一种后弯管波浪能发电的船身结构

技术领域

本发明涉及一种后弯管波浪能发电的船身结构，属于波浪能发电技术领域。

背景技术

由于海洋波浪能资源储巨大，开发前景广阔，利用波浪能发电近年来受到了研究人员的广泛关注。常见的波浪能发电装置工作原理主要有振荡浮子式、振荡水柱式和越浪波式。

其中后弯管技术作为近年来振荡水柱式的主流技术一种，具有良好的俘获宽度比，可以在波浪作用下俘获波浪能，利用自身产生的摇荡运动获得机械能，利用管道、气室、透平等将波浪能转化为电能。

而为了更好的产生较大幅度的纵摇运动响应，需要对船身部分进行改进，提高装置的发电效率，同时不妨碍波浪能发电装置的姿态稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种后弯管波浪能发电的船身结构，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的技术方案如下：

一种后弯管波浪能发电的船身结构，包括：

两端开口的后弯管，所述后弯管包括水平管道和弯管道；

气室，所述气室设置在弯管道上端；

浮力舱，所述浮力舱设置在水平管道上部；

翼板，对称的两组翼板分别位于船身两侧，所述翼板下表面呈从船头向船尾方向向下延伸的光滑曲面。

优选的，所述水平管道的截面形状为“陀螺状”，这一结构设计能够有效减少装置做摇荡运动时受到的水的阻力，增大了运动幅度，提高发电装置的波浪俘获性能；所述水平管道内流道为流线型曲面，水平管道内流道与垂直气室之间的过渡面为流线型曲面，使得垂直气室内的水柱高度不会因为波浪在后弯管内部从水平方向向垂直方向运动过程中的能量损失而降低，保证波浪能发电装置的发电效率。

优选的，所述弯管道的入口截面积大于气室的水平截面积；使得流体在气室内流动的速度大于水平管道的流体速度，提高气动效率。

优选的，所述水平管道底壁靠近船头前部设置有单点系泊系统。

优选的，所述翼板内部中空设置。

优选的，所述翼板下表面的光滑曲面呈弧形或四分之一周期的规则波形状。

优选的，所述翼板布置在船尾位置，比如翼板从船身中部延伸至船尾，若翼板在船长方向上的长度过长使得在船长方向上提供浮力抑制纵摇运动，应该更靠近船尾，船尾通过翼板的浮力可以快速出水，跟船头的压水板一起加大纵摇运动幅度。翼板提供足够的浮力，能在船宽方向上提供较大的恢复力，抑制横摇运动。

优选的，所述翼板安装在浮力舱侧壁，并位于水平管道上方。

优选的，所述浮力舱内部划分为若干个复合压载水舱室。

本发明具有如下有益效果：

船身两侧翼板内部为中空结构，能为装置提供较大的浮力，保证发电装置在水平方向上不会发生较大幅度的横摇运动，维持装置运动过程的姿态稳定。当波浪流过翼板下方时，翼板下方的曲面首先与波浪发生相互作用，首先沿着其下部曲面向下运动，翼板下部的光滑曲面可以有效减少波浪向下运动过程中造成的波浪能量损失，波浪向下运动过程中与翼板相互作用，对船尾产生一个向上的作用力，同时翼板的中空结构也能为装置尾部提供一个向上的浮力，装置尾部在两种力共同作用下迅速抬升，使得装置产生较大幅度的纵摇运动响应，提高装置的发电效率。

通过以上设置保持较大纵摇运动响应，因此具有较大的俘获宽度比，保证了波浪能发电装置在工作海域海况作用下，使装置始终保持高发电效率状态。

附图说明

图1为本发明船头立体结构示意图；

图2为本发明船头主视图；

图3为本发明船头侧视图；

图4为本发明船头俯视图；

图5为本发明规则波曲线示意图；

图6为本发明后弯管波浪能发电装置第一个视角立体结构示意图；

图7为本发明后弯管波浪能发电装置第二个视角立体结构示意图；

图8为本发明后弯管波浪能发电装置侧视图；

图9为本发明翼板侧视图；

图10为本发明压载水系统流程图。

图中附图标记表示为：

1、破浪锥头；2、压水板；3、水平管道；4、弯管道；5、气室；6、浮力舱；7、单点系泊系统；8、翼板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

