一種參數共振的近岸波能發電系統的製作方法

2023-12-02 03:27:36 1

專利名稱：一種參數共振的近岸波能發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種參數共振的近岸波能發電系統，是一種新能源，是一種用參數共 振的方式提高波能捕捉效率的方法和系統，是一種利用波浪發電的方法和系統。
背景技術：
關于波浪能轉換的各種專利超過1500件，波浪能裝置千變萬化，但通常具有兩個 部分，一部分為採集系統，作用是捕獲波浪能，另一部分為轉換系統，將捕獲的波浪能轉換 為特定形式的機械能或電能。現有的波浪能裝置的共同缺點是捕獲波浪能力的效率較低， 雖然有一些效率較高的波浪能裝置，但都過於複雜，並且在波浪不斷的衝擊下容易損壞。如 何低成本的提高捕捉波浪能的效率，並且有效的防止波浪的衝擊破壞，是波浪能裝置所面 臨的共同課題。

發明內容
為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種參數共振的近岸波能發電方法及系 統，所述的系統建立在近岸的水下，避免了波浪的直接衝擊。為提高捕捉效率，所述的系統 設置了參數共振裝置。所述的參數共振裝置利用固有頻率的擾動方法放大了共振，有效的 提高了捕捉波浪能的效率。本發明的目的是這樣實現的一種參數共振的近岸波能發電系統，包括在最低 潮位的岸邊水下設立寬大的水口，所述的水口通過外水道與安裝有水輪機轉子的整流罩的 底部連接，所述的整流罩的上部通過內水道與水箱的底部連接，所述水箱的上部設有與水 箱截面相同的壓縮氣室，所述的壓縮氣室與所述的水箱之間安裝有空氣閥；所述的水箱中 安裝有水位傳感器，所述的水位傳感器與空氣閥控制器電連接，所述的空氣閥控制器與空 氣閥電連接。一種使用上述系統的參數共振的近岸波能發電方法，所述方法描述的是一個浪 湧周期，即從浪湧的中間點到浪湧的最高點，再經過浪湧的中間點，進入浪湧的最低點，再 回到浪湧的中間點這樣一個周期；所述方法的步驟如下
浪湧從中間點開始從水口通過外水道從底部湧入整流罩，形成進流旋流衝擊水輪機轉 子，使水輪機轉子轉動，水輪機轉子帶動發電機發電；
浪湧衝擊水輪機後通過整流罩上部的出口進入內水道，沿內水道進入水箱，水箱中的 水位傳感器將水位信號傳至空氣閥控制器，空氣閥控制器根據上一個浪湧周期的中間點水 位，確認本次浪湧周期的中間點水位；
空氣閥控制器確認中間點水位後打開空氣閥，水箱中的空氣通過空氣閥進入壓縮氣 室，水箱上部和壓縮氣室中的空氣壓力逐漸大於大氣壓，幹擾了水流入水箱；
浪湧繼續使水湧入水箱，水箱中的空氣繼續進入壓縮氣室，當水箱的水位達到最高點， 空氣閥控制器根據水位傳感器水位數值記錄水位最高點，並關閉空氣閥；
浪湧回落，水箱中的水通過內水道流向整流罩形成回流旋流，回流旋流以進流旋流相同的旋流方向衝擊水輪機轉子，水輪機轉子帶動發電機發電，水箱中的空氣由於水流走逐 漸變得稀薄，低於大氣壓，幹擾了水流走；
浪湧繼續回落，水箱中的水位到達上次浪湧周期的中間點，空氣閥控制器確認已經到 達上次浪湧周期的中間點，打開空氣閥，壓縮氣室中的有壓氣流迅速進入水箱，平衡了水箱 中的空氣，促使水流快速的出水箱；
浪湧繼續回落，水箱中的水位到達到最低點，空氣閥控制器根據水位傳感器水位數值 記錄水位最低點，並與本次浪湧的最高點進行比較，計算出本次浪湧的中間點，同時關閉空 氣閥；
