CN102261302B - 基于海面波浪层和深海稳定区的波浪能发电单元及系统 - Google Patents

基于海面波浪层和深海稳定区的波浪能发电单元及系统 Download PDF

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Abstract

一种基于海面波浪区和深海稳定区的波浪能发电单元及系统,包括海面浮动平台、发电机组、传动机构与轮机,所述的发电机组固定于海面浮动平台上,浮动平台漂浮于海面上,发电机组的转动输入端通过传动机构与水轮机相连接,所述的水轮机置于深海稳定区,当水轮机受浮动平台垂直向上拉动或受重力向下运动时,受上部和下部导叶片层导引的作用,水流单方向作用水轮机的涡轮,使水轮机中部的涡轮单向旋转,并且带动与浮动平台通过万向节连接的传动杆与水轮机转子同步旋转,将转动力传递到海面的发电机转子,从而驱动发电机旋转,将海洋波浪能转换为电能。

Description

基于海面波浪层和深海稳定区的波浪能发电单元及系统
技术领域
[0001] 本发明属于绿色能源发电技术领域,具体涉及一种基于海面波浪层和深海稳定区海洋波浪能差动能量提取的波浪能发电系统。
背景技术
[0002] 海洋能属于清洁的可再生能源,包括潮汐能、波浪能、温差能、海流能、盐差能等。其中波浪能指的是受星际运动和昼夜气温变化产生的海面波浪具有的动能和势能,它是海洋能源中蕴含最大的可开发和利用的能量,主要表现为:
[0003] (I)海洋波浪能以动能和势能的形式出现。一般而言,波浪分为两种。一种是离海岸较近的波浪,称为近岸波浪。在海岸边,由于海水的升降运动被转化为海水垂直于海岸的横向运动,其能量表现为横向运动的动能,通常称为潮汐。另一种是离海岸较远的波浪,称为离岸波浪。离岸波浪受月亮和海风影响,主要表现为做垂直于海平面的垂向运动,其能量表现为垂向相对位置差产生的势能。
[0004] (2)波浪能的能量密度很大。在太平洋、大西洋东海岸纬度40〜60°区域,按照延海岸线方向布局,根据大量的研究资料表明,单就按沿线分布核算,该区域海水波浪积聚的波浪能可达到30〜70kW/m,某些地方甚至达到100kW/m,一个巨浪就可以把13吨重的岩石抛出20米高。一个波高5米,波长100米的海浪,在I米长的波峰片上就具有3120千瓦的能量,如果,能够在海面上分布多层发电系统提取这种能量,则容量不可估量。
[0005] ( 3 )波浪在海洋中无时不在,无处不在,任何地方、国家都可以随时提取。
[0006] (4)波浪的能量来自于太阳,是一种取之不尽用之不竭的能源。据科学统计,全球海洋波浪能单就按照海岸线长度初步统计,理论蕴藏量达700亿千瓦,单就中国可供开发利用的波浪能为20〜40亿千瓦,每年的发电量可达IO6亿千瓦时,是目前中国发电总量的4倍之多。因此,海洋能提供的稳定、长效的自然能量是唯一可以为人类提供大量的、不间断的能源的来源。
[0007] 世界各海洋大国极其重视波浪能研究和开发。1799年法国人吉拉德是最早的波浪能利用机械装置发明专利获得者;1910年,法国的波契克斯-普莱西克,建造了一套气动式波浪能发电装置,供应他自己住宅I千瓦的电力;1965年,日本的益田善雄发明了导航灯浮标用气轮机波浪能发电装置,获得推广,成为首次商品化的波浪能发电装置。受石油危机的刺激,从20世纪70年代中期起,英国、日本、挪威等波浪能资源丰富的国家,把波浪能发电作为解决未来能源的重要一环,大力开展研究开发。在英国,索尔特发明了点头鸭装置;科克里尔发明了波面筏装置;国家工程试验室发明了振荡水柱装置;考文垂理工学院发明了海蛘装置。1978年,日本建造了一艘长80米、宽12米、高5.5米称为“海明号”的波浪能发电船。该船有22个底部敞开的气室,每两个气室可装设一台额定功率为125千瓦的气轮机发电机组。1978〜1986年,日本、美国、英国、加拿大、爱尔兰五国合作,先后三次在日本海由良海域对“海明号”进行了波浪能发电史上最大规模的实海原型试验。但因发电成本高,未获商业实用。1985年,英国、中国各自研制成功采用对称翼气轮机的新一代导航灯浮标用的波浪能发电装置。挪威在卑尔根附近的奥依加登岛建成了一座装机容量为250千瓦的收缩斜坡聚焦波道式波浪能发电站和一座装机容量为500千瓦的振荡水柱气动式波浪能发电站,标志着波浪能发电站实用化的开始。近年来比较著名的波浪能发电装置有英国的“海蟒”、“牡蛎”发电机以及葡萄牙的“海蛇”发电机等。
[0008] 纵观波浪能的研究历史,利用波浪能发电不外乎下面几种方式:一是振荡水柱型。用一个容积固定的、与海水相通的容器装置,通过波浪产生的水面位置变化引起容器内的空气体积发生变化,压缩容器内的空气驱动叶轮带动发电装置发电。中科院广州能源研究所在广东汕尾建成的100千瓦固定岸式波浪发电站、日本“海明号”浮式发电船以及航标灯式波力装置都是属于这种类型。二是机械型。利用波浪的运动推动装置的活动部分,如鸭体、筏体、浮子等,活动部分压缩油、水等中间介质,通过中间介质推动转换发电装置发电。三是水流型。利用收缩水道将波浪弓丨入高位水库形成水位差,直接驱动水轮发电机组发电。这三种类型各有优缺点,但有一个共同的问题是波浪能转换成电能的中间环节多、效率低,电力输出波动性大,这也是影响波浪能发电未能大规模开发利用的主要原因之一。把分散的、低密度的、不稳定的波浪能吸收起来,集中、经济、高效地转化为有用的电能,装置及其构筑物能承受灾害性海洋气候的破坏,实现安全运行,是当今波浪能开发的难题和方向。
