沉砂式近岸潮汐能转换装置及其潮汐能和波能的转换方法与流程

本发明属于海洋发电波能转换技术领域，尤其是涉及一种沉砂式近岸潮汐能转换装置及其潮汐能和波能的转换方法。

背景技术：

目前用于海洋发电的潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能、海流能等存在多种转换装置。波能转换通常包括三级环节转换，其中第一级环节是波能转换为机械能或势能，转换方式为振荡浮子式、冲动式、摆式、点头鸭式、波面筏式、收缩波道式、振荡水柱式、整流器式、巨蟒发电装置等，能量中间转换环节主要分为机械式、气动式和液压式三大类；潮汐能的主要利用方式是单水库、双水库进行潮汐发电。单库单向电站只用一个水库，仅在涨潮或落潮时发电，双库双向电站用两个相邻的水库，一个水库在涨潮时进水，另一个水库在落潮时放水，两水库始终保持着水位差，实现全天发电；利用潮汐发电要求潮汐的幅度应当大，至少要有几米，海岸的地形应当能储蓄大量海水，并可进行土建工程。

就转换能量而言，目前各类近岸型能量转换装置利用能量相对单一，利用多种能量形式的近岸型能量装换装置较少，同时利用潮汐能和波浪能的装置尚无。就装置形式而言，常见能量装换装置的旋转主体转动方向与水流或波浪方向一致，而旋转主体转动与水流或波浪具有不同方向的能量装换装置较少。普通近岸型能量转换装置属于被动型，利用实际安装位置处波浪或潮汐高度的变化，当安装位置处波浪或海平面高度变化小时，则能量转换装置使用效果变差。实际在滨海区域每天的潮汐变化中，潮进或潮退看作一个运动周期，海平面高度变化是一个潮进或潮退周期中瞬时波浪高度变化的积分，波浪高度的变化仅仅属于海平面高度变化的一小部分，深水区海平面高度变化远远大于波浪高度的变化。如可以利用充分深水区的海平面变化，则许多波浪较小、深水区的海平面变化较大、地理位置不适合现有波浪能或潮汐能转换装置的大量区域则可以进行海洋发电。

沉砂式近岸潮汐能转换装置利用快速输水管道沟通深水区，利用潮汐或波浪的上下波动，将垂向水流势能转换为驱动旋转螺具、旋转中心杆柱的旋转动能，利用正反转换向阀持续性推动发电机运转；因此，既可利用海平面高度的变化，也可以利用瞬时波浪高度的变化，属于主动型。

本发明沉砂式近岸潮汐能转换装置的特点是：潮汐能、波浪能均可被利用；在海岸局部位置向下挖掘构建腔体，规模小、成本低，建设容易，旋转中心杆柱与外界水流的方向垂直，在涨潮和退潮时均可应用；每天可工作时间长，对建设地点的要求低，水深或水浅、浪大或浪小区域均可以建设，每天可利用的能量要远大于普通近岸型能量转换装置。此外，本装置发电机置于水面上方，减小腐蚀损坏，提高检修便利性；在快速输水管道管口处添加闸阀、在腔体底部添加净水用膜时，本装置还可以作为小型防护堤和净储水缓冲装置使用。

