[發明專利]主動共振C式浮力擺波浪能發電裝置

有效

• 申請號: 201910098598.5
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109973288B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 蔡元奇;霍銀泉;劉健慧;石祥宇;劉洋
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: F03B13/18
• 分類號: F03B13/18
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 肖明洲

本發明公開一種主動共振C式浮力擺波浪能發電裝置，是一種完全浸沒于水中的呈艙室狀的波浪能發電裝置，包括俘能系統、發電系統和筏式底座，俘能系統包括呈艙室狀擺體，擺體內設置有自動質心調節裝置，擺體固連于主軸，主軸與發電系統連接，主軸上還設置有用于測試擺體擺動的碼盤，擺體兩側面平行，背波面是上大下小的兩個同心圓弧，兩圓弧之間采用螺旋線、漸開線及高階曲線過渡，過渡曲線上外法線距主軸軸心的距離最小；迎波面是平面或內凹圓弧面或與背波面相同的曲面；發電系統包括鏈條、棘輪、換向軸、增速器、永磁發電機，發電系統內置于擺體艙室內或位于擺體外部。通過調節裝置質心位置，實現擺體實時與波浪共振，實現波能高效轉換。

技術領域

本發明涉及一種主動共振C式浮力擺波浪能發電裝置，具體為一種利用海上波浪能進行發電裝置，屬新能源技術領域。

背景技術

波浪能是海洋能的主要形式之一，是一種清潔可再生能源，便于利用，且蘊藏量大，分布廣泛，能流密度較大。其中波浪能的利用是當今世界的研究熱點，全球海洋強國都在開展這方面的研究，已提出4500多種技術方案，據2016年JRC Ocean Energy StatusReport，Attenuator/Point absorber/OWC/OWSC四類裝置技術成熟度TRL達到8級，接近商業化。當前研究的技術成熟度主要體現波能裝置布放、運維及輸電等方面，但波浪能轉換效率普遍不高，不超過15％。效率問題成為波能技術難以商業化的瓶頸。波浪能轉換效率是波浪能技術研究的根本目的，研究高效波能技術是當前研究重點之一。波浪能技術發展至今，尚未成熟，技術仍不收斂的原因在于波能轉換中的一些機理尚未厘清。就當前研究而言，多數波浪能技術方案是基于準靜力方法提出的，而現在的研究多從工程應用出發，缺少機理性研究。

擺式波浪能技術是實踐比較多的一種波能技術，是利用波浪中水質點做往復運動的特點實現波能轉換，它是日本學者渡部富治首先提出的，并于1983年進行試驗，據稱效率能達40％。比較有影響的是英國Aqua-marine Power公司研制的Oyster波浪能裝置，這款裝置由于技術原因遲遲無法商業化導致公司于2015年底破產。該裝置國內也有追蹤研制，專利申請者也對該裝置進行了研究，發現這款裝置的附連質量大，造成裝置自振周期長，遠離實際波浪周期，擺處于隨動狀態，難以實現共振。而且該波能裝置的輻射阻尼也非常大，造成波浪能轉換效率低。直觀的分析可認為，Oyster波浪能裝置類似一個造波板，其吸收的波浪能基本被輻射出去。由此可見，Oyster波浪能裝置的效率不高，這可能是該裝置不能商業化的原因。同樣，對Pelamis波浪能裝置分析同樣發現其附連質量和輻射阻尼都很大，效率不高，難以商業化，英國Pelamis Wave Power公司也于2014年破產。

Edinburgh大學Salter教授1974年提出的DUCK波浪能裝置也可以歸為擺式波浪能技術，該裝置在共振狀態，其效率可達90％，Salter在Nature期刊上介紹他的工作。他利用了輻射力過主軸軸心時輻射力矩為零這一性質，采用以水平圓筒作為裝置的本體，以主軸軸線為支鉸軸的方案。采用該方案，裝置的輻射力矩大幅下降，其自振周期進入實際海浪周期范圍，易發生共振，其輻射阻尼小，易于吸收波浪能。其迎波面上(鴨咀處)的外法向不過主軸軸心，仍有較大的輻射力矩，但輻射力小于入射力，可有效的吸收波浪能。DUCK裝置必須在水面上工作，原因是鴨咀處的背面在水面以上不會產生輻射力矩，但在水中會產生較大的輻射力矩，不利于波浪能的吸收。由此帶來致命的缺陷，DUCK需要巨大的支架，抗風浪的能力較弱，同時位于表面的俘能部件處會產生波浪破碎，增加大粘滯阻尼，對吸波不利。

中國科學院廣州能源所提出的鷹式波浪能裝置也可歸為擺式，它吸取了DUCK裝置的優點，在俘能部件的背波面采用了內凹的“圓筒”，以減少輻射力矩。這樣處理帶來的好處是“圓筒”的主軸可以降低至水下，克服了DUCK需要巨大支架的缺陷，抗風浪能力增強。但鷹式裝置的迎波面還需進一步的研究，迎波面法向距支鉸軸的距離加大，將增加迎波面上輻射力矩，不利于吸波，其迎波面于背波面交接處易產生渦脫，也不利于裝置吸能，同樣水面處會產生波浪破碎，增大粘滯阻尼，對吸波不利。