实施例：如图1-5所示：

压水板2水平设置在破浪锥头1上端且一体成型，压水板2和破浪锥头1内部中空设置有利于为后弯管波浪能发电装置提供浮力，让发电装置的船头部分高于船尾部分，使得波浪更好作用于船头。破浪锥头1相对位于压水板2中部位置。

在波浪的传播过程中，波浪顺着船头的流线型结构经过破浪锥头1，锥形结构的破浪锥头1方便切割波浪，使得船头的压水板2向下运动。由于压水板2下方是光滑曲面，因此降低了在船头向下运动过程中波浪能量的损失，船头继续向下运动，波浪与压水板2水平部分相互抨击，对船头部分有一个较大的波浪作用力，同时，中空的破浪锥头1与压水板2能够为船头提供较大的浮力，在浮力与波浪对船头的作用力共同作用下，使得船头部分快速向上运动，使得装置产生较大幅度的纵摇运动响应，提高装置的发电效率；

同时，压水板2从破浪锥头1上端开始向对立两侧水平延伸，破浪锥头1对立两侧的压水板2左右部对称设置，压水板2辅助水平方向上不会发生较大幅度的横摇运动，维持发电装置运动过程的姿态保持稳定，也保证了波浪能发电装置在不同海况环境下的姿态稳定性。

关于船头压水板2下表面的曲面形状，在选择时不限于某种特定的曲面形状，可以考虑多种形状，但无论选择何种形状，最终目的均是使得波浪传播过程中的能量损失降低。例如选择圆的部分圆弧或是选择椭圆形的某一段曲线作为压水板2下方曲面的剖面形状，可以保证减少波浪与船头压水板2曲面作用过程中的能量损失，同时这类形状也便于生产制造；

进一步的，如图3和5中的粗线所示，还可以选择将规则波四分之一周期内的曲线作为压水板2的下方曲面的剖面形状，在波浪传播过程过，波浪的波面能与船头压水板2下方曲面恰好贴合，最大限度的减少波浪能量损失，针对规则波参数的选择，则可以根据工作海域特定的海况，选择该海况下对应的有义波高与波浪周期作为规则波的波高以及周期。有义波高可取历史海况波高数据中的平均值。

翼板8的下表面和压水板2虽然均来自“规则波四分之一周期内的曲线”，但是，波浪从船头向船尾方向传播时与结构发生相互作用，进而波浪发生变化。

如图6-8所示，为后弯管波浪能发电装置，包括船身、船头以及安装在船身两侧的翼板8，船身由气室5、两端开口的后弯管结构和浮力舱6构成，后弯管结构包括水平管道3和弯管道4，弯管的水平管道3上部连接浮力舱6，气室5位于弯管道4上方，气室5管道上方可用于放置空气透平装置，用于将机械能转换为电能，此外，装置的单点系泊系统7位于船身纵向长度上前侧靠近重心的位置，可保证波浪能发电装置在危险海况下工作的安全性，同时单点系泊系统7的位置不会限制波浪能发电装置纵摇运动响应，使装置始终保持高发电效率状态保证了装置在危险海况工作的安全性；船身两侧放置有两块曲边梯形结构的翼板8，以保证波浪能发电装置在工作海况作用下姿态的稳定性，同时为装置提供船宽方向的浮力，抑制横摇运动。