浪湧漲起，水流經外水道衝擊水輪機轉子，並湧入水箱，水箱中的空氣開始壓縮，由於 水箱中的壓力逐漸加大，對流入的水幹擾逐漸變大；
浪湧升高至本次浪湧已計算得到的中間點，空氣閥控制器確認中間點後打開空氣閥， 水箱中的壓縮空氣進入壓縮氣室中，促使水流快速進入水箱，回到第一步驟，開始又一個浪 湧周期。本發明產生的有益效果是本發明通過設置壓縮氣室和水位傳感器，以及空氣閥 和空氣閥控制器的方式形成參數共振系統，有數據表明這個系統在參數擾動的情況下比常 規共振的振幅增大一倍，可以有效的捕捉波浪能。參數共振的振幅大小取決於系統的參數 設計，使整個波浪發電裝置的設計更易於把握。參數共振對外部激勵頻率的變化有一定範 圍的適應性，這個特性特別適用于波浪這種頻率和振幅不斷變化的自然能量。實驗表明本 發明所述系統在外部激勵振幅大幅度增大的情況下，水箱水位振幅只是小幅度的增加，以 此本發明所述系統具有抵抗外部大浪的能力。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。圖1是本發明實施例一所述系統的示意圖2是本發明實施例五所述帶有安全閥的系統的示意圖； 圖3是本發明的實施例六所述方法參數擾動示意圖。
具體實施例方式實施例一
本實施例是一種參數共振的近岸波能發電系統，如圖1所述。本實施例包括在最低潮 位的岸邊水下設立寬大的水口 1，所述的水口通過外水道10與安裝有水輪機轉子9的整流 罩2的底部連接，所述的整流罩的上部通過內水道8與水箱7的底部連接，所述水箱的上部 設有與水箱截面相同的壓縮氣室4，所述的壓縮氣室與所述的水箱之間安裝有空氣閥3，所 述的水箱中安裝有水位傳感6，所述的水位傳感器與空氣閥控制器5電連接，所述的空氣閥 控制器與空氣閥電連接。水箱中的水柱在重力和水箱上部壓縮空氣雙重作用下，其運動特徵是有阻尼簡諧 振蕩，當系統的固有頻率和波浪的自然頻率接近時，水柱產生共振，水柱的振幅線性增加， 直到阻尼損失達到一定值時，振幅達到最大值。很多波浪能發電裝置都是根據這一現象設 計的。然而，研究發現，水柱的振蕩與幾個參數密切相關，這幾個參數主要是，水體的質量和系統的彈性。當這幾個參數中的一個做微幅周期性擾動時，水柱的振幅會成指數級增長， 這種現象稱之為參數共振。從古典力學知識可以知道，參數共振的能量傳輸效率遠遠高於 一般的共振，所以在水室的上部設置一個空氣閥，當水柱位於最高點和最低點時，空氣閥關 閉，當水柱位於中間位置時，空氣閥打開，這樣就形成了阻尼參數的周期性擾動，同波浪激 勵一起形成了參數共振現象。以達到最大限度吸收波浪能的目的。本實施例所述的系統關鍵在於參數共振。改變系統的參數可以引起參數共振。系 統參數中系統的固有頻率是關鍵，而系統的固有頻率與系統的大小，體積等等有許多的聯 系。如何改變系統的固有頻率面臨著許多的困難，需要選擇的因素很多，當然也有許多種方 式。本實施例採用改變水箱上部氣室體積的方式，適時的增大或減小水箱中容納空氣部分 的體積，以此改變系統的固有頻率，並把握改變水箱體積的時機，實現參數共振，有效捕捉 波浪能量。具體做法是在水箱的上部再增加一個壓縮氣室，在水箱與壓縮氣室之間設置空氣 閥，空氣閥打開時相當於水箱增大了容納空氣的體積，減小系統的剛性，空氣閥關閉時，相 當於水箱縮小了容納空氣的體積，增大系統的剛性。以此來改變系統的固有頻率。