担转换载体(海水)的重量，因此其结构规模强劲和庞大，在风、波和流共同作用的海况下，系泊系统设计复杂，投资大，水轮机同海水接触，受海生物附着影响大，发展缓慢。漂浮式振荡水柱技术是利用腔体通过海水相对浮体运动把波浪能转换为气室的气动能量，其特点是单浮体，材料利用率高,不存在相撞问题，透平和发电机位于水面上不受海生物影响，维修方便。漂浮振荡水柱技术最著名的形式是后弯管技术，主要由l型水平管、l型垂直管(两者合称为l型弯管)、气室、浮力舱、空气透平、发电机组成，l型水平管同l型垂直管垂直，气室在l型垂直管内，l型管道截面相等且目前普遍采用四边形形式，浮力舱目前是长方体或前方后圆形形式。后弯管技术一般分为2级转换：初级转换和第2级转换。初级转换是波浪能到气动能量的转换(用俘获宽度比来描述)，第2级转换是气动能量到电能的转换。在宽水池松弛系泊规则波条件下，俘获宽度比测量值最高达到了204.5％(梁贤光，孙培，在随机波条件下，俘获宽度比测量值最高达到了87.2％(wubi-jun,limeng,wuru-kang,zhangyun-qiu,pengwen.experimentalstudyonprimaryefficiencyofanewpentagonalbackwardbentductbuoyandassessmentofprototypes,renewableenergy，2017，113：774-783，第1作者为1发明人)，在所有漂浮技术中俘获宽度比是最高的(wubijun,chentianxiang,jiangjiaqiang,ligang,zhangyunqiu,&yeyin.economicassessmentofwavepowerboatbasedontheperformanceof“mightywhale”andbbdb,renewableandsustainableenergyreviews，2018,81:946-953，第1作者为第1发明人)。后弯管装置吃水浅便于拖运投放，不需要浮态调节而现场施工变得简单。

空气透平是振荡水柱波力装置一非常关键设备，在非稳态气流下空气透平高效转换对于提高整个装置的转换效率影响大，目前用于振荡水柱技术的空气透平有wells透平、冲动式透平及其变种等。日本学者实海况试验表明，同一波力装置，采用wells空气透平，从波浪能量到电的转换效率不到5％，转换效率很低，而采用冲动式透平，使装置的转换效率在整个输入波功率范围至少提高了1倍，在低海况和中等海况条件下，采用wavegen公司研制的空气透平使气动功率到电功率的转换效率几乎达到60％。后弯管技术基于目前的实验基础(随机波条件下俘获宽度比最高达到89.1％)和先进的空气透平技术(实海况条件下气动到电转换效率达到60％)结合，有望实现从波浪能到电能转换效率达到50％的高效转换(87.2％×60％＝52.32％，目前最好的多浮体波浪能技术波浪能到电能的转换效率最高为25％左右)。

l型后弯管技术结构简单、造价低、转换效率高，但浮力舱下面挂l型弯管，增加了吃水深度，在拖航或自航中阻力大，会增加拖航或自航的难度和费用。

漂浮波浪能技术中，系泊系统是其重要的组成部分。目前系泊系统强度设计要保证在恶劣海况下生存，因此锚泊方案复杂，价格昂贵。锚泊布放需要运输船和吊船，海洋工程费用高。

技术实现要素：

本发明的目的是克服l型后弯管技术的缺点，提供一种稳定可靠、成本低且适应性强的u型自航式波力发电装置。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种u型自航式波力发电装置，包括船体、波浪能量收集转换机构、推进机构；所述的船体包括船舱、驾驶舱、设备室、甲板和尾板，所述的甲板设置在船舱上部，所述的驾驶舱设置在甲板上，所述的设备室设置在船舱内部，所述的尾板设置在船舱的尾部；所述的波浪能量收集转换机构包括前垂直管、前空气透平发电机组、后空气透平发电机组、后垂直管、水平管；所述的前垂直管的水平截面为三角形，所述的后垂直管的水平截面为四边形，所述的水平管的垂直截面为五边形，所述的前垂直管、水平管、后垂直管依次连通形成u形通道；所述的前空气透平发电机组设置在前垂直管的上端并与其连通，所述的后空气透平发电机组设置在后垂直管的上端并与其连通；通过向u形通道注水在前垂直管形成前水柱，在后垂直管形成后水柱；所述的推进机构设置在波浪能量收集转换机构底部用于提供行进动力。

作为上述方案的改进，在所述的甲板设有至少一套锚泊系统，所述的锚泊系统包括依次连接的锚桩、锚链和锚，所述的锚桩固定安装在甲板上。

作为上述方案的改进，所述的推进机构包括推进器、方向舵，通过电力驱动。

作为上述方案的改进，所述的设备室内设有电动机、蓄能系统和抽排水系统，所述的电动机为抽排水系统提供电能驱动，所述的抽排水系统用于对波浪能量收集转换机构的u形通道进行水量控制；所述的蓄能系统用于存储前空气透平发电机组和后空气透平发电机组转换的电能。

