一种高效节能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，具体为一种高效节能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，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一个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,renewableenergy113(2017)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，inpress，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)。

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上述现有技术的缺点，提供一种能量转换合理、运输方便的一种高效节能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：

一种高效节能自航式波力发电装置，包括船体、波浪能量收集和转换机构、推进机构；所述的船体包括船舱、驾驶舱、设备室、甲板、锚桩、锚链和锚；所述的波浪能量收集和转换机构包括水平管、垂直管、气室、空气透平、气室出口端、发电机、闸门、启闭闸机构；所述的水平管设有前端口和后端口，所述的垂直管的一端封闭且设有所述的空气透平与其连通，另一端垂直连通水平管的后端，所述的水平管与垂直管内部形成“l”形通道，所述的启闭闸机构用于控制闸门开闭所述的后端口；当水进入垂直管形成气液界面，所述的气液界面与空气透平在垂直管中形成所述的气室；所述的气室出口端与发电机依次设置在空气透平上；所述的水平管、垂直管分别设置在船舱的底部与后部，所述的水平管的前端口朝向在船舱的前部，船舱的前部为船头状；所述的船舱上部为所述的甲板，所述的驾驶舱设置在甲板上，所述的设备室设置在船舱的内部；所述的甲板的前端与垂直管的顶部均设有锚桩形成三角锚点，所述的锚桩依次连接锚链和锚。

作为上述方案的改进，所述的水平管与垂直管的横截面积相同，所述的水平管横截面为五边形，垂直管横截面为四边形，所述的水平管背离船舱一端形成等腰角形底部。

作为上述方案的改进，在所述的水平管的后端口上设有闸门、闸门滑道和启闭闸机构，用于形成波浪能量转换机构和减少航行阻力。

作为上述方案的改进，所述的推进机构包括推进器和方向舵；所述的推进器和方向舵安装在所述的水平管背离船舱、位于后端口底部。

本发明具有以下有益效果：本发明改进了管道结构，提高了装置的转换效率，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，加装闸门，解决了能量转换和航行阻力大导致能耗大的矛盾。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侧面结构示意图。

附图标记说明：101-锚桩；107-锚链；106-锚；102-船舱；103-驾驶舱；104-设备室；105-甲板；201-气室；202-空气透平；203-气室出口端；204-发电机；205-启闭闸机构；206-气液界面；207-闸门；208-垂直管；209-后端口；210-闸门滑道；211-水平管；212-前端口；301-螺旋浆；302-方向舵。

具体实施方式

实施例

如图2至图4所示，一种高效节能自航式波力发电装置，包括船体、波浪能量收集和转换机构、推进机构；所述的船体包括船舱102、驾驶舱103、设备室104、甲板105、锚桩101、锚链107和锚106；所述的波浪能量收集和转换机构包括水平管211、垂直管208、气室201、空气透平202、气室出口端203、发电机204、闸门207、启闭闸机构205；所述的水平管211设有前端口212和后端口209，所述的垂直管的一端封闭且设有所述的空气透平202与其连通，另一端垂直连通水平管211的后端，所述的水平管211与垂直管208内部形成“l”形通道，所述的启闭闸机构205用于控制闸门207开闭所述的后端口209；当水进入垂直管208形成的气液界面206，所述的气液界面206与空气透平202在垂直管208中形成所述的气室201；所述的气室出口端203与发电机204依次设置在空气透平202上；所述的水平管211、垂直管208分别设置在船舱102的底部与后部，所述的水平管211的前端口212朝向在船舱102的前部，船舱102的前部为船头状；所述的船舱102上部为所述的甲板105，所述的驾驶舱103设置在甲板105上，所述的设备室104设置在船舱102的内部；所述的甲板105的前端与垂直管208的顶部均设有锚桩101形成三角锚点，所述的锚桩101依次连接锚链107和锚106。所述的水平管211与垂直管208的横截面积相同，所述的水平管211横截面为五边形，垂直管208横截面为四边形，所述的水平管211背离船舱102一端形成等腰角形底部。在所述的水平管211的后端口209上设有闸门滑道210用于确保闸门207动作稳定。所述的推进机构包括推进器301和方向舵302；所述的推进器301和方向舵302安装在所述的水平管211背离船舱102、位于后端口209底部。

工作原理：。当采集波浪能量时，3个锚106呈辐射状布放，使闸门207面对入射波浪方向，闸门207通过启闭闸机构205关闭后端口209，水平管211和垂直管208形成一个“l”形管道，当波浪作用在装置时，会引起气液界面206运动，驱动气室201内空气运动，运动的空气会驱动空气透平202和发电机204旋转从而使波浪能转换为电能。可通过闸门207调节端口209打开幅度的大小，调节气液界面206在气室201的运动幅度，也即调节了波浪转换为电能的多少；还可通过闸门207完全打开端口209，最大程度地减少气液界面206的运动幅度，保障空气透平202和发电机204在恶劣海况下的安全。五边形的水平管211和成流线型的船舱102有助于整个装置在摇荡运动中减少阻力，提高装置运动的机械能，有助于提高装置的波浪能量转换效率；当装置需要移动时，3个锚106收起，安装在端口209下面的螺旋桨301和方向舵302在电力的驱动下运转，此时闸门207通过启闭闸机构205开启，前端口212和后端口209和水平管211形成一通道，这一通道对航行的装置形成的阻力很小，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。