[0009] 从未来的发展来看,要有效的开发和利用波浪能,需要解决以下问题:
[0010] (I)波浪能开发应从影响渔业、海岸生态的近海发电向离岸外海拓展,海岸线上的能源远不如外海波浪能源丰富;
[0011] (2)开发波浪能的基本原则是建立有效机制以捕获波浪运动的最大动能或利用波浪相对位置差的最大势能,这就需要重新考虑波浪能开发的基本原理;
[0012] (3)尽可能的借鉴水力发电转置中的成熟技术(如高效的水轮机转动发电),尽可能的简化波浪能发电装置的结构,降低开发成本,延长使用寿命减少维护和发电运行成本;
[0013] (4)在研究和设计波浪能发电装置时,着力解决其固定方式、发电的稳定性、防腐蚀、海洋生物附着等问题;
[0014] (5)开发相应电力传输、汇集、逆变、自动保护和提高大功率电能的传输效率等课题。
[0015] 海洋波浪可分为近岸波浪和深海(本文定义深海为海水深度超过50米以上)波浪,或者称为离岸波浪,指的是远离海岸,处于海洋水深超过50米位置的波浪。在海洋中远离海岸处的海水根据其特性分为海面波浪层和海水深处稳流区。其中海面波浪层的海水随着海浪的运动在竖直方向存在较大的波动,而海洋深处的海水在竖直方向的流动相对上层海面波浪层的海水则显得非常缓慢,这一海水流动相对稳定的水下深处区域可被称为稳流区。
[0016] 波浪的发电能量为
Figure CN102261302BD00051
表示每米波长(波到达最高峰的距离)能够
产生的功率,其中P是海洋水的密度,取为1025kg/m3,g为重力加速度,取为9.8m/s2,T为波浪周期,根据常年的观测,离岸波浪的运动周期较为稳定,冬天为8s,夏天为6s,H为波浪高度,中国南海的冬天平均约为3.5m,夏天为2m。
[0017] 由于海水的比重较空气大832倍,因此海浪比风的能量更集中。虽然风可以达到很高的速度,但是海浪比风更有力量,波浪的竖直运动比十倍速度的的风蕴含具有更大的,更加稳定的动能,海洋波浪能发电场的建设,无须移民,无须占用耕地和森林用地,是一种取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。根据世界海洋能源分布的统计情况来看,中国的平均海洋波浪能是每米20千瓦。根据中国18000公理的海岸线和6900个岛屿推算,可以利用的波浪能最少可以达到36亿千瓦。大大超过目前中国的总装机容量约为9亿千瓦的容量。此外,沿海地区经济发达,用电量大,实现利用海洋波浪发电将极大地促进中国电力网络合理分布,提高电网的可靠性与经济性。同时,海洋波浪能发电成本低,是实现可再生能源达到装机超过50%总装机容量的唯一潜在手段。
[0018] 波浪能发电技术通过波浪能装置将波浪动能转化为机械能然后再转化为电能。这一技术兴起于上世纪,80年代初西方海洋大国利用新技术优势纷纷开展研究。
[0019] 据媒体报道,2008年9月葡萄牙建造了世界上首座商用波浪能发电厂一Agucadoura发电厂。通过3根140米长的红色“海蛇”连接在葡萄牙北海面海床处的圆柱形波浪能转换器,该转化器将波浪的能量转化为电能后,通过海底电缆中转站注入电网。该设备能产生2.2兆千瓦的电能,足够满足1500个家庭的用电需求,该发电厂的最终目标是产生21兆千瓦的电能。Agucadoura发电厂只是葡萄牙政府可再生能源计划中的一小部分,该计划还包括了世界上最大的风力发电厂和世界上最大的太阳能发电厂。葡萄牙政府希望到2020年之前,通过可再生能源能够获得国家总用电量60%左右的电能。
[0020]在美国,已经建立了以 Oregon State University 和 University of Washington联合海洋能利用研究团队,其中Oregon State University负责波浪能的研究和利用。开发出了一系列小功率的实验波浪能发电机系统,该技术目前最大单机装机容量约为19kw。其中一个波浪发电思路,是将多个波浪能转化装置将机械能转化为电能,送给能量分析与数据采集装置,然后送到中央汇聚装置,每个波浪能转化装置的发送约I兆瓦的能量。中央汇聚装置再通过海底电缆将电能传输给用户。
[0021] 此外,类似的研究和设计工作还包括英国Queen’ s University研究的“牡贩”波浪能发电机,他们与苏格兰Aquamarine公司合作,2010年获得政府唯一授权建设第一处200丽的“牡蛎”波浪能发电厂。
