专利名称:水压式波浪能发电装置的制作方法
本发明为系泊式波能发电装置不少国家对波能发电装置进行了很多研究。就系泊式装置而言，较典型的有日本盖田式空气透平波浪发电浮标鸭式波浪发电装置〔美国专利第4048512号〕随波筏式波力发电机〔美国专利第4077213号〕气袋式波力发电装置〔英国兰开斯特大学〕螺旋浆式波力发电装置〔日本特许昭57-50939〕上述装置，因为耐腐蚀性能不佳或强度不足，或因为水下施工困难和装置体积过于庞大;或因为波能利用效率低和年利用时间短，以至使波能发电的成本很高。故除了个别情况，如作为浮式航标的电源以外，波能发电装置至今尚未实用化。
上述装置未能广泛应用的另一个重要原因是，其系留问题未能得到有效的解决，即系留均是采用水底下锚的方法实现的。这就可能在波浪和水底暗流的作用下发生跑锚现象。为了达到有效系泊的目的，通常需要采用多个大抓力锚，因而成本较高。
本发明的目的在于，提供一种克服了上述不足并有可靠的静态定位设施的波能发电装置，使大规模开发利用海洋波浪能成为可能。
本发明的目的还在于，所提供的本发明装置，克服了因波浪的脉动性而产生的电压不稳定，使发出的电可并入电网或不经交、直流的转换而直接投入使用，且年利用小时数高，经济效益较显著。
本发明的波能转换装置如图1所示，它主要由压力缸1，缸浮体2，活塞浮体3，支撑杆4，压力流体导管5，海底系留设施6等构成。
压力缸由缸体和活塞组成，如图2所示。压力缸体是一个耐蚀性能好的金属圆筒，其内壁衬有缸套。缸的两端(7、8)为球面，用法兰盘和螺栓与缸体1连接，以便安装和拆卸。两端球面内沿口各有一个截止环(10、11)。压力缸上球面中央部位有一圆孔，安装有阀门1和吸水管12。下端球面中央部位也有一圆孔，安装有轴瓦13。旁边另有一圆孔14，装有阀门2。吸水管入口和圆孔14外侧均装有栅栏，以阻止海洋生物进入缸内。阀1上装有浮子，便于关闭。活塞15由圆形的活塞头16和活塞杆17组成。活塞头上装有活塞环，活塞可在压力缸内上下滑动，缸体的上、下截止环确定了它的滑行区间。活塞头中部有一圆孔18。活塞杆的长度应大于压力缸的高度，并能使活塞浮体处在波谷以下附近位置。活塞杆可通过下球形端的轴瓦13作上下滑动，其内部是空心的。活塞杆的上端是与活塞头相连的空心室杆头19，其侧面有圆孔20。圆孔20与活塞头的圆孔18共用一个平板阀门21，构成了阀3(圆孔18)和阀4(圆孔20)。
缸浮体为钢筋混凝土制造的中空的长方形结构物，压力缸固定其上，由此构成的总比重为0.5。缸浮体的两侧各装有两组以上的滑轮22，如图1所示。滑轮可沿着导向轨23滑动。
活塞浮体亦为钢筋混凝土或耐蚀金属板制成的中空的圆筒形结构物，它的比重小，故具有较大的正浮力，活塞杆垂直固定在它的上面。两根以上的导向轨23分别垂直固定在它的两侧，导向轨的上端部用框架连接加固。支撑杆4用以增加活塞杆17受压时的稳定性。压力流体导管5起输送高压水的作用。活塞浮体由海底系留设施系留在水表面以下5～6米处。
系留设施由钢缆24，球铰连接挂钩25和海底锚桩26构成。海底锚柱是预应力钢筋混凝土构筑物，因此具有良好的抗拉和耐腐蚀性能。
本发明的工作原理叙述如下如所周知，波浪是海洋表层的水质点在原地作的环形运动。这种环形运动可分解为垂直方向的运动一垂直波，和水平方向的运动一摇蕩波。本发明之装置的工作过程亦是上述两种分解波的作功过程。
