一种窄缝聚波式高效波浪能吸收装置的制作方法

本发明属于海洋能源利用与可再生能源发电技术领域，尤其涉及一种窄缝聚波式高效波浪能吸收装置。

背景技术：

波浪能是一种极具前途的清洁可再生能源，具有能量品质好、储藏量大、分布广泛的优点，它的开发利用对于推进可持续发展、海洋资源开发等具有重要意义，在中国，对波浪能的开发利用已经列入了国家能源发展战略，具有广阔的发展前景。

现有的离岸式波浪能利用技术可以分为点吸收式和线吸收式两类，点吸收式波浪能转换装置主要是通过浮体在波浪中的垂荡运动产生的位移或相对位移变化，通过pto（powertake-off，能量提取）阻尼将浮体运动的机械能转换为液压能或电磁能，再经过蓄能器等能量储存、传输单元，最终驱动发电机进行发电，或者通过其他设备制造淡水或制冰等。该类装置主要包括振荡浮子式、振荡水柱式等具体类型。线吸收式波浪能转换装置则能够吸收沿着波浪传播线一定距离的波浪能，如著名的英国“pelamis”式装置即属于该类型。该装置由多组铰接筏体组成，筏体在波浪的激励下运动，相邻筏体之间的（角）位移变化，筏体运动的机械能通过安装于相邻筏体之间的pto阻尼机构进行提取。除此之外，合理利用沿岸地形，将波浪的动能转换为势能，进而利用海水头压差发电的越浪式装置也是一个重要类型。

上述的波浪能转换装置具有很好的能量转化效果，但一般在波高较大时，才能获得较好的波浪能转换效果；与欧洲、北美等海域波况相比（波高为2.0m-6.0m），中国近海大部分海域波高偏小（0.5m-3.0m），波浪能能流密度较低，致使现有的波浪能转换装置难以高效率的直接利用，综合利用成本较高，甚至造成部分分散的、低品位波浪能资源被浪费。

根据窄缝内流体的水动力相应理论，当波浪入射频率与浮体间窄缝内限制水体的固有频率接近时，窄缝内的水体会产生水动力共振。这种共振现象会使得窄缝内的波高达到入射波高的数倍。采用该方法，能够有效的将波高较小的低能流密度的波浪聚集起来，从而解决波浪波高过小的问题，更节约、充分、高效的利用波浪能。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供了一种窄缝聚波式高效波浪能吸收装置，该系统结构简单、可提升对波浪能的利用效率，用以解决现有波浪能转换装置难以高效利用波高较小的低品位波浪能资源的问题。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种窄缝聚波式高效波浪能吸收装置，用于波高较小的分散的、低品位波浪能的高效吸收利用，该系统为一独立的海上发电单元，主要结构包括竖直壁面、聚波浮体、振荡浮子、拉绳、滑轮、定位杆、支撑结构、锚系及发电设备等。

根据入射波浪的状况，调节组成收缩波道的竖直壁面的角度，使入射波浪通过收缩波道后波高增大，波浪能聚集。波高增大后的波浪进入聚波浮体，与窄缝内水体产生水动力相互作用，窄缝内水体波高增加，波浪能进一步聚集，特别是当窄缝内水体的固有振荡频率与进入浮体的波浪频率接近时，窄缝内水体产生共振，波高大幅度增大，波浪能得到最大程度的聚集。振荡浮子在窄缝内波浪的激励下做周期性的垂荡运动，将波浪能转换为振荡浮子垂荡运动的机械能。与振荡浮子连接的拉绳通过水上水下两组滑轮拖动发电设备的卷轮旋转，驱动与卷轮同轴的永磁体磁极绕定子线圈旋转实现发电。其中，分别与振荡浮子上部和下部连接为一体的定位杆穿过支撑结构上的定位孔，以确保振荡浮子时刻相对于窄缝做垂荡运动。