[0022] 从国内来看,我国的五大发电集团主要开发传统火力发电项目的原因主要是成本。2006年3月,中国科学院广州能源研究所在一篇文章这样总结:“波浪能发电只进入示范阶段,尚未进入商业开发阶段。波浪能利用在技术上并未完全成熟,还需要国家进一步的支持。”这说明06年前这一领域在产业化方面无论在国内、国外都基本只是一个概念。06年之后,中科院继在汕尾项目后又在珠海开发了一个结合风能(85KW)、波浪能(10KW)、太阳能(5KW)于一体的项目,虽然其中的波浪能容量为10KW,但项目投资高达800多万。
[0023] 综上,目前世界范围内利用波浪能发电通常包括以下方式:
[0024] 1.潮汐发电,利用动水与海岸之间的相对运动;
[0025] 2.洋流发电,利用动水与海洋大陆之间的运动;
[0026] 3.随波发电,利用动水与发电转置如“蛇管”的相对运动;
[0027] 4.活塞发电,利用动水驱动活塞相对定子运动。
[0028] 现有波浪能发电系统还存在以下问题:
[0029] 1.海水、泥沙侵蚀,海洋生物附着;[0030] 2.固定困难,容易受到恶劣气候的破坏,如台风等;
[0031] 3.维护困难,投入成本高,无法大规模建设。
发明内容
[0032] 本发明的第一个目的在于提供一种基于海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元即基于海洋波浪层和静水层差分技术的波浪能提取单元,该发电单元维护容易,预计成本可以降低到lkw/5000元投资的,比任何其他发电方式都低的成投资本低,而且维护费用低廉,具有可大规模实施的潜力。
[0033] 根据本发明的机理,假设水轮机的效率为40% (实际可以达到60%),发电功率和水轮机涡轮的直径之间的关系满足如下理论计算:
[0034] 设海水以每秒两米的速度进入水轮机涡轮,效率为40%
[0035] I水轮机的功率函数为:P=0.5 31 R2 P V3C
[0036] 其中:C一水轮机功率系数,取0.4 ;R—水轮机涡轮半径;P—海水密度,取1080kg/m3
[0037] R=0.5m 时
[0038] P=0.5X3.14X0.25X 1080X 1X0.4=169.56kff
[0039] R=Im 时:
[0040] P=0.5X 3.14X I X 1080X 1X0.4=678.24kff ;
[0041] R=L 5m 时:
[0042] P=0.5X3.14X2.25X 1080X 1X0.4=1526.04kff
[0043] R=2m 时
[0044] P=0.5X3.14X4X1080X1X0.4=2712kff
[0045] 根据分析,理论上波浪能发电机的发电效能与水轮机涡轮半径成平方关系,因此,具备构建大型波浪发电系统的能力。按照水轮机半径为2米计算,可以成为发电功率超过
2.5MW单机发电系统,具有广阔的开发潜力。
[0046] 本发明的另一个目的在于提供上述基于海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元组成的发电系统,该系统利用波浪的最大相对位移提取海洋中心的离岸波浪能量,通过海面波浪层和深海稳定区的相对运动实现海浪能源的汲取,由于暴露在海面的部分风阻系数小于0.1,因此,抗台风能力强,绿色环保。
[0047] 本发明的第三个目的在于提供一种在上述基于海面波浪层和深海稳定区动能量提取的波浪能发电单元及发电系统中采用的水轮机,该水轮机结构简单,成本低,稳定性好,非常适合大规模生产和应用。
[0048] 本发明还提供了利用上述基于海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元组成的大规模组网构建离岸海洋波浪能超大型发电场的具体解决方案。
[0049] 本发明的第一个目的是通过如下技术方案来实现的:一种基于海面波浪层和深海稳定区海洋波浪能差动能量提取的波浪能发电单元,包括海面浮动平台、浮动平台上安置的发电机组、浮动平台与海面下置于稳定区的相互万向节级联的传动机构与能量转换水轮机,所述的发电机组固定于海面浮动平台上,浮动平台漂浮于海面上,发电机组的转动输入端通过万向节级联的传动机构将上下运动海浪能量转换为旋转运动的水轮机相连接,所述的水轮机置于深海稳定区,所述的海面浮动平台随波浪上下运动并通过传动机构带动置于深海稳定区中水轮机在垂直方向上随波浪的起伏上下运动,水轮机在垂直方向上的运动使得稳定区水流不断通过水轮机的上部和下部导流叶片,同时冲击水轮机中部的单向旋转转子,受水流冲击的作用力,当水轮机受浮动平台垂直向上拉动或受重力向下运动时,受上部和下部导叶片层导引的作用,水流单方向作用水轮机的旋转转子,使水轮机中部的旋转转子单向旋转,并且带动与浮动平台通过万向节连接的传动杆与水轮机转子同步旋转,将转动力传递到海面的发电机转子,从而驱动发电机旋转,将海洋波浪能转换为电能。
[0050] 本发明所述的浮动平台包括一个主浮筒和多个位于主浮筒下部的附加浮筒,所述主浮筒和附加浮筒中每个浮筒内部被分割成多个独立的腔体,每个独立的腔体上均设有用于调节水量的注水口,用于调节浮动平台的浮力,以适应不同的发电容量和海浪区域的需求。
