[發明專利]一種寒冷海域用風浪發電裝置、定位方法和定位模塊

在審

• 申請號: 202010193575.5
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111188719A
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 張娜;李帥;劉維林;蔣學煉
• 申請（專利權）人: 天津城建大學
• 主分類號: F03B13/14
• 分類號: F03B13/14;F03B11/00;F03D9/11;F03D13/25;F03D80/40;E02B3/06;G06F30/28;G06F113/08
• 代理公司: 天津市鼎和專利商標代理有限公司 12101
• 代理人: 蒙建軍

1.一種寒冷海域用風浪發電裝置，位于防波堤(1)的斜坡面上；其特征在于，至少包括：

鋪設于所述斜坡面上的多個定位槽，所述多個定位槽依次拼接成蜂巢結構(2)；

安裝于每個定位槽內的搖擺發電裝置(4)；

每個搖擺發電裝置(4)通過穩壓整流器(5)與蓄電池連接。

2.根據權利要求1所述的寒冷海域用風浪發電裝置，其特征在于，所述搖擺發電裝置(4)包括搖擺件(3)，所述搖擺件(3)通過萬向頭安裝于定位槽內，所述搖擺件(3)內部嵌裝有碳纖維繩；所述碳纖維繩一端固定連接泵(6)活塞的左側；所述泵(6)左側腔室與馬達(7)之間通過管路連接，所述泵(6)活塞的右側裝有復位彈簧(8)；所述馬達(7)通過動力轉軸與發電機(9)連接，發電機(9)的輸出端子通過穩壓整流器(5)與蓄電池連接。

3.根據權利要求1或2所述的寒冷海域用風浪發電裝置，其特征在于，所述寒冷海域用風浪發電裝置還包括防止定位槽內水流結冰的加熱棒，所述蓄電池與加熱棒連接。

4.根據權利要求2所述的寒冷海域用風浪發電裝置，其特征在于，所述搖擺件(3)和泵(6)均為N*M個，其中：N和M均為大于1的自然數；所述管路包括N*M個初級管路和M個主管路；所述搖擺件(3)分為N組；其中，每個主管路的下端與同組的N個初級管路聯通，在每個主管路上設有一個馬達(7)，每個馬達(7)連接一臺發電機(9)。

5.根據權利要求1所述的寒冷海域用風浪發電裝置，其特征在于，所述搖擺件(3)為氯丁橡膠搖擺件。

6.根據權利要求1所述的寒冷海域用風浪發電裝置，其特征在于，所述搖擺件(3)長至少30cm，所述碳纖維繩直徑為12mm。

7.根據權利要求1所述的寒冷海域用風浪發電裝置，其特征在于，所述蓄電池為鉛酸電池。

8.一種基于權利要求1-6任一項所述寒冷海域用風浪發電裝置的定位方法，其特征在于：包括如下步驟：

S1、有冰時波浪能估算；海洋波能的可發電資源通常用波能流密度來定量描述，有冰時波能流密度估算公式如下：

其中：P為波能流密度，單位為KW/m，是用來計算每米波峰寬度方向從海平面到海底面整個水體蘊蓄的波功率；ρ是指海水密度，取1.028kg/m³；k為波數，其中L為有效周期對應的波長，單位為m；T_e為能量周期，單位為s，用0.9乘以譜峰周期T_P來表示；L與T_P都是由SWAN的動譜平衡方程模型計算得出；H_s為包含冰影響的有效波高，單位是m；

S2、波浪推算采用動譜平衡方程模型，以風作為驅動力，基于下述方程推算環渤海域工程位置處波浪場分布：

其中：UFRIC為風摩擦速度；CDRAG為風拖曳力系數，當10m高度處的風速WIND107.5m/s時，CDRAG＝(0.8+0.065*WIND10)*0.001；當WIND10≤7.5m/s時，推薦值為0.0013；aice為0～1之間的冰濃度；WIND10為10m高度時的風速；

