一種鯨魚形波浪能發(fā)電裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及波浪能發(fā)電技術(shù)，尤其是涉及一種鯨魚形波浪能發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]波浪能蘊藏量豐富，開發(fā)利用潛力巨大，然而海水腐蝕、海生物附著、設(shè)備密封、超常波浪破壞力等均影響波浪能的利用，是波浪能利用技術(shù)必須克服的幾大難題。
[0003]波浪能利用技術(shù)分為固定式和漂浮式，漂浮式波浪能利用技術(shù)因適應(yīng)面廣而成為世界發(fā)展的主流。目前基于轉(zhuǎn)換載體(空氣、海水、結(jié)構(gòu)物)分類的漂浮式波浪能利用技術(shù)基本上可分為振蕩水柱技術(shù)、越浪技術(shù)和振蕩浮子技術(shù)。
[0004]漂浮振蕩浮子技術(shù)是目前世界發(fā)展的主流(包括中國)。漂浮振蕩浮子技術(shù)的特點是利用波浪能量推動一個浮體相對另一個浮體平動或轉(zhuǎn)動輸出能量，最有典型代表的是英國愛丁堡大學(xué)Stephen Salter發(fā)明的點頭鴨(Nodding Duck),其最大的特點是用特殊形狀減少反射波和興波能量損失，后續(xù)轉(zhuǎn)換機構(gòu)通常采用液壓系統(tǒng)。行業(yè)內(nèi)的技術(shù)人員對此亦作出了相當?shù)难绣?，如授?quán)公告號為CN 202900523U的實用新型專利文件公開的一種漂浮型振蕩浮子式液壓波浪能發(fā)電裝置，該裝置包括一個漂浮于海面的大浮體，大浮體下有配重，大浮體外部有均勻分布的三個浮球，三個浮球分別通過三個彈簧復(fù)位液壓缸固定在大浮體上，液壓缸與油箱連接，彈簧復(fù)位液壓缸與浮體連接的一端裝有單向閥，通過油管，與大浮體內(nèi)部的液壓馬達連接，液壓馬達與發(fā)電機系統(tǒng)連接，在馬達的進口裝有蓄能器，大浮體下部為油箱。該裝置正是利用浮球與大浮體在波浪中的相對運動來獲取波浪能。然而，基于振蕩浮子技術(shù)發(fā)展的漂浮裝置至少是雙浮體而且必須潛入或半潛入海水中，這一特點意味著材料利用率較低，即漂浮裝置至少是雙浮體、兩浮體在超常波浪力作用下超限運動導(dǎo)致機構(gòu)受力超常不可避免，強度設(shè)計級別要求高，潛水密封級別高。
[0005]漂浮越浪技術(shù)是波浪推動海水爬升把波浪能轉(zhuǎn)換為海水勢能，然后通過水輪機和發(fā)電機把勢能轉(zhuǎn)換為電能，其特點是水輪機同海水接觸，受海生物附著影響大，由于要支撐海水重量裝置體積相對龐大，后續(xù)的布放費用相應(yīng)增加，高效率的低水頭水輪機是一個需要解決的關(guān)鍵問題。漂浮振蕩水柱技術(shù)是通過空氣把波浪能轉(zhuǎn)換為可用的能量，公認的特點是結(jié)構(gòu)簡潔，材料利用率高，即漂浮裝置可以是單浮體，機電部分在海面以上，不接觸海水，故障率低，維護方便，密封級別要求低，海生物附著影響小。