[0051] 本发明在所述的主浮筒和附加浮筒之间还设有稳流器,所述的稳流器安装在主浮筒的底部;所述的稳流器包括稳流器支架和设于稳流器支架底部的多个可调节角度的矩形阻尼叶片,用于控制调节由于发电机转子转动导致的浮动平台的惯性旋转,确保浮动平台的稳定。在随波浪上下运动的过程中,稳定器的阻尼叶片对海水的推动力的方向和能量传动轴的旋转方向相反,抵消旋转带来的平台惯性力,实现发电机平台的稳定。
[0052] 本发明所述传动机构包括传动轴和多个设于传动轴上的可调节水轮机在海面下放置深度的万向节。万向节的存在,解决了海面波涛汹涌使海面浮动平台上下运动外,还存在平面范围内四面翻动的运动,经过两个以上万向节的调节,除浮动平台垂直方向的运动外的其他运动,都不会对水轮机受重力稳定影响的运动模态产生较大的影响。
[0053] 本发明所述传动机构的一端与发电机的转子转动输入端相连接,另一端与水轮机单向旋转转子的中心旋转轴相连接。
[0054] 本发明的第二个目的是通过如下技术方案来实现的:本发明提供的基于上述基于海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元组成的发电系统,所述的多个发电单元成片连接,两相邻浮动平台通过链环两两相连成多边形网格状分布漂浮于海面上,所述的多边形网格的每个角由多锚固定的工作平台固定,每个发电机的输出并接,通过海底汇流集中后,通过海底电缆传输至陆地变电站。
[0055] 本发明的第三个目的是通过如下技术方案来实现的:一种在上述基于基于海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电装置及发电系统中采用的水轮机,其包括上下两端具有喇叭型开口的圆筒状机壳、设于机壳内上部和内下部的导流叶片和设于两导流叶片之间的单向旋转转子。
[0056] 本发明所述的单向旋转转子以水轮机的中心旋转轴为中心沿与中心旋转轴相垂直的方向分布成圆盘涡轮形,每个单向旋转转子涡轮呈凹形叶片状并具有相同的排列方向。
[0057] 本发明所述的上、下导流叶片以单向旋转转子所在的平面对称分布成镜像设置,每个导流叶片的形状为弧形且凹向单向旋转转子的中心旋转轴。
[0058] 本发明在水轮机的中心旋转轴的外表面分别设有锥体状的上收缩体和锥体状的下收缩体,上收缩体位于中心旋转轴和上部导流叶片之间,下收缩体位于中心旋转轴和下部导流叶片之间。收缩体存在的目的在于提高进入水轮机水体的运动速度,增加水动力扭矩,提闻发电效能。
[0059] 本发明在所述水轮机的机壳上还设有多个附加浮筒,在每个浮筒的上部和下部设有进水孔和排水孔。附加浮筒最好为三个,用于调节水轮机的重量,增加适应性能,确保水轮机工作在高效重量状态。
[0060] 本发明在所述水轮机机壳的上部和下部两端开口处还设有过滤网的网孔直径小于转子叶片间距离的过滤网。防止海洋生物被卡死在水轮机涡轮处,降低水轮机效率并避免对海洋生物的威胁。
[0061] 本发明的还提供了一种利用上述基于基于海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元组成的发电系统进行发电的方法:每个发电单元中所述浮动平台随波浪上下运动通过传动机构带动置于海水深处稳流区的水轮机在垂直方向上下运动,水轮机在垂直方向上下运动带动海水深处稳流区水流与水轮机相对反向运动,并沿水轮机的上、下导流叶片进入水轮机驱动水轮机的单向旋转转子旋转,水轮机的单向旋转转子旋转通过传动机构驱动发电机的转子旋转,从而带动发电机发电,所述的多个发电单元成片连接,两相邻浮动平台通过链环两两相连成多边形网格状分布漂浮于海面上,所述的多边形网格的每个角由多锚固平台固定,每个发电机的输出并接通过海底电缆传输至陆地变电站。
[0062] 本发明的工作原理如下:
[0063] 将发电机安置在海面浮动平台上,以保证发电机系统漂浮在海面上,不会长期浸泡在水中。将水轮机安置在距海面20米以下的海水深处稳流区。海水在海面波浪层具有垂直方向的周期性振动,而在海水深处稳流区垂直方向的流动则非常缓慢。因此浮动平台的上部分受到波浪的作用做垂直方向的上下往复动,同时通过传动轴带动海水深处稳流区中的水轮机系统工作。
[0064] 当海面波浪层的海水带动浮动平台(发电机系统)垂直向上运动时,传动轴拉动水轮机系统上移,由于重力的作用,处于水轮机箱体上方的海水通过过滤网从水轮机上方灌入,经过上方导流叶片后改变流向,然后冲击单向旋转叶轮带动水轮机涡轮旋转,海水流过涡轮后经下方的导流叶片从水轮机箱体下方排出,由于导流叶片上下镜像设计,因此,上导流叶片对水轮机产生的推动外壳旋转的力,将基本被下导流叶片产生的相反方向的推动力平衡掉,因此,水轮机不会在深海出现显著的旋转运动,特别是受到附加浮箱的阻尼,将会提高水轮机在水下的运动稳定性,阻尼其出现整体旋转。