但僅此 改變固有頻率還不夠，因此本實施例在水箱中設置了水位傳感器，水位傳感器與空氣閥控 制器組成一個智能系統對水位進行檢測，並根據需要打開或關閉空氣閥，通過周期性改變 水箱上部空氣室體積，從而使氣室的彈性呈周期性微擾動，由於整個系統的動力學運動滿 足馬修方程，從而能夠達到參數共振的目的，加快了水體振蕩的速度，充分捕獲波浪能。本實施例所述的水輪機兩側有水道的設計是一種雙擊式水輪機轉子的進出流道， 使得在水流正反衝擊水輪機時，轉子能夠始終按一個方向旋轉。同時優化設計水流加速的 流道，在加速流道和參數共振的共同作用下提高水流正反兩個方向衝擊雙擊式水輪機時的 流速，從而提高波浪能的捕獲效率。水輪機兩側的水道稱為內、外水道。內外水道可以有多 種設計，如喇叭曲線形，或其他形式。由於已有的波浪能發電裝置的波能捕獲效率不高，所以為了達到一定的發電功 率，常常設計的發電裝置的尺寸過大，在加大造價的同時，也降低了裝置的抗災害打擊能 力。本實施例所述的系統由於提高了波浪能的捕獲效率，能夠減小裝置的尺寸，從而增強了 抗災害打擊的能力。雙擊式水輪機轉子封閉在圓柱形整流罩內，向波浪側有進水流道(外水道)，背波 浪側有出水流道(內水道)，出水流道後連接立式水箱，水箱上側有部分空間充滿空氣，再上 側通過空氣閥連接一個空氣室，空氣室上部還可以設置安全閥。本實施例在外部波浪上下 運動的波浪力激勵下，保證雙擊式水輪機轉子保持同一個方向轉動，同時通過優化雙擊式 水輪機進出口流道的形狀和後部水箱尺寸的設計，達到加速衝擊水輪機水流速度的目的， 從而加大水輪機的輸出功率。本實施例可以採用直接驅動式低水頭水輪機，通過整流加速裝置的研究，提高水 流的速度，並通過對水輪機結構，特別是葉片布置方式的優化設計，提高水輪機的波能捕獲效率。為了維修和安裝方便，本實施例可選為岸邊布置形式。選用直接驅動型低速永磁 同步發電機系統，發電機直接與水輪機軸相連。以往的發電系統均採用了增速齒輪箱將發 電機的低速低頻變為高速工頻，但齒輪箱一方面產生巨大的噪聲，同時也降低了波浪能的利用效率，新型的波浪能發電系統採用多極低速永磁同步發電機，通過功率變換電路可以 直接併入電網，省去了增速齒輪箱，從而可提高系統的效率，也可降低系統的噪聲。本實施例的發電機設置於幹室中，同常規水輪機一樣，防漏問題可以解決。同時， 在幹室中可以方便地進行水輪機轉子和發電機系統的維修。針對海洋中的防腐防汙問題，在本實施例的進口處可以採用進水口前加攔汙柵， 流水道和水輪機轉子部分定期刷防腐塗料的方式來解決。本實施例在壓縮氣室的上部可以安裝有安全閥，當波浪波幅過大時，安全閥完全 打開，避免波浪力對裝置的破壞。另外，波浪波幅過大時，系統完全淹沒在水面以下，可以安 全地避開大浪的打擊。實施例二
本實施例是實施例一的改進，是實施例一所述外水道和內水道的細化。本實施例所述 的外水道是喇叭狀曲線收縮形，所述的水口是喇叭狀曲線收縮的外水道的擴張口，外水道 與整流罩連接的部位是外水道收縮口 ；所述的內水道是喇叭狀曲線收縮形，內水道與整流 罩連接的部位是內水道收縮口，內水道與水箱連接的部位是擴張口。本實施例將內外水道接近整流罩的位置設計為收縮流動，收縮流動可以加速水流 的流速，可以提高水流衝擊葉輪的動能，同時由於整流罩內部流速高，外部流速低，有利用 保護海洋生物。設計的曲線形狀應有利用對水輪機葉片的衝擊，提供波能輸出功率。實施例三