垂直波从波谷开始上升时，水质点的动能作用于缸浮体底部，将缸浮体向上抬升。此时由锚桩锚定的活塞作向下的相对运动，使活塞头下面的海水受压，于是阀2与阀3立即关闭而阀4开启，高压水从活塞杆内部通道经压力流体导管送出，冲击水轮机作功。同时阀1开启，抽吸海水到缸内。到达波峰后，垂直波动能耗完，缸浮体在重力的作用下开始下落。此时固定在活塞浮体上的活塞就受到一个向下的压力。由于活塞浮体3的正浮力能够克服这个向下的压力，使活塞停留在水中原来的高度位置。因此活塞相对于下落的缸浮体作向上运动，使活塞2上面的海水受压。于是阀1、阀4关闭而阀3打开，高压水经阀3及导管5冲击水轮机作功。同时阀2打开，抽吸海水到缸内，以便下一个波到来时作功。
摇蕩波从原点开始沿着波长方向发展时，水质点的动能作用于缸浮体的侧壁，使缸浮体倾斜，即增加了吃水深度，缸浮体由此得到一附加浮力。这种附加浮力可以使装置获得与垂直波上升时作功过程相同的作功过程。当摇蕩波经二分之一周期后，动能耗完，作用在缸浮体侧壁的力消失，缸浮体返回到原垂直位置，此时其吃水深度减小，在重力的作用下缸浮体下落，与垂直波情形的重力作功过程相同，排出高压水冲击水轮机作功。
由上述作功过程，在波浪的前半周时间内，垂直波和摇蕩波能量的一部分转换为高压水能，另一部分转换为缸浮体势能。当垂直波和摇蕩波动能消耗完毕后，缸浮体势能也会逐渐转换为高压水能。設水是不可压缩的，并忽略活塞的摩擦损失和水能的沿程损失和局部损失，则上述两种转换都是完全的，即垂直波和换荡波的能量都转换成了高压水能。
选用有两个喷咀的水斗式水轮机，该型水轮机在水压波动较大时，效率比较稳定。发电机组和配电装置可放置在平底驳船上，平底驳船依靠海底锚桩和锚泊浮筒固定在本发明装置的近旁。亦可放置在附近的海上平台上。所发电力经由海底电力电缆送往岸上。
本发明之波能转换装置与水轮机-发电机组配套组成本发明之完整的波能发电系统。
本发明的另一种型式是，缸浮体上的压力缸内被压缩的不是海水而是空气。为此取消阀1处安装的吸水管，另在阀2处安装一根吸气管，作功过程仍如上述。高压空气经导管5进入压力调节設备-
气罐，然后通过减压阀，以稳定的压力冲击气轮机发电，这样做输出电压很平稳，但波能利用效率有所降低。
在用海水作为作功介质时，本发明采用水压功率迭加法，使输出电压具有较好的稳定性。即在安装本发明装置时，将相邻的两组装置间的距离L调整为設计利用波长λ的四分之一，如图3所示。两组装置排出的高压水分别通过流体导管进入水斗式水轮机的两个喷咀，冲击同一台水轮机。因为错开安装，故当装置1的输出水压功率最小时，装置2的输出水压功率最大。即通过两组本发明装置的输出水压功率的迭加，使水轮机的输出功率较为稳定，减少了电压的波动。
本发明装置具有自动定向功能。为了充分地利用波浪能，本发明装置一般在水深30～50米处安装。在这样的深度，海面一般是开阔的，波浪可能从任意方向袭来。本发明装置的系留设施采用球铰接挂钩，当波浪不是从正面袭来时，缸浮体会受到转矩作用，依靠球铰挂钩，自动转向，直到正对着波浪，转矩消失时为止。因而波浪能的利用率较高，并避免了出现中拱和中垂，保护了缸浮体。
