基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列

本发明涉及海洋波浪能发电，特别是涉及基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列。

背景技术：

1、随着社会和经济的不断发展，传统能源稀缺问题日渐显著，我国未来30年内年均能源需求将达到本世纪初的3倍。人类对可再生能源的需求不断增长，利用新型清洁能源成为研究的热点。海洋面积占地球表面积的70%，海洋中蕴含着丰富的可再生能源，主要有波浪能、潮汐能、海流能、温差能、盐差能等。波浪能作为一种能量储备多、分布广泛、可预测性强且能流密度大的海洋能源成为了各国研究的焦点。

2、迄今为止，已开发了几种典型的波浪能发电装置如：点头鸭式、摆式、振荡浮子式、振荡水柱式、海蛇式等。在众多波浪能发电装置中，振荡水柱式波浪能发电装置因为结构简单、性能可靠成为了广泛采用的一种波浪能发电装置。然而传统振荡水柱式波浪能发电装置存在转换效率低等问题，因此本发明提出一种提高波能利用率和波浪能转换效率的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列，将振荡水柱式波浪能发电装置与聚能板相结合可以大大提高波能装置的发电效率，解决了现有振荡水柱式波浪能发电装置转换效率较低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列，包括若干个圆柱形的振荡水柱波浪能发电装置，振荡水柱波浪能发电装置的圆柱直径沿阵列呈梯度分布；

3、振荡水柱波浪能发电装置包括聚能板、发电系统、气室、外壳主体、系泊系统；聚能板连接在外壳主体的底部，外壳主体为中空圆柱形，气室设置在外壳主体的内部并位于聚能板的上侧，外壳主体内还设有位于气室外侧的压载水舱，外壳主体上表面中部设有与气室顶部相通的圆形开口，外壳主体的侧部下方设有与气室底部相通的楔形入水口，发电系统设置在气室的上部，系泊系统设置在聚能板的外侧底部，系泊系统包括系泊锚链，系泊锚链一端连接在聚能板底部，另一端固定于海床中。

4、优选的，气室的下部为圆锥形结构，气室的上部为圆柱形通道，圆锥形结构与圆柱形通道连接为一体结构呈倒漏斗形。

5、优选的，发电系统设置在气室的圆柱形通道与圆锥形结构的过渡连接处，发电系统包括发电机、空气透平、垂直传动轴、水平传动轴、小锥形齿轮和大锥形齿轮，空气透平安装在垂直传动轴的底部，垂直传动轴的顶部连接有大锥形齿轮，大锥形齿轮的上侧啮合连接有小锥形齿轮，小锥形齿轮通过水平传动轴与发电机连接。

6、优选的，聚能板与外壳主体固连为一整体，聚能板为由不同直径的圆环焊接而成的斗笠形结构，聚能板的焦点位于气室内底部。

7、优选的，连续两个振荡水柱式波浪能发电装置的直径为：

8、；

9、其中为第 n个振荡水柱式波浪能发电装置的直径，为第一个振荡水柱式波浪能发电装置的直径，为指数梯度参数，表示第个振荡水柱式波浪能发电装置的横坐标，为第一个振荡水柱式波浪能发电装置的横坐标。

10、优选的，外壳主体上表面中部位于圆形开口的圆周外侧设有环形的注水口，注水口与压载水舱相通，注水口内拆卸连接有环形盖板，环形盖板的横截面为凸字形结构。

11、本发明的机理

12、本发明中在气室的底部设置斗笠形圆盘的聚能板，当波浪从楔形入水口入射到装置内时，聚能板通过反射可以将波浪聚集在装置的气室内，从而提高入射波高，进而提高波能利用率和波浪能转换效率。

13、抛物面型聚能板凹面的反射波可以向固定焦点位置传播，聚集的最大波高出现在距离凹面顶点二分之一或一个波长处。对于特定的波浪环境，聚焦位置的波高可以达到入射波高的四倍以上，获得的波浪能量倍增。利用抛物面型凹面的焦点位置可以聚集波浪能这一特点，通过将聚波板制成特定的形状，可以改变其焦点位置，使波浪聚集在装置气室内。