本實施例是實施例二的改進，是實施例二所述整流罩和水輪機轉子的細化。本實施例 所述的整流罩為迴轉軸水平並與浪湧方向垂直的圓柱形；所述的水輪機轉子為雙擊式水輪 機轉子。本實施例所述的整流罩是一個圓柱形，圓柱形的迴轉軸水平臥置，迴轉軸與水流 方向垂直，類似於一根橫槓攔在水流上。水流從水輪機的外圓周面切線方向，切入衝擊水輪 機葉片，不論是外水道還是內水道，衝擊葉輪的水口均按照統一切線方向設置，這樣不論是 進出的水流都形成對水輪同方向旋轉的衝擊，這就是雙擊式水輪機。實施例四
本實施例是實施例三的改進，是實施例三所述水輪機轉子的細化。本實施例所述的水 輪機轉子的轉軸通過聯軸器與多級低速永磁同步發電機連接。本實施例所述的水輪機轉子通過聯軸節直接與發電機連接，中間不再安裝增速器 等裝置。減少中間環節，可以提供機械效率。現代發電機技術的發展，使低速發電系統已經 十分成熟，可以提供效率很高的低速發電裝置，而無需任何變速機械裝置。實施例五
本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例所述壓縮氣室的細化，如圖2所示。本實 施例所述的壓縮氣室的頂部安裝有安全閥11。安全閥是一個自動打開的閥門，當波浪幅度太大時壓縮氣室中的壓力太大，安全 閥自動打開，放出一部分空氣，即可以啟動緩衝的作用，也可以避免系統被大浪衝擊損壞。實施例六
是實施例是一種使用上述實施例所述系統的參數共振的近岸波能發電方法。所述方法 主要描述的是改變系統參數，形成擾動的過程。所述方法描述的是一個浪湧周期，即從浪湧的中間點到浪湧的最高點，再經過浪湧的中間點，進入浪湧的最低點，再回到浪湧的中間點 這樣一個周期。波浪的一個浪湧(一個周期)是一個複雜的帶有多次諧波波浪，幅度和頻率 不斷變化，是一個隨機的連續函數。實踐證明，一個浪湧可以近似的看作是一個正弦波，並 且可以近似的認為波浪的兩個相鄰的浪湧的幅度大致相同。波浪不是階躍函數，兩個浪湧 之間不可能有太大的變化。本實施例所述方法的步驟如下
第一步驟浪湧從中間點開始從水口通過外水道從底部湧入整流罩，形成進流旋流衝 擊水輪機轉子，使水輪機轉子轉動，水輪機轉子帶動發電機發電。在下面的步驟中只要有水 流經過整流罩，水流就能衝擊水輪機葉片，使水輪機的轉子轉動，為方便起見，不再熬述。第二步驟浪湧衝擊水輪機後通過整流罩上部的出口進入內水道，沿內水道進入 水箱，水箱中的水位傳感器將水位信號傳至空氣閥控制器，空氣閥控制器根據上一個浪湧 周期的中間點水位，確認本次浪湧周期的中間點水位。由於本實施例是一個不斷進行的過 程，並且認為兩個浪湧之間的大小不會出現階躍，因此，中間點的確定是根據上一個浪湧 (周期)的水柱在水箱中的最高點和最低點折中而確定的。實驗證明這樣確定的中間點雖然 不夠精確，但已完全合乎要求。第三步驟空氣閥控制器確認中間點水位後打開空氣閥，水箱中的空氣通過空氣 閥進入壓縮氣室，水箱上部的空氣彈簧剛性變小，對水流起加速作用，能夠增大水流振蕩的 振幅。第四步驟浪湧繼續使水湧入水箱，水箱中的空氣繼續進入壓縮氣室，當水箱的水 位達到最高點，空氣閥控制器根據水位傳感器水位數值記錄水位最高點，並關閉空氣閥。關 閉空氣閥後使得水箱上部的空氣彈簧的剛度增加，阻止水位進一步的增加，為水流向下運 動做準備。本步驟記錄水位最高點十分重要，因為這個最高點，將是計算下一浪湧的中間點 的重要依據。空氣閥的關閉使水箱中水柱上部的空氣容量大幅度減少，形成對水流的幹擾， 也就是系統的固有頻率發生了變化。第五步驟浪湧回落，水箱中的水通過內水道流向整流罩形成回流旋流，回流旋流 以進流旋流相同的旋流方向衝擊水輪機轉子，水輪機轉子帶動發電機發電，水箱中的空氣 由於水流走逐漸變得稀薄，低於大氣壓，幹擾了水流流動。