本发涉及波浪能量采集储能领域，特别涉及一种波头峰值储能器、储能方法以及水能发电系统。
背景技术：
如今，石油、煤、天然气等不可再生能源均面临着储量枯竭、价格上涨、甚至地球环境的严重污染等。核裂变发电危险性高，核废料污染环境、处理困难，并且原料也越来越少；利用核聚变能发电还不可行。而太阳能和风能是可再生能源，对环境没有污染。但现有的太阳能成本太高，而风力发电机大都处于待、停机状态，风能利用效率极低。
海洋蕴藏大量能量，包括波浪能、潮汐能、海洋温差能、盐梯度能、洋流能等。潮汐能和洋流能能量密度高，但受到时间和地域限制太大，水工建筑成本高；海洋温差能和盐梯度能的品位太低。波浪水质点作起伏震荡和位移运动，产生位能。波浪能是海洋能源中最丰富、最普遍、能量密度比较高的能源之一，占海洋能源的比重较最大。据估算，世界海洋中的波浪能达700亿千瓦，占全部海洋能量的94%。
在挪威、日本、英国、美国、法国、西班牙和中国等已建成的比较成熟的波浪发电装置，主要形式有振荡水拄型、机械型、水流型。振荡水拄型是利用一个容积固定的、与海水相通的容器装置，通过波浪产生的水面位置变化引起容器内的空气容积发生变化，压缩容器内的空气（中间介质），用压缩空气驱动叶轮，带动发电装置发电。波浪浪头到来时，对空气进行压缩过程中，浪头由于受到压缩空气的压力，不容易达到峰值，因此由波浪浪头转化压缩空气的效率低。
机械型是利用波浪的运动推动装置的活动部分压缩油、水等中间介质，通过中间介质推动发电装置发电。水流型是利用收缩水道将波浪引入高位水库形成水位差（水头），驱动水轮发电机组发电。
发明专利（201410657050.7）公开的垂直轴自动转浆型波能采集器以及采集方法，其不足之处在于主轴旋转速度极低，需要特殊设计的发电机，成本高。
以上波浪能采集装置波浪能转换成电能的中间环节多，峰值不容易保持，使得换能效率低。把不稳定的波浪能吸收起来，经济、高效地转化为有用的电能，是当今波浪能开发的难题和方向。因此，有必要开发设计出更简捷高效的波浪发动机。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单、能量转换率高、峰值易保持、能够将不稳定的波能吸收起来，经济高效地转换为有用的电能的波头峰值储能器、储能方法以及水能发电系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的一个技术方案是：提供一种波头峰值储能器，包括竖直位于水中并靠近水面位置处的固定压力管、与该固定压力管间隙配合并且能够在该固定压力管内沿其轴向移动的活动压力管；所述固定压力管包括底壁以及由所述底壁边缘向上延伸形成的第一管壁，在底壁设有能够将波头峰值储能器内的水输出的水输出部件，在底壁的中心向上延伸形成有一中心轴杆；所述活动压力管内设置有能够套设于中心轴杆上且与中心轴杆配合的导向配合部件，在所述活动压力管内靠近顶端端头的位置处还设置有浮力部件，在无波浪时，该浮力部件能够使活动压力管的上端高出水平面；当波浪波峰来时，波头处水面上升，水流入活动压力管内，该活动压力管在浮力部件的带动之下，上升到与波头高度相匹配的位置处；当波头过去后，浮力部件的浮力使活动压力管及其内侧水位保持；当固定压力管底壁的水输出部件被打开，将波头峰值储能器内的高压水输出后，由于外部用水导致波头峰值储能器内水面下降，浮力部件浮力减小，从而使得活动压力管也跟随下降。
进一步的，所述固定压力管的底壁为尖端朝下的锥形底壁，所述中心轴杆由所述锥形底壁的头端位置向上延伸形成。
进一步的，所述中心轴杆的上端面高于所述第一管壁的上端面，并且高于水平面。
进一步的，所述导向配合部件为多个，多个导向配合部件沿活动压力管的轴向间隔分布，每一导向配合部件均包括一横梁以及一直线轴承，所述横梁的两端固定于活动压力管的内壁上，在所述横梁相应于中心轴杆的位置处开设有用于安装直线轴承的环套，所述直线轴承安装于所述环套内以用于与中心轴杆直线运动配合。
进一步的，多个导向配合部件中的其中一个导向配合部件设于所述活动压力管的顶端端头位置处，所述浮力部件设于该位于顶端端头位置处的导向配合部件上。
进一步的，所述活动压力管采用轻质材料制作而成。
进一步的，所述水输出部件包括一出水管、设于出水管上的用于防止波头峰值储能器外的水向波头峰值储能器内流动的单向阀以及一用于控制水输出部件开启与否的阀体。
