[发明专利]一种寒冷海域用风浪发电装置、定位方法和定位模块

权利要求书

1.一种寒冷海域用风浪发电装置，位于防波堤(1)的斜坡面上；其特征在于，至少包括：

铺设于所述斜坡面上的多个定位槽，所述多个定位槽依次拼接成蜂巢结构(2)；

安装于每个定位槽内的摇摆发电装置(4)；

每个摇摆发电装置(4)通过稳压整流器(5)与蓄电池连接。

2.根据权利要求1所述的寒冷海域用风浪发电装置，其特征在于，所述摇摆发电装置(4)包括摇摆件(3)，所述摇摆件(3)通过万向头安装于定位槽内，所述摇摆件(3)内部嵌装有碳纤维绳；所述碳纤维绳一端固定连接泵(6)活塞的左侧；所述泵(6)左侧腔室与马达(7)之间通过管路连接，所述泵(6)活塞的右侧装有复位弹簧(8)；所述马达(7)通过动力转轴与发电机(9)连接，发电机(9)的输出端子通过稳压整流器(5)与蓄电池连接。

3.根据权利要求1或2所述的寒冷海域用风浪发电装置，其特征在于，所述寒冷海域用风浪发电装置还包括防止定位槽内水流结冰的加热棒，所述蓄电池与加热棒连接。

4.根据权利要求2所述的寒冷海域用风浪发电装置，其特征在于，所述摇摆件(3)和泵(6)均为N*M个，其中：N和M均为大于1的自然数；所述管路包括N*M个初级管路和M个主管路；所述摇摆件(3)分为N组；其中，每个主管路的下端与同组的N个初级管路联通，在每个主管路上设有一个马达(7)，每个马达(7)连接一台发电机(9)。

5.根据权利要求1所述的寒冷海域用风浪发电装置，其特征在于，所述摇摆件(3)为氯丁橡胶摇摆件。

6.根据权利要求1所述的寒冷海域用风浪发电装置，其特征在于，所述摇摆件(3)长至少30cm，所述碳纤维绳直径为12mm。

7.根据权利要求1所述的寒冷海域用风浪发电装置，其特征在于，所述蓄电池为铅酸电池。

8.一种基于权利要求1-6任一项所述寒冷海域用风浪发电装置的定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、有冰时波浪能估算；海洋波能的可发电资源通常用波能流密度来定量描述，有冰时波能流密度估算公式如下：

其中：P为波能流密度，单位为KW/m，是用来计算每米波峰宽度方向从海平面到海底面整个水体蕴蓄的波功率；ρ是指海水密度，取1.028kg/m³；k为波数，其中L为有效周期对应的波长，单位为m；T_e为能量周期，单位为s，用0.9乘以谱峰周期T_P来表示；L与T_P都是由SWAN的动谱平衡方程模型计算得出；H_s为包含冰影响的有效波高，单位是m；

S2、波浪推算采用动谱平衡方程模型，以风作为驱动力，基于下述方程推算环渤海域工程位置处波浪场分布：

其中：UFRIC为风摩擦速度；CDRAG为风拖曳力系数，当10m高度处的风速WIND107.5m/s时，CDRAG＝(0.8+0.065*WIND10)*0.001；当WIND10≤7.5m/s时，推荐值为0.0013；aice为0～1之间的冰浓度；WIND10为10m高度时的风速；

根据公式(2)计算出风摩擦速度UFRIC；再基于UFRIC和重力加速度计算JOHNSWAP谱；

根据输入的谱峰周期对应的频率计算出当前时间水平下的作用密度，进而得到波能密度的零阶矩ETOT；并基于下式(3)得到考虑冰影响的有效波高H_s

根据波能流密度P的估算值，进而对环渤海近岸已建斜坡式防波堤进行评估，确定该发电斜坡式防波堤的选址；

S3、有冰时波浪爬高预测；有冰时波浪爬高预测公式如下：

R＝K_ΔR₁H_s (4)

其中：R为有冰时的波浪爬高；K_Δ为与斜坡堤护面结构型式有关的糙渗系数，K_Δ取值范围为0～1；当K_Δ＝1时，表示光滑不透水的防波堤护面，K_Δ越小，表示防波堤护面越粗糙；R₁为当K_Δ＝1，H_s＝1m时，波浪在光滑不透水的防波堤护面上产生的爬高；

S4、根据有冰时波浪爬高R的预测值，进而确定蜂巢结构与摇摆发电装置的位置。R值是个波浪爬高值，就是波浪在斜坡堤上爬坡的高度，在本专利中包含冰的影响。通常情况下，R值在水位附近变动。在低水位和入射波高较小的情况下，R值较小，但是在高水位时R值可能会到达堤顶，因此R值会有一个范围。由公式(1)-(4)结合当地的水位条件计算出波浪爬高的范围后，将发电装置布置在此范围内，确保其能波浪能。

9.一种基于权利要求1-6任一项所述寒冷海域用风浪发电装置的定位模块，其特征在于，至少包括：

有冰时波浪能估算模块；海洋波能的可发电资源通常用波能流密度来定量描述，有冰时波能流密度估算公式如下：

其中：P为波能流密度，单位为KW/m，是用来计算每米波峰宽度方向从海平面到海底面整个水体蕴蓄的波功率；ρ是指海水密度，取1.028kg/m³；k为波数，其中L为有效周期对应的波长，单位为m；T_e为能量周期，单位为s，用0.9乘以谱峰周期T_P来表示；L与T_P都是由SWAN的动谱平衡方程模型计算得出；H_s为包含冰影响的有效波高，单位是m；

波浪推算采用动谱平衡方程模型，以风作为驱动力，基于下述方程推算环渤海域工程位置处波浪场分布：

其中：UFRIC为风摩擦速度；CDRAG为风拖曳力系数，当10m高度处的风速WIND107.5m/s时，CDRAG＝(0.8+0.065*WIND10)*0.001；当WIND10≤7.5m/s时，推荐值为0.0013；aice为0～1之间的冰浓度；WIND10为10m高度时的风速；

根据公式(2)计算出风摩擦速度UFRIC；再基于UFRIC和重力加速度计算JOHNSWAP谱；

根据输入的谱峰周期对应的频率计算出当前时间水平下的作用密度，进而得到波能密度的零阶矩ETOT；并基于下式(3)得到考虑冰影响的有效波高H_s

根据波能流密度P的估算值，进而对环渤海近岸已建斜坡式防波堤进行评估，确定该发电斜坡式防波堤的选址；

有冰时波浪爬高预测模块；有冰时波浪爬高预测公式如下：

R＝K_ΔR₁H_s (4)

其中：R为有冰时的波浪爬高；K_Δ为与斜坡堤护面结构型式有关的糙渗系数，K_Δ取值范围为0～1；当K_Δ＝1时，表示光滑不透水的防波堤护面，K_Δ越小，表示防波堤护面越粗糙；R₁为当K_Δ＝1，H_s＝1m时，波浪在光滑不透水的防波堤护面上产生的爬高；

位置预测模块；根据有冰时波浪爬高R的预测值，进而确定蜂巢结构与摇摆发电装置的位置。R的值在本专利中包含冰的影响。通常情况下，R值在水位附近变动。在低水位和入射波高较小的情况下，R值较小，但是在高水位时R值可能会到达堤顶，因此R值会有一个范围。由公式(1)-(4)结合当地的水位条件计算出波浪爬高的范围后，将发电装置布置在此范围内，确保其能吸收波浪能。