仿心脏柔体浪下潜入式波浪能高效取用系统的制作方法

本发明属于可再生清洁能源利用领域，尤其涉及一种仿心脏柔体浪下潜入式波浪能高效取用系统（巨龙2号）。

背景技术：

人类近代社会大规模开发利用的煤、原油、天然气、油页岩、核能等化石能源，大大地推进了人类的工业文明，功不可没，但燃烧化石能源的同时也进行着大量有害物质的排放或辐射，这把双刃剑也是破环境破坏生态环境的罪魁祸首。同时这种不可再生能源用掉一点，便少一点，总有枯竭的一天。不尽人意的是，当今人类使用的能源结构中，化石能源仍然占绝对大的比重，可再生能源只占很小的一部分。

随着世界化石能源危机和环境问题的出现，人们已逐步认识到充分利用可再生能源的极端重要性。改变现有能源结构，大规模开发利用可再生能源已不约而同的成为世界各国的能源发展战略，从而在真正的危机来临之前，摆脱被动的局面，获得和平发展的主动权。

以可再生能源代替不可再生能源，有两个前提条件，一是某种可再生能源的储量足够大，能够满足人类社会能源需求，二是科技水平达到了大规模开发利用的能力。

太阳能是储量最大的可再生能源，科学证实太阳能的衍生品如风能、水能、生物质能、海洋能等储量也十分巨大，把其中的一大部分开发出来就能满足人类的生产生活需要。

以海洋能为例，世界蕴藏量为750多亿千瓦，其中波浪能占93％，1977年有人以世界各大洋平均海浪高1米、周期1秒的波浪推算，断定全球波浪能理论上可再生的总量为700亿千瓦。在１平方千米的海面上，波浪运动每秒钟就有２０万千瓦的能量。全世界每秒钟的波浪能量达2.7×l0⁹千瓦，每年的波浪能总量为2.3×l0¹⁴千瓦•小时。欧洲可再生能源委员会发布的一份研究报告指出，目前全球海洋能的理论发电量预计可达到每年10万太瓦时(twh)，而目前全球的电力消耗约为每年1.6万太瓦时，仅海洋能这一项就能完全满足人类的用电需求。没有人能准确算出哪一种可再生能源储量有多少，它本身就是一个变量，但可充分确认它们蕴藏量十分巨大，是不容置疑的事实，可开发量远大于人类实际应用量就足够了。

海浪能作为海洋能的主体部分不仅储量极大，而且是没有任何排放的最清洁的能源，1992年联合国把海浪发电列为开发海洋可再生能源的首位，也足以说明其在海洋乃至可再生能源结构中具有举足轻重的地位。

不息的波浪曾吸引过无数的探索者，对波浪能开发利用的脚步从未停止过，早在1955年，世界上就有了第一台波浪能发电机，几十年来提出波浪能获取方案设想以及申请专利的数以千计，五花八门，不胜枚举。能量获取系统主要类形有：振荡水拄型，收缩水道型，高位水池蓄能型；半潜船漂浮鹰型等等。

近年来波浪能利用强国比如英国等研发出新的品种，如“海蛇”技术进步很大，但系统成本仍很高，效率并不够理想；“巨蟒”利用激突波共振原理略胜一筹，让人眼前一亮，效率比较高而且成本比较低，2009年报道称第一款完全设计的巨蟒发电机将于5年内开始运行，可至今未见成功的报道，这或许是技术上仍有瓶颈之处；我国新近研制的岸崖浮摆式浪能发电系统虽然较以往系统有进步但其重要能转指标提高幅度仍然较小。

波浪能客观上具有能量储量大、分布广、不稳定、利用难的特点，多年来在利用技术上始终没有重大突破，没有摆脱原地踏步状态，与核能、太阳能、风能、生物质能等其它新能源相比，其总体发展程度是最低的，仍然处于发展初期。

现有波浪能获取系统普遍存在点式获取能量，原理和样式雷同，单向做功，资源浪费大，结构复杂，中间环节多，成本高，效率低，安全性差，难控制等问题。这样导致经济效益低，投资回收期长，加之易受到海洋灾害性气候的侵袭等问题，多年以来束缚了波浪能的大规模商业化开发利用和发展。