[0065] 当波浪带动浮动平台(和安置在其中的发电机)垂直向下运动时,传动轴推动水轮机系统迅速下移,处于水轮机箱体下方的海水通过过滤网从箱体的下方灌入,经过下方导流叶片后改变流向,然后与海水从上部进入水轮机时冲击的方向相同,冲击单向旋转叶轮带动发电机工作。海水流过叶轮后经上方的导流叶片从水轮机箱体上方排出,不会出现使整体水轮机反向旋转的机理与上节相同。
[0066] 在安装水轮机时,上方导流叶片和下方导流叶片改变海水的流向是相同的。即不管海水是从上方还是下方进入水轮机,通过导流叶片后对叶轮的冲击方向相同,亦即叶轮始终单向旋转。
[0067] 这种工作方式有别于传统的水力发电,通过水力获得动能时,水向下流动冲动叶轮而水轮机固定不动;而本系统则是处于海水深处稳流区的水不动,而水轮机上下运动。
[0068] 与现有技术相比,本发明具有以下优点:[0069] ①.本发明利用波浪垂直方向的最大相对位移提取海洋中的波浪能量,通过水轮机在海水深处稳流区与水体的相对运动实现海洋能源的汲取;
[0070] ②.整体装置结构简单、成本低,稳定性好;
[0071] ③.由于波浪能提取装置大部分浸在水下,水上受风面积小,故抗台风能力强;
[0072] ④.由于利用的是海水垂直方向的能量,故多个波浪能提取装置组成阵列并不会降低单个装置的能量提取效率,可以在海域成片布置该波浪能提取装置,组成波浪能发电场,这有利于集中管理维护,非常适合大规模生产和应用,在这一点上极大地突破了海洋能提取受海岸线长度影响的制约,使该技术成为有别于潮汐发电,成为可以大规模实施的基础。
附图说明
[0073] 图1是具体实施方式中基于基于海面海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元的主视图;
[0074] 图2是具体实施方式中基于基于海面海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元的仰视图;
[0075] 图3是具体实施方式中水轮机的主视图;
[0076] 图4是图3的A向剖视图;
[0077] 图5是具体实施方式中水轮机的附视图;
[0078] 图6是具体实施方式中水轮机的内部结构示意图;
[0079] 图7是具体实施方式中基于基于海面海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元原理简图。
[0080] 附图标记说明:
[0081] 1、发电机;2、发电机固定架;3、护栏;4、工作平台;5、主浮筒;6、稳定器支架;7、稳流器阻尼叶片;8、附加副浮筒;9、万向节;10、水轮机外筒;11、鳍状浮筒;12、上收缩体;121、导流叶片121 ;13、轴承结构;14、单向旋转转子;15、下收缩体;151、导流叶片;16、鳍状浮筒上进水孔;17、鳍状浮筒下进入孔;18、传动轴(或传动杆);
[0082] 在图7中:P.浮动平台;C.传动机构;D.水轮机系统;M.海面;D.海面海面波浪层(即波浪层);S.海水深处稳定区(即静水层)。
具体实施方式
[0083] 实施例1
[0084] 本实施例提供的基于海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元,如附图1-7所示,包括发电机1、与海面波浪同步运动的浮动平台P、传动机构C和置于海水深处稳流区S的水轮机T,发电机I固定于浮动平台P上,浮动平台P漂浮于海面M上并受海水波浪起伏驱动上下运动,传动机构C的一端与发电机I的转动输入端相连接,另一端与水轮机T叶轮的中心旋转轴相连接,浮动平台P随波浪上下运动通过传动机构T带动置于海水深处稳流区的水轮机T在垂直方向上下运动,水轮机T在垂直方向上下运动带动海水深处稳流区S水流与水轮机D相对反向运动,并沿水轮机T的上、下导流叶片进入水轮机驱动水轮机T的叶轮旋转,水轮机T的叶轮旋转通过传动机构C驱动发电机T的转子旋转,从而带动发电机I发电。
[0085] 其中,发电机I固定于发电机固定架2上,在发电机I和发电机固定架2的外围沿浮动平台P的周边还设有护栏3,发电机固定架2固定于主浮筒5的上表面即工作平台4上。将发电机I通过支架2和密封箱固定在浮动平台P上的工作平台4上,保证发电机浮在海水的表面M以上,这能减少对绝缘系统等级的需求。
[0086] 在浮动平台P包括一个主浮筒5、位于主浮筒5底部的稳定器和位于稳定器下部的多个附加浮筒8,附加浮筒8通过螺丝或焊接分别固定在稳定器6的底部未开口的部位。为了增加浮筒的抗冲击强度,主浮筒5和附加浮筒8中每个浮筒内部均被分割成6个独立腔体,每个独立腔体上均设有用于调节水量的注水口。
[0087] 稳流器包括稳流器支架6和设于稳流器支架底部的多个可调节角度的矩形阻尼叶片7,稳流器支架6安装在主浮筒5的底部,稳流器支架6的上部周边与主浮筒5通过螺丝或焊接进行紧密固定,稳流器支架6与附加浮筒8也紧密固定住。稳流器支架6底部均匀分布有六个可调节角度的矩形阻尼叶片7。在浮筒上下运动时,传动机构与发电机连接的传动轴会旋转,并将带动浮动平台旋转。稳流器通过浸入水中的阻尼叶片产生与之转动方向相反的阻尼力,使整体水面结构体不受转动惯量的影响,实现对浮动平台(包括发电机)的轴向稳定,使发电机转子不会出现顺传动轴转动方向的运动,保证了发电机定子和转子之间的相对转动。