[0006]漂浮振蕩水柱技術(shù)有三類:后彎管類(Backward Bent Ducted Buoy，BBDB)、斜管類(Sloped Buoy)和中心管類(Centre Pipe Buoy)，它們的俘獲寬度比在目前實驗研宄成果上差別不大，但海洋工程差異大。后彎管裝置整體吃水淺，一般江河可滿足直接拖運要求，不需要進行現(xiàn)場浮態(tài)調(diào)節(jié)，現(xiàn)場施工時間短；斜管振蕩水柱裝置和中心管振蕩水柱裝置吃水較深，必須通過輔助方式(船)或通過特殊設(shè)計方式進行運輸，在現(xiàn)場后還要進行必要的浮態(tài)調(diào)節(jié)工作，現(xiàn)場施工時間較長。它們的海洋工程費用明顯高于后彎管振蕩水柱裝置?；贐BDB技術(shù)研建的裝置有OE Buoy,基于中心管技術(shù)建造的裝置有Orecon裝置和Oceanlinx Mk3裝置。1:4的OE Buoy裝置2006以來就在愛爾蘭的Galway海灣進行實海況試驗，單體經(jīng)過了 3年海上惡劣環(huán)境的考驗。Oceanlinx Mk3裝置在2010年進行了實海況試驗。
[0007]目前在振蕩水柱技術(shù)中使用的空氣透平主要有Wells透平和沖動式透平。沖動式透平按照導(dǎo)向葉片的不同又分為單向固定導(dǎo)葉沖動透平、單向自調(diào)節(jié)導(dǎo)葉沖動透平、雙向固定導(dǎo)葉沖動透平、雙向自調(diào)節(jié)導(dǎo)葉沖動透平及其他組合方式如雙單向沖動透平結(jié)構(gòu)(twin unidirect1nal impulse turbine topology)等。Wells 透平結(jié)構(gòu)簡單，但轉(zhuǎn)換效率低，只在特定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換效率高，而且最高大約是30%，容易失速，啟動特性差，噪音大；沖動式透平低速效率轉(zhuǎn)換效率高，頻帶較寬，啟動特性佳，研宄表明沖動式透平最高轉(zhuǎn)換效率可達74%。實海況試驗表明，沖動式透平的轉(zhuǎn)換效率至少是Wells透平的3倍。采用雙單向沖動透平結(jié)構(gòu)有望使波浪能到電的轉(zhuǎn)換效率達到50%。
[0008]對于一個波浪能裝置，入射波浪的能量等于裝置吸收的能量、反射波能量、裝置運動興波能量和透射波能量，在入射波能量不變的條件下，反射波能量、裝置運動興波能量的減少意味著裝置吸收波浪能量的增加。而目前后彎管裝置幾乎是一個方形體，其淹沒于水下的底部是一個平面，迎浪面也是一個平面，其波的反射系數(shù)大概為0.9，這種形式不利于減少反射波和興波能量損失。
[0009]綜上所述，后彎管類的波浪能利用技術(shù)由于只需一個簡單漂浮腔體，其材料和建造成本低，且沒有結(jié)構(gòu)物相互作用問題，可靠性高、生存能力強；以空氣作為轉(zhuǎn)換載體的機構(gòu)為透平和發(fā)電機，不與海水接觸，機構(gòu)簡單，維護成本低，受海生物影響小，而且空氣透平轉(zhuǎn)換技術(shù)的進步使其轉(zhuǎn)換效率得到較大地提高；點頭鴨波浪能利用技術(shù)則利用特殊的形狀，減少反射波和興波能量損失，提高了裝置把波浪能轉(zhuǎn)換為可利用能量的能力。因此，結(jié)合后彎管技術(shù)和點頭鴨技術(shù)優(yōu)點發(fā)展新的利用技術(shù)具有更好的發(fā)展前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、造價低，性價比高的波浪能發(fā)電裝置。