所述两组对称设置的竖直壁面组成一收缩波道，收缩端与聚波浮体通过铰链连接，竖直壁面与波浪传播方向的夹角在30°至60°范围内改变。

所述聚波浮体为具有一定质量和体积漂浮于波面一定深度的整体式结构，与位于中间位置的窄缝组成窄缝共振系统，并为整个系统提供支撑。

所述振荡浮子的长、宽尺寸略小于窄缝的对应尺寸，振荡浮体的厚度及吃水均与聚波浮体一致。

所述四组定位杆的一端与振荡浮子连接为一整体，定位杆的另一端穿过设置在所述支撑结构上的所述定位孔，并在定位孔内自由滑动。

所述四组回复弹簧分别套在所述四组定位杆上，回复弹簧的两端分别固定于定位孔和定位杆上。

所述拉绳具有一定的弹性，且弹性系数较大，拉绳处于绷紧状态，可以有效的拖动发电设备的卷轮旋转。

所述发电设备安装于聚波浮体上，并具备必要的绝缘、防水性能。

本发明的系统还包括四组锚系，该四组锚系的锚索分别将聚波浮体的四个端角与海底相连，用于固定整个系统在指定海面位置上，并显著的降低聚波浮体在波浪激励下的运动幅值。

本发明提出了一种窄缝聚波式高效波浪能吸收装置，该系统基于浮体间窄缝流体共振的原理，通过收缩波道聚波，窄缝流体共振的途径将波高较小、利用价值不大的低品位波浪能高效吸收利用。与现有技术相比，本发明具有原理新颖、结构简单、建造陈本低、适应范围广的优势，尤其适用于中国沿海的广大海域。

本发明的有益效果：本发明提升波浪能转换的经济性和高效性，实现资源利用价值较低的低品位可再生能源的充分、经济、高效利用。

附图说明

图1，图2是本发明的结构示意图，图3是发电设备的结构示意图。

图中，1、2：竖直壁面，3、4：聚波浮体，5：窄缝，6：振荡浮子，7、8：支撑结构，9、10：定位杆，11、12：定位孔，13、14：回复弹簧，15、16：滑轮，17：拉绳，18：发电设备，19、20：铰链，21、22、23、24：锚系，25：入射波浪，18-1：定子线圈，18-2：永磁体磁极，18-3：卷轮，18-4：导绳器。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1，图2所示，一种窄缝聚波式高效波浪能吸收装置，主要结构包括竖直壁面1、2，聚波浮体3、4，窄缝5，振荡浮子6，支撑结构7、8，定位杆9、10，定位孔11、12，回复弹簧13、14，滑轮15、16，拉绳17，发电设备18，铰链19、20和锚系21、22、23、24等。

在系统的具体工作过程中包括二级聚波和二级能量转换。首先，入射波浪18进入对称设置的竖直壁面1、2组成的收缩波道的入口，随着波道的收缩，波浪聚集，波浪波高增大，波浪能密度提升，即第一级聚波。随后，经第一级聚波后的波浪依次穿过聚波浮体前部3和聚波浮体后部4，与窄缝5内的水体产生水动力相互作用，窄缝5内的波浪波高大幅增加，波浪能密度得到进一步提升，即第二级聚波。振荡浮子6在窄缝5水体的波浪激励下，做周期性的垂荡运动，将波浪能转换为振荡浮子6垂荡运动的机械能，即第一级能量转换。其中，与振荡浮子6上部和下部连接为一体的定位杆11、12分别穿过支撑结构7、8上的定位孔11、12，以确保振荡浮子6时刻相对于聚波浮体3、4在窄缝5内做垂荡运动。与振荡浮子6连接的拉绳17通过水上水下两组滑轮15、16拖动发电设备18的卷轮18-3旋转，与卷轮18-3同轴的永磁体磁极18-2相对于定子线圈18-1旋转，切割磁力线发电，最终将振荡浮子6垂荡运动的机械能转换为电能，即第二级能量转换。

本实施例中所述两组竖直壁面1、2对称设置，组成一收缩波道结构，波道的波浪入口宽度大于出口宽度，波浪出口宽度与聚波浮体前部3的波峰线宽度一致。竖直壁面1、2分别通过铰链19、20与聚波浮体前部2的两个端角连接，使竖直壁面1、2与波浪传播方向的夹角可以在30°至60°范围内改变，以获得更佳的波浪能密度。

