专利名称：波浪能转换装置和波浪能转换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及能量转换装置，更具体地说，涉及一种波浪能转换装置和波浪能转换系统。
背景技术：
地球上有将近70%的面积是水域，其中在海洋和大型湖泊中存在浪高很大的波浪，这些波浪蕴涵着巨大的能量。在能源短缺的今天，如何有效地利用这些取之不尽的可再生清洁能源，已经成为大家所关注的焦点，并且也已经提供了各种转换波浪能的解决方案。申请号为200810068359.7、授权公告号为CN101624960B的中国专利“波浪能转换系统”便公开了一种有效将波浪能转换成势能以进行发电或将水输送至高地的波浪能转换系统。如图1所示，该系统在水中悬浮一个面积较大、跨越多个波浪周期的框架30，然后在框架30上设置多组波浪能转换装置来吸收浮体的上下、前后移动的动能产生水流势能。其中，每一组波浪能转换装置设有浮于水上的浮体10，浮体10下方的竖直方向上设有安装在框架30上第一活塞泵20，第一活塞泵20的活塞24通过第一活塞杆22与浮体10的底部连接以随浮体的上下移动而往复运动。并且，浮体10的两侧水平方向上分别设有第二活塞泵40和第三活塞泵60以随浮体10的前后移动而往复运动，其中，第二活塞泵40和第三活塞泵60分别安装在从框架30向上伸出的支架32上且彼此相对设置，第二活塞泵40的活塞44通过第二活塞杆42与浮体10的背向波浪一侧连接，第三活塞泵60的活塞64通过第三活塞杆62与浮体10的面向波浪一侧连接。每一组波浪能转换装置中的活塞泵的出水口与主水管80相连以汇集水流。由于在波浪前进方向上多个波浪周期内的浮体驱动活塞往复运动所产生的对框架的作用力可以基本上相互对冲，致使该框架保持在近似静止的状态，可以用作各活塞泵的固定承台，图1所示的这种波浪能转换系统便直接悬浮在水中。由于海浪的波长较长，该框架的面积很大，要求强度就很强，造价较高，同时，当遇到强台风等恶劣天气时，这种直接悬浮在水中的波浪能转换系统受到大风大浪的冲击非常容易被掀翻或破坏，或者被吹到其它位置。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有的上述波浪能转换系统建造成本高及应急避台性能差的缺陷，提供一种由多个波浪能转换装置相互之间相对独立、结构非常简单、造价低廉且应急避台操作性强、不易受到风浪破坏的波浪能转换装置和波浪能转换系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提出一种波浪能转换装置，包括浮于水面的第一驱动浮体、置于水中所述第一驱动浮体下方的活塞泵、以及沉于水底的重物，其中:所述活塞泵的顶端设置第二浮体，所述活塞泵的底端通过绳系于水底重物上；所述活塞泵的活塞上端通过第一牵引绳与第一驱动浮体的底部连接，下端通过第二牵引绳连接一配重，以使所述活塞随第一驱动浮体的上移而上移并在第一驱动浮体下移时受所述配重拉动而下移，从而实现往复运动以排出高压水流。—个实施例中，所述活塞泵被活塞分隔成上工作室和下工作室，上工作室上端设有进水单向阀和出水单向阀，下工作室的底部形成开放端。一个实施例中，所述第一牵引绳经活塞泵的上工作室并从第二浮体上方穿出，以与第一驱动浮体的底部连接；所述第二牵引绳经活塞泵的下工作室从下工作室的开放端引出以与所述配重连接。一个实施例中，所述第一牵引绳与第二浮体之间滑动密封。一个实施例中，所述配重为第三复位浮体，所述第二牵引绳经由固定于水底重物上的第一滑轮和第二滑轮与所述第三复位浮体连接。一个实施例中，所述配重为直接悬挂于所述第二牵引绳末端的一重物。