综上，虽然目前存在非常多形式的波能转换装置，但近岸型能量装换装置利用能量相对单一，缺少同时利用潮汐能和波浪能的装置，尤其是一种适应性较广、成本较低、多功能的近岸型能量装换装置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有试验装置和技术中的不足，提供一种同时利用潮汐能与波浪能、成本较低、适应性较广、多功能的近岸型能量装换装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是提供一种沉砂式近岸潮汐能转换装置，其包括腔体、防护顶盖、砂堵、滤砂网、旋转中心杆柱、安装在所述旋转中心杆柱上的驱动齿轮和驱动旋转螺具、与所述驱动齿轮相连接的正反转换向阀；所述旋转中心杆柱的上部外接一发电机与所述驱动齿轮，所述旋转中心杆柱的转动带动所述发电机的内部转轴以及驱动齿轮的转动，所述旋转中心杆柱的中部与所述驱动旋转螺具相连接，所述旋转中心杆柱的下部与所述滤砂网保持预设的间隙距离；所述腔体固定在前滨海域海岸上，腔体的顶部高于坐落位置的平均高潮面，腔体底部低于坐落位置的平均低潮面，腔体的高度大于由海水的平均高潮面与平均低潮面的高度差确定的潮汐高度；腔体的形状呈倒立的圆台状，直径随高度的增加而增加；涨潮时潮汐水流依次经由腔体的底部、砂堵与滤砂网而进入腔体的内部，推动驱动旋转螺具和旋转中心杆柱转动；落潮时潮汐水流依次经由腔体的内部、滤砂网、砂堵、腔体的底部流出，驱动旋转螺具和旋转中心杆柱反向转动，从而将垂向水流势能转换为所述驱动旋转螺具和所述旋转中心杆柱的旋转动能；所述正反转换向阀包括内侧电柱、牵引弹簧、滑杆、外侧电柱以及不导电阀体；滑杆上设置三个连接支柱，包括分别位于两端的两个为不导电支柱和位于中间的一个导电支柱，所述不导电支柱通过牵引弹簧分别与内侧电柱和外侧电柱连接；内侧电柱、滑杆和外侧电柱均由导电电线与发电机连接；驱动齿轮与滑杆接触，旋转中心杆柱和驱动齿轮逆时针转动时，滑杆与外侧电柱接触，与外侧电柱相连接的牵引弹簧被压缩；当旋转中心杆柱和驱动齿轮顺时针转动时，滑杆与内侧电柱接触，与内侧电柱相连接的牵引弹簧被压缩，并在旋转中心杆柱和驱动齿轮分别处于逆时针转动或者顺时针转动时，实现正反转换向阀的正向接通换向或者反向接通换向，以持续性推动所述发电机的运转。

可优选的是，所述防护顶盖为位于腔体的上部的两个能对接半圆，所述防护顶盖通过支架固定所述发电机的壳体，所述发电机的壳体承受旋转中心杆柱、驱动齿轮、驱动旋转螺具的重量以及潮汐水流的垂向重力分量；防护顶盖的中心设有圆孔，用于旋转中心杆柱穿过，旋转中心杆柱与防护顶盖之间采用轴承卡瓦组件实现滑动和密封。

可优选的是，所述砂堵为多层石英砂，自下而上的目数逐渐增加，最底部石英砂利用合成树脂进行胶结而形成一层胶结层。

可优选的是，本发明的转换装置还包括快速输水管道，所述快速输水管道包括第一管道和第二管道，第一管道和第二管道的出口端设置在腔体的底部处，快速输水管道具有控制海水向腔体底部的海水流动的管口阀门；第一管道埋于前滨海域的海岸，其入口端置于平均高潮面与平均低潮面中间；第二管道埋于前滨和近滨海域海岸，其入口端置于平均低潮面的下部。

进一步，所述驱动旋转螺具的直径随高度的增加而增加，所述驱动旋转螺具的顶部高于坐落位置的平均高潮面，所述驱动旋转螺具的底部低于坐落位置的平均低潮面。

进一步，所述驱动旋转螺具为一体式的螺杆、单螺带螺杆、双螺带或分离式的多个叶轮。

进一步，安放在所述砂堵上方的所述滤砂网固定设置在所述腔体的内壁上，所述滤砂网与所述砂堵之间具有间隙，所述滤砂网的内部具有割缝或中心筛孔。

本发明的另一方面还提供一种利用前述沉砂式近岸潮汐能转换装置进行潮汐能和波能的转换方法，所述方法包括以下步骤：

s1、安装所述沉砂式近岸潮汐能转换装置，具体包括：

s101、安装所述腔体：在腔体底部铺设砂堵，在砂堵上面安装滤砂网，滤砂网安装与砂堵留有预定间隙；将驱动旋转螺具、滑动轴承、一临时卡瓦、驱动齿轮依次安装至旋转中心杆柱，吊装旋转中心杆柱和驱动旋转螺具至腔体内后，将构成防护顶盖的两个能对接半圆进行拼接，下放旋转中心杆柱使临时卡瓦坐在防护顶盖上部且防护顶盖支撑全部旋转中心杆柱重量，调整滑动轴承和临时卡瓦实现滑动和密封，拆除临时卡瓦；