虽然如此，但这些宝贵的能量采集思想和方法为后来者探索波浪能高效获取方法奠定了基础，积累了经验。

依赖于科技创新，在波浪获取技术上获得重大突破，大幅度提高能转效率，大幅度降低能转成本，系统及其构筑物能承受灾害性海洋气候的破坏，实现安全运行，是当前和今后一个时期波浪能研发的难点和方向。

使用化石能源的时间在人类历史长河中只是暂短的一瞬，人类历史进程中长期依赖的能源只能是可再生能源。目前的以消耗化石能源为主，可再生能源利用率不高，尤其是波浪能利用率极低，是社会生产力发展到一定水平，又不够高度发达的一种特有的社会现象。随着科技的进步人类必将走向全面应用可再生能源的新时代。

此前，本发明人也曾做过一些波浪能提取非仿心脏系统的研究和实验，比如发明的海面浮载平台液压无级变程双向做功高效波浪发电机等，能量转换效率也可以比现有技术高出一倍以上，但和本系统的超高效比差距仍十分巨大。本系统诞生是对波浪能利用关键技术的重大创新，或将揭开人类大规模利用波浪能的新纪元。

技术实现要素：

为了克服现有的波浪能采集系统资源浪费大，效率低，成本高，安全性差等不足,本发明在吸收感悟人类的波浪能理论精华的同时，又力争把握波浪运动的习性特点，注重最大限度地适应波浪运动规律，以最接近的方式来适应波浪运动，把发明思维引导到了以柔治柔，由点获能到面获能，仿生取能的思维境界，彻底颠覆了传统波浪能采集思维和模式，另辟蹊径，提供了一种仿心脏柔体浪下潜入式波浪能高效取用系统（巨龙2号），该系统能量吸收部分可潜入浪区广阔水域波浪下的水中吸收转换由波浪能衍生而来的压强差能，其内部液压腔采用独创的缸体线性伸缩无塞腔体结构，整体上变刚体结构为柔体结构，变波浪能由点获取到面获取，由间断获取到连续获取，由分散获取到集中获取的巨大转变，把压强差能地毯式全时空最大化的获取，使分散的波浪能变成集中的单向平稳流动的水能，把低水头能变成高水头能，系统结构却由复杂变得简单，从而大幅度地提高了能量获取效率，大幅度地降低了系统制造成本，并增强了抗灾害能力，维修更便捷，填补了国内外波浪能获取系统的空白（本巨龙2号与巨龙1号同一时间发明，同一时间申请专利，系“孪生兄弟”）。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案。

本仿心脏柔体浪下潜入式波浪能高效取用系统，由能量吸收、能量输出、位置固控及应用部分组成。

能量吸收部分是一个封闭椭圆筒状柔软腔体（简称柔体），是本专利最核心的部分，本专利名称中柔体即指本部分是柔软腔体结构。该部分其内联排设置n个液压腔，在每个液压腔左右两侧对称设置出水管和进水管，穿过柔体腔壁通过单向阀与柔体外左右侧对称设置的总出水管和总进水管连接。

能量输出部分为水轮机，能量吸收部分总出水管和进水管分别接水轮机进、出水口，组成封闭循环水流通道。

柔体上部设置注水阀和若干排气阀，下部设置排水阀，排气阀确保注水顺利和注水后体内不存有空气，排水阀保证系统维修和避险时水能够及时排出，用时打开，不用时关闭。

该柔体为细长形几何体，横截面为椭圆形，体长要远大于体宽，体宽要大于体高，体宽为横截面椭圆长轴长度，体高为椭圆短轴（垂直水平面的立轴），高度由液压腔控制，与液压腔张开（收缩）高度等高。实际应用中柔体长宽高设置要与压强波动等相关数据相匹配。

柔体腔壁由高强度，有弹力，耐腐蚀，耐摩擦，耐辐射，耐弯折柔软薄壁材料制作。

在柔体内联排设置的n个液压腔采用独创的缸体线性伸缩无塞腔体结构，为等距离密集排设，每个液压腔可为横截面为圆、椭圆或圆角矩形的封闭空腔薄壁柱体，在垂直水面方向高度上可折叠伸缩，在强度允许的范围内腔壁材料越薄越好，折叠压缩后高度越小越好，在与水面平行方向上具备抗压性，在缸壁转折处可设置抗压环，液压腔上下端面采用封板将液压腔封闭与柔体上下面固接。