一个实施例中，所述第一驱动浮体包括桶形体以及设于桶形体上端的浮体、设于桶形体下端的重物，其中:所述桶形体的内部被分隔成上部的气室和下部的水室，并在中部设置连通气室和水室的排水孔；所述浮体上设有连通气室的自闭性排气孔；所述重物的中部形成有连通水室与外界水体的通孔。一个实施例中，所述浮体的上部还设有挂钩，其上悬挂一浮子。一个实施例中,所述水室的上部靠近气室处设有排气孔。本发明还提出一种波浪能转换系统，包括多组前述的波浪能转换装置、以及将每组波浪能转换装置的活塞泵排出的高压水流汇集的主水管。本发明的波浪能转换装置和波浪能转换系统中，活塞泵通过顶端设置的浮体和底端系绳于水底重物上来保持固定在水中，从而能够经受一定的风浪冲击，应急避台性能比较好。此外，通过采用本发明特殊设计的驱动浮体，在有台风时将驱动浮体沉入水中，使得整个系统都置于水中从而免受台风破坏，台风过后，通过充气便可将该驱动浮体恢复工作，因而进一步加强了本发明波浪能转换装置和系统的应急避台性能，而且结构非常简单、造价低廉，操作也非常简便。
图1是现有技术中的一种波浪能转换系统的结构示意图；图2是根据本发明第一实施例的波浪能转换装置的结构示意图；图3是根据本发明第二实施例的波浪能转换装置的结构示意图；图4是根据本发明实施例的波浪能转换装置所采用的驱动浮体的结构示意图；图5是图3所示的波浪能转换装置在躲避台风时的示意图。
具体实施例方式下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明:图2示出了根据本发明第一实施例的波浪能转换装置的结构。如图2所示，该波浪能转换装置主要由浮于水面的第一驱动浮体100、置于水中的活塞泵300和沉于水底以用于固定活塞泵300的重物400构成。活塞泵300为单活塞双向作用的往复式活塞泵，竖直设置在第一驱动浮体100下方的水体中。活塞泵300的泵体301被活塞302分隔成上、下两个工作室。上工作室303为密闭空间，并在其上端设有进水单向阀305和出水单向阀306。下工作室304的底部形成开放端，与外界水体连通。进一步如图2所示，活塞泵300的底端通过绳603系于水底的重物400上，活塞泵300的顶端设有第二浮体200，该第二浮体200所产生的浮力和绳603的拉力相配合，确保活塞泵300基本静止地处于水体中并始终竖直设置。活塞302的上端通过第一牵引绳601与第一驱动浮体100的底部连接，活塞302的下端通过第二牵引绳602经由固定于水底重物400上的第一滑轮401和第二滑轮402与第三复位浮体500连接。具体实现时，第一牵引绳601可经活塞泵300的上工作室303并从第二浮体200上方穿出，以与第一驱动浮体100的底部连接，第一牵引绳601与第二浮体200之间实现滑动密封；第二牵引绳602经活塞泵300的下工作室304从下工作室304的开放端引出，以与第三复位浮体500连接。当第一驱动浮体100随波浪向上移动时，第一驱动浮体100经第一牵引绳601拉动活塞302同时向上移动。此时，上工作室303内的进水单向阀305被关闭，出水单向阀306被打开，上工作室303内的水被活塞302通过出水单向阀306压入主水管700内，形成具有一定势能的高压水流。同时，活塞302的上移经第二牵引绳603拉动第三复位浮体500向下移动。当第一驱动浮体100随波浪向下移动时，由于第一牵引绳601是软的，不再对活塞302产生作用力。此时，由于第三复位浮体500的自身浮力，第三复位浮体500向上移动，经第二牵引绳602拉动活塞302向下移动，返回至初始位置。此处需要注意的是，第二浮体200的浮力减去整个活塞泵300的重量，必须大于第三复位浮体500的浮力，才能确保活塞泵300基本处于静止状态，不会被第三复位浮体500所拉动。