本發(fā)明屬于波浪能發(fā)電裝置，具體而言，涉及一種基于氣管切換的多海況波浪能發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

1、在全球清潔能源需求不斷增長的大環(huán)境下，海洋波浪能因其儲量豐富、可再生、環(huán)境友好等特性，成為國際能源領(lǐng)域的研究焦點。振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置因結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，在波浪能發(fā)電技術(shù)中占據(jù)重要地位。然而，這類裝置在實際應(yīng)用中面對復(fù)雜海洋工況存在諸多局限。

2、海洋環(huán)境復(fù)雜多變，海況始終處于動態(tài)變化中。常態(tài)海況下，波浪能量低，發(fā)電裝置需具備極高能量捕獲與轉(zhuǎn)換效率，以捕捉微小波浪能量并轉(zhuǎn)化為電能。傳統(tǒng)振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置多采用威爾斯透平，其在低速氣流下，依靠獨特空氣動力學(xué)設(shè)計的葉片形狀與流道結(jié)構(gòu)，能有效利用波浪誘導(dǎo)氣流，將波浪能轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。但在極端海況，如風(fēng)暴、臺風(fēng)等惡劣氣象條件下，波浪能量密度急劇增大，波高顯著提升。此時若繼續(xù)使用威爾斯透平，由于其結(jié)構(gòu)和工作機制的固有局限，在高能量、高流速氣流沖擊下極易失速。一旦失速，透平葉片與氣流相互作用偏離設(shè)計工況，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率大幅降低，甚至引發(fā)發(fā)電裝置停機故障，嚴(yán)重威脅波浪能發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。部分研究人員引入沖擊式透平應(yīng)對高能量波浪。沖擊式透平利用高速氣流沖擊將波浪能直接轉(zhuǎn)化為機械動能，在極端海況下能量轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于威爾斯透平。但沖擊式透平工作高度依賴高流速氣流，在常態(tài)海況下能量轉(zhuǎn)換效率極低，無法滿足穩(wěn)定發(fā)電需求。此外，波浪高度變化時，發(fā)電裝置中氣管高度的優(yōu)化配置成為影響能量捕獲效率的關(guān)鍵因素。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于氣管切換的多海況波浪能發(fā)電裝置，解決了傳統(tǒng)振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置采用單一透平，在常態(tài)海況能量捕獲效率低的弊端，提高發(fā)電穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明提供一種基于氣管切換的多海況波浪能發(fā)電裝置，其中，包括：

4、一級能量轉(zhuǎn)化氣室，包括前墻、頂壁、后墻、側(cè)墻和底壁，一級能量轉(zhuǎn)化氣室坐立于海床上，迎浪側(cè)下方設(shè)有矩形開口，用于接收波浪能量，上部通過封閉氣室結(jié)構(gòu)并在后墻上開設(shè)圓形氣孔；

5、下部常規(guī)二級能量轉(zhuǎn)化裝置，包括下部氣流管道、威爾斯透平、下部閥門和發(fā)電機組件，所述下部氣流管道連接后墻上垂直位置偏下的氣孔，下部閥門在常規(guī)海況時打開，通過威爾斯透平進行發(fā)電，在極端海況時關(guān)閉；

6、上部極端二級能量轉(zhuǎn)化裝置，包括上部氣流管道、沖擊式透平、上部閥門和發(fā)電機組件，所述上部氣流管道連接后墻上垂直位置偏上的氣孔，上部閥門在極端海況時打開，通過沖擊式透平進行發(fā)電，在常規(guī)海況時關(guān)閉。

7、封閉氣室結(jié)構(gòu)的作用是將波浪能轉(zhuǎn)化為空氣氣流的動能，同時防止海水進入氣室內(nèi)部，確保裝置在不同海況下的穩(wěn)定運行。

8、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的一種基于氣管切換的多海況波浪能發(fā)電裝置還可以做如下改進:

9、其中，所述前墻下部靠近海床的位置設(shè)有矩形開口，所述矩形開口邊緣進行加固處理；

10、所述頂壁為封閉的平板結(jié)構(gòu)，與所述前墻、后墻、側(cè)墻緊密連接，形成密封氣室空間；

11、所述后墻上垂直位置偏下和偏上分別開設(shè)圓形氣孔，所述圓形氣孔周圍設(shè)有加強筋；

12、所述側(cè)墻與前墻、后墻之間通過焊接或高強度螺栓連接，連接處進行密封處理；

13、所述底壁與海床直接接觸，通過固定方式穩(wěn)固坐立于海床上，底壁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，表面進行防腐處理。