根據公式(2)計算出風摩擦速度UFRIC；再基于UFRIC和重力加速度計算JOHNSWAP譜；

根據輸入的譜峰周期對應的頻率計算出當前時間水平下的作用密度，進而得到波能密度的零階矩ETOT；并基于下式(3)得到考慮冰影響的有效波高H_s

根據波能流密度P的估算值，進而對環渤海近岸已建斜坡式防波堤進行評估，確定該發電斜坡式防波堤的選址；

S3、有冰時波浪爬高預測；有冰時波浪爬高預測公式如下：

R＝K_ΔR₁H_s (4)

其中：R為有冰時的波浪爬高；K_Δ為與斜坡堤護面結構型式有關的糙滲系數，K_Δ取值范圍為0～1；當K_Δ＝1時，表示光滑不透水的防波堤護面，K_Δ越小，表示防波堤護面越粗糙；R₁為當K_Δ＝1，H_s＝1m時，波浪在光滑不透水的防波堤護面上產生的爬高；

S4、根據有冰時波浪爬高R的預測值，進而確定蜂巢結構與搖擺發電裝置的位置。R值是個波浪爬高值，就是波浪在斜坡堤上爬坡的高度，在本專利中包含冰的影響。通常情況下，R值在水位附近變動。在低水位和入射波高較小的情況下，R值較小，但是在高水位時R值可能會到達堤頂，因此R值會有一個范圍。由公式(1)-(4)結合當地的水位條件計算出波浪爬高的范圍后，將發電裝置布置在此范圍內，確保其能波浪能。

9.一種基于權利要求1-6任一項所述寒冷海域用風浪發電裝置的定位模塊，其特征在于，至少包括：

有冰時波浪能估算模塊；海洋波能的可發電資源通常用波能流密度來定量描述，有冰時波能流密度估算公式如下：

其中：P為波能流密度，單位為KW/m，是用來計算每米波峰寬度方向從海平面到海底面整個水體蘊蓄的波功率；ρ是指海水密度，取1.028kg/m³；k為波數，其中L為有效周期對應的波長，單位為m；T_e為能量周期，單位為s，用0.9乘以譜峰周期T_P來表示；L與T_P都是由SWAN的動譜平衡方程模型計算得出；H_s為包含冰影響的有效波高，單位是m；

波浪推算采用動譜平衡方程模型，以風作為驅動力，基于下述方程推算環渤海域工程位置處波浪場分布：

其中：UFRIC為風摩擦速度；CDRAG為風拖曳力系數，當10m高度處的風速WIND107.5m/s時，CDRAG＝(0.8+0.065*WIND10)*0.001；當WIND10≤7.5m/s時，推薦值為0.0013；aice為0～1之間的冰濃度；WIND10為10m高度時的風速；

根據公式(2)計算出風摩擦速度UFRIC；再基于UFRIC和重力加速度計算JOHNSWAP譜；

根據輸入的譜峰周期對應的頻率計算出當前時間水平下的作用密度，進而得到波能密度的零階矩ETOT；并基于下式(3)得到考慮冰影響的有效波高H_s

根據波能流密度P的估算值，進而對環渤海近岸已建斜坡式防波堤進行評估，確定該發電斜坡式防波堤的選址；

有冰時波浪爬高預測模塊；有冰時波浪爬高預測公式如下：

R＝K_ΔR₁H_s (4)

其中：R為有冰時的波浪爬高；K_Δ為與斜坡堤護面結構型式有關的糙滲系數，K_Δ取值范圍為0～1；當K_Δ＝1時，表示光滑不透水的防波堤護面，K_Δ越小，表示防波堤護面越粗糙；R₁為當K_Δ＝1，H_s＝1m時，波浪在光滑不透水的防波堤護面上產生的爬高；

位置預測模塊；根據有冰時波浪爬高R的預測值，進而確定蜂巢結構與搖擺發電裝置的位置。R的值在本專利中包含冰的影響。通常情況下，R值在水位附近變動。在低水位和入射波高較小的情況下，R值較小，但是在高水位時R值可能會到達堤頂，因此R值會有一個范圍。由公式(1)-(4)結合當地的水位條件計算出波浪爬高的范圍后，將發電裝置布置在此范圍內，確保其能吸收波浪能。