s102、安装正反转换向阀、发电机并埋设快速输水管道，将正反转换向阀、发电机支架固定在防护顶盖上，将发电机与旋转中心杆柱连接，将正反转换向阀与驱动齿轮对接，安装导电电线与外输电线；退潮至平均低潮面阶段埋设快速输水管道；

s2、涨潮与落潮过程潮汐能转换步骤，具体包括：

s201、控制管口阀门：打开快速输水管道的管口阀门，使海水流向密封好的腔体，并通过控制关口阀门的开合度调整快速输水管道的流量；

s202、潮汐能转换并获得潮汐能转换装置的运转参数：海水向上流动过程中推动中心旋转杆柱转动和正反转换向阀的滑杆移动，海水向下流动过程中推动中心旋转杆柱向反方向转动和正反转换向阀滑杆向反方向移动；记录涨潮和退潮过程中心旋转杆柱的转速、海水上升高度、导电电线的位置电压；

s3、数据处理：分析所述沉砂式潮汐能转换装置的运转参数与海水运动规律间的相关性，调整所述腔体的内部直径及内壁斜率、快速输水管道的流量和驱动旋转螺具的形状，定量表征所述沉砂式近岸潮汐能转换装置的能量转换效率与内部结构参数及安装位置处海水运动规律的关系。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、装置规模小、成本低，结构简单、设计合理且安装布设方便；

2、实用价值高，本发明提出一种主动型的沉砂式近岸潮汐能转换装置，在海岸局部位置向下挖掘构建腔体，利用快速输水管道沟通腔体和深水区，利用潮汐或波浪的上下波动，将垂向水流势能转换为驱动旋转螺具、旋转中心杆柱的旋转动能，旋转中心杆柱与外界水流的方向垂直，利用正反转换向阀持续性推动发电机运转；

3、既可利用海平面高度的变化，也可以利用瞬时波浪高度的变化，每天可工作时间长，对建设地点的要求低，水深或水浅、浪大或浪小区域均可以建设，每天可利用的能量要远大于普通近岸型能量转换装置；

4、添加砂堵和滤砂网，降低海水和海岸原位置处的固体颗粒物进入腔体内部损坏驱动旋转螺具；连接的发电机置于水面和防护顶盖的上方，减小腐蚀损坏，提高检修便利性；在快速输水管道管口处添加闸阀、在腔体底部添加净水用膜，可改进为小型防护堤和净储水缓冲装置使用。

综上所述，本发明设计合理、操作简便、适应性较广、成本较低、多功能，利用海平面或瞬时波浪高度的变化实现海水势能转换为驱动旋转螺具、旋转中心杆柱的动能，多种能量利用形式和正反转换向阀使得沉砂式近岸潮汐能转换装置工作时间延长，提高装置利用效率，降低地理位置对近岸型能量转换装置的要求。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明沉砂式近岸潮汐能转换装置的整体使用状态示意图；

图2为本发明沉砂式近岸潮汐能转换装置中驱动齿轮与正反转换向阀的详细使用状态示意图；

图3为本发明进行沉砂式近岸潮汐能转换的试验方法流程图。

附图标记说明:

1—旋转中心杆柱；2—驱动齿轮；3—防护顶盖；

4—正反转换向阀；5—驱动旋转螺具；6—腔体；

7—快速输水管道；8—砂堵；9—滤砂网；

10—平均高潮面；11—平均低潮面；12—发电机；

13—导电电线；14—内侧电柱；15—牵引弹簧；

16—滑杆；17—外侧电柱；18-支架；

19-发电机的壳体；20-轴承卡瓦组件；21-不导电阀体；

22-不导电支柱；23-导电支柱；24-报警装置；

41-滑杆上的凸块；61-腔体的底部；71-第一管道；

72-第二管道；73-快速输水管道的出口端；74-快速输水管道的入口端；

75-管口阀门。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的沉砂式近岸潮汐能转换装置包括旋转中心杆柱1、安装在旋转中心杆柱上的驱动齿轮2、驱动旋转螺具5、与驱动齿轮2相连接的正反转换向阀4、腔体6、防护顶盖3、端面接近腔体底部的快速输水管道7、腔体6的内部正下方的砂堵8与滤砂网9。

