專利名稱：一種強容錯、高效漂浮式波浪能利用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計波浪能利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種離岸漂浮式波浪能利用裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)今，開發(fā)漂浮式波浪能發(fā)電裝置主要面對以下幾個方面的問題1、大多漂浮式 波浪能發(fā)電裝置俘獲波浪能效率低，主要原因是裝置自身運動造波、透射和反射所致。2、轉(zhuǎn) 換效率較高的波浪裝置難以在臺風(fēng)等惡劣天氣環(huán)境中生存。原因是效率高的漂浮式裝置往 往需要較小的約束，在大浪中運動過大，容易造成錨鏈斷裂，或轉(zhuǎn)換裝置運動幅度或速度超 過極限，導(dǎo)致破壞。3、海洋波浪能發(fā)電裝置存在著相對運動部件，這些部件尺寸粗大，要求 密封，故加工和安裝精度難以達到要求，且加工費十分高昂。4、波浪的峰值功率是平均功率 的7-10倍，裝置各機構(gòu)受沖擊載荷大，若各部件間為硬性連接，沖擊載荷會大大降低裝置 的使用壽命。綜上所述，目前的波浪能發(fā)電裝置均存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量轉(zhuǎn)換效率低、不易于 維護、成本高等缺點，不適應(yīng)大規(guī)模推廣應(yīng)用。提高漂浮式波浪能發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換效 率，增強裝置抵抗惡劣海況的能力，降低裝置各部件組裝難度和建造成本是開發(fā)波浪能發(fā) 電裝置的努力方向。 現(xiàn)有技術(shù)中存在一種點頭鴨式波浪發(fā)電裝置，由英國的S. Salter在1974年正式 發(fā)表在Nature雜志上。該裝置的外形猶如鴨子的身體，浮于海面，在波浪沖擊下，鴨體可繞 其中心軸上下?lián)u擺，就像鴨子在水面點頭，因而得名(見圖l)。但是該裝置存在以下缺點 1、鴨體內(nèi)部裝有復(fù)雜的機械和發(fā)電機構(gòu)，制造和安裝難度大，而且缺乏緩沖環(huán)節(jié)，受突發(fā)性 的大波作用下容易損壞。2、鴨體內(nèi)部復(fù)雜的機械和發(fā)電系統(tǒng)需要體積較大的密封腔，裝置 密封難度很大。原因是鴨式裝置靠鴨體外殼與中心軸相對運動做功，吸收波浪能。中心軸 從鴨體外面橫穿鴨體，要想密封，必須控制鴨體外殼與中心軸之間的間隙，使之足夠小，且 間隙處的光潔度足夠高，才能實現(xiàn)。而鴨體外殼和中心軸均屬大型構(gòu)件，兩者結(jié)合面高光潔 度必然導(dǎo)致巨大的加工成本；兩者的小間隙必然導(dǎo)致安裝困難。再者，鴨體外殼屬于焊接 結(jié)構(gòu)，必然存在著焊接變形、時效變形以及運行后的受力變形，鴨體外殼與軸之間的小間隙 無法保障。這是造成鴨式裝置造價昂貴的原因，而且也造成裝置維護困難。3、漂浮于海面 的鴨體吃水深度小，波浪有從裝置底部透射的可能性，降低了波浪能利用效率。4、裝置采用 圖2、圖3方式系泊，其系泊系統(tǒng)需要進行特殊的海底固定、纜繩張緊或剛性鉸接桿與鴨體 的連接，難度較大。圖2裝置采用張緊的纜繩固定中心軸，容易在漲潮時吃水增大，導(dǎo)致角 運動造波；在落潮是纜繩松弛，導(dǎo)致線運動造波，效率下降。圖3裝置的系泊系統(tǒng)剛性太強， 大浪會對裝置或剛性桿鉸接點產(chǎn)生突發(fā)負載，導(dǎo)致破壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種強容錯、高效的離岸漂浮式波浪能利用裝置。
為達到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案 本發(fā)明裝置是在現(xiàn)有的鴨式波浪能裝置和系泊系統(tǒng)上進行的改進，包括漂浮在水
3面上的鴨體；鴨體由鴨體外殼和中心軸組成；鴨體外殼在波浪的作用下繞其中心軸轉(zhuǎn)動，