14、前墻采用高強度、耐沖擊的復(fù)合材料(如纖維增強混凝土或厚鋼板)制成，頂壁采用輕質(zhì)高強度的金屬材料，后墻采用高強度材料制作，側(cè)墻采用與前墻和后墻相同的材料。

15、進一步的，所述下部常規(guī)二級能量轉(zhuǎn)化裝置中，下部閥門安裝在下部氣流管道與后墻氣孔的連接處；

16、所述威爾斯透平安裝在所述下部氣流管道內(nèi)部，位于后墻下部氣孔與發(fā)電機組件之間，威爾斯透平的軸與發(fā)電機組件通過聯(lián)軸器相連；

17、發(fā)電機組件包括發(fā)電機、增速齒輪箱和控制系統(tǒng)，發(fā)電機采用永磁同步發(fā)電機，所述增速齒輪箱安裝在威爾斯透平與發(fā)電機之間，所述控制系統(tǒng)實時監(jiān)測發(fā)電機的運行參數(shù)。

18、下部氣流管道采用耐腐蝕的金屬材料制成，管徑、長度和內(nèi)壁光滑度經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計；威爾斯透平的葉片采用輕質(zhì)高強度的碳纖維復(fù)合材料。威爾斯透平的軸通過聯(lián)軸器與發(fā)電機組件的輸入軸連接，將氣流的動能轉(zhuǎn)化為機械能，并傳遞給發(fā)電機組件。

19、威爾斯透平葉片為對稱翼型設(shè)計，正反兩面形狀相同，便于雙向氣流驅(qū)動葉輪單向旋轉(zhuǎn)；

20、沖擊式透平葉片通常為非對稱翼型，壓力面與吸力面形狀差異顯著，以適應(yīng)高速氣流沖擊和能量轉(zhuǎn)換需求。

21、威爾斯透平葉片以對稱、無導(dǎo)葉為核心特征，幾何結(jié)構(gòu)簡潔；沖擊式透平葉片則通過非對稱翼型、導(dǎo)葉系統(tǒng)及復(fù)雜葉根/葉冠設(shè)計，實現(xiàn)對高速氣流的精準(zhǔn)控制與高效能量轉(zhuǎn)換。

22、進一步的，所述上部極端二級能量轉(zhuǎn)化裝置中，上部閥門安裝在上部氣流管道與后墻氣孔的連接處；

23、所述沖擊式透平安裝在上部氣流管道內(nèi)部，位于后墻上部氣孔與發(fā)電機組件之間；

24、發(fā)電機組件包括發(fā)電機、增速齒輪箱和控制系統(tǒng)，增速齒輪箱的傳動比根據(jù)沖擊式透平的輸出特性進行優(yōu)化調(diào)整，控制系統(tǒng)實時監(jiān)測發(fā)電機的運行參數(shù)。

25、采用上述改進方案的有益效果為：上部氣流管道采用耐腐蝕的不銹鋼材料制作，管徑和結(jié)構(gòu)設(shè)計適應(yīng)高速氣流的沖擊；沖擊式透平利用高速氣流的沖擊作用將波浪能轉(zhuǎn)化為機械能，葉片采用特殊形狀和材料(如高強度合金或陶瓷復(fù)合材料)，能夠承受高速氣流的沖擊。沖擊式透平的軸通過聯(lián)軸器與發(fā)電機組件的輸入軸連接，將高速氣流的動能轉(zhuǎn)化為機械能，并傳遞給發(fā)電機組件。沖擊式透平的葉片采用弧形或翼型設(shè)計，葉片角度和曲率經(jīng)過優(yōu)化，以最大化高速氣流的沖擊效果。葉片的前緣采用銳角設(shè)計，以減少氣流阻力；葉片的后緣采用平滑過渡設(shè)計，以提高氣流流動效率。

26、控制系統(tǒng)包括傳感器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)。傳感器用于監(jiān)測海況參數(shù)(如波浪高度、頻率)和發(fā)電機運行參數(shù)(如電壓、電流、頻率)；控制器根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)生成控制信號；執(zhí)行機構(gòu)(如電動或氣動閥門)根據(jù)控制信號快速切換閥門的開閉狀態(tài)。采用微處理器或plc(可編程邏輯控制器)作為核心控制器。控制器接收傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯生成控制信號。

