本發(fā)明涉及一種基于水錘泵的近岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)和方法，是一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和方法，是一種利用波浪能發(fā)電的系統(tǒng)和方法，是一種清潔環(huán)保的新能源系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

目前，近岸波浪能發(fā)電方法和技術(shù)主要有振蕩浮子式、振蕩水柱式以及越浪式等手段。它們的共同點是，直接利用波浪能所蘊藏的低水頭位能資源，驅(qū)動透平機械旋轉(zhuǎn)，帶動電機進行發(fā)電。相關(guān)研究也就集中在低水頭海洋波浪能的收集、高效透平機械的開發(fā)以及不穩(wěn)定能流下的電機研制。實際上，低水頭海洋波浪能的能流隨波浪的波高、頻率等因素變化，與日照、溫度、風(fēng)向、風(fēng)級、季節(jié)等多因素有關(guān)，因此，波浪能的能流是極不穩(wěn)定。在現(xiàn)階段技術(shù)水平條件下，不穩(wěn)定能流的捕捉、收集和轉(zhuǎn)換的效率很低，也就致使目前近岸波浪能的利用效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種基于水錘泵的近岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)和方法。所述的系統(tǒng)和方法結(jié)合聚能水庫和水錘泵的優(yōu)點，產(chǎn)生穩(wěn)定的發(fā)電水頭，克服了波浪能發(fā)電的不穩(wěn)定難題，提高了波浪能發(fā)電效率。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種基于水錘泵的近岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)，包括：收集波浪能的聚能水庫，所述的聚能水庫中設(shè)有多個水位差水控裝置，所述的水位差水控裝置與各自的水錘泵的動力水管連接，所述的水錘泵的揚水管與高位水池連接，所述的高位水池輸出管與水輪機連接，所述的水輪機通過連接軸與發(fā)電機連接，所述的水錘泵的泄水閥的水平高度低于低潮水位的高度。

進一步的，所述的聚能水庫包括：傾斜的迎浪面，所述的迎浪面后方為多層水庫，各層水庫的迎浪面上設(shè)有進浪口。

進一步的，所述的水位差水控裝置包括一根穿過多層水庫的立管，所述立管頂端與最上層水庫連接，其余每層水庫與立管設(shè)置對應(yīng)的止回閥，所述的止回閥向立管內(nèi)單向開啟。

進一步的，所述的止回閥是旋啟式止回閥。

進一步的，所述的立管的截面形狀為圓形、正方形、矩形、正多邊形中的一種。

進一步的，所述的水錘泵的個數(shù)n按如下公式計算：

,

式中：p為發(fā)電功率，η1為發(fā)電機的功率，η2為水輪機的功率，h為高位水池與水輪機出水口的水位差，q為每臺水錘泵的泵水量，g為重力加速度。

進一步的，所述的水錘泵的泄水閥低于最低潮位。

進一步的，所述的水錘泵周圍設(shè)置隔墻。

一種使用上述系統(tǒng)的近岸波浪能發(fā)電方法，所述的方法步驟如下：

用分層水庫收集不同高度的波浪，形成幾個梯次水位的水體勢能；

用水位差水控裝置將不同層水庫中的水體引入到低于最低潮位的水錘泵中；

利用水錘泵將水體泵至高位水池中，產(chǎn)生沖擊水輪機的勢能；

利用高位水池中水體勢能驅(qū)動水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明采用聚能水庫和水錘泵結(jié)合的方式產(chǎn)生穩(wěn)定的高位水能實現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電，解決了現(xiàn)有的波能發(fā)電中的不穩(wěn)定難題。由于水錘泵能量轉(zhuǎn)換效率高，提高了整個波能發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、運動部件很少，安全可靠、故障率很低，由于結(jié)構(gòu)簡單，建造和使用成本較低。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

圖1是本發(fā)明的實施例一所述系統(tǒng)的立面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例一所述系統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的實施例二、三所述的聚能水庫和水位差水控裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

實施例一：

本實施例是一種基于水錘泵的近岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)，如圖1、2所示。本實施例包括：收集波浪能的聚能水庫1，所述的聚能水庫中設(shè)有多個水位差水控裝置2，所述的水位差水控裝置與各自的水錘泵3的動力水管301連接，所述的水錘泵的揚水管與高位水池4連接，所述的高位水池輸出管401與水輪機5連接，所述的水輪機通過連接軸與發(fā)電機6連接，所述的水錘泵的泄水閥302的水平高度低于低潮水位7的高度。

聚能水庫為收集波浪能的裝置，可以有多種形式，如：帶有傾斜坡的水庫。即利用傾斜的坡面，使海浪爬坡，在傾斜坡面上設(shè)置進水口，當(dāng)波浪到達進水口時，跌入水口中，水口中是水庫，水庫的高度使水庫中的水體具有一定的勢能，即可以利用帶有勢能的水體發(fā)電。由于海水是不斷潮起潮落的，因此，可以設(shè)置多層水庫收集不同潮位的水進入多層水庫，形成不同潮位的水體勢能。