活塞302下移的同时，上工作室303出现负压，单向出水阀306被关闭，单向进水阀305被打开，活塞泵300外部的水通过单向进水阀305吸入上工作室303内。至此，活塞泵300的一个往复循环完成。由于活塞泵300通过顶端设置的第二浮体200和底端系绳603于水底重物400上来保持固定，因而在实际实施时，需要考虑活塞泵300的有效工作长度(即活塞302的移动行程)必须大于波浪的最大波高加上当地的最大潮差，以避免第一驱动浮体100的起伏超出了活塞泵300的工作行程。图3示出了根据本发明第二实施例的波浪能转换装置的结构。图3所示的波浪能转换装置与图2所示的装置的结构基本相同，亦由浮于水面的第一驱动浮体100、置于水中的活塞泵300和沉于水底以用于固定活塞泵300的重物400构成。活塞泵300的顶端设置第二浮体200，底端通过绳603系于水底重物400上，由第二浮体200所产生的浮力和绳603的拉力相配合，确保活塞泵300基本静止地处于水体中并始终竖直设置。活塞302的上端通过第一牵引绳601与第一驱动浮体100的底部连接。图3所示的第二实施例与图2所示装置相比的不同之处在于，活塞302的下端通过第二牵引绳602直接悬挂一重物800。当第一驱动浮体100随波浪向上移动时，第一驱动浮体100经第一牵引绳601拉动活塞302同时向上移动，此时，上工作室303内的水被活塞302通过出水单向阀306压入主水管700内，同时，活塞302的上移经第二牵引绳603拉动重物800上移。当第一驱动浮体100随波浪向下移动时，由于第一牵引绳601是软的，不再对活塞302产生作用力，此时，重物800在自身重力作用下经第二牵引绳602拉动活塞302下移，返回至初始位置，同时，上工作室303出现负压，活塞泵300外部的水通过单向进水阀305吸入上工作室303内。此处需要注意的是，第二浮体200的浮力减去整个活塞泵300的重量，必须大于重物800的重量，才能确保活塞泵300基本处于静止状态，不会被重物800所拉动。至此，活塞泵300的一个往复循环完成。随着第一驱动浮体100在水面上周期性地起伏，活塞泵300周期性地向主水管700提供具有一定压力的水流。考虑到波浪的周期性起伏，本发明提出的波浪能转换系统设置多组上述的波浪能转换装置，并通过主水管700将每一组波浪能转换装置的活塞泵压出的高压水流汇集，由于各波浪能转换装置在海浪周期的不同位置，各活塞泵压出的水流便能互补，从而实现持续平稳地向主水管700供应高压水流，以便后续利用。而且，整个系统并联的波浪能转换装置数量越多，设置的位置越均匀，所提供的水流便越平稳。主水管700将多组波浪能转换装置的各活塞泵压出的水流汇集后，可以提供给发电机进行发电，该发电机可设置在水上船舶或类似的浮体上(当台风来袭，该船舶或类似的浮体可以拖到港湾避风)，然后再通过线缆将电能传回陆地。或者，主水管700将汇集的高压水流输送回陆地的高位水库，再在陆地进行发电，或作其它用途。为了进一步加强本发明的波浪能转换装置的应急避台风性能，本发明设计出一种特殊结构的驱动浮体。图4是根据本发明一个优选实施例的波浪能转换装置所采用的第一驱动浮体100的具体结构示意图。如图4所示,第一驱动浮体100由桶形体120以及设于桶形体120上端的浮体110、设于桶形体120下端的重物130构成。桶形体120的内部被分隔件121分隔成上部的气室122和下部的水室123，并在中部设置连通气室122和水室123的排水孔124。浮体110上设有连通气室122的自闭性排气孔111，该自闭性排气孔111即类似于篮球上的打气孔，当插入打气针时，气体可经该自闭性排气孔111打入或排出，拔出打气针后，该自闭性排气孔111自动密闭。