旋转中心杆柱1保持垂直安置，由低密度材料制成例如玻璃钢制成。旋转中心杆柱1的上部外接发电机12与驱动齿轮2，旋转中心杆柱1的转动带动发电机12的内部转轴以及驱动齿轮2的转动。旋转中心杆柱1的中部通过销钉与驱动旋转螺具5相连接，旋转中心杆柱1的下部与滤砂网9保持一定预设的间隙距离。

腔体6固定地设置在前滨海域的海岸里，腔体6的顶部高于坐落位置的特大风暴潮最高水位线即平均高潮面10所代表的位置，腔体6的底部低于坐落位置的平均低潮面11，腔体高度大于潮汐高度，即平均高潮面10与平均低潮面11的高度差；腔体6的形状呈倒立的圆台状，直径随高度的增加而增加；涨潮时潮汐水流依次经由腔体6的底部61、砂堵8与滤砂网9进入腔体6的内部，推动驱动旋转螺具5进行转动，驱动旋转螺具5的转动带动旋转中心杆柱1进行转动；落潮时潮汐水流依次经由腔体6的内部、滤砂网9、砂堵8、腔体的底部61流出，再次驱动旋转螺具5和旋转中心杆柱1进行转动。驱动旋转螺具5在每个海浪的涨潮时和落潮时均被潮汐水驱动，处于转动状态。

防护顶盖3为位于腔体6的上部的两个可对接半圆，防护顶盖3通过支架18固定发电机12的壳体19，壳体19承受旋转中心杆柱1、驱动齿轮2、驱动旋转螺具5的重量以及潮汐水流的垂向重力分量；防护顶盖3的中心设有圆孔，用于旋转中心杆柱1穿过，旋转中心杆柱1与防护顶盖3之间采用轴承卡瓦组件20实现滑动和密封，轴承卡瓦组件包括滑动轴承和临时卡瓦。

如图2所示，正反转换向阀4包括内侧电柱14、牵引弹簧15、滑杆16、外侧电柱17以及不导电阀体21。滑杆16上分布三个连接支柱，两端的两个为不导电支柱22，通过牵引弹簧15分别与内侧电柱14、外侧电柱17连接。中间的一个支柱是由可导电的铜制作的导电支柱23。内侧电柱14、外侧电柱17通常由铜制作，内侧电柱14、滑杆16、外侧电柱17均由导电电线13与发电机12连接。滑杆16设有一凸块41，凸块41与驱动齿轮2相接触。旋转中心杆柱1和驱动齿轮2逆时针转动时，实现滑杆16与外侧电柱17接触，从而与外侧电柱17相连接的牵引弹簧15被压缩。当旋转中心杆柱1和驱动齿轮2顺时针转动时，滑杆16与内侧电柱14接触，从而与内侧电柱14相连接的牵引弹簧15被压缩。因此，在旋转中心杆柱1和驱动齿轮2分别处于逆时针转动或者顺时针转动时，实现正反转换向阀4的正向接通换向或者反向接通换向，进而持续性推动发电机12的运转。

砂堵8为具有一定目数的多层石英砂，自下而上目数逐渐增加，最底部石英砂利用合成树脂进行胶结而形成一层胶结层；安放在砂堵8正上方的滤砂网9固定设置在腔体6内壁上，滤砂网9与砂堵之间具有间隙，滤砂网9的内部具有割缝或中心筛孔。