將波浪能轉(zhuǎn)換為往復(fù)機械能；鴨體外殼截面形狀類似鴨蛋形狀，其大頭稱為鴨尾，小頭稱為
鴨頭，其特征在于鴨尾呈圓弧狀，中心軸的軸心處于圓弧中心；鴨頭背波部位體積較大；
鴨體下面安裝有與中心軸固定連接的水下附體，該水下附體掛于中心軸上，懸垂于鴨體之
下，中心軸被水下附體固定；所述鴨體內(nèi)部安裝囊狀泵作為能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，所述囊狀泵為封
閉的柔性水囊，囊狀泵內(nèi)注入液體并留有褶皺、可伸縮，固定在鴨體內(nèi)的中心軸上，有一水
管將囊狀泵與另一柔性水囊——囊狀活塞連接；囊狀活塞的上端連接下級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)；
所述囊狀泵和囊狀活塞內(nèi)非完全注滿液體；水下附體通過蓄能型系泊系統(tǒng)與海底連接，裝
置整體完全漂浮于海洋之中，與海底非固定式連接。 所述鴨體有較深的吃水深度，盡量避免波浪能透射。 所述囊狀泵與囊狀活塞均為柔性體，其受壓時只能將其內(nèi)部液體從一端推向另一 端，而自身材料在薄膜平面內(nèi)不能像氣球材料一樣伸張。囊狀泵和囊狀活塞內(nèi)非完全注滿 液體，位于水下附體上的囊狀活塞的一端始終受到其上結(jié)構(gòu)及能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)的壓力，該壓 力維持囊狀活塞的液體在沒有其他外力作用時回到囊狀泵內(nèi)；當(dāng)鴨體向上旋轉(zhuǎn)，囊狀泵受 鴨體內(nèi)腔上端較大力量的擠壓，體積減小，向下端高壓排水，推動囊狀活塞向外做功。
囊狀泵和囊狀活塞內(nèi)注入的液體一般為水或其他體積彈性模量較大的液體。
現(xiàn)有鴨式裝置的截面形狀如圖l，系泊方式有張緊系泊法(圖2)和剛性桿鉸接法 (圖3)。 本發(fā)明裝置(如圖4所示)與現(xiàn)有技術(shù)鴨式裝置有以下不同 —、本發(fā)明裝置采用水下附體約束鴨式裝置的中心軸，而現(xiàn)有鴨式裝置靠系泊系
統(tǒng)約束鴨式裝置的中心軸。 本發(fā)明裝置通過水下附體約束鴨式裝置中心軸，好處是1、效率較高。水下附體增 加了裝置吃水，降低了波浪透射；在工作浪況下有效地限制了中心軸位移運動，降低了裝置 的線位移運動的輻射造波。相比較而言，圖2和圖3的現(xiàn)有鴨式裝置都沒有水下附體，其吃 水比較，透射波比較大，效率比較低。圖2裝置在低潮位或大浪的波谷會纜繩松弛，使鴨體 線位移約束消失，造成鴨體線位移運動造波；在潮位高時，吃水過深，甚至淹沒于水中，導(dǎo)致 鴨體角運動造波；圖3在與剛性桿軸垂直的方向沒有約束，會導(dǎo)致該方向線運動輻射造波， 這些，都會導(dǎo)致波浪能俘獲量下降。2、在巨浪作用下，本發(fā)明裝置有很強的緩沖能力。首先， 水下附體對鴨體的限制不是剛性限位，而是利用波浪運動深水水質(zhì)點與表面水質(zhì)點速度差 阻礙處于表面的鴨體產(chǎn)生線位移運動。在大浪中，因波浪特性決定，水下附體周圍的深水也 會有所擾動，故水下附體也會隨鴨體運動，但仍對鴨體線位移運動有柔和而有效的限制。再 加上本發(fā)明裝置的蓄能型系泊系統(tǒng)所具有的蓄能效果，緩沖能力更強。而圖2的鴨式裝置 的張緊系泊方式，在潮位低或大浪波谷時纜繩容易松弛，失去對裝置的約束力；如果此時遭 受大浪波峰襲擊時，裝置因約束力小，會與裝置周圍的附連水以較大速度自由運動，產(chǎn)生較 大的動能，在纜繩張緊的瞬間容易出現(xiàn)較大應(yīng)力，出現(xiàn)走錨或?qū)е孪挡聪到y(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)斷裂。 圖3的鴨式裝置在大浪時，因剛性桿對軸的約束過于剛強，在大浪中缺乏緩沖，容易導(dǎo)致軸 和裝置內(nèi)機構(gòu)損壞；另外，圖3的剛性桿鉸接機構(gòu)無法承受斜浪打擊，會造成鴨式裝置或海 底鉸接點的破壞。3、本課題提出的漂浮式鴨式裝置的水下附體有效地阻礙了裝置的線運 動，降低了對系泊系統(tǒng)的要求，故可采用松弛系泊方式。本發(fā)明裝置采用的蓄能型系泊系統(tǒng)
