一种寒冷海域用风浪发电装置的制作方法

本实用新型属于寒冷海域发电技术领域，特别提供一种寒冷海域用风浪发电装置。

背景技术：

随着全球气候变暖和北极冰川的逐年减少，浮冰与波浪共存的情况趋于常态化。夏季的北极以及我国冬季的渤海近年来的冰情偏轻。据统计，夏季的北极以及渤海的冬季风浪较大，都是平均波能流密度最大的时期。但现有的波浪能估算方法都忽略了海冰的影响，这会导致对渤海波浪能的高估，而这种高估会严重误导波能发电厂的选址。

此外，海冰的存在往往会对波浪能转换装置造成破坏。我国主要的波浪能发电技术有振荡水柱式、振荡浮子式和越浪式。振荡水柱式可分为离岸式、岸基气动式等。振荡浮子式可分为潜浮式、超越离合器式、钟摆式、垂荡浮子式、深海漂浮式。越浪式可分为分层越浪式和双收缩波道式。在现有波浪能采集利用的研究中，往往忽略了海冰对波浪能转换装置的影响，现有的采集波浪能发电措施并不适用于寒区结冰情况下的海域。

目前关于兼防冰与风浪互补能量转换装置的研究相对滞后。主要表现为对海冰生消与分布情况、海冰基本物理特性和对海冰荷载防治方法的研究不足，这也在很大程度上影响了寒区波浪能收集利用的进一步发展。因此，本实用新型提出了一种适用于寒区结冰海域的波浪能估算方法及风浪互补波能转换装置能够在浮冰与波浪共存时有效采集波浪能与风能，并使用加热棒加热波能转换装置防止结冰。此外，该波能转换装置可直接安装在已建斜坡式防波堤上，不仅可有效预防冰荷载对波浪能转换装置的破坏，还可实现清洁能源的有效利用，特别适合环渤海不允许新建围填海工程的大背景。

技术实现要素：

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种寒冷海域用风浪发电装置。综合考虑海浪和冰块对波浪能的影响，进而实现对发电装置的精确选址和发电装置的结构改进。

本实用新型的的是提供一种寒冷海域用风浪发电装置；包括：

铺设于所述斜坡面上的多个定位槽，所述多个定位槽依次拼接成蜂巢结构(2)；

安装于每个定位槽内的摇摆发电装置(4)；

每个摇摆发电装置(4)通过稳压整流器(5)与蓄电池连接。

进一步，所述摇摆发电装置(4)包括摇摆件(3)，所述摇摆件(3)通过万向头安装于定位槽内，多组摇摆发电装置并联有效提高发电效率；所述摇摆件(3)内部嵌装有碳纤维绳；所述碳纤维绳一端固定连接泵(6)活塞的左侧，所述的泵(6)左侧腔室与马达(7)之间通过管路连接，泵侧壁装有复位弹簧(8)，辅助推板复位；所述的马达(7)通过动力转轴与发电机(9)连接，发电机(9)的输出端子通过稳压整流器(5)与蓄电池连接，即将电流存储到蓄电池。

进一步，所述寒冷海域用风浪发电装置还包括防止定位槽内水流结冰的加热棒，所述蓄电池与加热棒连接。

所述摇摆件(3)和泵(6)均为n*m个，其中：n和m均为大于1的自然数；所述管路包括n*m个初级管路和m个主管路；所述摇摆件(3)分为n组；其中，每个主管路的下端与同组的n个初级管路联通，在每个主管路上设有一个马达(7)，每个马达(7)连接一台发电机(9)。

进一步，所述摇摆件(3)为氯丁橡胶摇摆件。

进一步，所述摇摆件(3)长至少30cm，其内的碳纤维绳直径为12mm。

进一步，所述蓄电池为铅酸电池。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型可有效预防冰荷载对波浪能转换装置的破坏，特别适用于寒区易受冰灾影响区域的波浪能转换装置。防波堤为斜坡式防波堤，并在表面设有蜂巢结构，这种结构形式能够有效消浪并防止海冰对其内部摇摆发电装置的破坏。蜂巢结构的内空间尺寸满足氯丁橡胶摇摆件360°全方位摆动。氯丁橡胶摇摆件长约至少30cm，内部接有直径12mm的碳纤维绳，碳纤维绳一端连接泵，氯丁橡胶摇摆件静止时，碳纤维绳保持绷紧状态。摇摆发电装置设有稳压整流器、氯丁橡胶摇摆件、弹簧、马达、发电机和泵，波浪拍击和强风到来时带动氯丁橡胶摇摆件随机摆动由内部碳纤维绳拉动活塞左移，增大泵左侧腔室内油压的压强，动力介质由支管路汇聚到主管，使主管内马达叶轮转动带动发电机发电。再通过稳压整流器将摇摆发电装置收集到的波浪能整流为直流电并存储到铅酸电池。铅酸电池将电量传输给加热棒防止摇摆件结冰，剩余电量用于港口工业区的供电补充来源。具体为：