27、控制邏輯：

28、在常規(guī)海況下，控制系統(tǒng)打開下部閥門，關(guān)閉上部閥門，使氣流通過威爾斯透平進行發(fā)電。

29、在極端海況下，控制系統(tǒng)關(guān)閉下部閥門，打開上部閥門，使氣流通過沖擊式透平進行發(fā)電。

30、進一步的，所述一級能量轉(zhuǎn)化氣室的矩形開口尺寸根據(jù)波浪能量接收效率和防止海水涌入的需求計算，矩形開口邊緣采用加固處理以抵御海浪長期沖擊。

31、一級能量轉(zhuǎn)化氣室矩形開口尺寸計算過程中需要考慮以下關(guān)鍵參數(shù)：

32、波浪參數(shù)：

33、波浪高度(h)：波浪從波谷到波峰的垂直距離。

34、波浪周期(t)：波浪從一個波峰到下一個波峰的時間間隔。

35、波長(l)：波浪在一個周期內(nèi)傳播的距離。

36、波速(c)：波浪傳播的速度，計算公式為

37、氣室參數(shù)：

38、氣室高度(hc)：氣室從底壁到頂壁的垂直距離。

39、氣室寬度(wc)：氣室在水平方向的寬度。

40、氣室深度(dc)：氣室在垂直于波浪傳播方向的深度。

41、開口參數(shù)：

42、開口高度(ho)：矩形開口的垂直高度。

43、開口寬度(wo)：矩形開口的水平寬度。

44、開口面積(ao)：矩形開口的面積，計算公式為ao＝ho×wo。

45、能量接收效率(η)：波浪能量轉(zhuǎn)化為氣流動能的效率，通常通過實驗或模擬確定。

46、計算方式

47、矩形開口尺寸的計算基于流體力學(xué)和波浪能轉(zhuǎn)化原理，具體步驟如下：

48、步驟1：確定波浪能量

49、波浪能量(e)的計算公式為：

50、

51、其中：ρ為海水密度(通常取1025kg/m3)；g為重力加速度(通常取9.81m/s2)；h為波浪高度；l為波長。

52、步驟2：計算波浪能量接收效率

53、波浪能量接收效率(η)的計算公式為：

54、

55、其中：p波浪為波浪功率，計算公式為p接收為氣室接收的波浪功率，通過實驗或模擬確定。

56、步驟3：確定開口面積

57、開口面積(ao)的計算公式為：

58、

59、其中：c為波速；h為波浪高度。

60、步驟4：確定開口高度和寬度

61、根據(jù)氣室尺寸和波浪參數(shù)，確定開口高度(ho)和寬度(wo)：

62、開口高度(ho)：通常為波浪高度(h)的0.5至0.8倍，以確保能夠接收大部分波浪能量。

63、開口寬度(wo)：根據(jù)氣室寬度(wc)和波浪傳播方向確定，通常為氣室寬度的0.6至0.9倍。

64、步驟5：驗證防止海水涌入的條件

65、為防止過多海水涌入，需滿足以下條件：

66、

67、其中：qmax為氣室的最大允許流量，通過實驗或模擬確定；c為波速。

68、具體實現(xiàn)方法：

69、流體力學(xué)模擬：

70、使用計算流體動力學(xué)(cfd)軟件對波浪與氣室的相互作用進行模擬，確定開口尺寸對能量接收效率和海水涌入的影響。

71、通過模擬優(yōu)化開口高度和寬度，確保在最大化能量接收效率的同時，防止過多海水涌入。

72、實驗驗證：

73、在實驗室水槽中進行縮比模型實驗，測量不同開口尺寸下的波浪能量接收效率和海水涌入量。

74、根據(jù)實驗結(jié)果調(diào)整開口尺寸，確保實際運行中的性能滿足設(shè)計要求。

75、經(jīng)驗公式：

76、參考類似波浪能發(fā)電裝置的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合理論計算和模擬結(jié)果，確定開口尺寸的合理范圍。

77、所述一級能量轉(zhuǎn)化氣室的頂壁采用鋁合金材料制成，以減輕裝置重量并保證足夠的強度承受氣室內(nèi)外的壓力差。

78、進一步的，所述一級能量轉(zhuǎn)化氣室的底壁通過地腳螺栓或混凝土基礎(chǔ)固定于海床上，所述底壁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

79、進一步的，所述威爾斯透平的葉片基于空氣動力學(xué)原理設(shè)計，所述葉片采用航空翼型設(shè)計，前緣為圓弧形，后緣為尖銳形，所述葉片的安裝角度在10°至30°之間，所述威爾斯透平的流道入口處漸縮設(shè)計，所述威爾斯透平的流道出口處漸擴設(shè)計。