[0011]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0012]一種鯨魚形波浪能發(fā)電裝置，包括浮力艙、彎管和空氣透平和發(fā)電機；空氣透平的輸出軸與發(fā)電機的輸入軸通過機械機構(gòu)相連；彎管設(shè)在浮力艙內(nèi)；彎管的后端位于正常水線以下，彎管的前端伸出正常水線并且該前端連接空氣透平，特別的，浮力艙沿其自身的縱向中軸面對稱分布；浮力艙的最前端形成有呈鴨蛋形的魚嘴部；魚嘴部形成有可減少反射波能量損失的迎波面，該迎波面是外輪廓呈凸曲面形狀的斜曲面；浮力艙的底部還形成有一可減少興波能量損失的外輪廓呈凸曲面形狀的消波面。
[0013]本發(fā)明的原理如下:
[0014]正常水線即是水面處在靜止狀態(tài)時的水面線。波浪能推動浮力艙整體搖、蕩運動，波浪能轉(zhuǎn)換為浮力艙的機械能，浮力艙管道與管道內(nèi)的水柱形成相對運動，推動管道內(nèi)氣液界面上方的空氣運動，把浮力艙的機械能轉(zhuǎn)換為氣動能量，氣動能量通過空氣透平轉(zhuǎn)換為空氣透平的旋轉(zhuǎn)機械能，空氣透平的軸則帶動發(fā)電機發(fā)電，這樣波浪能就轉(zhuǎn)換為電能。
[0015]迎波面是外輪廓呈凸曲面形狀的斜曲面，曲面形狀可根據(jù)入射波的周期和波高大小需求設(shè)計。迎波面的縱截面輪廓可包括第一迎波面弧線和第二迎波面弧線，其中在靜水浮態(tài)時第一迎波面弧線處于正常水線以上，第一迎波面弧線的前端向浮力艙的頂部伸展，鄰近彎管的前端，第一迎波面弧線的末端向浮力艙的底部延伸，鄰接魚嘴部的最凸端；在靜水浮態(tài)時第二迎波面弧線處于正常水線以下，第二迎波面弧線的前端鄰接魚嘴部的最凸端，第二迎波面弧線的末端向浮力艙的底部延伸，鄰近消波面。浮力艙處在靜水浮態(tài)時，第一迎波面弧度的前端點與第二迎波面弧線的末端點可處在同一豎直線上。所謂靜水浮態(tài)即是浮力艙漂浮在靜止的水面上的狀態(tài)。浮力艙在海面漂浮時，呈鴨蛋形的魚嘴部可有效降低反射阻尼，從而減少浮力艙在搖蕩運動時產(chǎn)生的反射波能量
[0016]消波面是以瞬時運動軸為圓心、瞬時運動軸到浮力艙尾部底端的距離為半徑的一凸形近圓曲面。該瞬時運動軸即是某時刻浮力艙繞其轉(zhuǎn)動的軸線，瞬時運動軸的空間位置與入射波的波長和波高有關(guān)。該消波面的外輪廓呈凸曲面形狀，該曲面的縱截面輪廓是一弧度呈圓形或接近圓形的消波面弧線，該消波面弧線的前端鄰近第二迎波面弧線的末端，消波面弧線的末端鄰近彎管的最后端。形成于浮力艙底部的凸形近圓曲面則可有效降低興波阻尼，從而減少浮力艙在搖蕩運動時產(chǎn)生的興波能量損失，同時凸形近圓曲面還能增加浮力艙的吃水深度，可減少透射波能量。
[0017]基于能量守恒定律，在波浪能轉(zhuǎn)換過程中，波浪產(chǎn)生的入射波能量等于發(fā)電裝置吸收的能量、發(fā)電裝置在搖蕩時產(chǎn)生的反射波能量、透射波能量和興波能量。顯然，形成于浮力艙的魚嘴部的迎波面和形成于浮力艙底部的凸形近圓曲面減少了反射波能量、透射波能量和興波能量損失，即間接地增加了發(fā)電裝置吸收的能量，從而提高了發(fā)電裝置的整體轉(zhuǎn)換效率。
[0018]彎管優(yōu)選呈L字形。為保證空氣流動順暢和推動空氣透平的氣流具有一定的氣壓差，彎管的前端伸出海平面一定高度后呈漸收縮狀，管道收縮前與管道收縮后的管徑比可達 100:1。
[0019]為進一步減少發(fā)電裝置在搖蕩時所損失的興波能量，浮力艙的后端可形成有半圓形曲面。此外，魚嘴部迎波面可采用柔性材料，如聚脲彈體材料制成，進一步減少發(fā)電裝置在搖蕩時產(chǎn)生的反射波能量損失。
[0020]為避免本發(fā)電裝置布置在海面時漂離布放位置，