一种结合特斯拉涡轮的振荡水柱式波浪能发电装置

技术领域

本发明属于新型可再生能源技术和海洋装备领域，特别是一种结合特斯拉涡轮的振荡水柱式波浪能发电装置。

背景技术

海洋面积占地球总面积的70％。它不仅为人类提供航运、水产和丰富的矿藏，而且还蕴藏着巨大的能量。海洋能包括：潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等。其中，波浪能由于开发过程中对环境影响最小且以机械能的形式存在，是品位最高的海洋能。据估算，全世界波浪能是现在世界发电量的数百倍，有着广阔的商用前景，因而也是各国海洋能研究开发的重点。当前美国、日本、中国以及欧洲等国家均在沿海建造了或多或少的波浪发电装置。位于太平洋西部的我国坐拥着非常丰富的海洋能源。我国拥有3.2万km海岸线，300多万km海洋国土，海洋资源丰富，海洋开发活动方兴未艾。波浪能作为海洋能中的一种，其资源储存量丰富。有关数据表明，我国波浪能开发的潜力超过1亿kW。波浪能与其他海洋能资源相比，具有以下优点:波浪能以机械能形式出现，是海洋能中品质较好的能量；波浪能的能流密度最大，在太平洋、大西洋东海岸纬度40°～60°区域，波浪能可达到30～70kW/m，某些地方达到100kW/m；波浪能可以通过较小的装置实现其利用；波浪能装置可在已有设施及工程的基础上进行建设安装防波堤等，能够降低波能利用装置的开发和建设成本，实现功能的多元化。波浪能在我国作为一种新兴的海洋清洁可再生能源，在中国未来能源结构中的作用不可小觑。发展波浪能是国家能源发展战略的必然要求，波浪能的开发和应用将会成为我国能源领域未来研究的热点。波浪能发电技术的研究同时也有利于推动我国海洋高新技术产业的发展。

目前，海上波浪能-风能综合利用技术还处于探索阶段，鲜见较为成熟的设计方案。其中一种是基于海上油气田平台技术的三浮体漂浮式风力机Windfloat，在其浮体基础上加入振荡水柱式发电设计或者在其中间位置加入振荡浮子式点吸收波浪能装置。另一种是美国ITI Energy公司提出的一种基于驳船式漂浮式平台的波浪能-风能综合利用技术：在长方体的漂浮式平台中间位置设计了用于振荡水柱式发电装置的气室。挪威科技大学也提出了一种结合桅杆Spar式海上风机Hywind和振荡浮子式波浪能装置WaveBob的波浪能-风能综合利用概念STC(Spar-Torus combination)。然而，这些技术仍然处于探索和沙试阶段。同时，考虑装置的稳定性和安全性，需保证能量转换装置能适应不同的天气状况，具有在极端天气条件下的生存能力。

发明内容

本申请提供了一种结合特斯拉涡轮的振荡水柱式波浪能发电装置，利用高效率的特斯拉涡轮代替原有的涡轮机，高效利用海洋波浪中蕴藏的巨大能量，将波浪的机械能最终转换成电能，以供人类利用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种结合特斯拉涡轮的振荡水柱式波浪能发电装置，包括波浪吸收装置、能量转换装置、输出装置。波浪吸收装置包括用于吸收波浪能的浮子、主气室、活塞；能量转换装置包括杠杆、振荡气室、输风管道，能量转换装置把波浪吸收装置吸收的波浪能转换为空气的动能；输出装置包括空气透平机、发电机；输出装置将空气的动能转换为透平的机械能，透平的旋旋转而带动发电机旋转发电。

进一步，所述空气透平机采用特斯拉涡轮机，所述特斯拉涡轮机是一种无气流冲击叶片，由流体剪切力驱动的涡轮机，被称为无叶片涡轮，因为它应用了边界层效应，而非传统的用流体直接冲击涡轮叶片，所述无气流冲击叶片，利用边界层效应使其旋转，最终带动电动机发电。

