[发明专利]一种波力发电的宽频带波能捕获装置和设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种波力发电的宽频带波能捕获装置和设计方法，是一种可再生能源技术，是一种通过宽频带共振原理研究出的具有自动适应波浪频率变化范围的波能捕获单元装置和设计方法。

背景技术

关于波浪能转换的各种专利已超过1500项。波浪能装置千变万化，对波能采集系统来说，其作用是捕获波浪能，形式有振荡水柱式（OWC）、振荡浮子式（Buoy）、摆式(Pendulum)、鸭式(Duck)、筏式(Raft)、收缩坡道式(Tapchan)、蚌式(Clam)等，其中除了收缩坡道式与波浪的频率无关外，其他形式的波能采集系统的波能转化效率均与波浪的运动频率相关，只有装置的固有频率与波浪运动频率大致相等，即共振时，波能捕获效率才能最大化。绝大部分的波能采集装置没有自适应变化固有频率的能力，即使少部分波能捕获装置具有自适应改变自身固有频率的能力，也存在装置结构过于复杂，实际中根本无法正常工作。

传统的点吸收式波能捕获装置，只有装置的固有频率与波浪的主频率相近时，即发生共振时，波能捕获效率最高。此时存在两个问题，一是按共振理论设计的波能捕获装置过于庞大，如振荡浮子式的浮子直径要达到5m，重量要达到几十吨或更大；摆式则更大，如SEAREV的摆重达1000吨。即使这样，由于海上的波浪能量是由多个不同频率的能量组成的，而装置只有一个固有频率，所以很难发生共振，因此引申出第二个问题。二是为了使海浪的激励与装置在相位上一致，必须采用相应的控制算法，由此使得系统过于复杂，增加了系统工作的复杂度。

波浪能包括各种频率的能量，其能量频带是一个频率区间，相应地装置的固有频率是一个点，所以只有装置的固有频率与波浪的主频率相等时，装置才有较高的波浪能捕获效率，即使如此，装置也只是捕获了装置固有频率附近很窄范围的能量。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种波力发电的宽频带波能捕获装置和设计方法，所述的装置基于双击式水轮机的波能捕获系统，能够捕获波浪中大部分频率范围内的能量。所述的设计方法通过改变水箱的参数，有效的捕获波浪中的波能。

本发明的目的是这样实现的：一种波力发电的宽频带波能捕获装置，包括：设置在水下宽大的水口，所述的水口通过外水道与安装有水轮机转子的整流罩的上部连接，所述的整流罩的底部通过内水道与水箱的底部连接，所述的水箱与内水道相连的水箱底部较小，水箱上部较大，所述的水箱底部和水箱上部平滑过渡连接，形成喇叭形，水箱的上口是敞开的。

一种上述波能捕获装置的设计方法，所述方法的步骤如下：

确定启动力矩的步骤：用于依据波能捕获装置的机械动力性能设定波能捕获装置的启动力矩为M₀； 

确定周期范围的步骤：用于根据海浪谱确定波能捕获装置的固有角频率范围ω₁~ω₂，其中ω₁为固有角频率下限，ω₂为固有角频率上限，其中，固有周期下限T₁=2π/ω₂，固有周期上限T₂=2π/ω₁；

确定淹没深度的步骤：用于依据波能捕获装置的尺寸和波能捕获装置的平均固有周期确定波能捕获装置淹没于水下的深度；

暂定转子尺寸的步骤：用于初步设定或依据“判断T_1计是否等于T₁的步骤”的调整，确定一个转子暂定尺寸；

计算试算固有周期下限的步骤：用于依据转子暂定尺寸，按照波能捕获装置周期的计算方法计算出水箱最低水位时的试算固有周期下限T_1计； 

判断T_1计是否等于T₁的步骤：用于判断试算固有周期下限T_1计是否等于固有周期下限T₁，如果大于T₁则减小转子尺寸，并回到“暂定转子尺寸的步骤”；如果小于T₁则增大转子尺寸，并回到“暂定转子尺寸的步骤”，如果等于T₁则进入下一步骤；

估计水箱中波高的步骤：用于依据外部波浪设计波高估计水箱中的波高；

暂定水箱后箱板倾角的步骤：用于依据水箱中的波高或依据“判断T_2计是否等于T₂的步骤”调整的结果，设定一个后箱板与前箱板之间的试算倾角；

计算试算固有周期上限的步骤：用于依据试算倾角计算试算固有周期上限T_2计；