进一步的，在所述中心轴杆的顶端设置有用于防止活动压力管从中心轴杆上脱落的限位部件。
为解决上述技术问题，本发明所采用的另一个技术方案是：提供一种利用波头峰值储能器储存高压水的方法，包括以下步骤：
波头峰值储能器安装：将波头峰值储能器的固定压力管竖直的固定于水面下，使固定压力管的上端面靠近水面，穿设于固定压力管的中心轴杆上的活动压力管因设置于顶端的浮力部件使得活动压力管的上端外露于水平面；
波浪储水：当波浪波峰来时，波头处水面上升，外界水流入活动压力管内，该活动压力管在浮力部件的带动之下，上升到与波头高度相匹配的位置处；当波头过去后，浮力部件的浮力使活动压力管及其内侧水位保持，进而起到储水功能；当固定压力管底壁的水输出部件被打开，将波头峰值储能器内的高压水输出后，由于外部用水导致波头峰值储能器内水面下降，浮力部件浮力减小，从而使得活动压力管也跟随下降。
为解决上述技术问题，本发明所采用的又一个技术方案是：提供一种水能发电系统，其特征在于：包括多个并联设置的波头峰值储能器以及用于将所述多个并联设置的波头峰值储能器的输出水的水能转换为电能的发电机，其中，所述波头峰值储能器为上述的波头峰值储能器。
本发明波头峰值储能器实现了波浪的峰值保持，使波浪能的高效采集，能为海洋探测传感器提供小规模的少量能源；当多波头峰值储能器通过单向阀进行并联连接，能实现大规模波浪能量采集。本发明的储能方法仅利用水波浪得到高压水，然后可以作用于水能发电机等领域，不浪费其他能源，有效利用波浪能，能量大小可以根据波头峰值储能器的并联数量而决定，该储能方法的效率高，成本低。本发明的水能发电系统，可以根据需求量大小来设置并联的波头峰值储能器的数量，从而满足不同场合、不同电量要求、不同规模的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明波头峰值储能器一实施例的结构示意图。
具体实施方式
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。
请参见图1，图1是本发明波头峰值储能器一实施例的结构示意图。本实施例的波头峰值储能器，包括竖直位于水中并靠近水面位置处的固定压力管1（该水面是指无波浪时的水平面，固定压力管的上端面靠近波浪的平均波谷）、与该固定压力管1间隙配合并且能够在该固定压力管1内沿其轴向移动的活动压力管2；所述固定压力管1包括底壁10以及由所述底壁10边缘向上延伸形成的第一管壁12，在底壁10设有能够将波头峰值储能器内的水输出的水输出部件，在底壁10的中心向上延伸形成有一中心轴杆14；所述活动压力管2内设置有能够套设于中心轴杆14上且与中心轴杆14配合的导向配合部件，在所述活动压力管2内靠近顶端端头的位置处还设置有浮力部件，在无波浪时，该浮力部件能够使活动压力管2的上端高出水平面。本方案的波头峰值储能器是利用波浪进行储能，其储能的原理如下：当波浪波峰来时，波头处水面上升，水流入活动压力管2内，该活动压力管2在浮力部件的带动之下，上升到与波头高度相匹配的位置处；当波头过去后，浮力部件的浮力使活动压力管2及其内侧水位保持；当固定压力管1底壁10的水输出部件被打开，将波头峰值储能器内的高压水输出后，由于外部用水导致波头峰值储能器内水面下降，浮力部件浮力减小，从而使得活动压力管2也跟随下降。
本方案的浮力部件主要作用是使活动压力管2具有一定浮力，不会因自身重力而向水下掉，从而使活动压力管2上端面能够在波浪来时随波浪上升，波浪所带来的外界水5（波头峰值储能器外的水）从活动压力管2的上端灌入活动压力管2中，以使得此时的波头峰值储能器内的水位高于外界水5平面的水位，与波头高度相匹配，活动压力管2在浮力部件的浮力下上升，将波头峰值储能器内的高压水放出后，活动压力管2随着波头峰值储能器内的水位降低而降低。在放出水后的下一个波浪来时，再次以上述方式进行储能。本方案的波头峰值储能器结构简单、构思巧妙，制作成本较低，波头峰值储能器的高压水可作用于水轮发电机等等。