水平管道3的截面形状为“陀螺状”，采用陀螺形是为了能保证流道内部曲面较为光顺，减少流体在流道中流动过程中与避免之间发生相互摩擦产生的能量损失，能够有效减少装置做摇荡运动时受到的水的阻力，增大了运动幅度，提高装置的俘获性能。此外，水平管道3内流道为流线型曲面，降少了波浪运动的能量损失。弯管道4的入口截面积大于气室5的水平截面积，使得流体在气室内流动的速度大于水平管道3的流体速度，提高气动效率。气室5位于弯管道4上方，流体在后弯管中的流动使得气室内的压力发生变化形成压差。

浮力舱6则是位于水平管道3的上方，一方面为装置提供浮力，保证装置在运动过程中姿态的稳定性，另一方面，将浮力舱6内部划分为若干个上下多层分布的小压载水舱室，根据对工作海域的海况调研情况，提前预设不同的压载水方案，使得装置可以针对不同等级的工作海况，调整舱室的压载情况，改变装置的重心位置和质量分布，从而调整装置的纵摇运动固有周期，调整后该波浪能发电装置的纵摇运动固有周期调整与工作海域所处的海况的波浪周期接近，使得波浪能发电装置与波浪之间尽可能发生共振，以获得更大的纵摇运动响应，使得装置能够保持较高的发电效率。

对称的两块曲边梯形翼板8分别位于船身两侧，两侧翼板8内部均为中空结构，可以在船宽方向的两侧提供较大的浮力，在装置发生横摇运动时提供较大的恢复力，保证装置在水平方向上不会发生较大幅度的横摇运动，维持装置运动过程的姿态保持稳定。翼板8相对位于船尾附近，比如从船身中部延伸至船尾，在波浪由船头向船尾传播过程中，翼板8下方的曲面首先与波浪发生相互作用，当波浪流经翼板8下方，首先沿着其下部曲面向下运动，翼板8下部的光滑曲面可以有效减少波浪向下运动过程中造成的波浪能量损失，波浪向下运动过程中与翼板8相互作用，对船尾产生一个向上的作用力，同时翼板8的中空结构也能为装置尾部提供一个向上的浮力，装置尾部在两种力共同作用下迅速抬升，使得装置产生较大幅度的纵摇运动响应，提高装置的发电效率。若翼板8从船头开始延伸，中空翼板8提供的浮力就会在船长方向上也提供较大的恢复力，会抑制与发电效率相关的纵摇运动。

船身侧壁整体式结构的大翼板与分布式结构的多个小翼板相比具有以下优点，首先，更少的部件可以更好地保证两侧翼板8结构的一致性，不会致使装置发生横倾，其次是整体式结构部件少，可靠性更高，后期如果发生故障也更加便于维修。

关于翼板8的下表面的曲面形状，在选择时不限于某种特定的曲面形状，可以考虑多种翼板形状，但无论选择何种形状，最终目的均是使得波浪传播过程中的能量损失降低。例如选择圆的部分圆弧或是选择椭圆形的某一段曲线作为翼板8下方曲面的剖面形，可以保证减少波浪与翼板8曲面作用过程中的能量损失，同时这类形状也便于生产制造；

如图3和9中的粗线所示，还可以选择将规则波四分之一周期内的曲线作为曲面翼板8的下方曲面的剖面形状，在波浪传播过程过，波浪的波面能与翼板8下方曲面恰好贴合，最大限度的减少波浪能量损失，针对规则波参数的选择，则可以根据工作海域特定的海况，选择该海况下对应的有义波高与波浪周期作为规则波的波高以及周期。有义波高可取历史海况波高数据中的平均值。