1)上述发电装置既可用于无冰海域，也可适用于寒区近岸冬季结冰的海域。

2)所提出的氯丁橡胶摇摆件在波浪能和风能作用下可以随意摆动，由内部碳纤维绳带动泵，由泵依次带动马达、发电机进行发电。

3)使用波能流密度经验公式由动谱平衡方程模型提供波浪要素数据即可估算有冰时波能流密度分布情况，进而确定该发电斜坡式防波堤的选址。

4)在考虑海冰作用下使用的波浪爬高预测公式，可估算出摇摆发电装置的布设位置。

5)使用的加热棒内可以设置温控器，当温度达到5℃时保持温度不变，既节能又能防止摇摆件结冰。

6)所提出的风浪互补的波浪能转换装置是结合环渤海近岸已建斜坡式防波堤提出的多种清洁能源混合发电技术。充分利用现有防波堤工程提出的节能、发电和防冰技术；

7)本技术方案不但适用于有冰的寒冷海域，同时适用于无冰海域。

附图说明

图1为本实用新型优选实施例的断面图；

图2为本实用新型优选实施例的迎浪侧正视图；

图3为本实用新型优选实施例的局部结构图，用于显示摇摆件和泵的连接关系；

图4为本实用新型优选实施例的局部放大图；

图5为本实用新型优选实施例的主管放大图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的

技术实现要素：
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图5，一种寒冷海域用风浪发电装置，包括：位于防波堤1上的：蜂巢结构2、摇摆件3(优选氯丁橡胶摇摆件)、摇摆发电装置4、稳压整流器5、泵6、马达7、弹簧8、发电机9、铅酸电池10、加热棒11、马达叶轮12。其中：防波堤1即是整个构件。摇摆发电装置4包括摇摆件3、稳压整流器5、泵6、马达7、弹簧8和发电机9。所述的斜坡式防波堤表面设有蜂巢结构，这种结构形式能够有效消浪并防止海冰对其内部摇摆发电装置的破坏。所述的摇摆发电装置固定在蜂巢结构内部，能有效防止冰荷载对其的破坏。所述的稳压整流器将波浪能交流电转化为直流电并存储到铅酸电池中。所述的加热棒由铅酸电池提供电能，其内的温控器在达到5℃保持温度不变。摇摆件3的迎浪面可以为平面矩形，也可以为弧形。

所述摇摆发电装置4包括位于每个定位槽内的摇摆件3，摇摆件3通过万向头安装于定位槽内，多组摇摆发电装置并联有效提高发电效率；所述摇摆件3内部嵌装有碳纤维绳；所述碳纤维绳一端从泵腔端面中心孔穿入泵腔，然后固定连接于泵6活塞的左侧中心位置，所述的泵6左侧腔室与马达7之间通过管路连接，泵侧壁装有复位弹簧8，辅助推板复位；所述的马达7通过动力转轴与发电机9连接，发电机9的输出端子通过稳压整流器5与蓄电池连接，即将电流存储到蓄电池。

发电原理：摇摆件3在摇摆的过程中拉紧碳纤维绳，碳纤维绳进而带动泵6的活塞向左侧移动，弹簧拉伸，动力介质从左侧腔室流入管路，进而驱动管路内液压马达7的叶轮12正转，液压马达随后通过传动轴带动发电机发电；当无风和无波浪时，摇摆件3复位，此时，活塞在弹簧的作用下右移，管路为竖直状态设置，因此，动力介质在重力的作用下从管路回流至左侧腔室，在回流的过程中，液压马达反转，同样带动发电机实现发电，动力介质优选具有润滑作用的液体。

如图3所示：为了节约发电机的数量，提高发电的效率，在上述优选实施例的基础上，摇摆件3和泵6为一一对应的关系，两者的数量相同，将两者作为一个整体看待，按照区域分为m个小区域，每个区域有n个摇摆件3；由于区域较小，所以每组n个摇摆件3可以认为是同步运动，则这n个摇摆件3对应的n个泵6同步动作，将这n个泵6连接的管路命名为初级管路，将这n个初级管路的端部连接同一个主管路的下端，这样即可将n个泵6的油压合并为一个较大的油压，在每个主管路上设有一个马达7，每个马达7连接一台发电机9。

所述摇摆件3长至少30cm，优选30cm，其内的碳纤维绳直径为12mm。

一种寒冷海域用风浪发电装置的定位模块，包括：

有冰时波浪能估算模块；有冰时波能流密度估算公式如下：

其中：p为波能流密度，单位为kw/m；ρ是指海水密度，一般取1.028kg/m³；k为波数，其值等于其中l为波长，te为能量周期。hs为包含冰影响的有效波高，单位是m。据报道，随着全球气候变暖和北极冰川的逐年减少，浮冰与波浪共存的情况趋于常态化。我国环渤海地区在冬季寒潮大风频发，风是浪形成的主要驱动力，而寒潮大风天气往往又伴随着低气温，从而导致海水结冰，因此公式(1)中的有效波高hs需要考虑冰的影响。