4施工簡單，只要把裝置和系泊系統(tǒng)投入大海即可；而圖2、圖3中的鴨式裝置的系泊系統(tǒng)都 需要海底艱難的施工。 二、本發(fā)明裝置的鴨體內(nèi)部只有囊狀泵，其下級轉(zhuǎn)換機構(gòu)均位于水下附體上，而現(xiàn) 有鴨式裝置的所有轉(zhuǎn)換機構(gòu)均位于鴨體內(nèi)部。 本發(fā)明裝置的囊狀泵，即一種柔性水囊作為能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)。其要點是1、鴨體中心 軸與鴨體內(nèi)腔之間的體積，在相對旋轉(zhuǎn)過程中按設(shè)計規(guī)律變化，如兩者之間體積隨鴨體繞 軸向上旋轉(zhuǎn)逐漸變小，向下旋轉(zhuǎn)逐漸變大。2、囊狀泵固定在鴨體的中心軸上，中心軸被水下 附體固定，基本保持穩(wěn)定。3、囊狀泵通過管與囊狀活塞相連。囊狀泵、囊狀活塞內(nèi)注入一定 體積的水，管內(nèi)注滿水，使得囊狀泵排出的水的體積約等于囊狀活塞的體積增量，以此將鴨 體內(nèi)腔對囊狀泵的做功轉(zhuǎn)換成囊狀活塞對下級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)的做功。當(dāng)鴨體抬頭時，鴨體 內(nèi)腔與中心軸之間的空間逐漸縮小，受到擠壓的囊狀泵將水通過水管排進囊狀活塞，推動 下級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)做功；當(dāng)鴨體低頭時，鴨體內(nèi)腔與中心軸之間的空間逐漸擴大，給囊狀泵 留下體積增加的空間，而囊狀活塞在下級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)的重力壓迫下逐步減小體積，將水 通過水管擠回囊狀泵。重復(fù)上述過程，本發(fā)明裝置可以不斷地將波浪能轉(zhuǎn)換成下級能量轉(zhuǎn) 換裝置的輸出能量。 采用囊狀泵的好處是1、囊狀泵不怕海水。如果鴨體內(nèi)只有囊狀泵，則鴨體內(nèi)不必
密封。2、囊狀泵具有很強的容錯能力，可以允許鴨體外殼和中心軸產(chǎn)生很大的變形。3、囊
狀泵完成了往復(fù)機械能向液壓能轉(zhuǎn)換，后續(xù)的能量轉(zhuǎn)換可以在密封艙內(nèi)進行，管路成為唯
一的能量輸入渠道，而管路與密封艙之間的密封屬于靜密封，很容易實現(xiàn)。 總而言之，本發(fā)明的優(yōu)點是1、能量轉(zhuǎn)換效率高。本發(fā)明裝置采用具有水下附體的
鴨體進行一級能量轉(zhuǎn)換，使其在降低輻射、透射方面具有其他形式的裝置不可比擬的優(yōu)越
性，提高了裝置的轉(zhuǎn)換效率。2、容易制造和安裝。利用囊作為能量轉(zhuǎn)換的二級機構(gòu)，增強了
裝置在安裝上的容錯能力，鴨體內(nèi)部不再需要密封腔，加工精度要求大幅下降，降低了鴨式
裝置內(nèi)部機構(gòu)的制造和安裝難度。3、可以抗大浪。水下附體、蓄能型系泊系統(tǒng)和囊為本發(fā)
明裝置增加了緩沖環(huán)節(jié)，提高了大浪中的生存能力。4、易于海上投放。由于水下附體對本
發(fā)明裝置線運動的阻礙，以及本發(fā)明裝置的蓄能型系泊系統(tǒng)的緩沖作用，降低了對海底錨
定的要求，因此，本發(fā)明裝置施工簡單，只要把裝置和系泊系統(tǒng)投入大海即可。 本發(fā)明是一種新型離岸漂浮式波浪能發(fā)電裝置，集鴨式波浪能發(fā)電裝置的高效
率、安裝方便、強容錯能力于一身。不但可以使該波浪能發(fā)電裝置具有較高的能量轉(zhuǎn)換效
率，且易建造易施工，可使裝置開發(fā)成本大幅降低。本發(fā)明裝置為開發(fā)波浪能發(fā)電裝置提供
了一條簡捷之道，該裝置的成功應(yīng)用將有利于高效且低成本的轉(zhuǎn)換海洋波浪能。該發(fā)明裝
置使用范圍廣，有望成為一種大規(guī)模應(yīng)用的飄浮式波浪能發(fā)電裝置。