本实施例中，驱动旋转螺具5为低密度材料制作，直径随高度的增加而增加，落潮时借助装置本身的负压效应，实现驱动旋转螺具5的高转速运行；驱动旋转螺具5可为一体式的螺杆、单螺带螺杆、双螺带或分离式的多个叶轮，驱动旋转螺具5的顶部略高于坐落位置的平均高潮面10，驱动旋转螺具5的底部略低于坐落位置的平均低潮面11。

本实施例中，快速输水管道7包括两个管道，即第一管道71和第二管道72。第一管道71和第二管道72的出口端73均接近腔体6的底部61，快速输水管道7具有控制海水向腔体底部61流动的管口阀门75；第一管道71埋于前滨海域海岸，入口端74置于平均高潮面10与平均低潮面11中间；第二管道72埋于前滨和近滨海域海岸，入口端74置于平均低潮面11的下部。

如图3所示，本发明的沉砂式近岸潮汐能转换装置进行潮汐能、波能转换的试验方法，包括以下步骤：

步骤s1、转换装置安装，其具体步骤如下：

s101、腔体与内部装置安装：在腔体6底部铺设砂堵8，在砂堵上面安装滤砂网9，滤砂网9安装过程中确保与砂堵留有间隙；将驱动旋转螺具5、滑动轴承卡瓦组件20、驱动齿轮2依次安装至旋转中心杆柱1，吊装旋转中心杆柱1，将驱动旋转螺,5放置在腔体6的预设位置后，将组成防护顶盖3的两个可对接半圆进行拼接，下放旋转中心杆柱1使滑动轴承卡瓦组件20位于防护顶盖3的上部且防护顶盖3支撑全部旋转中心杆柱1的重量。滑动轴承卡瓦组件20包括滑动轴承和临时卡瓦，通过调整滑动轴承、临时卡瓦直接配合关系实现滑动和密封，调整好后，拆除临时卡瓦，安装警示标志；

本实施例中，腔体6在砂质海岸利用油基水泥进行修建，修建地点处向下挖掘1～2m，腔体6总高度4～5m、底部内径1m、内壁斜率即向上增幅约0.1～0.12m/m；砂堵8为40-60、60-80目的混合石英砂，总高度不超过0.5m，下部石英砂目数较高，上部石英目数较低；滤砂网9为借鉴石油领域防砂方面的三层复合割缝筛网，每层间隙2-3mm，滤砂网9底部与砂堵8之间的间隙不小于10mm；驱动旋转螺具5为分离式的3个叶轮，由低密度玻璃钢制成，腔体6内径与驱动旋转螺具5的叶轮外径为间隙配合，根据腔体6内径调整不同位置的叶轮外径；旋转中心杆柱1利用石油工程领域采油方面的玻璃钢短抽油杆、直径29mm、长度3～3.5m；滑动轴承为滚珠轴承，内外分别同旋转中心杆柱1外径、防护顶盖3中心孔眼内径进行配合，滚动轴承下放具有一个临时承托盘，临时承托盘固定到旋转中心杆柱1上部；驱动齿轮2为不锈钢制齿轮，固定到旋转中心杆柱1上部；吊装旋转中心杆柱1、驱动旋转螺具5时保持平稳下放，驱动旋转螺具5与腔体6位置相配合，旋转中心杆柱1尾部不硬触及滤砂网9，防止损坏滤砂网9；组成防护顶盖3的两个可对接半圆放置合适位置后进行焊接，去掉卡瓦、临时承托盘，下放旋转中心杆柱1，使得滚动轴承坐放到防护顶盖3中心孔眼处，待轴承实现顺利滑动时停止作业。

s102、安装正反转换向阀、发电机并埋设快速输水管道，即外部装置连接：将正反转换向阀4、发电机支架固定在防护顶盖3上，将发电机与旋转中心杆柱1对接，将正反转换向阀4与驱动齿轮2对接，安装导电电线13与外输电线；退潮至平均低潮面11阶段埋设快速输水管道7；