每个液压腔设置的出水管单向阀的作用是只出不进，进水管单向阀的作用是只进不出。

总出水管和进水管为等直径、具耐压性，上部设置若干排气阀保证注水顺利，下部设置排水阀，保证系统维修和避险时水能够及时排出，用时打开，不用时关闭；两条总管以通透的形式与柔体连接，减小对压强波动的限制，保持压强波传导畅通，也有利于减少无用功消耗。

水轮机可采用市场通用适用于水流动能的轴流或径流涡轮的水轮机，上部设置注水阀。

系统工作前要在柔体和由n个液压腔、每个出水管和进水管、单向阀、总出水管和进水管和水轮机组成的封闭循环水流通道中内适量注水，并排净空气。

本系统的运行，以及适用于规模发电、海上钻探、海水淡化、氢燃料制取等所需动力，都是依托本系统的位置固控部分，即浮载平台来实现工作的。

浮载平台，是一个特殊构造的双体船，靠抛锚和降入阻力板，在浪区某坐标点相对定位。结构为网格状的坚固平台，下部设置两个中空或其中填充密度远比水小的固态物质两端扁尖的支撑浮筒，靠浮力支撑整个平台和负载，两头尖支撑浮筒除能减小阻力外同时具有收缩水道增大浪高的作用，其中填充密度远比水小的固态物质可避免浮筒因某种原因漏孔而发生平台沉没。平台下部的支撑浮筒之间设置网格通透状的可升降的系统托载平台；上部设置设备安装架、航行牵引马达、gps定位、遥感系统，四角设置稳定锚、避险指示灯，前后设置升降阻力板（伞）等，平台前后左右对称。安装gps定位系统和遥感系统可实现对平台的远程操控。

浮载平台迁移可通过驱动马达自行牵引，可采用电动引擎用自发电能做动力，平台前后对称，不分头尾，反方向行进不用调头。

阻力板（伞）类似于降落伞的作用，适用于在深水区停泊浮载平台时不便于锚定时，沉入阻力板（伞）用来抵抗波形运动的水平力，能使平台相对固定，允许平台有缓慢的位移，对获取能量无大碍，只是损失少许能量而已。使用时上沿要低于波基面，以利于保持浪区波形不受影响。

将本系统多个柔体顺着波形移动方向密集安装在托载平台之中，柔体之间设置隔离固定栏只留较小的空隙，柔体注水后比重略大于水，可沉于托载平台之上，柔体两端用固定绳索系牢，中间可设置多道绳索护栏。

系统工作中要通过托载平台的升降机制使柔体处在恰当的水位深度，以最大限度的获取能量。

将系统水轮机，发电设备、钻探设备、海水淡化设备、氢燃料制取设备、等安装其上安装架上。通过水轮机轴输出的波浪能转化的动力与以上设备对接。

在一个平台上连片布置柔体时可并联使用，并联使用时将各独体柔体总出水管和总进水管分别接在更粗的整体进水管和出水管上，统一用一个水轮机输出能量，成本更低，效益更好。

形的持续性，但必须指出所有的波浪能获取系统都对原有浪形有所改变，浪形改变的过程就是获取能量过程，因为系统取能时波浪给系统一个力，系统也给波浪一个反作用力，会改变原来力的平衡，波形就会有一定的改变，所以保持原有波浪形态只是相对的，允许波形有一定的改变。

波浪能量转换专门用于发电用途时，可通过水轮机带动发电机组发电；也可使柔体内外部结构做些调整，将能量吸收部分和输出部分合二为一，去除外部总进、出水管和水轮机部分，将n个液压腔替换为线圈和磁体结构，在上下端面抗压封板位置分别布置线圈和磁体，通过线圈和磁体相对运动切割磁力线直接发电；也可将n个液压腔替换为摩擦纳米发电模块结构，效果更佳，这也是不错的选择，较通过水轮机带动发电机发电省去了中间环节，也使系统结构更为简单，体积更小，也回避了水流动摩擦引起的一小部分能量损耗，当然采用这种结构也优缺点兼有，缺点是柔体内部细致结构变得复杂。不论采用哪种方式发电，都可根据固定发电和和移动发电方式灵活选用海底电缆输电和储能电池供电。