进一步，将振荡水柱式波能转换装置与振荡浮子式波浪能转换装置结合起来，通过浮子吸收波浪能，经杠杆连接，转换为活塞的动能，波浪在主气室中起伏，形成振荡水柱，压缩和抽吸空气，形成空气动能，两者叠加形成强劲的风能，提高了波浪能的转换效率。

进一步，所述振荡水柱式波能转换装置是由波浪运动驱动固定在岸边或半潜在海面的腔体内的水柱上下振荡，压迫空腔内的空气，产生往复气流，推动空气涡轮机发电的装置。

进一步，所述振荡浮子式波浪能转换装置是指直接与海水接触的浮体随着波浪做起伏运动，将波浪能转换为浮体所持有的机械能；其次，浮体的运动带动中间的机械传动装置运动，机械传动装置除了起到增速以及传递能量的作用外还有更为重要的一个作用，就是将浮体的往复运动转换为单向的旋转运动；最后，通过发电机将机械传动装置传递过来的机械能转换为电能的装置。

进一步，所述浮子通过杠杆与主气室内的活塞连接，所述主气室上侧设有输风管道，所述输风管道利用单向阀将波浪能的双向转换为单向。

本发明的设计原理：本申请的波浪能发电装置，整体装置基于漂浮式基础，适用于资源较为丰富的深水区域。装置的主体部分可以采用在岸上预制，利用驳船拖动到指定位置，沉入水中进行安装。装置主要利用水体垂直运动的变化，与来波方向无关，是一种点吸收式波浪能装置。其气室、浮子和特斯拉涡轮的数目也可以合理增加，以提高波浪能的捕获效率。当风浪条件较为恶劣时，可以方便地将整体装置拆并运输离开，保障装置的安全性。波浪能存在于波浪的起伏与前进中，具体为势能与动能；在浮子的上下浮动中由杆连接使活塞上下运动，压缩空气，波浪能转换成了空气的动能，同时，在气室内的海浪也在运动，压缩气室上方的空气，波浪能也转换成了空气动能，两者相加形成更强劲的空气动能，成为风能。当波浪经过漂浮式基础，波浪引起装置所处海面的自由水面高程的变化。在漂浮式基础中的气室中的自由水面也发生变化，进而压缩或抽吸气室中的空气，气室顶部的管道中形成气体的流动。气体流过特斯拉涡轮带动其转动，发出电力。

本技术方案的主要特征是可以在海面上漂浮，利用船锚固定在海面上；浮子安装在装置的最前方，通过杠杆与活塞杆的连接，将浮子吸收的波浪能转换为活塞中的机械能；活塞位于气室内的上方，气室在装置的中心位置，气室有两个开口，一个位于底部，浸入水中，一个位于顶部与输风管道相连接，并且气室的正前方有倾斜墙，可以减少海浪对装置的冲击作用，同时提高前墙水位，增大进入气室的水压，提高水柱震荡效果；输风管道位于气室的正上方，其中有四个单向阀分别位于输风管道的四条通道上，在通道的出口处安装空气透平机，进行发电。

当波浪流经前方浮子时，波浪引起装置所处海面的自由水面高程的变化，浮子上下运动带动气室内活塞对空气的挤压与稀释，同时气室内的自由水面也发生变化，同样挤压或者稀释气室内的空气，气室顶部的开口处形成气体的流动，输风管道中的单向阀可以将挤压或稀释的气流变为单向流动气体，气体带动空气透平旋转发电。整体装置漂浮于海面上，可以适用于资源丰富的深水海域，装置可以部分于岸上安装，其余利用驳船拖到指定位置在海中安装。

有益效果：本发明适用于波浪能资源较为丰富的区域，采用振荡水柱式与振荡浮子式相结合的波浪能装置的设计，同时浮子与活塞的设计加上风室上侧输风管道的特殊设计，将气室内压缩与抽吸的双向风能变为单向风，能够大大增强通过汽轮机的风力以提高发电效率；解决了目前波浪能装置发电效率低、结构复杂的不足，其特殊的输风管道将双向气流转化为单向气流流过空气透平机，有效利用波浪在气室中产生的往复气流，降低对空气透平机的结构设计要求；主体装置采用了漂浮式基础，形式简单，便于安装和转移。

