[发明专利]一种往复空气整流装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及能量转换设备技术领域，尤其涉及一种往复空气整流装置及方法。

背景技术

地球上波浪能资源蕴藏量丰富，开发利用潜力巨大。目前波浪能利用技术种类繁多，但绝大部分利用技术是在波浪直接作用下利用载体(空气、海水、结构物)与结构物(支撑平台)的相对运动转换波浪能量，还有一部分是利用载体受波的压力产生形变或通过压电效应转换能量。形变或压电效应转换波浪能量由于波浪产生的压头不高而转换效率不高，这两类技术目前转换效率最高不超过5％。不同的转换载体后续的转换机构是不一样的，这些机构复杂程度和建造成本差别很大。

以结构物同支撑平台相互运动转换波浪能量的技术就是振荡浮子技术，它是目前世界发展的主流(包括中国)。振荡浮子技术的特点是利用波浪能量推动一个浮体相对另一个浮体平动或转动输出能量，后续转换机构通常采用液压系统。液压系统主要包括液压缸、液压马达、管道和一些溢流保护阀等，有的还包括具有稳流的蓄能机构，机构较复杂。如果以液压油作为工质，还有可能因泄漏对环境产生影响。相对运动的两结构物在超常波浪力作用下超限运动，有可能导致机构受力超常而被破坏。

以海水作为载体转换波浪能量就是所谓的越浪技术。越浪技术是波浪推动海水爬升把波浪能转换为海水势能，然后通过水轮机和发电机把势能转换为电能，其特点是水轮机同海水接触，受海生物附着影响大，由于要支撑海水重量装置体积相对庞大，高效率的低水头水轮机是一个需要解决的关键问题。

以空气作为载体转换波浪能量就是所谓的振荡水柱技术。振荡水柱技术公认的特点是结构简洁，材料利用率高，水下无运动部件可靠性高。其后续转换机构为空气透平和发电机(或其他负载)，全部设备内置在结构物内，不接触海水，故障率低，维护方便，密封级别要求低，海生物附着影响小。整套机构简单。目前基于振荡水柱技术发展的导航用微型波力发电装置已实现小规模生产。

产生往复运动非稳态气流是振荡水柱利用技术的特点，也是难以提高透平转换效率一个关键因素。目前应用于振荡水柱技术上的空气透平主要有Wells透平和冲动式透平等及其变种。Wells透平采用对称翼结构，无需整流阀门，双向来流都可推动透平单向旋转，结构简单，造价低，但只在特定的转速范围内转换效率高，而且最高也只是33％，容易失速，启动特性差，噪音大。在2000年前研建的绝大部分振荡水柱波浪能示范电站中采用了结构简单的Wells透平。冲动式透平为了应对往复流问题可分为单阀式冲动式透平和无阀式冲动式透平。按照导向叶片的不同，单阀式冲动式透平由可分为单阀式固定导叶冲动透平、单阀式自调节导叶冲动透平。该透平由于单向栅格阀门的作用只利用一个方向的气动能量，整体转换效率不高，而且目前阀门在高频往复气流作用下频繁碰撞，容易损坏。无阀式冲动式透平由可分为双向固定导叶冲动透平、双向自调节导叶冲动透平及其他组合方式如双单向冲动透平结构(Uni-directionalTurbine)等。无阀式冲动式透平有为了适应双向流的作用，一种方式是在透平两端装配有导叶组，导叶组一端起到导流作用，另一端起到流阻作用，这种结构形式导致整体转换效率提高困难。目前我国科研人员实验研究表明冲动式透平低速效率转换效率较高，曲线平缓，频带较宽，启动特性佳，在规则波条件下，双向可调导叶冲动式透平最高转换效率可达53.3％，但这种透平需要精心设计，在一天几万次往复式气流的作用下，导叶运动频率过高，容易卡死损坏。为了克服双端导叶流阻大的问题，日本学者提出了一种双单向冲动透平结构。该种结构是两组分开的透平，特殊设计的导叶使气流几乎只能单向流动。通过对实验研究和数值求解发现该种透平机组效率达60％，高于同种海况下的Wells透平和带有前置导叶的冲动透平。该透平机具有一级喷嘴叶栅和一级动叶栅，其中喷嘴叶栅和动叶栅的空气进口均大于出口，其机械效率高达75％，是由于低参数的空气具有可压缩性，渐缩式流道将空气的压力能转化为动能，从而提高了气动效率。这种结构有望使波浪能到电的转换效率达到50％。但是，该种透平机组采用两组对称的透平组，当空气冲动一组透平旋转做功时，另一组透平也跟着做旋转运动而产生斥气损失，导致整个机组损失较大，其透平出口漏气损失也较大，从而使得转换效率降低。

故现有技术有待改进和发展。

发明内容

本发明为了克服现有的流体整流装置在低压、高频运动环境中的不足，提供了一种能适用于低压、高频运动环境，而且能高效率、高寿命、无噪声连续工作的往复空气整流装置以及方法。