本实施例中，待腔体6与内部装置安装完毕后，在防护顶盖3上方安装不锈钢制发电机支架18，并进行防腐处理；对接发电机12与旋转中心杆柱1、正反转换向阀4与驱动齿轮2前，保持旋转中心杆柱1不动；埋设的第一管道71延伸至平均低潮面11，长度约10m，第二管道72延伸至平均高潮面10与平均低潮面11所处海岸线的中间，长度约6m，快速输水管道7为耐腐蚀低密度的塑料管，内径约10～15mm，快速输水管口7加管口阀门75和滤网，防止管口阀门75打开后海水中杂质进入、堵塞管道，管道铺设后用海砂填埋；当发现快速输水管道7出现下沉现象时，在管柱上绑缚增加悬浮性的树脂或塑料。

步骤二、涨潮与落潮过程潮汐能转换，其试验过程如下：

s201、控制管口阀门：打开快速输水管道7的管口阀门75，使海水流向密封好的腔体6，并通过控制管口阀门75的开合度调整快速输水管道7的流量。

本实施例中，人工注水测试装置密封性，人工转动旋转中心杆柱1测试旋转性能，发现问题及时调整装置位置，保证装置腔体6密封完好、旋转中心杆柱1无急剧振动后停止测试，测试时间不少于1h；尽可能选择落潮阶段，打开快速输水管道7的管口阀门75。

s202、潮汐能转换：海水向上流动过程中推动中心旋转杆柱1转动和正反转换向阀4的滑杆16移动，海水向下流动过程中推动中心旋转杆柱1向反方向转动和正反转换向阀4的滑杆16向反方向移动；记录涨潮和退潮过程中心旋转杆柱1的转速、海水上升高度、导电电线13位置电压。

本实施例中，正反转换向阀4内部的内侧电柱14、外侧电柱17为铜片，连接内侧电柱14、外侧电柱17与滑杆16的对称分布的牵引弹簧15初始为压缩状态，保证牵引弹簧15具有较强恢复性能。当装置运转过程中出现滑杆16卡在某一侧时报警装置24会发出警报并启动复位装置拨动滑杆16使之回位；当设备出现损坏或临时故障时，报警装置24会关闭快速输水管道的管口阀门75，待设备完全停止运转后，进行设备维修。待修复且按照步骤201测试完好后，重新恢复设备运转，实现潮汐能转换。在记录参数过程中注意避免直接接触装置，保证安全，海水上升高度为腔体外部的海平面与平均低潮面11之间的差值，转速可通过测量中心旋转杆柱1转速或测量一定时间驱动齿轮2敲击滑杆16次数进行表示。

s3、数据处理：分析沉砂式近岸潮汐能转换装置的运转参数与海水运动规律间的相关性，调整腔体6的内部直径及内壁斜率、快速输水管道7的流量和驱动旋转螺具5的形状，定量表征沉砂式近岸潮汐能转换装置的能量转换效率与内部结构参数及安装位置处海水运动规律的关系。

本实施例中，根据步骤s202所记录的中心旋转杆柱1的转速、海水上升高度、导电电线13位置电压进行曲线分析，调整驱动旋转螺具5的形状、快速输水管道7的尺寸、腔体6的内径直径和内壁斜率，优选得到适应具体安装地点的装置内部结构参数，进而定量表征装置能量转换效率与装置内部结构参数、安装地点海水运动规律的关系。

综上所述，本发明用沉砂式近岸潮汐能转换装置进行潮汐能和波能转换，利用小型装置即可实现近岸多种海洋能量的综合利用和转换，降低波浪较小近岸区域海洋能量利用不足的限制，通过向下挖掘构建、腔体和海上渗滤，对近岸位置可转换的潮汐能实现充分利用，沉砂式近岸潮汐能转换装置同时可作为防护堤和净储水缓冲装置进行使用。

在本发明的沉砂式近岸潮汐能转换装置使用过程中，首先进行沉砂式近岸潮汐能转换装置内部和外部的设备安装，之后打开快速输水管道，进行涨潮与落潮过程潮汐能转换，最后测量中心旋转杆柱转速、海水上升高度、导电电线位置电压，整理试验数据，分析得到安装地点海水运动规律、装置自身形态、能量转换效率的变化规律，并对沉砂式近岸潮汐能转换装置进行迭代性优化设计，获得最佳工作参数。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。