本发明涉及波浪能转换技术领域，具体为一种可航的水平管气动式波力发电装置。
背景技术：
波浪能资源蕴藏丰富，开发利用潜力巨大。但由于波浪能极不稳定、远离大陆、海洋环境恶劣、海水腐蚀、海生物附着等因素，开发利用海洋波浪能成本高昂。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、维护成本和环境成本等。
目前波浪能利用技术种类繁多，漂浮式波浪能利用技术因其适应面广而成为研究的主流，绝大部分漂浮式技术可分为3大类:振荡水柱技术、越浪技术和振荡浮子技术。漂浮振荡浮子技术是利用波浪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)浮体并且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)、浮体间相互作用问题不可避免、海生物附着影响大、投放时间长(浮态调节需要时间和设备)，易出机械故障，难以维修，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，因此其结构规模庞大、强度要求高，在风、浪和流的共同作用下，系泊系统复杂、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内的气动能量，其特点是单浮体，材料利用率高,不存在相撞问题，空气透平和发电机位于水面上不受海水和海生物影响，维修方便。漂浮振荡水柱技术最著名的形式是后弯管技术，主要由相连的水平管和竖直管(合称为L型管道)、气室、浮力舱、空气透平、发电机组成，水平管同竖直管垂直，气室在竖直管上方，目前L型管道普遍采用四边形形式且截面积相等，浮力舱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(用俘获宽度比来评估)，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，孙培亚)，在随机波条件下，俘获宽度比测量值最高达到了87.2％(Wu Bi-jun,Li Meng,Wu Ru-kang,Zhang Yun-qiu,Peng Wen.Experimental study on primary efficiency of a new pentagonal backward bent duct buoy and assessment of prototypes,Renewable Energy 113(2017)774-783，第1作者为1发明人)，在所有漂浮式技术中俘获宽度比是最高的(Wu Bijun,Chen Tianxiang,Jiang Jiaqiang,Li Gang,Zhang Yunqiu,&Ye Yin.Economic Assessment of Wave Power Boat Based on the Performance of“Mighty Whale”and BBDB,Renewable and Sustainable Energy Reviews,81(2018)946-953，第1作者为第1发明人)。最新由第三方(国家海洋技术中心)对新型五边型后弯管小样机水池测试表明：规则波电池负载下波浪到电的转换效率最高达到35.65％，随机波电池负载下波浪到电最高平均效率达到26.66％，达到国际领先水平。后弯管技术表现出高的能量转换特性。后弯管装置相对其它波浪能利用装置吃水浅便于拖运投放，不需要浮态调节使现场施工变得简单。
空气透平是振荡水柱波能装置中非常关键的设备之一，在非稳态气流下空气透平转换效率的提高对于提高整个装置的转换效率影响巨大，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形式。日本学者进行实海况试验表明，同一波力装置，采用Wells透平，从波浪能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体上至少提高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达到近60％。后弯管技术基于目前的实验基础(在随机波条件下其俘获宽度比最高达到87.2％)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)。
尽管后弯管技术吃水相对浅、简单、转换效率高，但在拖航过程中迎浪面是一平面，拖航阻尼大，为了减少拖航阻尼，在面板上开一个闸门是一种措施，闸门大小同后弯管水平管截面面积相等，这样可使后弯管装置的拖航阻尼大大降低，但闸门的开启需要一套机械和动力机构，增加了装置的制造成本和不可靠性。
技术实现要素：
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种结构简单，转换效率高且适航性好的可航的水平管气动式波力发电装置。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种可航的水平管气动式波力发电装置，包括船体、波浪能转换机构、动力推进机构、锚泊系统；所述的波浪能转换机构由水平管、垂直腔体、发电机、空气透平组成；所述的水平管水平设置在船体的下方，其两端开口开放，所述的垂直管腔体直安装在水平管的上方，其一端与水平管连通，另一端收缩后与空气透平连接；所述的发电机安装在空气透平上；所述的动力推进机构用于推动波力发电装置航行；所述的锚泊系统设置在船体上用于将波力发电装置在海面上定位；所述的波力发电装置停靠在目的位置后，海水从水平管两端口进入并在垂直腔体中形成水柱，水柱面与空气透平、垂直腔体的管壁形成气室，通过波浪的作用引起水柱在气室内运动，气室内的空气运动能量通过空气透平和发电机转换为电能输出。
作为上述方案的改进，所述的水平管的横截面为五边形，其一尖角面垂直向下。