浮载平台上方可同时设置矮杆风电或卧式风电系统，与波浪发电构成复合电站，矮杆风电或卧式风电重心降低有利于平台系统安全稳定；也可在浮载平台上建设能源自给自足的移动工厂。

适用于船舶航行动力，可设计混合动力船，可在船舶身底部设置小型托载平台（能够代替本系统浮载平台的相应功能），将本系统能量吸收、输出部分按技术要求安装其上，并设有方便的动力切换机制。在船舶停泊时波浪动力可继续运行可带动发电机发电给蓄电池充电进行能量储备。

本系统能量吸收部分工作在水下，且为柔体形态很抗挤压，浮载平台为网格状通透性很好，且工作重心很低，抗风能力很强，只有遇到超强台风或龙卷风等极端天气，才有必要将本系统迁移到安全地方。

本技术方案可以产生以下诸多的有益效果。

该系统彻底颠覆了传统波浪能采集思维和模式，变以往刚体结构为柔体结构，更能适应水体上下移动，水平传动的形态绵柔而不规则，变化复杂的特征，更符合顺其自然的物质运动规律，实现了系统与波浪能有效能量层全时空的接触。同时还使系统结构由复杂变简单，使原材料和制造成本大幅降低。

由于系统是借助浮载平台定位来工作，所以是免基础工程，既节约投资，又不破坏和污染水域环境，并可远离岸边，对渔民养殖生产影响较小。

波浪能是机械能而非场能，系统与波浪水域有效接触面积越大取能效果越好，本系统实现了波浪能获取方式由点获取到面获取，由间断获取到连续获取，由分散获取到集中获取三个巨大转变，系统与波下能量水层实现全过程无缝隙接触，所潜入的水层所存在的压强差能基本达到地毯式无遗漏全时空吸收采集，不浪费宝贵的波浪能资源，能量损失很小。

把仿心脏技术引入到波浪能获取系统，工作中还伴有水锤效应助力获能效率提高，输出的能量具有高持续性和高稳定性。系统就像栖息在水中巨大的捕能神兽命名为巨龙2号，封闭椭圆筒状柔软腔体就是它硕大的“身躯”，联排设置的液压腔就是一颗颗巨大的“心脏”，单向阀就是心脏“瓣膜”，总出水管和总进水管就像大“动脉和静脉”，水轮机就是输出能量的“臂膀”，这样使分散、脉冲的压强差能变成连续稳定集中的单向循环流动的水能，相当于把低水头变成高水头，更适合发电等用途。不过这个“心脏”不是一个而是n个，其压缩和舒张的能量是波浪赋予的，只要有波浪存在，这个“心脏”就跳动不止，能量就输出不停。

克服了以往某些固定基础系统无法适应潮汐规律的弊端，而做到“水涨船高”随潮涨潮落正常工作，总能保持柔体处在最适合取能的水层中。

灵活性强，不受外界条件变化限制，既适用于近海也适用于远海，总能自由选择最适合获取波浪能的浪区。

可在兴建海上移动工厂，节省能源，节省征地投资，节省国家土地。

可建造波浪动力船，节约大量水上运输能源，减少污染物排放，保护环境。

结构简单，维修方便，抗冲击、抗灾害能力显著增强。

克服了以往波浪能获取只能在岸边，只能获取很少水域波浪能的弊端，本系统可实现全水域获能，单位水域面积波浪能获取效率比现有系统提高数倍，更适合波浪能大规模产业化商业化开发利用。以浪高为一米周期为一秒的水域为例，每平方公里拥有能量的容量约20万千瓦，去掉一切损耗，本技术每平方公里可转换出的能量相当于装机容量10万千瓦的发电机组连续不断的发电，直观表述平均每平米水域可发电100瓦。目前中国年用电量6万亿千瓦时左右，使用本系统实际利用约7000平方公里，相当于1.5个青海湖面积的一米浪高水域的波浪转换为电能的电量即可满足全国的用电量，是中国有管辖权300万平方公里的千分之二海域用来发电就够全国用了（能量与浪高的平方成正比，更高浪区获能效率将更加可观）。以上只是理论上的逻辑数据，还没有经过中试，如果中试基本达到这样指标，本技术将是革命性的，必将给掀起一场深刻的能源革命，将给世界能源体系带来翻天覆地的变化，其经济意义、社会意义和环保意义都是不可估量的。