由於這時空氣閥是關閉的，逐漸 稀薄的是水箱上部的空氣，不包括壓縮氣室中的空氣，因此對流出水流的幹擾較大。本步驟 中浪湧回落，由於水流是以進流旋流相同的切線方向衝擊水輪機轉子，產生的旋流與進流 旋流的方向相同，因此，水輪機以相同的方向旋轉，這種旋轉方式完全符合發電機的發電要 求。第六步驟浪湧繼續回落，水箱中的水位到達上次浪湧周期的中間點，空氣閥控制 器確認已經到達上次浪湧周期的中間點，打開空氣閥，壓縮氣室中的有壓氣流迅速進入水 箱，平衡了水箱中的空氣，促使水流快速的出水箱。本步驟中的中間點的確定是按照上一個 浪湧而確定的，依據還是浪湧是連續函數。空氣閥的打開使水箱水柱上方的空氣容積突然 增大，空氣彈簧的剛性減少，使得水流加速向下運動。第七步驟浪湧繼續回落，水箱中的水位到達到最低點，空氣閥控制器根據水位傳 感器水位數值記錄水位最低點，並與本次浪湧的最高點進行比較，計算出本次浪湧的中間 點，當實測水位達到最低水位時，關閉空氣閥。如前所述，本步驟中記錄浪湧最低點也十分 重要。計算得出的本次浪湧的中間點是下一個浪湧中間點的確定依據。關閉的空氣閥使水箱中水柱上部的空氣容量大幅度減少，形成對水流的幹擾。第八步驟浪湧漲起，水流經外水道衝擊水輪機轉子，並湧入水箱，水箱中的空氣 開始壓縮，由於水箱中的壓力逐漸加大，對流入的水幹擾逐漸變大。第九步驟浪湧升高至本次浪湧已計算得到的中間點，空氣閥控制器確認中間點 後打開空氣閥，水箱中的壓縮空氣進入壓縮氣室中，促使水流快速進入水箱，回到第一步 驟，開始又一個浪湧周期。本實施例記錄浪湧的最高點和最低點，以及計算中間點的重要性在於開閉空氣閥 時機的確定，也是能否實現參數共振的關鍵。本實施例由於使用帶有智能計算的空氣閥控 制器，完全能夠達到要求。空氣閥的開閉所形成的水箱水柱上方的空氣容積的變化，如圖3 所示。是一個方波13的變化，與近似於正弦波12的浪湧的波動疊加，形成參數擾動，實現 參數共振。最後應說明的是，以上僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳布 置方案對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術 方案(比如內外水道的形式、水輪機的選擇、氣室的截面形狀等)進行修改或者等同替換，而 不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
權利要求
1.一種參數共振的近岸波能發電系統，包括在最低潮位的岸邊水下設立寬大的水 口，所述的水口通過外水道與安裝有水輪機轉子的整流罩的底部連接，所述的整流罩的上 部通過內水道與水箱的底部連接，其特徵在於，所述水箱的上部設有與水箱截面相同的壓 縮氣室，所述的壓縮氣室與所述的水箱之間安裝有空氣閥；所述的水箱中安裝有水位傳感 器，所述的水位傳感器與空氣閥控制器電連接，所述的空氣閥控制器與空氣閥電連接。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述的外水道是喇叭狀曲線收縮形，所 述的水口是喇叭狀曲線收縮的外水道的擴張口，外水道與整流罩連接的部位是外水道收縮 口 ；所述的內水道是喇叭狀曲線收縮形，內水道與整流罩連接的部位是內水道收縮口，內水 道與水箱連接的部位是擴張口。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述的整流罩為迴轉軸水平並與浪湧方 向垂直的圓柱形；所述的水輪機轉子為雙擊式水輪機轉子。