作为上述方案的改进，所述的垂直管的横截面为四边形。
作为上述方案的改进，所述的船体包括船舱、甲板、驾驶舱，所述的甲板设置在船舱上表面，所述的驾驶舱设置在甲板上。
作为上述方案的改进，所述的动力推进机构包括方向舵和螺旋桨，所述的方向舵和螺旋桨设置在波力发电装置的后下方，通过驾驶舱进行控制。
作为上述方案的改进，所述的锚泊系统包括依次连接的锚机、锚链和锚，三套所述的锚泊系统分别设置在所述波力发电装置的位于船头，和船尾左右两侧的位置。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用单浮体水平管气动式技术流道开放，既减少了在迎浪面对波浪反射，又留下了通道可减少航行阻尼和潮流对装置运动状态、转换效率的影响，同时提高了俘获宽度比、拓宽了响应频带，还降低了成本，提高了可靠性。在船型底部加装电力驱动机构，包括方向舵和推进器，使装置具有自航动力，为装置移动和自航进港避台风创造了条件，还可充分利用由波浪转换的电力作为推进动力。该装置可定点发电和航行发电。当定点使用时，可使装置尾部的迎浪面始终面对波浪，实现高效转换；当航行时，如果航行方向同波浪方向一致可实现能量高效转换，当反向时，转换效率降低很多。在近五边形装置的甲板上加装起锚机，利用起锚机对锚进行放和收，便于装置的布放和回收。本发明改造了管道结构，使竖直腔体和水平管各自独立，使管道内流体通过水平管两个端口与外界流体进行交流，同后弯管装置通过一个尾端口与外界流体进行交流有本质的区别，是一种全新的技术。该装置在波浪发电状态时，贯通的水平管使得装置虽然吃水深度较大但迎浪面的反射波浪面积较小，减少了反射波能量损失，装置的转换效率得到提高；在航行状态时，贯通的水平管使得装置在自航时阻力减少，减少了动力设备的装机功率，减少了投资，节能环保。装载动力设备和起锚系统，解决了装置运输、移动的高成本问题，同时降低了装置和锚泊系统的建造成本。该类装置结构简单并且具有自航功能，这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、材料和海洋施工工程成本，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为本发明的波力发电装置的立体示意图。
图2为本发明的波力发电装置的剖面示意图。
图3为本发明的流道封闭与开放时的俘获宽度比曲线示意图。
附图标记说明：船体1、波浪能转换机构2、动力推进机构3、锚泊系统4、水平管5、垂直腔体6、发电机7、空气透平8、水柱9、气室10、船舱11、甲板12、驾驶舱13、方向舵14、螺旋桨15、锚机16、锚链17、锚18。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种可航的水平管气动式波力发电装置，包括船体1、波浪能转换机构2、动力推进机构3、锚泊系统4；所述的波浪能转换机构2由水平管5、垂直腔体6、发电机7、空气透平8组成；所述的水平管5的横截面为五边形，其一尖角面垂直向下。所述的水平管5水平设置在船体1的下方，其两端开口开放。所述的垂直腔体6的横截面为四边形，所述的垂直腔体6垂直安装在水平管5的上方，其一端与水平管5连通，另一端收缩后与空气透平8连接；所述的发电机7安装在空气透平8上；所述的动力推进机构3用于推动波力发电装置航行；所述的锚泊系统4设置在船体1上用于将波力发电装置在海面上定位；所述的波力发电装置停靠在目的位置后，海水从水平管5两端口进入并在垂直腔体6中形成水柱9，水柱9面与空气透平8、垂直腔体6的管壁形成气室10，通过波浪的作用引起水柱9在气室10内运动，气室10内的空气运动能量通过空气透平8和发电机7转换为电能输出。所述的船体1包括船舱11、甲板12、驾驶舱13，所述的甲板12设置在船舱11上表面，所述的驾驶舱13设置在甲板12上。所述的动力推进机构3包括方向舵14和螺旋桨15，所述的方向舵14和螺旋桨15设置在波力发电装置的后下方，通过驾驶舱13进行控制。所述的锚泊系统4包括依次连接的锚机16、锚链17和锚18，三套所述的锚泊系统4分别设置在所述波力发电装置的位于船头，和船尾左右两侧的位置。
上述方案的水平管5“流道开放”，我们称这种技术为单浮体水平直通管气动式波浪能利用技术。当短周期小波浪作用在装置上时，装置几乎不动，波浪能从水平管5尾端口进入四边形垂直腔体6内，直接推动气室10内的水柱9运动，使气室10内空气流动，然后推动空气透平8发电机7组发电，就是固定式(岸式)振荡水柱转换机理；当长周期大波浪作用在装置上时，整个装置运动，就会带动气室10内水柱9相对装置产生大的运动，推动气室10内空气流动，然后驱动空气透平8机组发电，与振荡浮子技术转换波浪能量的机理几乎一致。该技术不仅集中了振荡水柱技术和振荡浮子技术转换效率的优势，而且继承了振荡水柱技术简单的特点(简单、生产和使用成本低、可靠、安全性高、可维护性强)。如果五边形水平管5尾端口封闭，五边形水平管5和四边形垂直腔体就构成了“L”型管道，此时装置就变成了后弯管波浪能利用装置，五边形水平管5“流道封闭”。在几乎相同条件下我们对两种装置的第一级能量转换效率(俘获宽度比，CWR)进行了对比研究，研究结果如图3所示。图3中，带红三角形的线代表在“流道封闭”时的俘获宽度比，也就是后弯管技术模型的俘获宽度比，带黑四边形的线代表“流道开放”时的俘获宽度比，也就是单浮体水平直通管气动式技术模型的俘获宽度比。两条线比较可知，在大周期条件下两个模型的俘获宽度比峰值接近，但在小周期时，单浮体水平直通管气动式技术模型的俘获宽度比远高于后弯管技术模型的俘获宽度比。显然单浮体水平，直通管气动式技术模型同后弯管技术模型相比，俘获宽度比的频率响应宽度得到拓宽。另外单浮体水平直通管气动式技术模型同后弯管技术模型相比，由于水平直通管是一个通道，航行阻力大大降低。
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。