附图说明

图1是特斯拉涡轮装置。

图2是振荡浮子式海洋波浪能发电装置结构侧视图。

图3是振荡浮子式海洋波浪能发电装置部分立体图。

图4是加上发电机后的特斯拉涡轮机构。

图中个符号代表：1.浮子；2.杠杆；3.主气室；4.活塞气室；5.单向阀门；6.空气透平机；6-1.外壳；6-2闭口端盖；6-3心轴；6-4法兰螺栓；6-5开口端盖；6-6螺栓；6-7开式心轴；6-8圆环；6-9轴承；6-10圆盘；7.外壁；8.输风管道；9.后墙挡板；10.前墙挡板；11.倾斜墙；12.滑动槽；13.活塞；14.连接件；15.发电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，该机构为特斯拉涡轮机构，外侧有呈半圆环形的6-1外壳；在外壳的两侧有6-2闭口端盖和6-5开口端盖通过6-4法兰螺栓使其紧固连接；6-3心轴通过端盖位于轴线上；6-6为通过中心的螺栓；6-7为开孔的心轴与6-1外壳接触；6-8圆环与6-10圆盘配合同时与6-3心轴配合。

当涡轮机构工作时，主气室4内的空气通过波浪的波动变化，在单向阀门5的作用下形成单向流动的气体，气体通过外壳6-1上的进气孔进入特斯拉涡轮，气体在边界层效应的作用下，随着圆盘6-10的表面流动形成螺旋状的流动方向，凭借特斯拉涡轮的运动特点，气体逐渐被加速，在达到圆盘6-10的中心时，达到最大速度驱动心轴6-3的高速转动，涡轮通过与发电机构的连接，带动发电机运转，发出电力。

如图2所示，浮子1通过铰接与杠杆2连接，位于装置最前方；杠杆2与滑动槽12相连接，杠杆2可以在滑动槽中12中移动；滑动槽12位于活塞气室4的正上方，被一根杆支撑；四个单向阀门5分别安装在四个输气管道8的内测；空气透平机6位于输气管道8的出气口；外壁7内测形成主气室3；后墙挡板9和后墙挡板10与活塞13，外壁7形成活塞气室4；倾斜墙11增强波浪进入气室的速度。

如图3所示，当浮子1上升时，活塞13向下压缩空气，同时，主气室3中海水上升，向上压缩空气，这样就形成了双向压缩空气。气流流入管道8，5-2单向阀门打开，5-1单向阀门关闭，气流流经空气透平机6，从5-3阀门所在的管道8流回到活塞气室4中，此时5-4阀门处于关闭状态。当浮子1下降，活塞13向上抽吸空气，同时，主气室3中海水下降，压强减少。气流从活塞气室4流出，经过空气透平机6回到主气室3，此时5-4和5-1阀门打开，另外两个阀门则处于关闭状态。在此过程中，阀门打开是靠气流的推动，阀门关闭是由于气流反向吹动阻碍阀门打开，阀门的闭合又与其两侧的压强大小变化有关。以上就是通过单向阀门开合控制气流流向，形成单向气流通过空气透平机。

如图4所示，连接件14通过6-6螺栓连接将发电机15与特斯拉涡轮6联系起来。上侧的发电机15通过特斯拉涡轮6的心轴6-3同轴连接；在装置气流的冲击作用下，特斯拉涡轮机6开始旋转，将空气的动能转换为机械能；特斯拉涡轮机6又带动同轴相连的发电机15旋转，在励磁电流的作用下，旋转的转子带动励磁磁场旋转，发电机的定子绕组切割励磁磁力线在其中产生感应电动势，在输出电能的同时会在转子上产生一个与其旋转方向相反的电磁制动转矩。由于气流不间断地作用于特斯拉涡轮机6，特斯拉涡轮机6从气流中获得的旋转力矩用于克服电机转子上产生的电磁制动转矩，当两个力矩达到平衡时，水力发电机组将以某一恒定的转速运转，稳定地发出电力，实现能量的转换。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。