振荡水柱式波浪能发电机组的制作方法

1.发电机、波浪能利用、新能源、节能减排、海洋经济。


背景技术：

2.波浪能在海洋中蕴藏丰富，而海岸线附近城市人口密集，这也就为开发利用波浪能找到了一个庞大的市场。目前，波浪能的开发利用研究普遍着眼于发电，与本发明申请关系比较密切的波浪能发电装置——振荡水柱式波浪能发电装置，其发电效率低且输出电压、频率不稳定，究其原因，还是因为波浪的随机性太大，极不稳定，利用波浪驱动气室中的空气直接冲击涡轮极难控制涡轮发电机组的稳定运行，而且此种方案中空气进出涡轮的前后压力差极为有限，发电功率就不可能做得很大。


技术实现要素：

3.本发明针对波浪能的开发利用，对振荡水柱式波浪能发电提出以下几种新的解决方案：1)将放置涡轮的收缩管和波浪作用的气室分别独立设计，通过管道连接，并在气室排气口、气室吸气口、大气排出口和大气吸入口等处设置控制阀，以保证空气进出涡轮的压力差相对稳定，从而使涡轮发电机组稳定运行。2)在气室中可增设导向柱和活动密封板，活动密封板在波浪的作用下沿导向柱上下运动，此种方法可以使气室中空气获得高压，同时避免高压下由于空泡效应而造成的压力损失。3)人造大气环竟——人造大气环境为压缩空气储罐，内部储存一定压力的压缩空气，用人造大气环境取代开放的大气环境，使工质(作为驱动涡轮的流动空气)形成一个独立系统，从而便于整个系统的压力控制，保持空气进出涡轮前后的压力差相对稳定，使涡轮在波浪上伏或下沉时都能稳定地做有用功，且持续高效、高功率输出。
4.根据具体地区的海况，将上述技术方法有选择性地应用到振荡水柱式波浪能发电机组而形成不同的技术方案，振荡水柱式波浪能发电机组可粗略分为开放大气环境型振荡水柱式波浪能发电机组和人造大气环境型振荡水柱式波浪能发电机组两种类型。振荡水柱式波浪能发电机组包括发电机和振荡水柱式波浪能驱动系统，为了使发电机在最佳转速范围内工作，振荡水柱式波浪能驱动系统还可以加装动力传动变速系统。
附图说明
5.图1所示为振荡水柱式波浪能发电机组的基本结构原理图，利用波浪驱动气室中的空气直接冲击涡轮，常用的涡轮有对称翼式涡轮和冲动式涡轮。图中标号2-2为涡轮，标号2-3为收缩管，标号2-4为气室。气室2-4与波浪组成一个封闭空间，气室开孔与收缩管2-3相连结，气室与收缩管的形状应根据具体应用位置的海况统计数据进行流场分析后合理设计，以取得最佳效果。
6.图2所示振荡水柱式波浪能发电机组的振荡水柱式波浪能驱动系统2使用了变速箱，其目的主要是为了使发电机处于最佳转速范围内。振荡水柱式波浪能发电机组的振荡
水柱式波浪能驱动系统2也可以不使用变速箱，或使用增速器，或使用带传动或链传动，但实际海况多变，使用变速箱是最可靠有效的。变速箱内可集成制动装置，制动装置可以置于振荡水柱式波浪能驱动系统低速轴或高速轴2-1上，或置于其它中间轴上，制动装置可采用钳式制动器、带式制动器或其它类型的制动器。
7.图3、4、5所示为振荡水柱式波浪能驱动系统的改进方案，方案中将气室2-4与收缩管2-3之间通过管道相连，并在气室排气口、气室吸气口、大气排出口和大气吸入口处设置控制阀，图中采用单向阀，通过感受空气压力的变化自适应开启或关闭阀门，使空气连续流经涡轮2-2驱动涡轮旋转。图4所示为波浪上升时振荡水柱式波浪能驱动系统的工作示意图，波浪上升时，气室中的空气被压缩，当气室空气压力p1大于涡轮前端空气压力p2时，气室排气口的单向阀开启，气室中的压缩空气流经涡轮做有用功，此时，因涡轮后端空气压力p3小于气室空气压力p1，所以气室吸气口的单向阀是关闭的，但涡轮后端空气压力p3大于大气压力p0，所以大气排出口的单向阀是开启的，流经涡轮的压缩空气排入大气。