[0088] 稳流器上的每个阻尼叶片呈长方行,长方形两端中间带有转动轴,通过轴承结构固定在稳流器的底部,每个叶片的其中一端受齿轮结构控制,可以实现长方形叶片旋转控制,通过调节该叶片角度,可以使稳流器针对不同的波浪产生合理平衡的阻尼力,确保整体发电平台的轴向稳定。该稳定器由于均匀设计有六个叶片,在波浪中,也由于六个不同部位的对称进水口的存在,除了产生阻尼力量外,还将缓冲波浪对整个平台的不均匀冲击,达到缓冲、防浪的作用。稳流器的作用就是在传动机构C带动发电机I转动的同时,稳流器的控制系统实时、在线动态调节阻尼叶片7的角度和开度,使整体平台根据海面波浪、叶轮转速及海面风速风向情况自适应调节,以抵消浮动平台P受到的除竖直方向外的其他作用力,使该平台P不至于受传动轴C的作用而出现整体旋转。
[0089] 稳流器底部通过焊接或者螺丝固定有若干附加副浮筒8,是实现针对不同重量的发电机I和水轮机T,调节整体浮力的设备,通过一体化设计的三个(或多个)同样体积的附加副浮筒8,确定整个系统在海水中具有完全没入水体的固定浮力。在浮动平台P下部的主浮筒5则根据所需浮力的大小,实现可注水调节浮力。
[0090] 主浮筒5内部也将均匀分为六个部分,每一部分都具备注入部分水体降低浮力的注水口。附加副浮筒8也有注水口。水轮机T外围的鳍状浮筒11上也有注水口 16和17。因此,整个波浪能提取装置可以通过调整浮筒5、8或11内部液体的注入量来调节其所具备浮力的大小,以保证整个装置一直处于最合适的海水深度。在台风季节,也可以通过该调节功能,实现减少迎风面积,提高抗台风的能力。
[0091] 传动机构包括传动轴18和多个设于传动轴上的可调节水轮机在海面下放置深度的万向节9。传动机构的一端与发电机的转动输入端相连接,另一端与水轮机叶轮的中心旋转轴相连接。
[0092] 水轮机T安置在20米至100米的海水深处稳流区S。由于本发电系统主要采集波浪在垂直方向上的最大相对位移实现海水波浪能能量的汲取,海面波浪层D水流具有垂直方向上的快速运动,而海水深处稳流区S水流垂直方向上的流动非常缓慢,因此整个系统的上部分(浮动平台P)受到波浪的作用做垂直方向的运动,通过传动轴C带动海水深处稳流区中的水轮机系统T上下运动。
[0093] 当波浪带动发电机系统垂直向上运动时,传动轴C拉动水轮机系统T上移,由于重力的作用,处于水轮机T箱体上方的海水通过过滤网从箱体上方灌入,经过上方导流叶片12后调整流向,冲击单向叶轮14的叶片的凹面,使得叶轮14转动。海水流过水轮机T下部的导流叶片15后从水轮机T箱体下方排出。
[0094] 当海面波浪层的海水向波谷运动时,受重力作用,整个浮动平台P将垂直向下运动,海面系统通过传动轴C推动水轮机系统T下移,水轮机T本身也受重力作用向下拉动整个装置向下运动,处于水轮机T箱体下方的海水通过过滤网从箱体的下方灌入,经过下方导流叶片15后调整流向,冲击单向叶轮叶片14的凹面,使叶轮14始终单向旋转。海水流过水轮机T上部的导流叶片12后从水轮机T箱体上方排出。
[0095] 实施例2
[0096] 本实施例提供的基于上述海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元组成的发电系统,将上述实施例1中的多个发电单元成片连接,两相邻浮动平台通过链环两两相连成多边形网格状分布漂浮于海面上,多边形网格的每个角由多锚固定平台固定,此网格可以是四边形,还可以是其它多边形,每个发电机的输出直流电流,通过大功率二极管实现单向电流流出控制,杜绝反向电流流动,多台发电机的电能就可以汇流在多锚固定平台的电力汇流装置中,通过海底电缆传输至陆地变电站,通过大功率逆变装置,实现将海洋能发出的直流电能转换成交流电能,经变压器升压,实现电能的远程输送。
[0097] 在此基础上建造的大型波浪能发电场。当多个单机发电单元共同工作时,需要避免相互碰撞的情况发生,这时需要建造四个或多个大型多锚固定平台。根据容量需要和波浪能资源情况建设好发电机群后,用链环将所有发电机相互链接,所有的链接头均有专门的锁扣以方便解锁。所有的电缆通过刚性传导杆引入海下深处稳流区,通过柔性海底电缆相互嵌接。在波浪能发电场四周或边缘处,设置多个如四个锚固等的浮动支点,用以固定整个发电场,避免其漂移。建设直流输电汇流平台分别接受所有发电机组发出的电能,集中后的电能,通过海底电缆传输到岸上。岸边设置换流站,升为高压传输到枢纽变电站。
[0098] 实施例3