波浪推算采用动谱平衡方程模型，以风作为驱动力，基于下述方程推算环渤海域工程位置处波浪场分布：

其中：ufric为风摩擦速度；cdrag为风拖曳力系数，推荐值为0.0013；aice为0～1之间的冰浓度；wind10为10m高度时的风速。

根据公式(2)计算出风摩擦速度ufric；再基于ufric和重力加速度计算johnswap谱；接着，再根据输入的谱峰周期对应的频率计算出当前时间水平下的作用密度，进而得到波能密度的零阶矩etot，并基于下式得到考虑冰影响的有效波高hs

根据波能流密度的估算值，进而对环渤海近岸已建斜坡式防波堤进行评估，确定该发电斜坡式防波堤的选址。

有冰时波浪爬高预测模块；有冰时波浪爬高预测公式如下：

r＝kδr1hs(4)

其中：r为波浪爬高；kδ为与斜坡堤护面结构型式有关的糙渗系数；r1为kδ＝1，hs＝1m时，波浪在光滑斜坡堤上产生的爬高；hs为考虑冰影响的推算波高，防波堤前的hs根据公式(1)～公式(4)中的值推算得到。

位置预测模块；根据有冰时波浪爬高r的预测值，进而确定蜂巢结构与摇摆发电装置的位置。r的值在本专利中包含冰的影响。通常情况下，r值在水位附近变动。在低水位和入射波高较小的情况下，r值较小，但是在高水位时r值可能会到达堤顶，因此r值会有一个范围。由公式(1)-(4)结合当地的水位条件计算出波浪爬高的范围后，将发电装置布置在此范围内。当受到波浪拍击或风能作用，氯丁橡胶摇摆件会全方位摆动，再由内部碳纤维绳拉动推板增大泵内压强，动力介质由支管路汇聚到主管，使主管内马达叶轮转动带动发电机发电。收集到的电能通过稳压整流器存储到铅酸电池并为加热棒提供电能，加热棒加热斜坡式防波堤附近海水温度，防止附近海水结冰。温控器感应到温度达到5℃时保持温度不变，既节能又能有效防止摇摆件结冰。

一种寒冷海域用风浪发电装置的定位方法；包括如下步骤：

s1、有冰时波浪能估算；海洋波能的可发电资源通常用波能流密度来定量描述，有冰时波能流密度估算公式如下：

其中：p为波能流密度，单位为kw/m，是用来计算每米波峰宽度方向从海平面到海底面整个水体蕴蓄的波功率；ρ是指海水密度，取1.028kg/m³；k为波数，其中l为有效周期对应的波长，单位为m；te为能量周期，单位为s，用0.9乘以谱峰周期tp来表示；l与tp都是由swan的动谱平衡方程模型计算得出；hs为包含冰影响的有效波高，单位是m；

s2、波浪推算采用动谱平衡方程模型，以风作为驱动力，基于下述方程推算环渤海域工程位置处波浪场分布：

其中：ufric为风摩擦速度；cdrag为风拖曳力系数，当10m高度处的风速wind10>7.5m/s时，cdrag＝(0.8+0.065*wind10)*0.001；当wind10≤7.5m/s时，推荐值为0.0013；aice为0～1之间的冰浓度；wind10为10m高度时的风速；

根据公式(2)计算出风摩擦速度ufric；再基于ufric和重力加速度计算johnswap谱；

根据输入的谱峰周期对应的频率计算出当前时间水平下的作用密度，进而得到波能密度的零阶矩etot；并基于下式(3)得到考虑冰影响的有效波高hs

根据波能流密度p的估算值，进而对环渤海近岸已建斜坡式防波堤进行评估，确定该发电斜坡式防波堤的选址；

s3、有冰时波浪爬高预测；有冰时波浪爬高预测公式如下：

r＝kδr1hs(4)

其中：r为有冰时的波浪爬高；kδ为与斜坡堤护面结构型式有关的糙渗系数，kδ取值范围为0～1；当kδ＝1时，表示光滑不透水的防波堤护面，kδ越小，表示防波堤护面越粗糙；r1为当kδ＝1，hs＝1m时，波浪在光滑不透水的防波堤护面上产生的爬高；

s4、根据有冰时波浪爬高r的预测值，进而确定蜂巢结构与摇摆发电装置设置的位置。r值是个波浪爬高值，就是波浪在斜坡堤上爬坡的高度，在本专利中包含冰的影响。通常情况下，r值在水位附近变动。在低水位和入射波高较小的情况下，r值较小，但是在高水位时r值可能会到达堤顶，因此r值会有一个范围。由公式(1)-(4)结合当地的水位条件计算出波浪爬高的范围后，将发电装置布置在此范围内，确保其能吸收波浪能。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。