本发明装置能使波浪产生偏转，广泛地收集波浪能。偏转效应是当沿着海岸，在水深数十米处，安装很多组本发明装置时，波浪可能不会正对着装置袭来。设装置1安装在多组装置的一端，波浪从这一端袭来。如前所述，装置1依靠球铰挂钩，会自动转向，正对着波浪。由于装置1使波浪受阻，故其近处的波速较小，而较远处的波速较大，于是波浪发生了偏转。相邻的装置2又会使波浪进一步偏转。这样几次偏转以后，波浪会正对着其它各组装置袭来，而波能并没有损失，广泛地被收集。
本发明装置的系留设施之一为海底锚桩。锚柱由预应力钢筋混凝土制成。构筑海底锚柱时，若海底基岩裸露，则采用水下爆破法，在海床上形成一凹坑。然后将锚柱放入坑内，并用水泥砂浆填满坑和锚桩之间的空隙，海底锚柱即告筑成。在这种情况下，海底锚柱的抗拉力是由海水的压力和水泥砂浆的固结力组成的。
若海底沉积层很厚，则采用“脉冲气流沉桩法”，将锚桩沉埋到沉积层的深部，然后将水泥砂浆压注到锚桩下面。在这种情况下，锚柱的抗拉力F是由四个部分组成的
F＝W(锚桩浮重)+R(水泥固结力)+Q(锚桩与土层的侧摩阻力)+P(海水和沉积层的压力)其中P是主要的部分，即F≈P。
设埋桩处的水深50米，上复沉积层厚50米，沉积物的容重为2。又設锚桩的横截面积为4米2，则锚柱拉力F≈P＝600吨。增加锚柱的横截面积，可获得更大的抗拉力。
实施本发明时，为了使本发明能在一年中的大部分时间内达到最大出力，应选择本发明安装的海域的年平均波高为設計利用波高H，并据此确定缸浮体高度α＝(1.3～2)H，缸浮体宽度b＝a。选择缸浮体长度L＝20米。
压力缸高度h＝a。为了使在特大波浪时活塞仍然能够移动作功，也可选择h＝(1.2～1.5)a。压力缸的直径和个数决定于选用的水轮机或气轮机的型号，以水轮机为例，若其工作水头较高，流量较小，则压力缸直径较小，个数较少。反之则直径较大，个数较多。
据数缸浮体的尺寸，还可以推算出活塞浮体的正浮力和钢缆，海底锚桩等的抗拉力。活塞浮体的尺寸、钢缆的横截面积、海底锚桩的横截面积和埋置深度等就都可以决定下来了。
作为本发明的实际应用之一是，設所在海域的年平均波高H＝3米，选择缸浮体高a和宽b均为4米，长为20米。选用工作水头为1千米左右的水斗式水轮机，在缸浮体上安装两个高为4米，内径为30厘米的压力缸，缸体用10CrMOAl合金钢制作，活塞头用10NiCuAL钢制作，活塞杆用20AL2VXt无缝钢管制作。则在波高为3米波浪周期为6秒时，压力缸内的最大压头P＝113.2公斤/厘米2，本发明在一个波浪周期内的平均输出水压功率约为800千瓦。当波高为1.5米，周期为4秒时，平均输出功率约300千瓦。当波高大于3米，如为5米，周期为10秒时，平均输出水压功率约1000千瓦。但此时重力作功过程不能与波浪完全同步，水体也有一定程度的抬升，即波浪的能量未能被充分利用。
采用两组本发明装置，按前“水压功率迭加”安装后，将置有发电机组的平底驳船用海底锚桩和锚泊浮筒固定在装置近旁，即可配套投入运行。
本发明的构造和工作原理等即如上所述。由此可知，本发明具有如下特点1、充分地利用了波浪的能量。
本发明能够适应波浪的自然形状，使垂直波和摇蕩波都得到了充分的利用。故与其它类型的装置相比较，在输出功率相同时，本发明的尺寸较小。
2、年运行小时数较高。
不论是大波浪或小波浪，也不论波浪从哪个方向袭来，本发明均能够利用，故年运行小时数较高。
3、成本较低，维护较简单。
本发明的主要部分-缸浮体和活塞浮体一均由钢筋混凝土制成，造价低，不怕海水腐蚀。本发明的转换装置无转动部分，维护较方便，只需定时更换缸套和活塞环，和更换用于保护钢缆部件的阳极板。