附图说明

图1本专利整体示意图。

图2本专利能量获取系统纵剖面结构示意图。

图3本专利能量获取系统柔体横剖面结构示意图。

图4本专利系统工作状态局部纵剖面示意图。

图中：1、浮载平台；2、总平台；3、支撑浮筒；4、可升降托载平台；5、稳定锚；6、升降阻力板（伞）；7、牵引马达；8、并联总水流管道；9、并联总水流管道进水接口；10、并联总水流管道出水接口；11、总平台上方安装架；12、避险指示灯；13、gps定位和遥感系统；14、水轮机；15、水轮机轴；16、水轮机注水阀；17、柔体；18、柔体总出水管接口；19、柔体总进水管接口；20、静水平线；21、水轮机涡轮叶片；22、柔体注水阀；23、柔体排气阀；24、柔体排水阀；25、柔体线性伸缩无塞液压腔（简称液压腔）；26、液压腔折叠伸缩缸壁；27、液压腔抗压封板；28、液压腔进水管；29、液压腔出水管；30、进水管单向阀；31、出水管单向阀；32、总进水管；33、总出水管；34、总进水管排气阀；35、总出水管排气阀；36、总进水管排水阀；37、总出水管排水阀；38、波峰水平线；39、波谷水平线；40、波峰；41、波谷。

具体实施方式

选择一片适合的目标浪区水域（最好是涌浪区），将浮载平台1靠于岸边，将系统能量获取部分柔体17联排铺于可升降托载平台4上，将系统能量输出部分水轮机14安装在总平台上方安装架11上，将水轮机14的进水接口9接柔体总出水管接口18，将水轮机14的出水接口10接柔体总进水管接口19，使液压腔25、液压腔出水管29、出水管单向阀31、液压腔进水管28、进水管单向阀30、柔体总出水管33、柔体总进水管32，并联总水流管道8和水轮机14构成封闭水流通道，通过水轮机注水阀16向其水流通道适量注水，通过总进水管排气阀34和总出水管排气阀35排出气体。通过柔体注水阀22向柔体17适量注水，通过柔体排气阀23排出气体。

调整可升降托载平台4高度使柔体17最高点在波谷水平线39以下适当深度，操纵牵引马达7将浮载平台牵引到预定浪区，使柔体17体顺着波浪移动的方向将浮载平台定位，抛下稳定锚5，降下升降阻力板（伞）6，升降阻力板（伞）6上沿至波基面以下深度，这样系统即随浮载平台定位在预定的经纬坐标点上（允许浮载平台有缓慢的位移对能量转换的影响可忽略不计）。

注水后的柔体17比重略大于浪区水的比重，柔体17会自然沉于托载平台4上。这就会使柔体17像一条条长龙潜浸在固定的水层，此处水层具有较大有规律波动的压强差存在，柔体17外部压强变化会导致柔体17内部压强同步变化，由于水总是由压强大处流向压强小处流动，处于压强大的柔体17部位的体积变小，处于压强小的柔体17部位的体积变大，其内液压腔25在这种挤压和膨胀力的作用下体积随之变大变小，体积变小部位的液压腔25水被挤出，体积变大部位的液压腔25呈负压状态水被吸入，挤出量和吸入量恒等，以上过程随波浪起伏循环往复，这样潜入波浪下的所有柔体17在有节奏的水体压强波动的作用下，在封闭水流通道内便形成了集中稳定高速奔流的水能，这最终是使波浪运动通过本系统转换为大流量高速水流运动（相当于将低水头转换为高水头），具有强大的动能，稳定高速运动的水流冲击水轮机叶片21带动水轮机轴16转动输出扭力可对外做功，源源不断输出能量，由此实现了波浪能的高效获取和转换。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进，如液压改气压等，均应包含在本发明的保护范围之内。