将本实施例中所述两组竖直壁面1、2组成的收缩波道结构在不同条件下进行具体的聚波效果检测发现，当竖直壁面1、2与入射波浪25传播方向的夹角为60°时，波浪反射所造成的波能损失最少，波浪集聚效果最好；具体的，假设此时波浪的波高为h，并假设收缩波道的波浪入口宽度为5.0b，出口宽度为b，经过波浪聚集后，可在出口处得到的波浪波高约为2.1h，则此时波浪能密度提升到原来的4.4倍；同时根据多次的实际检测效果得到，在夹角为30°至60°范围内时，收缩波道波浪入口宽度越大，波浪能聚集效果越显著。

所述聚波浮体3、4具有一定的体积和质量，漂浮于波面的一定深度，分为相同的聚波浮体前部3和聚波浮体后部4两部分，在聚波浮体3、4中间位置有一沿波浪传播方向狭窄的长方体窄缝5。

本实施例中，通过数值仿真发现，所述聚波浮体3、4的浸没深度d介于波高h的1/2和波长λ的1/8，且波浪圆频率ω越小，应设置的浸没深度d应相应增大，以确保入射波浪25能够对窄缝5内的水体产生较强烈的水动力影响。

进一步的，根据数值仿真结论显示，在中国沿海海域主要波浪圆频率范围内（1.05rsd/s≤ω≤3.14rad/s），所述窄缝5垂直于波峰线的宽度s与所述聚波浮体3、4垂直于波峰线的总宽度l之比s/l，与达到共振时波浪圆频率ω的关系近似符合如下线性关系：s/l=-0.016ω+0.087，即s/l满足：0.037≤s/l≤0.070，可确保窄缝5内水体能够在中国沿海海域的波况下达到共振。

所述振荡浮子6为一长方体浮体，其长、宽尺寸略小于所述窄缝5的对应尺寸，厚度及吃水均与聚波浮体3、4一致。

所述拉绳17的两端分别与振荡浮子6的上下表面的中心连接，并依次穿过连接于所述支撑结构7、8上的滑轮15、16，拉绳17具有一定的弹性自紧性，且弹性系数较大，拉绳17时刻处于绷紧状态，可以有效的拖动发电设备18的卷轮18-3旋转。

所述定位杆9、10共四组，两组定位杆9、10的一端各与振荡浮子6的上下表面连接，组成一整体结构，定位杆9、10的另一端分别穿过所述支撑结构7、8上的定位孔11、12。定位杆9、10能够在定位孔11、12内自由滑动，以确保振荡浮子6仅在窄缝5内做单自由度垂荡运动。

所述支撑结构7、8共两组，分别固定安装在聚波浮体后部4的上下表面，支撑结构7、8的波峰线宽度很窄，以减小对入射波浪25的传播产生的影响。

所述回复弹簧13、14共四组，并套在对应的定位杆9、10上，回复弹簧13、14的两端分别固定于定位孔11、12和定位杆9、10上。回复弹簧13、14为振荡浮子6的垂荡运动提供部分回复力。进一步的，在静水条件下，回复弹簧13、14为自然伸长状态。

所述发电设备18安装于聚波浮体前部3上，并具备必要的绝缘、防水性能。

所述发电设备18的主要结构包括定子线圈18-1，永磁体磁极18-2，卷轮18-3和导绳器18-4等，各为两组。永磁体磁极18-2与卷轮18-3同轴，导绳器18-4用于将拉绳17整齐排列在卷轮18-3上。在具体的工作中，与振荡浮子6连接的拉绳17通过滑轮15、16拖动卷轮18-3旋转，从而驱动永磁体磁极18-2绕定子线圈18-1旋转实现发电。

在本发明实施例中包括四组锚系21、22、23和24，所述四组锚系21、22、23和24的锚索分别将聚波浮体3、4的端角与海底相连，用于固定整个系统在指定海面位置上，并显著的降低聚波浮体3、4在波浪激励下的振荡幅值。

在具体实施例中，本发明采用的竖直壁面1、2，聚波浮体3、4，振荡浮子6、支撑结构7、8、拉绳17和发电设备18等主要结构的尺寸、质量、材料、工作参数等均可以根据使用海域的波浪状况进行调整，由于整个装置是漂浮式结构，因此对工作水域的水深有较好的适应性。

与现有技术相比，本发明具有原理新颖、结构简单、建造陈本低、适应范围广的显著优势，可以充分利用分散的、低能流密度的波浪能，提升波浪能转换的经济性和高效性，实现资源利用价值较低的低品位可再生能源的充分、经济、高效利用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。