圖1、圖2、圖3是現(xiàn)有技術(shù)鴨式波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明實施例結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖標(biāo)記說明1、中心軸，2、鴨體外殼，3、囊狀泵，4、囊狀活塞，5、管路，6、下級能 量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，7 、水下附體，8 、纜繩，9 、潛浮子，10 、動沉塊，11 、漂浮子，12 、靜沉塊。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明內(nèi)容作進一步詳細說明 如圖4所示，本實施例裝置包括漂浮在水面上的鴨體2，鴨體由頭部和尾部組成， 鴨體尾部中心軸線位置裝有中心軸1，鴨體2可以隨波浪的往復(fù)繞其中心軸l轉(zhuǎn)動。中心軸 在鴨體外殼內(nèi)的部分為圓缺形截面，其暴露在鴨體外殼外的軸端為圓柱形，直徑大于鴨體 外殼的中心軸安裝開孔；鴨體尾部呈圓弧狀；鴨體頭部背波部位增大體積；鴨體2下面安裝 有與中心軸固定連接的水下附體7，水下附體7由面積較大的水平板和垂直板組成。該水下 附體7掛于中心軸1軸端上，懸垂于鴨體2之下，中心軸1被水下附體7固定；所述鴨體2內(nèi) 部安裝囊狀泵3，將往復(fù)旋轉(zhuǎn)的鴨體運動能量轉(zhuǎn)換為液壓能；囊狀泵3為封閉的柔性水囊， 安裝于中心軸1在鴨體外殼內(nèi)圓缺形截面所形成的平臺上，內(nèi)注入水，但非完全注滿，使囊 狀泵3留有褶皺，可伸縮。囊狀泵3與管路5連接。管路5從中心軸1的軸端穿出，連接囊 狀活塞4。囊狀活塞4位于水下附體上，其上端裝有下級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)6，囊狀活塞4可推 動下級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)6做功。能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)6可以采用現(xiàn)有技術(shù)，如液壓缸驅(qū)動的曲柄連 桿機構(gòu)或液壓馬達等。水下附體7通過纜繩8、潛浮子9、動沉塊10、漂浮子11和靜沉塊12 系泊，裝置整體完全漂浮于海洋之中。 本發(fā)明裝置工作原理與工作過程是這樣的(l)來波時，波浪推動鴨體外殼2繞中 心軸1向上旋轉(zhuǎn)，將波浪能轉(zhuǎn)換為鴨體外殼的往復(fù)機械動能。(2)鴨體外殼2繞中心軸1向 上旋轉(zhuǎn)時，鴨體外殼2與中心軸1間的體積按設(shè)計規(guī)律變小，安裝于其間的囊狀泵3受到擠 壓。(3)受擠壓的囊狀泵3通過管路5向囊狀活塞4排水，使囊狀活塞4向上膨脹，推動下 級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)6做功。將鴨體動能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。(4)受波浪力驅(qū)動，鴨體外殼 在向上(順時針)轉(zhuǎn)動的同時，出現(xiàn)向上、向右的線運動，通過中心軸l帶動水下附體7產(chǎn) 生順時針轉(zhuǎn)動和向上、向右的平動，水下附體7的水平板產(chǎn)生阻力，阻礙中心軸1產(chǎn)生順時 針轉(zhuǎn)動和向上、向右的平動，增大鴨體外殼2相對中心軸1的轉(zhuǎn)動，并避免裝置平動的造波。 (5)水下附體的運動通過纜繩拉動潛浮子9、動沉塊10、漂浮子11向右運動。動沉塊的重力 僅略大于潛浮子的浮力，故稍微拉動，便向右側(cè)滑動，使漂浮子11略下沉，由此產(chǎn)生的浮力 使動沉塊離開海底。潛浮子9、動沉塊10、漂浮子11形成限制裝置水平運動的恢復(fù)力，作用 相當(dāng)于彈簧。(6)波浪退去時，鴨體外殼2繞中心軸1向下旋轉(zhuǎn)，鴨體外殼2與中心軸1間 的體積按設(shè)計規(guī)律變大，囊狀泵3受壓減小，下級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)6的重力壓迫囊狀活塞4將 其內(nèi)的水壓回囊狀泵3，為下一次波浪做功作準(zhǔn)備。(7)作用在裝置上向右的波浪力消失， 裝置在上述潛浮子9、動沉塊10、漂浮子11形成水平恢復(fù)力作用下回到平衡位置。