80、采用上述改進方案的有益效果為：威爾斯透平通常采用6至12片葉片，葉片數(shù)量經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，以平衡氣流動能捕獲效率和透平旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。葉片采用航空翼型設(shè)計，前緣為圓弧形，后緣為尖銳形，以減少氣流分離和湍流，提高氣流動能轉(zhuǎn)化效率。葉片的安裝角度(攻角)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，通常在10°至30°之間，以確保在低速氣流條件下能夠高效捕獲氣流動能。葉片的曲率經(jīng)過流體力學(xué)模擬確定，確保氣流在葉片表面流動時能夠產(chǎn)生最大的升力，同時減少阻力。

81、威爾斯透平的流道采用漸縮-漸擴設(shè)計，入口處漸縮以加速氣流，出口處漸擴以減少氣流阻力，確保氣流動能高效轉(zhuǎn)化為機械能。

82、進一步的，所述下部常規(guī)二級能量轉(zhuǎn)化裝置和上部極端二級能量轉(zhuǎn)化裝置的發(fā)電機組件均包括永磁同步發(fā)電機、增速齒輪箱和控制系統(tǒng)。

83、進一步的，所述一級能量轉(zhuǎn)化氣室為垂直長方體殼形結(jié)構(gòu)。

84、進一步的，所述下部閥門和上部閥門均采用電動或氣動控制。

85、電動閥門：采用電動蝶閥或閘閥，根據(jù)控制信號快速切換閥門的開閉狀態(tài)。

86、氣動閥門：采用氣動執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)控制信號快速切換閥門的開閉狀態(tài)。

87、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的一種基于氣管切換的多海況波浪能發(fā)電裝置的有益效果是：

88、從發(fā)電穩(wěn)定性角度來看，傳統(tǒng)振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置由于采用單一透平設(shè)備，在面對復(fù)雜多變的海況時，穩(wěn)定性難以保障。在極端海況下，威爾斯透平的失速問題會導(dǎo)致發(fā)電裝置停機故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響發(fā)電的連續(xù)性。而本發(fā)明通過巧妙設(shè)置上下兩根氣管，并分別匹配威爾斯透平與沖擊式透平，能夠依據(jù)海況的實時變化，精準(zhǔn)切換工作模式。在常態(tài)海況下，下氣管搭配威爾斯透平穩(wěn)定運行，持續(xù)將低能量波浪轉(zhuǎn)化為電能；一旦極端海況來襲，迅速切換至上氣管與沖擊式透平，保障發(fā)電過程不受惡劣天氣影響，極大地增強了發(fā)電裝置在各種海況下的運行穩(wěn)定性，為電力供應(yīng)的持續(xù)性提供了堅實保障；

89、在能量轉(zhuǎn)換效率方面，常態(tài)海況下，威爾斯透平能夠充分發(fā)揮其在低速氣流條件下的高效能量轉(zhuǎn)換特性，將微小的波浪能量盡可能多地轉(zhuǎn)化為機械能，進而提升電能產(chǎn)出。而在極端海況時，沖擊式透平憑借其對高速氣流沖擊的有效利用，實現(xiàn)了高能量波浪能的高效轉(zhuǎn)換，避免了傳統(tǒng)裝置在高能量波浪下能量轉(zhuǎn)換效率大幅降低的問題。這種針對不同海況的精準(zhǔn)匹配，使得發(fā)電裝置在全海況范圍內(nèi)都能保持較高的能量轉(zhuǎn)換效率，大幅提高了波浪能的利用水平，為波浪能發(fā)電的經(jīng)濟效益提升奠定了基礎(chǔ)；

90、從海況適應(yīng)能力層面分析，傳統(tǒng)裝置難以適應(yīng)波浪高度、能量密度等參數(shù)的劇烈變化，而本發(fā)明通過氣管與透平的靈活切換機制，能夠完美契合不同海況下的波浪特征。無論是能量較低的平緩海浪，還是能量劇增的風(fēng)暴海浪，發(fā)電裝置都能迅速調(diào)整工作模式，實現(xiàn)對不同海況的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。這一特性不僅拓寬了波浪能發(fā)電裝置的應(yīng)用范圍，還使其能夠在全球各種復(fù)雜的海洋環(huán)境中穩(wěn)定運行，為波浪能的大規(guī)模開發(fā)利用掃除了障礙。