所述固定压力管1为上端开口、底端封闭的管状，在安装时，固定压力管1竖直固定在海床或者河床上，或者固定在大船上，上端面低于平均海/水平面安装。所述固定压力管1的底壁10为尖端朝下的锥形底壁10，其好处是使其符合水力学特征,对波峰的阻力很小。所述中心轴杆14由所述锥形底壁10的头端位置向上延伸形成，采用硬质材料制成。所述中心轴杆14的上端面高于所述第一管壁12的上端面，并且高于水平面。其高度满足轻质活动压力管2上升而不脱离固定压力管1的中心轴杆14（例如将中心轴杆14的高度设计为：设于最大波峰的波头的高度）。
在一些实施例中，可以在所述中心轴杆14的顶端设置有用于防止活动压力管2从中心轴杆14上脱落的限位部件，该限位部件可以是在中心轴杆14的顶端向外凸设的限位环，其外径大于第一个导向配合部件的直线轴承的内径，或者大于环套的内径。
所述活动压力管2呈两端均开口的管状，采用轻质材质制作而成，轻质活动压力管2两端面无盖、薄壁、极轻，使其自重与漂浮需要的浮力均极小。例如可以采用玻璃钢等材料制作形成。轻质活动压力管2与固定压力管1采用松配合，即轻质活动压力管2的外径略小于固定压力管1的内径，以便于轻质活动压力管2能够随浮力上升下降的同时又避免外界水5过多的从它们的配合缝隙中流入波头峰值储能器内。
在一些实施例中，当该波头峰值储能器放置于杂物比较多的场合使用情况下，可以在轻质活动压力管2上端面设置一锥形过滤网，其锥顶竖直向上，锥壁可由多根耐腐蚀高强度棒材沿锥体母线设置。
所述导向配合部件为多个，多个导向配合部件沿活动压力管2的轴向间隔分布，每一导向配合部件均包括一横梁210以及一直线轴承212，所述横梁210的两端固定于活动压力管2的内壁上，在所述横梁210相应于中心轴杆14的位置处设有用于安装直线轴承212的环套214，所述直线轴承212安装于所述环套214内以用于与中心轴杆14直线运动配合。多个导向配合部件中的其中一个导向配合部件设于所述活动压力管2的顶端端头位置处，所述浮力部件设于该位于顶端端头位置处的导向配合部件上。导向配合部件的作用是使轻质活动压力管2与固定压力管1保持同轴安装并能相对于固定压力管1轴向滑动。
本实施例中，所述导向配合部件为两个，第一个导向配合部件设于轻质活动压力管2的中下段，横梁210轴向与轻质活动压力管2的轴向垂直。第二个导向配合部件设于轻质活动压力管2的顶端，这样设置的作用是，使浮力部件（本实施例为浮力环23）直接设于第二个导向配合部件的环套214上，不必再另外增加用于固定浮力部件的固定结构，使结构更简单、降低活动压力管2的重量。
本实施例中，所述水输出部件包括一出水管16、设于出水管16上的用于防止波头峰值储能器外的水向波头峰值储能器内流动的单向阀以及一用于控制水输出部件开启与否的阀体。
本发明波头峰值储能器能跟随浪头，实现了波浪的峰值保持，使波浪能的高效采集，能为海洋探测传感器提供小规模的少量能源；当多波头峰值储能器通过单向阀进行并联连接，能实现大规模波浪能量采集。
本发明还公开了一种利用波头峰值储能器储存高压水的方法，所述波头峰值储能器为上述实施例描述的波头峰值储能器，包括以下步骤：
波头峰值储能器安装：将波头峰值储能器的固定压力管1竖直的固定于水面下，使固定压力管1的上端面靠近水面，穿设于固定压力管1的中心轴杆14上的活动压力管2因设置于顶端的浮力部件使得活动压力管2的上端外露于水平面（也即，活动压力管2的上端面稍高于无波浪时的外部水平面，低于波浪波头的高度）；
波浪储水：当波浪波峰来时，波头处水面上升，外界水5流入活动压力管2内，该活动压力管2在浮力环23的带动之下，上升到与波头高度相匹配的位置处；当波头过去后，浮力环23的浮力使活动压力管2及其内侧水位保持，进而起到储水功能；当固定压力管1底壁10的水输出部件被打开，将波头峰值储能器内的高压水输出后，由于外部用水导致波头峰值储能器内水面下降，浮力环23浮力减小，从而使得活动压力管2也跟随下降。
该储能方法仅利用水波浪得到高压水，然后可以作用于水能发电机等领域，不浪费其他能源，有效利用波浪能，能量大小可以根据波头峰值储能器的并联数量而决定，该储能方法的效率高，成本低。
本发明还公开了一种水能发电系统，包括多个并联设置的波头峰值储能器以及用于将所述多个并联设置的波头峰值储能器的输出水的水能转换为电能的发电机，其中，所述波头峰值储能器为上述实施例的波头峰值储能器。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。