图5所示为波浪下降时振荡水柱式波浪能驱动系统的工作示意图，波浪下降时，气室中残存的空气膨胀，气室空气压力p1减小，当气室空气压力p1小于涡轮前端空气压力p2时，气室排气口的单向阀关闭，当涡轮后端空气压力p3大于气室空气压力p1时，气室吸气口的单向阀开启，此时，涡轮后端空气压力p3和涡轮前端空气压力p均小于大气压力p0，所以大气排出口的单向阀关闭而大气吸入口的单向阀开启，大气被吸入流经涡轮做有用功。通过合理设计流道，控制进出涡轮的气体压力可以使涡轮持续稳定高效运转。图3、4、5中的单向阀也可以改用远程控制阀，通过压力传感器实时监测的压力数据进行闭环自动控制，常见的远程控制阀类型有电动、液动、气动和电液动等，如电动球阀、电磁阀等。
8.图6、7、8、9、10所示为振荡水柱式波浪能驱动系统的又一种改进方案。图6所示方案的原理同图3所示方案，只是其涡轮2-2采用汽轮机(汽轮机为现在电厂发电用的设备，以高温高压蒸汽驱动，但此处改用压缩空气驱动，因此也可改名为气轮机，毕竟两种应用的工况有所不同)。图7所示方案为采用多个气轮机和收缩管2-3的并联方案示意图。图8所示方案为采用多个气轮机和收缩管2-3的串联方案示意图。图9所示方案为采用多个气轮机和收缩管2-3的又一种串联方案示意图，其为多效串联，空气压力逐级变化。图10所示方案为采用多个气轮机和收缩管2-3的又一种并联方案示意图，其为多效并联，空气压力逐级变化。图6、7、8、9、10中的单向阀也可以改用远程控制阀，通过压力传感器实时监测的压力数据进行闭环自动控制，常见的远程控制阀类型有电动、液动、气动和电液动等，如电动球阀、电磁阀等。
9.图11所示方案为图9所示方案的一种改进，用人造大气环境取代开放的大气环境。人造大气环境为压缩空气储罐，内部储存一定压力的压缩空气。图11所示方案使工质(作为驱动涡轮的流动空气)形成一个独立系统，便于整个系统的压力控制，从而使振荡水柱式波浪能发电机组能稳定、高效地进行高功率输出。振荡水柱式波浪能发电机组的各种结构类型都可以采用人造大气环境。
10.图12所示为振荡水柱式波浪能驱动系统的一种改进方案，在气室2-4中增设了导向柱和活动密封板，活动密封板在波浪的作用下沿导向柱上下运动，以使气室中的空气获得必要的压力，同时减少由于空泡效应导致的压力损失。
11.图13所示为振荡水柱式波浪能发电机组的一种简易改进方案，用内部储存有压缩
空气的压缩空气储罐制造的人造大气环境取代开放的大气环境，压缩空气储罐和气室2-4之间直接由收缩管2-3连结，空气流经涡轮2-2后直接进入气室或压缩空气储罐。
具体实施方式
12.振荡水柱式波浪能发电机组所包含的各组成零部件，现代工业制造技术均可加工制造。磁块、轴承、发电机等均可由专业厂商配套生产，其它零部件机加工、模具成形、焊接即可。气室和收缩管可以使用混凝土制造，也可以采用金属结构制造。
13.振荡水柱式波浪能发电机组要想成功应用，必须具备以下几个条件：(1)功率标定——建立完备的测试台架，以完成系列化产品的标定。(2)动平衡检测——旋转部件必须达到相关标准规定的动平衡要求，以达到必要的安全可靠性。(3)控制——振荡水柱式波浪能发电机组为便于使用，其控制系统可设计为闭环控制或开环控制，闭环控制系统便于远程自动控制。(4)产品设计——要根据具体应用地区的海况作针对性设计。
14.振荡水柱式波浪能发电机组的使用方案有以下几种：(1)基于大陆海岸线，与防波堤一起规划设计。(2)基于海岛岸线，与海岛防波堤一起规划设计。(3)基于石油钻井平台规划设计。(4)独立设计，固定或系泊于海水中。(5)与船舶组合设计，形成可移动式振荡水柱式波浪能发电机组。