14、根据线性势流理论，当波能装置阵列中圆柱体直径沿阵列呈梯度分布时，对于与阵列长度相当的波长和入射方向的范围，平面入射波携带的能量在指定的圆柱内被放大。利用传递矩阵分析可以得出，这是由于圆柱半径分级导致了向右传播的rayleigh - bloch波在阵列的前端激发，沿阵列逐渐减慢，直到到达一个转折点，群速度为零。局部rayleigh- bloch波携带的能量在转折点处积累，从而产生较大的能量放大。

15、当波浪作用在一种结合聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列上时，波浪在固定焦点位置聚集，气室内的空气因气室内的水的水位上升而产生挤压流动，气流集中沿气室上方的圆柱形狭小通道流出气室外。气室与外界通过气孔频繁进行气体交换，气体在流动过程中会推动涡轮的旋转，进而通过传动装置带动发电机加速旋转，进而产生电能。

16、本发明的有益效果：

17、（1）本发明底部装置聚能板，能够在焦点处聚集入射波，提高入射波高，进而提高波能利用率和波浪能转换效率。本发明的气室设置成倒漏斗形状，能够更有效的聚集波浪，倒漏斗形状的锥形结构挤压气室内空气，提高了空气流速，从而提高了波能转换功率，气室的一侧楔形入水口能够有效增加入射波总量，提高入射波能量。

18、（2）本发明阵列中的振荡水柱波浪能发电装置的圆柱直径沿阵列呈梯度分布。通过改变阵列中波能发电装置的直径，使聚波效果进一步提升，大大提高了波能转换效率。

19、（3）聚能板为一个斗笠形的圆盘，由不同直径的圆环焊接而成，结构简单，便于生产和加工。聚能板与外壳主体连接为一整体，简化了装置结构，节约了生产成本。本发明外壳主体内设置有压载水舱，可以根据需要调整装置的重心和浮态，提高装置整体的稳定性。发电系统设置在气室内偏上的位置，避免了发电系统与水接触，能够有效保护发电机，提高其使用寿命。

20、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。

技术特征：

1.基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列，其特征在于：包括若干个圆柱形的振荡水柱波浪能发电装置，振荡水柱波浪能发电装置的圆柱直径沿阵列呈梯度分布；

2.根据权利要求1所述的基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列，其特征在于：气室的下部为圆锥形结构，气室的上部为圆柱形通道，圆锥形结构与圆柱形通道连接为一体结构呈倒漏斗形。

3.根据权利要求2所述的基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列，其特征在于：发电系统设置在气室的圆柱形通道与圆锥形结构的过渡连接处，发电系统包括发电机、空气透平、垂直传动轴、水平传动轴、小锥形齿轮和大锥形齿轮，空气透平安装在垂直传动轴的底部，垂直传动轴的顶部连接有大锥形齿轮，大锥形齿轮的上侧啮合连接有小锥形齿轮，小锥形齿轮通过水平传动轴与发电机连接。

4.根据权利要求1所述的基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列，其特征在于：聚能板与外壳主体固连为一整体，聚能板为由不同直径的圆环焊接而成的斗笠形结构，聚能板的焦点位于气室内底部。

5.根据权利要求1所述的基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列，其特征在于：连续两个振荡水柱式波浪能发电装置的直径为：

6.根据权利要求1所述的基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列，其特征在于：外壳主体上表面中部位于圆形开口的圆周外侧设有环形的注水口，注水口与压载水舱相通，注水口内拆卸连接有环形盖板，环形盖板的横截面为凸字形结构。

技术总结
本发明涉及海洋波浪能发电技术领域，特别涉及基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列，若干个圆柱形振荡水柱波浪能发电装置的圆柱直径沿阵列呈梯度分布；振荡水柱波浪能发电装置包括聚能板、发电系统、气室、外壳主体、系泊系统；聚能板连接在外壳主体的底部，外壳主体内还设有位于气室外侧的压载水舱，外壳主体上表面中部设有与气室顶部相通的圆形开口，外壳主体的侧部下方设有与气室底部相通的楔形入水口。本发明采用上述基于聚能板的多重聚波振荡水柱式波浪能发电装置阵列，将振荡水柱式波浪能发电装置与聚能板相结合可以大大提高波能装置的发电效率，解决了现有振荡水柱式波浪能发电装置转换效率较低的问题。

技术研发人员：周斌珍,陈帆亭,彭佳欣,金鹏,郑值,王磊,张恒铭,李雪艳
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15