波浪能发电装置所处工作海域的海况会随着季节与气候发生实时变化，但海洋工程中认为同一海域内的短期海况在三个小时内是没有变化的，不同的海况对应不同的波浪周期，而波浪能发电装置若想达到较高的发电功率，需要让发电装置自身的固有周期，尤其是与发电功率相关的纵摇固有周期尽量接近对应海况的波浪固有周期，海洋工程中浮体的固有周期会受到浮体的重心位置以及重量分布的影响，因此可以将波浪能发电装置的浮力舱6分割为若干个小压载水舱室，通过改变小压载水舱室的状态，改变波浪能发电装置的重心位置以及重量分布，进而改变波浪能发电装置的纵摇运动固有周期，当调整后的纵摇运动固有周期与当前海况的波浪周期相同或较为接近时，波浪能发电装置受波浪作用，在纵摇方向上会发生剧烈的共振运动，使得纵摇运动一直保持较大运动幅度，波浪能发电装置保持在高水平的发电效率。

如图10所示，可以分为以下几个步骤：

1、工作海域海况调研

首先需要了解波浪能发电装置在运行期间所处的工作海域可能包含的n个海况，相关的数据可以通过工作区域的短期海况历史数据分析得到，也可以通过事先投放浮标，通过浮标在工作海域波浪长期作用下的运动数据，预估得到该海域可能存在的n个海况。

2、根据海况设计对应压载方案

在明确了波浪能发电装置在运行过程中有可能遭遇的n个海况后，针对可能出现的海况将波浪能发电装置的浮力舱6部分分割为若干个小的压载水舱室，各个小压载水舱室之间相互封闭，同时在各个小压载水舱室内设置压载水管，通过控制系统控制电泵，使得压载水管抽水或排水，使得各个小压载水舱室内处于满载(充满水)或者空载(完全无水)的状态，通过不同的压载水舱室的充满水或者完全无水这两种状态的配合，改变波浪能发电装置的重心位置以及重量分布，进而改变装置的纵摇运动固有周期。

需要注意的是，本方案中波浪能发电装置不需要通过智能压载水系统实时对装置纵摇运动固有周期实现任意调节，只需针对波浪能发电装置的可能遇到的n个海况进行j种方案预设，针对这n个海况，波浪能发电装置均能通过智能压载水系统调节自身纵摇运动固有周期，使得自身纵摇运动固有周期与所处实时海况的波浪周期相同或接近，装置预设的j种压载方案分别对应n个海况，即n＝j。

3、根据海况进行智能压载调节

(1)海况监测。

在波浪能发电装置投放至工作海域后，每隔T时间对所处海域工况进行监测，判断当前海域内的海况属于n种海况中的哪一种。

可以通过在该海域内设置监测浮标的方式对工况进行监测，通过监测浮标的运动数据判断当前海域的海况级别，通过数据回传将海域内的海况反馈给波浪能发电装置，也可以直接在波浪能发电装置安装海况分析相应设备，判断当前波浪能发电装置所处的海况级别。

(2)智能压载调节

在波浪能发电装置获取到当前工作海域的实时海况后，针对当前所处的海况，智能压载系统判断波浪能发电装置内部应该启用j种压载水方案中的哪一种，并通过智能压载水系统控制电泵，通过压载水管抽水或排水，使得各个小压载水舱室内处于满载(充满水)或者空载(完全无水)的状态，达到预设方案。调整后的纵摇运动固有周期与当前海况的波浪周期相同或较为接近，此时的波浪能发电装置在纵摇方向上会发生剧烈的共振运动，使得纵摇运动一直保持较大运动幅度，波浪能发电装置保持在高水平的发电效率上。

每隔T时间(三个小时)监测信息回传一次海况，判断海况级别是否发生变化，海况级别发生变化后调整至对应的压载方案。相对于持续运行的方案，本方案采用了周期性工作模式，每隔三个小时进行一次操作。这种方式简化了整个系统的工作流程，并有利于延长设备的使用寿命。此外，使用预设压载方案也降低了处理器算力的需求，无需实时计算和调整压排载方案以应对不同的海况，只需根据事先评估的海况级别进行周期性调节。这种设计使整个系统更加简洁高效。j种压载水方案中船体的重心相对沿船体长度方向分布。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。