重物130的中部形成有连通水室123与外界水体的通孔131，以便外界水体进出水室123。水室123的上部靠近气室122处设有排气孔125。此外，浮体110的上部还设有挂钩112，用于通过绳113悬挂浮子114，其作用在后续介绍第一驱动浮体100的工作原理时给出。结合图4所示，当第一驱动浮体100处于工作状态(即浮于水面)时，气室122内充满气体例如空气，水室123中充满水，浮体110和气室122所产生的浮力大于重物130的重力，使得第一驱动浮体100漂浮在水面上随波浪起伏，同时，重物130的重力确保了第一驱动浮体100不会翻转。当台风来时，为避免风浪破坏波浪能转换装置，本发明所采用的第一驱动浮体100可沉入水中躲避风浪。具体操作是，将打气针插入浮体110上的自闭性排气孔111中，在水压的作用下，气体将自动从气室122排出，此时，水自动经排水孔124进入气室122中，使得气室122中也充满水。重物130的重力大于浮体110的浮力，便将整个第一驱动浮体100沉入水中，仅留下浮子114漂浮在水面，如图5所示。台风过后，通过漂浮在水面的浮子114找到第一驱动浮体100，将其拉出水面，用打气针经浮体Iio上的自闭性排气孔111将气体打入气室122内，迫使气室122内的水从排水孔124排出，直至气室122充满气体。然后拔出打气针，自闭性排气孔111自动闭合。这时，浮体110和气室122所产生的浮力大于重物130的重力，使得第一驱动浮体100再次漂浮在水面上随波浪起伏。由于第一驱动浮体100自身重量较大，当气室122内充满水沉入水中后再将第一浮动浮体100拉出水面时需要较大的力，因而本发明设计第一驱动浮体100的浮力并不全部由气室122提供，而是由浮体110和充满气的气室122相结合来提供，从而可以通过浮体110来减轻将第一浮动浮体100拉出水面所需的作用力。当给气室122打气时，多余的气体会从排水孔124进入水室123，而且水体中的沼气等气体也会从通孔131进入水室123，因而在水室123的上部靠近气室122处设置排气孔125，其作用是将进入水室123的气体排出。图4所示的第一驱动浮体100的气室122的某一点漏气后，整个第一驱动浮体100便会沉到海中不能正常工作了。考虑到此点，在根据本发明的另一实施例中，第一驱动浮体的气室可以一分为二(起到隔离的作用)，并为每个气室分别设置前述的自闭性排气孔和排水孔。同时，气室的大小设置为:当一个气室充满水，另一个气室充满气体时，第一驱动浮体100还能勉强浮在水面上，但明显比正常工作状态往下沉；当两个气室充满水时，第一驱动浮体100沉到水中。该设计就避免气室的某一点漏气后，就马上沉到水中。这时就要及时对漏气点进行修补。当然，两个气室同时出现漏气的情况的概率是很小的。本发明以上所介绍的波浪能转换装置和波浪能转换系统具有如下优点:(I)结构非常简单，而且互相独立，造价低廉，不需要特别精密的设备。由于海水的腐蚀性，越是精密的设备，越是不现实。(2)所有的连接都采用了软连接，大大减少了工程量。(3)没有任何水下工程，重物400可以现在陆地上制成，与活塞泵300连接好之后直接吊入水底。(4)能量的传递通过介质流，没有任何的机械传递。机械传递离不开润滑油，这在水中是一个很大的难题，同时还要考虑到环保。(5)应急避台性能很强，躲避台风的操作非常简单，且易于在台风后恢复工作。以上结合各种实施例介绍了本发明的波浪能转换装置和波浪能转换系统，显然，本发明的范围并不受以上具体实施例的限制。根据以上对本发明的介绍，本领域的普通技术人员能够对本发明的各实施例做出各种变更和替换而不脱离本发明的范围和精神实质。
权利要求