權(quán)利要求
一種強容錯、高效漂浮式波浪能利用裝置，包括漂浮在水面上的鴨體；鴨體由鴨體外殼和中心軸組成；鴨體外殼在波浪的作用下繞中心軸轉(zhuǎn)動，將波浪能轉(zhuǎn)換為往復(fù)機械能；鴨體外殼截面形狀類似鴨蛋形狀，其大頭稱為鴨尾，小頭稱為鴨頭，其特征在于鴨尾呈圓弧狀，中心軸的軸心處于圓弧中心；鴨頭背波部位體積較大；鴨體下面安裝有與中心軸固定連接的水下附體，該水下附體掛于中心軸上，懸垂于鴨體之下，中心軸被水下附體固定；所述鴨體內(nèi)部安裝囊狀泵作為能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，所述囊狀泵為封閉的柔性水囊，囊狀泵內(nèi)注入液體并留有褶皺、可伸縮，固定在鴨體內(nèi)的中心軸上，有一水管將囊狀泵與另一柔性水囊——囊狀活塞連接；囊狀活塞的上端連接下一級能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)；所述囊狀泵和囊狀活塞內(nèi)非完全注滿液體；水下附體通過蓄能型系泊系統(tǒng)與海底連接，裝置整體完全漂浮于海洋之中。
2. 權(quán)利要求1所述的強容錯、高效漂浮式波浪能利用裝置，其特征在于所述水下附體 由面積較大的水平板和垂直板組成，且下掛在裝置中心軸上的水下附體沉于水下。
3. 權(quán)利要求1所述的強容錯、高效漂浮式波浪能利用裝置，其特征在于所述蓄能型系 泊系統(tǒng)是松弛的。
4. 權(quán)利要求1或3所述的強容錯、高效漂浮式波浪能利用裝置，其特征在于所述蓄能 型系泊系統(tǒng)由潛浮子、漂浮子、動沉塊、靜沉塊組成，所述蓄能型系泊系統(tǒng)的動沉塊略重于 潛浮子浮力，只有在系泊力、潛浮子浮力以及漂浮子浮力共同作用下才能離開地面。
5. 權(quán)利要求4所述的強容錯、高效漂浮式波浪能利用裝置，其特征在于所述蓄能型系 泊系統(tǒng)的動沉塊在系泊力消失時回到原來位置。
6. 權(quán)利要求1所述的強容錯、高效漂浮式波浪能利用裝置，其特征在于所述囊狀泵、 囊狀活塞內(nèi)注的液體為水。
7. 權(quán)利要求1或6所述的強容錯、高效漂浮式波浪能利用裝置，其特征在于所述囊狀 泵和囊狀活塞為柔性體，其受壓時只能將其內(nèi)部液體從一端推向另一端，而自身材料在薄 膜平面內(nèi)不能像氣球材料一樣伸張。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種強容錯、高效的離岸漂浮式波浪能利用裝置。包括漂浮在水面上的鴨體；鴨體由鴨體外殼和中心軸組成；鴨尾呈圓弧狀，中心軸的軸心處于圓弧中心；鴨頭背波部位體積較大；鴨體下面安裝有與中心軸固定連接的懸垂于鴨體之下的水下附體；鴨體內(nèi)部安裝囊狀泵作為能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)，囊狀泵為封閉的柔性水囊，其內(nèi)注入液體并留有褶皺、可伸縮，固定在鴨體內(nèi)的中心軸上，有一水管將囊狀泵與囊狀活塞連接；囊狀活塞的上端連接能量轉(zhuǎn)換機構(gòu)；囊狀泵和囊狀活塞內(nèi)非完全注滿液體；水下附體通過蓄能型系泊系統(tǒng)與海底連接。本發(fā)明安裝精度要求很低、容錯能力強、成本低，且組裝簡單易實現(xiàn)，投放簡單。有望成為一種大規(guī)模應(yīng)用的漂浮式波浪能發(fā)電裝置。
文檔編號F03B13/22GK101737242SQ200910213820
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者吳必軍, 游亞戈, 盛松偉 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所