本发明具有以下有益效果：本发明基于波浪能转换为浮体运动的机械能、浮体运动的机械能通过水柱在管道内运动把机械能转换为气动能量、然后气动能量通过空气透平发电机组转换为电能的观点，在流行的截面为四边形l型弯管、前方后半圆或长方体浮力舱后弯管技术的基础上从减少摇荡运动阻力从而增加装置摇荡运动的机械能、减少吃水深度从而减少航行阻力提高适航性的目的出发，把原后弯管装置中l型弯管改成了u型管，u型管的水平段截面为五边形，u型管道内的流体同装置外的海水完全隔离，u型管道两端可设置两个不同形状的管道，从而形成两个不同形状的气室，装配两个空气透平发电机组。u型水平管截面为五边形，使新装置变成了尖形底部装置，这样装置在摇荡运动中会减少水运动阻力，从而增加装置的机械能，为装置高效转换提供了条件；u型管内的流体自成一个体系，不同外部海水相连，可通过抽排水方式改变装置自身总质量，从而改变装置吃水深度，提高适航性，同时装置总质量的改变，可以改变装置对波浪的响应频率，为提高装置的转换效率创造条件；u型管两端形状不一样，一端可为长方体，另一端可为近三角棱形，可通过形状优化提高装置的适航性。在装置底部加装电力驱动机构，包括方向舵和推进器，使装置具有自航动力，为移动和自航进港避台风创造了条件，还可充分利用由波浪转换的电力作为推进动力；在近五边形装置的甲板上加装起锚机，利用起锚机对锚进行收和放，便于装置的布放和回收。本发明改进了管道结构，降低了装置吃水深度，装载动力设备和起锚系统，解决了装置运输、移动高成本问题，同时降低了装置和锚泊系统的建造成本。自航功能的实施，使得装置本体和锚泊系统的强度只要满足船舶设计标准就行了，降低了装置材料成本、建造成本，降低了锚泊系统抗恶劣环境的设计难度、材料和海洋工程成本，提高了装置的安全性。该发明为实现波浪能低成本、广海域、高效利用波浪能打下了基础。

附图说明

图1为漂浮式波浪能利用技术类型图。

图2为本发明的发电装置的正面结构示意图。

图3为本发明的发电装置的俯面结构示意图。

图4为本发明的发电装置的后侧面结构示意图。

附图标记说明：101-锚桩；102-锚链；103-锚头；301-船舱；302-驾驶舱；303-设备室；304-甲板，305-尾板；401-前水柱；402-前近三角形垂直管；403-前空气透平发电机组；404-后空气透平发电机组；405-后四边形垂直管；406-后水柱；407-五边形水平管；201-螺旋浆；202-方向舵。

具体实施方式

实施例

如图2至图4所示，一种u型自航式波力发电装置由船体、波浪能量收集转换机构及推进机构组成，船体由船舱301、驾驶舱302、设备室303、甲板304和尾板305组成，所述的甲板304设置在船舱301上部，所述的驾驶舱302设置在甲板304上，所述的设备室303设置在船舱301内部，所述的尾板305设置在船舱301的尾部；尾板305呈五边形，船的锚泊系统由锚桩101、锚链102和锚103组成，共有3套，设备室104内有电动机、蓄能系统和抽排水系统等；波浪能量收集转换机构由前水柱401、前三角形垂直管402、前空气透平发电机组403、后空气透平发电机组404、后四边形垂直管405、后水柱406和五边形水平管407组成，前三角形垂直管402、五边形水平管407和后四边形垂直管405共同形成一个相通的u型管，水平管407垂直截面呈五变形，前近三角形垂直管402的水平截面呈近三角形，后四边形气室的水平截面呈长方形；推进机构由推进器201和方向舵202组成，由电力驱动，安装在u型管的后底部。当采集波浪能量时，3个锚头103呈辐射状布放，使尾板305面对入射波浪方向，通过抽排水系统注入适当海水到u型管道内，在前近三角形垂直管402内形成前水柱401，在后四边形垂直管405内形成水柱405，当波浪作用在装置时，会引起前水柱401和后水柱405在管道内运动，前水柱401推动水柱上面的空气运动，进而推动空气透平发电机组403发电，后水柱405推动水柱上面的空气运动，进而推动空气透平发电机组404发电；当装置需要移动时，3个锚103收起，抽排水系统抽出u型管道内的部分海水，使装置吃水变浅，降低航行阻力，有利于装置在航行过程中降低能耗。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。