4.根據權利要求3所述的系統，其特徵在於，所述的水輪機轉子的轉軸通過聯軸器與 多級低速永磁同步發電機連接。
5.根據權利要求1-4之一所述的系統，其特徵在於，所述的壓縮氣室的頂部安裝有安 全閥。
6.一種使用權利要求1所述系統的參數共振的近岸波能發電方法，所述方法描述的是 一個浪湧周期，即從浪湧的中間點到浪湧的最高點，再經過浪湧的中間點，進入浪湧的最低 點，再回到浪湧的中間點這樣一個周期；所述方法的步驟如下浪湧從中間點開始從水口通過外水道從底部湧入整流罩，形成進流旋流衝擊水輪機轉 子，使水輪機轉子轉動，水輪機轉子帶動發電機發電； 其特徵在於浪湧衝擊水輪機後通過整流罩上部的出口進入內水道，沿內水道進入水箱，水箱中的 水位傳感器將水位信號傳至空氣閥控制器，空氣閥控制器根據上一個浪湧周期的中間點水 位，確認本次浪湧周期的中間點水位；空氣閥控制器確認中間點水位後打開空氣閥，水箱中的空氣通過空氣閥進入壓縮氣 室，水箱上部的空氣彈簧剛性變小，對水流起加速作用，能夠增大水流振蕩的振幅；浪湧繼續使水湧入水箱，水箱中的空氣繼續進入壓縮氣室，當水箱的水位達到最高點， 空氣閥控制器根據水位傳感器水位數值記錄水位最高點，並關閉空氣閥；浪湧回落，水箱中的水通過內水道流向整流罩形成回流旋流，回流旋流以進流旋流相 同的旋流方向衝擊水輪機轉子，水輪機轉子帶動發電機發電，水箱中的空氣由於水流走逐 漸變得稀薄，低於大氣壓，幹擾了水流流動；浪湧繼續回落，水箱中的水位到達上次浪湧周期的中間點，空氣閥控制器確認已經到 達上次浪湧周期的中間點，打開空氣閥，壓縮氣室中的有壓氣流迅速進入水箱，平衡了水箱 中的空氣，促使水流快速的出水箱；浪湧繼續回落，水箱中的水位到達到最低點，空氣閥控制器根據水位傳感器水位數值 記錄水位最低點，並與本次浪湧的最高點進行比較，計算出本次浪湧的中間點，當實測水位 達到最低水位時，關閉空氣閥；浪湧漲起，水流經外水道衝擊水輪機轉子，並湧入水箱，水箱中的空氣開始壓縮，由於 水箱中的壓力逐漸加大，對流入的水幹擾逐漸變大；浪湧升高至本次浪湧已計算得到的中間點，空氣閥控制器確認中間點後打開空氣閥， 水箱中的壓縮空氣進入壓縮氣室中，促使水流快速進入水箱，回到第一步驟，開始又一個浪 湧周期。
全文摘要
本發明涉及一種參數共振的近岸波能發電系統，包括在最低潮位的岸邊水下設立寬大的水口，水口通過外水道與安裝有水輪機轉子的整流罩的底部連接，整流罩的上部通過內水道截面為矩形的水箱的底部連接，水箱的上部設有與水箱截面同為矩形的壓縮氣室，壓縮氣室與水箱之間安裝有空氣閥；水箱中安裝有水位傳感器，水位傳感器與空氣閥控制器電連接，空氣閥控制器與空氣閥電連接。本發明所述參數共振系統比常規共振的振幅增大一倍，可以有效的捕捉波浪能。整個波浪發電裝置的設計更易於把握，並特別適用于波浪這種頻率和振幅不斷變化的自然能量。在外部激勵振幅大幅度增大的情況下，水箱水位振幅只是小幅度的增加，所述系統具有抵抗外部大浪能力。
文檔編號E02B9/08GK102108933SQ20111006761
公開日2011年6月29日 申請日期2011年3月21日 優先權日2011年3月21日
發明者吳一紅, 王曉松, 郭曉晨, 陳文學 申請人:中國水利水電科學研究院