圖2給出了集成4臺水錘泵的近岸波浪能發(fā)電系統(tǒng)，僅作為示范使用。實際應(yīng)用中水錘泵的數(shù)量需根據(jù)發(fā)電量進行計算。設(shè)發(fā)電功率為p，發(fā)電機的功率為η1，水輪機的功率為η2，發(fā)電機的高度為h，每臺水錘泵的泵水量為q，所需水錘泵的數(shù)量n為：

，

式中：p為發(fā)電功率，η1為發(fā)電機的功率，η2為水輪機的功率，h為高位水池與水輪機出水口的水位差，q為每臺水錘泵的泵水量，g為重力加速度。

聚能水庫內(nèi)的水通過動力水管進入水錘泵，水錘泵將一小部分水泵送至高位水池，大部分水的低水頭位能轉(zhuǎn)換為一小部分水的高水頭位能，這樣就實現(xiàn)了將聚能水庫波動的低水頭位能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的高水頭位能。高位水池的高度在30~50m均可，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩項l件，選擇地質(zhì)條件好、成本低的位置建造。

發(fā)電系統(tǒng)由高位水池、水輪機和電機組成，這與傳統(tǒng)的水力發(fā)電技術(shù)一致。

本實施例所述系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換利用效率高：水錘泵作為一種無動力泵水機械，能夠在0.5~10.0m的水位差范圍內(nèi)高效地將水泵送至30~50m的高度處，能量轉(zhuǎn)換效率在50~70%；而對于30~50m落差的水能資源，市場上配套的水輪機和電機將其轉(zhuǎn)換為電能的效率一般大于80%。這樣，整個系統(tǒng)的效率為40~56%，是大于現(xiàn)有的海洋波浪能利用技術(shù)手段的。

本實施例所述系統(tǒng)的使用安全可靠：從兩方面分析：第一，本系統(tǒng)中，在海水中沒有機電設(shè)備，唯一的運動部件是止回閥，其他的均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管，因此，事故概率低；第二，水錘泵的運動部件也是兩個止回閥，安全可靠，國內(nèi)外已有水錘泵正常連續(xù)運行數(shù)十年的實例，水錘泵的事故概率低。因此，整個系統(tǒng)使用安全可靠。

本實施例所述系統(tǒng)的技術(shù)要求相對較低：現(xiàn)有的波浪能發(fā)電所使用的振蕩水柱、振蕩浮子和越浪等技術(shù)中，對不穩(wěn)定的波浪能進行直接利用，能量捕捉、收集、轉(zhuǎn)化和輸送技術(shù)的要求特別高，這也就是目前這些技術(shù)的能量利用效率較低的主要原因。而本實施例所述系統(tǒng)中，不需要透平機械對不穩(wěn)定的波浪能資源進行直接利用，而是利用提出的系統(tǒng)將不穩(wěn)定的波浪能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的高水頭（30~50m）位能，再通過透平機械進行發(fā)電。所述系統(tǒng)的聚能水庫和水錘泵的技術(shù)要求遠遠低于高精尖透平機械，而30~50m落差水能驅(qū)動水輪機發(fā)電技術(shù)現(xiàn)階段已經(jīng)很成熟了，實現(xiàn)難度較小。

實施例二：

本實施例是實施例一的改進，是實施例一關(guān)于聚能水庫的細化。本實施例所述的聚能水庫包括：傾斜的迎浪面101，所述的迎浪面后方為多層水庫102，各層水庫的迎浪面上設(shè)有進浪口103，如圖3所示。

聚能水庫用于收集海洋波浪能，并以低水頭位能的形式存儲起來。聚能水庫可以為多層，圖3中顯示的是一個兩層聚能水庫，由上庫和下庫組成，每層的高度為1.5~2.0m；上下庫的迎浪面與海平面的夾角為θ。圖3中的θ為45°斜坡面，便于波浪爬升進入。當(dāng)波浪功率大時，波浪爬升能力強、爬升高度大，可進入上庫，此時，下庫處于灌滿狀態(tài)，當(dāng)波浪功率小時，波浪只能進入下庫。儲存在聚能水庫中的水，與海平面具有一定的位差，一般在1.5~4.0m，也就是實現(xiàn)了不穩(wěn)定海洋波浪能的收集。相比于波高、頻率變化較大的海洋波浪能，這種波動的低水頭位能的品質(zhì)略優(yōu)，但當(dāng)前技術(shù)開發(fā)手段較少，效率低。