[0099] 上述实施例1或2中使用的水轮机T,其包括两端具有开口的圆筒状机壳10、设于机壳内上部的导流叶片121和内下部的导流叶片151及设于两导流叶片之间的单向旋转转子14。单向旋转转子14以水轮机的中心旋转轴为中心沿与中心旋转轴相垂直的方向分布成圆盘涡轮形,每个单向旋转转子涡轮呈凹形叶片状并具有相同的排列方向。上导流叶片121和下导流叶片151以单向旋转转子14所在的平面对称分布成镜像设置,每个导流叶片的形状为弧形且凹向单向旋转转子的中心旋转轴。在水轮机的中心旋转轴的外表面分别设有锥体状的上收缩体12和圆锥形的下收缩体15,上收缩体位于单向旋转转子的中心旋转轴和上部导流叶片之间,下收缩体位于单向旋转转子的中心旋转轴和下部导流叶片之间。上收缩锥体和下收缩锥体最好由不锈钢制造,上下导流叶片在上下锥体和水轮机外壳之间焊接或铆接成一体,分别构成上部导流系统和下部导流系统,上下收缩锥体中间作为转子固定的轴承结构13,分别完成上部和下部对旋转转子的轴的固定,并可以自由在其间旋转,转子轴通过上部的万向节将旋转动能向上传递到海面的平台,并通过海面平台的上下轴承固定,实现与发电机转子的可靠衔接,并驱动发电机的转子旋转、发电。
[0100] 在建造水轮机T时,上方导流叶片121和下方导流叶片151对海水流向的调整是相同的,也即不管海水是从上方还是下方进入水轮机,通过导流叶片后都冲击叶轮14的叶片的凹面,使叶轮14始终单向旋转。
[0101] 该水轮机的具体构件包括两端具有开口的圆筒状机壳、设于机壳内上部和内下部的镜像方向导流叶片和精确安装在两导流叶片之间的具有相同排列方向凹形叶片的单向旋转叶轮即单向旋转转子。在水轮机的外部,均匀设置三个或多个鳍状附加浮筒11,在每个浮筒的上部进水孔16和下部设有进水孔17。该浮筒一方面起着稳定水轮机,阻尼水轮机外壳做旋转运动的作用,另一方面,通过调节浮筒内分别灌注的水量,调节水轮机的整体浮力,实现在海水中,针对不同海域、不同浪高环境下,整个水轮机的发电效能和传动杆的上下拉力,以达到最佳发电效率。
[0102] 在水轮机机壳的上部和下部两端开口处还设有网孔直径小于转子叶片间距离的过滤网用于防止海洋生物的进入,杜绝卡死叶轮现象,同时保护海洋生物。
[0103] 叶轮14即单向旋转转子的转动通过传动轴C带动发电机I工作,其中传动轴C上的万向节9可以实现自适应传导,万向节9的采用还解决了水轮机T在海水中不同安装深度需求时的难题,通过安装不同数量的传动杆18,就可以方便地将水轮机T安置在海水不同的深度。该系统的维护和检修也将由于万向节9的采用获得便利。
[0104] 位于水轮机内上部的导流叶片由内部的流体压缩椎体为核心,在表面和外壳间,均匀安置抛物线形的导流叶片。当整体水轮机受海面浮力牵引,向上运动时,海水深处稳流区的水,将相对水轮机向下运动,水流受水轮机外壳所困,被导引进入定子的水流一方面沿轴向收缩,加速,一方面由竖直运动受抛物线导流叶片导引,在最后沿各自的导流收缩沟,分别以45度角度,迎面冲击在设置在中间的水轮机叶轮的叶片上,使水轮机的叶轮受水力冲击而旋转,做功后的海水,通过下部导流叶片的间隙排出水轮机。作为镜像设置的下部导流叶片与上部导流叶片完全镜像对称。在海面波浪由顶峰向谷底运动时,整个水轮机受重力作用拉动装置整体向下运动,此时,相对静止的海水将相对水轮机向上运动,通过下部压缩椎体加速和下部导流叶片,以45度角和同样的方向冲击水轮机叶轮的叶片,驱动水轮机叶轮运动,其旋转方向与上部水流冲击时的旋转方向相同。做功后的海水通过上部导流叶片的间隙排出水轮机。从上部。其中水轮机中间的流体收缩椎体的作用是将进入水轮机海水进行向水轮机周边方向的压缩,一方面提高了海水在水轮机中的流速,另一方面使得冲击水流与叶轮轴心的距离拉大而实现加大了冲击力矩,进而提高了流体冲击的效率。水轮机的叶轮采用一组推力全防水轴承及相关结构,与水轮机下部的导流叶片实现固定和自由旋转连接,通过两组全防水结构的推力轴承和上部的导流叶片实现整体固定和自由旋转运动,并通过中央的自由旋转轴,将水轮机叶轮的转动和扭力传导出水轮机,经过多节万向节或固定接头的延伸传动轴,将该旋转能量传递到海面的浮动平台。通过浮动平台上的三级推力轴承固定,并通过齿轮箱,该转动轴与安装在海面平台的发电机转子实现法兰连接和能量专递。旋转能通过发电机就可以转化为电能,该电能通过嵌入式整流系统整流成直流,就可以向汇流装置输出直流电能。[0105] 根据海洋波浪的分类情况描述该水轮机的两种使用环境。海洋波浪分为两类:近岸波浪和离岸波浪。近岸波浪是靠近海岸的波浪,常表现为一种涌浪,具有较规则的外形,排列比较整齐,波峰线较长,波面较平滑,比较接近于正弦波的形状,一般做横向运动。离岸波浪,指的是远离海岸的波浪。在海洋中远离海岸出的海水根据其特性分为海面波浪层和海水深处稳流区。海面波浪层的海水会不停地上下纵向运动,稳流区的水流则比较缓慢。我们提出的水轮机能同时应用于近岸波浪和离岸波浪。
[0106] 在临近海岸处使用时,由于近岸波浪做横向运动,水轮机箱体需横向放置(即将图7中的箱体T旋转90度),让波浪从圆筒箱体的一端涌入,另一端流出。其工作机理类似于传统的水力发电。但区别在于,传统的水力发电中水对叶轮的冲击只能是单向的,而本申请中的水轮机,水可以从两个方向冲击叶轮,而叶轮的转动方向始终不变。