1.一种波浪能转换装置，其特征在于，包括浮于水面的第一驱动浮体(100)、置于水中所述第一驱动浮体(100)下方的活塞泵(300)、以及沉于水底的重物(400)，其中: 所述活塞泵(300)的顶端设置第二浮体(200)，所述活塞泵(300)的底端通过绳(603)系于水底重物(400)上； 所述活塞泵(300)的活塞(302)上端通过第一牵引绳￠01)与第一驱动浮体(100)的底部连接，下端通过第二牵引绳(602)连接一配重，以使所述活塞(302)随第一驱动浮体(100)的上移而上移并在第一驱动浮体(100)下移时受所述配重拉动而下移，从而实现往复运动以排出高压水流。
2.根据权利要求1所述的波浪能转换装置，其特征在于，所述活塞泵(300)被活塞(302)分隔成上工作室(303)和下工作室(304)，上工作室(303)上端设有进水单向阀(305)和出水单向阀(306)，下工作室(304)的底部形成开放端。
3.根据权利要求2所述的波浪能转换装置，其特征在于，所述第一牵引绳(601)经活塞泵(300)的上工作室(303)并从第二浮体(200)上方穿出，以与第一驱动浮体(100)的底部连接；所述第二牵引绳(602)经活塞泵(300)的下工作室(304)从下工作室(304)的开放端引出以与所述配重连接。
4.根据权利要求3所述的波浪能转换装置，其特征在于，所述第一牵引绳(601)与第二浮体(200)之间滑动密封。
5.根据权利要求1所述的波浪能转换装置，其特征在于，所述配重为第三复位浮体(500)，所述第二牵引绳(602)经由固定于水底重物(400)上的第一滑轮(401)和第二滑轮(402)与所述第三复位浮体(500)连接。
6.根据权利要求1所述的波浪能转换装置，其特征在于，所述配重为直接悬挂于所述第二牵引绳(602)末端的一重物(800)。
7.根据权利要求1所述的波浪能转换装置，其特征在于，所述第一驱动浮体(100)包括桶形体(120)以及设于桶形体(120)上端的浮体(110)、设于桶形体(120)下端的重物(130)，其中: 所述桶形体(120)的内部被分隔成上部的气室(122)和下部的水室(123)，并在中部设置连通气室(122)和水室(123)的排水孔(124)； 所述浮体(110)上设有连通气室(122)的自闭性排气孔(111)； 所述重物(130)的中部形成有连通水室(123)与外界水体的通孔(131)。
8.根据权利要求7所述的波浪能转换装置，其特征在于，所述浮体(110)的上部还设有挂钩(112)，其上悬挂一浮子(114)。
9.根据权利要求7所述的波浪能转换装置，其特征在于，所述水室(123)的上部靠近气室(122)处设有排气孔(125)。
10.一种波浪能转换系统，其特征在于，包括多组根据前述权利要求1-9中任一项所述的波浪能转换装置、以及将每组波浪能转换装置的活塞泵排出的高压水流汇集的主水管(700)。
全文摘要
本发明公开了一种波浪能转换装置，包括浮于水面的第一驱动浮体、置于水中所述第一驱动浮体下方的活塞泵、以及沉于水底的重物，其中所述活塞泵的顶端设置第二浮体，所述活塞泵的底端通过绳系于水底重物上；所述活塞泵的活塞上端通过第一牵引绳与第一驱动浮体的底部连接，下端通过第二牵引绳连接一配重，以使所述活塞随第一驱动浮体的上移而上移并在第一驱动浮体下移时受所述配重拉动而下移，从而实现往复运动以排出高压水流。本发明还公开了一种将多组上述波浪能转换装置并联的波浪能转换系统，具有结构简单、造价低廉且应急避台操作性强、不会受到风浪破坏等优点。
文档编号F03B13/16GK103089530SQ201110339350
公开日2013年5月8日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者徐泽辰 申请人:徐泽辰