實施例三：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于水位差水控裝置細化。本實施例所述的水位差水控裝置包括一根穿過多層水庫的立管201，所述立管頂端與最上層水庫連接，其余每層水庫與立管設(shè)置對應(yīng)的止回閥202，所述的止回閥向立管內(nèi)單向開啟，如圖3所示。

水位差水控裝置由連通各層水箱和水錘泵動力水管的豎管和止回閥組成，豎管斷面形狀可以是圓形、正方形、矩形或正多邊形等，在每層水箱與豎管之間設(shè)一個或者多個止回閥，止回閥可以旋啟式或其他形式的止回閥。止回閥安裝在豎管壁上，開口為圓形或矩形。當(dāng)某一層水箱水位高于豎管內(nèi)水位時，該水箱內(nèi)止回閥開啟，該水箱內(nèi)海水進入豎管；反之，當(dāng)該層水箱水位低于豎管內(nèi)水位時，該水箱內(nèi)止回閥關(guān)閉，防止豎管內(nèi)海水流入該水箱。在上庫有水的情況下，利用上庫的水；在上庫無水的情況下，利用下庫的水。

實施例四：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于止回閥細化。本實施例所述的止回閥是旋啟式止回閥。

旋啟式止回閥是一種結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的止回閥。

實施例五：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于立管細化。本實施例所述的立管的截面形狀為圓形、正方形、矩形、正多邊形中的一種。

立管的水平截面形狀根據(jù)所使用的管型型材所決定，以堅固、成本低為選擇的要點。

實施例六：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于水錘泵個數(shù)的細化。本實施例所述的水錘泵的個數(shù)n按如下公式計算：

,

式中：p為發(fā)電功率，η1為發(fā)電機的功率，η2為水輪機的功率，h為高位水池與水輪機出水口的水位差，q為每臺水錘泵的泵水量，g為重力加速度。

實施例七：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于水錘泵泄水閥位置的細化。本實施例所述的水錘泵的泄水閥302低于最低潮位，見圖1所示。

水錘泵泄水閥的位置與水錘泵的效率有關(guān)，通常情況下水錘泵的泄水閥應(yīng)當(dāng)平齊或低于下游水位。在平齊下游水位時效率最高，再低于下游水位就沒有意義了，只會增加水錘泵機坑的深度，換句話說，就是增加土方量。對于水位線上下移動的海平面來說，只能將泄水閥的水平高度降低至最低潮位，才能獲得最高的效率。

實施例八：

本實施例是上述實施例的改進，是上述實施例關(guān)于水錘泵位置的細化。本實施例所述的水錘泵周圍設(shè)置隔墻8，如圖1所示。

隔墻的作用是為了維護水錘泵方便，當(dāng)水錘泵需要檢修或維護時，將需要維護的水錘泵隔墻內(nèi)的水排干，即可進行維修。

實施例九：

本實施例是一種使用上述實施例所述系統(tǒng)的近岸波浪能發(fā)電方法，所述的方法步驟如下：

用分層水庫收集不同高度的波浪，形成幾個梯次水位的水體勢能。本步驟根據(jù)不同的潮位收集波浪的能量，一般使用兩層或三層水庫，形成兩個梯次或三個梯次的水體勢能。簡單的說，就是高潮時的水位進入最高層的水庫中，當(dāng)潮位下降是依次進入下面幾層水庫，在不同的潮位下，形成不同的水體勢能。

用水位差水控裝置將不同層水庫中的水體引入到低于最低潮位的水錘泵中。本步驟是關(guān)鍵性的步驟，將不同水位的水體勢能產(chǎn)生同樣的水頭效果，以推動水錘泵。由于海潮不斷變化，要形成穩(wěn)定的，能夠推動水錘泵的水體是一件困難的事情，而本實施用一個簡單的方式解決了這個問題，即使用一根立管，在立管上根據(jù)潮位開一些進水口，在進水口上設(shè)置向立管內(nèi)單向開啟的止回閥，當(dāng)潮位變化時，止回閥依次開閉或關(guān)閉，使水錘泵的動力水管中能夠維持穩(wěn)定的壓力，保證水錘泵的穩(wěn)定工作。

利用水錘泵將水體泵至高位水池中，產(chǎn)生沖擊水輪機的勢能。高位水池相當(dāng)于一個緩沖池，能夠?qū)⑺N泵產(chǎn)生的壓能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定勢能存儲起來，再通過勢能發(fā)電。如果將水錘泵產(chǎn)生的壓能用來直接用于驅(qū)動水輪機，能流是不穩(wěn)定的，水輪機和發(fā)電機在不穩(wěn)定能流下的使用效率低，也會縮短機械的使用壽命，因此使用高位水池十分必要。

利用高位水池中水體勢能驅(qū)動水輪機帶動發(fā)電機進行發(fā)電。

最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案（比如水錘泵的形式、各個要素的排列形式、步驟的先后順序等）進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。