海底锚桩的造价也比较低。
4、电的质量较好。
采用空气作为作功介质时，利用
气罐可使输出电压稳定。采用海水作为工作介质时，利用迭加法使输出水压功率得到补偿，输出电压也较稳定。
5、施工较方便。
缸浮体和活塞浮体都是钢筋混凝土预制件，便于大规模生产，在施工现场构筑好海底锚桩后，将缸浮体和活塞浮体拖运到现场，即可安装发电。
图1为本发明之波能转换装置，其中1-压力缸 5-压力流体导管2-缸浮体 6-海底系留设施3-活塞浮体 22-滑轮4-支撑杆 23-导向轨
24-钢缆 26-海底锚桩25-球铰接挂钩图2为压力缸构造图，其中7、8-缸体球面端 17-活塞杆9-缸身 18-圆孔10、11-截止环 19-空心室杆头12-吸水管 20-圆孔13-轴瓦 21-平板阀门14-圆孔 22-浮子15-活塞 阀1、阀2-进入阀16-活塞头 阀3、阀4-排出阀图3为采用“水压功率迭加”时本发明装置的安装位置。
图4指出了缸浮体的尺寸标注代号。
权利要求
1.本发明为系留式流体压力式波能发电装置，它主要由波能转换装置、水轮机或气轮机和发电机构成。本发明的特征在于，所述波能转换装置主体由内壁贴有衬套的压力缸体和与之连成一体的缸浮体、压力缸活塞和与之连成一体、下部系有系留钢缆的活塞浮体，一端钩挂系留钢缆而另一端钩挂海底锚桩的球铰接挂钩、海底锚桩构成。压力缸是两端为球面的金属圆筒，两端球面内沿各有一截止环。上球面中央圆孔，外侧有一吸水管，内侧有一阀门；下端球面中央圆孔装有轴瓦，轴瓦旁有一阀门，在压力缸中滑动的活塞由装有活塞环的活塞头与空心活塞杆组成。活塞头中心有一阀门，活塞杆上部为一直径比杆中部内径大的空心室，其侧壁有一阀门，它与活塞头中心阀门共用一个阀板。
2.如权利要求
1所述的波能转换装置，其特征还在于所述压力缸吸水管外端及缸体下端阀门外侧均安装栅栏。
3.如权利要求
1，2所述波能转换装置，其特征还在于缸浮体及活塞浮体为预制钢筋混凝土构件。
4.如权利要求
1所述波能转换装置，其特征还在于所述海底锚桩为钢筋混凝土预应力构件。
5.如权利要求
1所述波能转换装置，其特征还在于所述活塞浮体也可以用金属板材制成并且具有防腐蚀作用的涂层。
6.如权利要求
1所述波能转换装置，其特征还在于所述压力缸之吸水管可以取消，而在压力缸下端球面上之阀门外侧安装一根向上伸出的吸气管。
7.如权利要求
6所述在阀门外侧安装一根向上伸出的吸气管时，压力缸内的作功介质为空气。
专利摘要
本发明为水压式波能发电装置，是系留式的波能发电设备。本发明要解决的是降低波能发电装置的成本、提高电能质量和增加装置的年利用小时数，以便大规模开发波浪能。本发明主要包括压力缸、缸浮体、活塞浮体及由球铰接挂钩、海底锚桩组成的系留设施。压力缸为活塞式，缸内的工作介质为海水，亦可采用空气，可有效利用海洋波浪的垂直波与摇荡波。缸浮体、活塞浮体、海底锚桩均由钢筋混凝土制成，耐腐蚀，造价低。系留设施系泊可靠，并使装置始终正对着波浪，因而充分吸收了波浪能，并不易损坏。
文档编号F03B13/18GK85100366SQ85100366
公开日1985年10月10日 申请日期1985年4月1日
发明者陈家山 申请人:陈家山导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan