專利名稱：一種波力發電的寬頻帶波能捕獲裝置和設計方法
技術領域：
本發明涉及一種波力發電的寬頻帶波能捕獲裝置和設計方法，是一種可再生能源技術，是一種通過寬頻帶共振原理研究出的具有自動適應波浪頻率變化范圍的波能捕獲單元裝置和設計方法。
背景技術：
關于波浪能轉換的各種專利已超過1500項。波浪能裝置千變萬化，對波能采集系統來說，其作用是捕獲波浪能，形式有振蕩水柱式(0WC)、振蕩浮子式(Buoy)、擺式 (Pendulum)、鴨式(Duck)、筏式(Raft)、收縮坡道式(Tapchan)、蛘式(Clam)等，其中除了收縮坡道式與波浪的頻率無關外，其他形式的波能采集系統的波能轉化效率均與波浪的運動頻率相關，只有裝置的固有頻率與波浪運動頻率大致相等，即共振時，波能捕獲效率才能最大化。絕大部分的波能采集裝置沒有自適應變化固有頻率的能力，即使少部分波能捕獲裝置具有自適應改變自身固有頻率的能力，也存在裝置結構過于復雜，實際中根本無法正常工作。傳統的點吸收式波能捕獲裝置，只有裝置的固有頻率與波浪的主頻率相近時，即發生共振時，波能捕獲效率最高。此時存在兩個問題，一是按共振理論設計的波能捕獲裝置過于龐大，如振蕩浮子式的浮子直徑要達到5m，重量要達到幾十噸或更大；擺式則更大，如 SEAREV的擺重達1000噸。即使這樣，由于海上的波浪能量是由多個不同頻率的能量組成的，而裝置只有一個固有頻率，所以很難發生共振，因此引申出第二個問題。二是為了使海浪的激勵與裝置在相位上一致，必須采用相應的控制算法，由此使得系統過于復雜，增加了系統工作的復雜度。波浪能包括各種頻率的能量，其能量頻帶是一個頻率區間，相應地裝置的固有頻率是一個點，所以只有裝置的固有頻率與波浪的主頻率相等時，裝置才有較高的波浪能捕獲效率，即使如此，裝置也只是捕獲了裝置固有頻率附近很窄范圍的能量。
發明內容
為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種波力發電的寬頻帶波能捕獲裝置和設計方法，所述的裝置基于雙擊式水輪機的波能捕獲系統，能夠捕獲波浪中大部分頻率范圍內的能量。所述的設計方法通過改變水箱的參數，有效的捕獲波浪中的波能。本發明的目的是這樣實現的一種波力發電的寬頻帶波能捕獲裝置，包括設置在水下寬大的水口，所述的水口通過外水道與安裝有水輪機轉子的整流罩的上部連接，所述的整流罩的底部通過內水道與水箱的底部連接，所述的水箱與內水道相連的水箱底部較小，水箱上部較大，所述的水箱底部和水箱上部平滑過渡連接，形成喇叭形，水箱的上口是敞開的。—種上述波能捕獲裝置的設計方法，所述方法的步驟如下
確定啟動力矩的步驟用于依據波能捕獲裝置的機械動力性能設定波能捕獲裝置的啟動力矩為Mtl ；
確定周期范圍的步驟用于根據海浪譜確定波能捕獲裝置的固有角頻率范圍ω廣ω2， 其中Q1為固有角頻率下限，ω2為固有角頻率上限，其中，固有周期下限TP^co2，固有周期上限Τ2=2π/ωι ；
確定淹沒深度的步驟用于依據波能捕獲裝置的尺寸和波能捕獲裝置的平均固有周期確定波能捕獲裝置淹沒于水下的深度；
暫定轉子尺寸的步驟用于初步設定或依據“判斷Tlit是否等于T1的步驟”的調整，確定一個轉子暫定尺寸；
計算試算固有周期下限的步驟用于依據轉子暫定尺寸，按照波能捕獲裝置周期的計算方法計算出水箱最低水位時的試算固有周期下限Tlit ；
判斷Tlit是否等于T1的步驟用于判斷試算固有周期下限Tlit是否等于固有周期下限 T1，如果大于T1則減小轉子尺寸，并回到“暫定轉子尺寸的步驟”；如果小于T1則增大轉子尺寸，并回到“暫定轉子尺寸的步驟”，如果等于T1則進入下一步驟；
估計水箱中波高的步驟用于依據外部波浪設計波高估計水箱中的波高； 暫定水箱后箱板傾角的步驟用于依據水箱中的波高或依據“判斷T2it是否等于T2的步驟”調整的結果，設定一個后箱板與前箱板之間的試算傾角；
計算試算固有周期上限的步驟用于依據試算傾角計算試算固有周期上限T2it ； 判斷T2it是否等于T2的步驟用于判斷試算固有周期上限T2it是否等于固有周期上限 T2，如果大于Τ2，則減小后箱板傾角并回到“暫定水箱后箱板傾角的步驟”，如果小于T2則增大后箱板傾角并回到“暫定水箱后箱板傾角的步驟”，如果等于T2則進入下一步驟；
完成設計的步驟用于依據轉子尺寸和后箱板傾角完成波能捕獲裝置其他尺寸設計。本發明產生的有益效果是本發明采用的喇叭形的水箱，通過喇叭形水箱的變截面改變獲取不同的固有周期，使得裝置在外波浪激勵下具有一個變化的固有周期范圍，與波浪的周期范圍相接近，最大限度的獲取波浪中的能量。本發明所提供的設計方法將海浪譜作為重要的設計依據，以此確定波能捕獲裝置的固有周期范圍，并以此最終確定整個波能捕獲裝置的各個參數。波能捕獲裝置的研制成功對波浪能的開發和利用具有重要的意義。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。圖1是本發明的實施例一所述裝置的結構示意圖； 圖2是某一特定地區的海浪譜；
圖3是本發明的實施例五所述方法的流程圖。
具體實施例方式實施例一
本實施例是一種波力發電的寬頻帶波能捕獲裝置，如圖1所示。本實施例包括設置在水下寬大的水口 1，所述的水口通過外水道2與安裝有水輪機轉子4的整流罩3的上部301 連接，所述的整流罩的底部302通過內水道5與水箱6的底部601連接，所述的水箱與內水道相連的水箱底部較小，水箱上部602較大，所述的水箱底部和水箱上部平滑過渡連接，形成喇叭形，水箱的上口是敞開的。本實施例所述的水輪機轉子為圓筒形，轉子的回轉軸與波浪前進的方向垂直。由于波浪從不同的流道進出水輪機，產生相同方向的推力，推動水輪機轉速，這就是雙擊式水輪機。本實施例通過設計雙擊式水輪機的進出流道，水輪機和它的進出流道一起組成了一個封閉式的水體(見圖1 )，這個水體在波浪力的激勵下產生振蕩，振蕩水體能夠推動水輪機轉子實現單向旋轉，振蕩水體能夠周期性的改變所述波能捕獲裝置所包含水體的質量和剛度，從而改變所述波能捕獲裝置的固有周期，這樣就使得所述波能捕獲裝置的固有周期是一個區間，在所述波能捕獲裝置的固有周期范圍內，所述波能捕獲裝置具有高效捕獲這一頻段波浪能量的能力，解決了波浪能分布在很寬的頻率范圍內和傳統點吸收波能捕獲裝置只在很小的頻率范圍內具有高效率這一矛盾。在設計所述波能捕獲裝置時，應當保證波能捕獲裝置的固有周期區間與波浪主要能量周期區間一致即可。本波能捕獲裝置的另一個優點是波能捕獲裝置尺寸不大，轉子直徑只有Irn— ail之間，便于安裝和維修。這一波能捕獲裝置目前已經在實驗室取得成功，并且實海況原型樣機也已經設計完成，初步設計涵蓋的波浪周期范圍為4. 5s-7. Os，基本涵蓋了我國海洋波浪能量譜組成的高能量范圍。本實施例所述的喇叭形水箱的截面形狀，可以是圓形的，或者橢圓形，或者是矩形的，或者是其他喇叭形狀。關鍵在于水箱從下往上是變截面的，其截面從下往上不斷增大的一種結構形狀。這種不斷增大的變截面形狀，對波能捕獲裝置的固有周期產生了重要的影響。為使水箱制造方便，可以將水箱截面制作為矩形。矩形的三個側面是與水平面垂直的面，只有一個側面與水平面是傾斜的，這樣簡單的結構也可以實現變截面。只要改變傾斜側面與水平面之間的夾角，就可以十分容易的改變裝置整個波能捕獲裝置的固有周期的范圍。圖1中所標明的θ角是傾斜側面與水平面之間夾角的余角。實施例二
本實施例是實施例一的改進，是實施例一關于水箱的細化。本實施例所述的水箱的水平截面是圓形、橢圓形、矩形中的一種。水箱的截面形狀，除了圓形、橢圓形、矩形之外，還可以是其他形狀的，例如四角是較大圓角的矩形，或者是超橢圓等等。實施例三
本實施例是實施例二的改進，是實施例二關于水箱的細化。本實施例所述水箱的水平截面為矩形，所述水箱靠近水輪機轉子并與水輪機轉子回轉軸平行的前箱板與水平面垂直，所述的前箱板與水輪機轉子回轉軸垂直的左、右側箱板連接，所述的左、右側箱板與水平面垂直，所述的左、右側箱板與后箱板連接，所述的后箱板與左右側箱板垂直，所述的后箱板與前箱板成一定傾角，圖1中的θ角。本實施例最大的特點在于便于制造，成本低廉。因為要制造一個截面為圓形的變截面的喇叭形狀，費用會很高，完全不值得。其他截面形狀的水箱都不如矩形水箱成本低廉。而矩形水箱形成喇叭形十分方便，只要一個側面是傾斜的就可以了。實施例四本實施例是實施例三的改進，是實施例三關于傾角的細化。本實施例4所述的后箱板與前箱板之間的傾角為0 52度。 下表列出了后箱板不同傾斜角度時，波能捕獲裝置的固有周期
權利要求
1.一種波力發電的寬頻帶波能捕獲裝置，包括設置在水下寬大的水口，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，其特征在于，所述的水箱與內水道相連的水箱底部較小，水箱上部較大， 所述的水箱底部和水箱上部平滑過渡連接，形成喇叭形，水箱的上口是敞開的。
2.根據權利要求1所述的波能捕獲裝置，其特征在于，所述的水箱的水平截面是圓形、 橢圓形、矩形中的一種。
3.根據權利要求2所述的波能捕獲裝置，其特征在于，所述水箱的水平截面為矩形，所述水箱靠近水輪機轉子并與水輪機轉子回轉軸平行的前箱板與水平面垂直，所述的前箱板與水輪機轉子回轉軸垂直的左、右側箱板連接，所述的左、右側箱板與水平面垂直，所述的左、右側箱板與后箱板連接，所述的后箱板與左右側箱板垂直，所述的后箱板與前箱板成一定傾角。
4.根據權利要求3所述的波能捕獲裝置，其特征在于，所述的后箱板與前箱板之間的傾角為0 52度。
5.一種權利要求3所述波能捕獲裝置的設計方法，其特征在于，所述方法的步驟如下 確定啟動力矩的步驟用于依據波能捕獲裝置的機械動力性能設定波能捕獲裝置的啟動力矩為M0 ；確定周期范圍的步驟用于根據海浪譜確定波能捕獲裝置的固有角頻率范圍ω廣ω2， 其中Q1為固有角頻率下限，ω2為固有角頻率上限，其中，固有周期下限TP^co2，固有周期上限Τ2=2π/ωι ；確定淹沒深度的步驟用于依據波能捕獲裝置的尺寸和波能捕獲裝置的平均固有周期確定波能捕獲裝置淹沒于水下的深度；暫定轉子尺寸的步驟用于初步設定或依據“判斷Tlit是否等于T1的步驟”的調整，確定一個轉子暫定尺寸；計算試算固有周期下限的步驟用于依據轉子暫定尺寸，按照波能捕獲裝置周期的計算方法計算出水箱最低水位時的試算固有周期限Tlit ；判斷Tlit是否等于T1的步驟用于判斷試算固有周期下限Tlit是否等于固有周期下限 T1，如果大于T1則減小轉子尺寸，并回到“暫定轉子尺寸的步驟”；如果小于T1則增大轉子尺寸，并回到“暫定轉子尺寸的步驟”，如果等于T1則進入下一步驟；估計水箱中波高的步驟用于依據外部波浪設計波高估計水箱中的波高； 暫定水箱后箱板傾角的步驟用于依據水箱中的波高或依據“判斷T2it是否等于T2的步驟”調整的結果，設定一個后箱板與前箱板之間的試算傾角；計算試算固有周期上限的步驟用于依據試算傾角計算試算固有周期上限T2it ； 判斷T2it是否等于T2的步驟用于判斷試算固有周期上限T2it是否等于固有周期上限 T2，如果大于Τ2，則減小后箱板傾角并回到“暫定水箱后箱板傾角的步驟”，如果小于T2則增大后箱板傾角并回到“暫定水箱后箱板傾角的步驟”，如果等于T2則進入下一步驟；完成設計的步驟用于依據轉子尺寸和后箱板傾角完成波能捕獲裝置其他尺寸設計。
全文摘要
本發明涉及一種波力發電的寬頻帶波能捕獲裝置和設計方法，包括設置在水下寬大的水口，水口通過外水道與安裝有水輪機轉子的整流罩的上部連接，整流罩的底部通過內水道與水箱的底部連接，水箱與內水道相連的水箱底部較小，水箱上部較大，水箱底部和水箱上部平滑過渡連接，形成喇叭形，水箱的上口是敞開的。本發明采用的喇叭形的水箱，通過喇叭形水箱的變截面改變獲取不同的固有周期，使得裝置在外波浪激勵下具有一個變化的固有周期范圍，與波浪的周期范圍相接近，最大限度的獲取波浪中的能量。波能捕獲裝置的研制成功對波浪能的開發和利用具有重要的意義。
文檔編號F03B13/18GK102434368SQ20111042174
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者吳一紅, 白音包力皋, 譚水位, 賀益英, 郭曉晨, 陳文學, 高季章 申請人:中國水利水電科學研究院