[0107] 在远离海岸的海域中使用时,由于离岸波浪做纵向运动,水轮机需要与浮动平台配合使用,即将浮动平台放置在海面波浪层,将水轮机T垂直放置(即图1中的放置方式)于30至100米深的海水深处稳流区,中间通过传动机构C连接。浮动平台P的上下运动拉动水轮机T在静水中上下运动,从而使得海水周期性的从水轮机上方、下方涌入,从而带动叶轮14旋转。这种工作方式有别于传统的水力发电。传统的水力发电中,水向下流动冲动叶轮而水轮机固定不动,而这里提到的工作方式则是海水不动,水轮机系统上下运动。从能量获得的本质来看,两者具有相同的原理。
[0108] 众所周知,目前传统水轮机发电的能量转换效率已经达到了 90%,因此采用这种新型水轮机技术,能够将水轮机引入到波浪能发电中,必将极大的提升发电能效。同时,由于该水轮机结构简单,生产成本低,非常适合大规模的生产和应用。
[0109] 实施例4
[0110] 本实施例提供的基于海面波浪层和深海稳定区差动能量提取的波浪能发电单元进行发电的方法,每个发电单元中浮动平台随波浪上下运动通过传动机构带动置于海水深处稳流区的水轮机在垂直方向上下运动,水轮机在垂直方向上下运动带动海水深处稳流区水流与水轮机相对反向运动,并沿水轮机的上、下导流叶片进入水轮机驱动水轮机的叶轮旋转,水轮机的叶轮旋转通过传动机构驱动发电机的转子旋转,从而带动发电机发电,多个发电单元成片连接,两相邻浮动平台通过链环两两相连成多边形网格状分布漂浮于海面上,多边形网格的每个角由多锚固平台固定,每个发电机的输出并接通过海底电缆传输至陆地变电站。
[0111] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于海面波浪层和深海稳定区的波浪能发电单元,其特征是:包括海面浮动平台、浮动平台上安置的发电机组、位于浮动平台与海面下置于稳定区的以相互万向节级联的传动机构、以及能量转换水轮机,所述的发电机组固定于海面浮动平台上,浮动平台漂浮于海面上,发电机组的转动输入端通过万向节级联的传动机构与将上下运动海浪能量转换为旋转运动的水轮机相连接,所述的水轮机置于深海稳定区,所述的海面浮动平台随波浪上下运动并通过传动机构带动置于深海稳定区中水轮机在垂直方向上随波浪的起伏上下运动,水轮机在垂直方向上的运动使得稳定区水流不断通过水轮机的上部和下部导流叶片,同时冲击水轮机中部的单向旋转转子,受水流冲击的作用力,当水轮机受浮动平台垂直向上拉动或受重力向下运动时,受上部和下部导流叶片导引的作用,水流单方向作用水轮机的旋转转子,使水轮机中部的旋转转子单向旋转,并且带动与浮动平台通过万向节连接的传动杆与水轮机转子同步旋转,将转动力传递到海面的发电机转子,从而驱动发电机旋转,将海洋波浪能转换为电能。
2.根据权利要求1所述的波浪能发电单元,其特征是:所述的浮动平台包括一个主浮筒和多个位于主浮筒下部的附加浮筒,所述主浮筒和附加浮筒中每个浮筒内部被分割成多个独立的腔体,每个独立的腔体上均设有用于调节水量的注水口,用于调节浮动平台的浮力,以适应不同的发电容量和海浪区域的需求。
3.根据权利要求2所述的波浪能发电单元,其特征是:在所述的主浮筒和附加浮筒之间还设有稳流器,所述的稳流器安装在主浮筒的底部;所述的稳流器包括稳流器支架和设于稳流器支架底部的多个可调节角度的矩形阻尼叶片,用于控制调节由于发电机转子转动导致的浮动平台的惯性旋转,确保浮动平台的稳定。
4.根据权利要求1所述的波浪能发电单元,其特征是:所述传动机构包括传动轴和多个设于传动轴上的可调节水轮机在海面下放置深度的万向节。
5.根据权利要求4所述的波浪能 发电单元,其特征是:所述传动机构的一端与发电机的转子转动输入端相连接,另一端与水轮机单向旋转转子的中心旋转轴相连接。
6.根据权利要求1所述的波浪能发电单元,其特征是:所述水轮机包括上下两端具有喇叭型开口的圆筒状机壳、设于机壳内上部和内下部的导流叶片和设于两导流叶片之间的单向旋转转子。
7.根据权利要求6所述的波浪能发电单元,其特征是:所述的单向旋转转子以水轮机的中心旋转轴为中心沿与中心旋转轴相垂直的方向分布成圆盘涡轮形,每个单向旋转转子涡轮呈凹形叶片状并具有相同的排列方向。
8.根据权利要求7所述的波浪能发电单元,其特征是:所述的上部、下部导流叶片以单向旋转转子所在的平面对称分布成镜像设置,每个导流叶片的形状为弧形且凹向单向旋转转子的中心旋转轴。
9.根据权利要求8所述的波浪能发电单元,其特征是:在水轮机的中心旋转轴的外表面分别设有锥体状的上收缩体和锥体状的下收缩体,上收缩体位于中心旋转轴和上部导流叶片之间,下收缩体位于中心旋转轴和下部导流叶片之间。
10.根据权利要求7所述的波浪能发电单元,其特征是:在所述水轮机的机壳上还设有多个附加浮筒,在每个浮筒的上部和下部设有进水孔和排水孔。
11.根据权利要求6所述的波浪能发电单元,其特征是:在所述水轮机机壳的上部和下部两端开口处还设有直径小于转子叶片间距离的过滤网。
12.权利要求1所述的波浪能发电单元组成的发电系统,其特征是:所述的多个发电单元成片连接,两相邻浮动平台通过链环两两相连成多边形网格状分布漂浮于海面上,所述的多边形网格的每个角由多锚固定的工作平台固定,每个发电机的输出并接,通过海底汇流集中后,通过海底电缆传输·至陆地变电站。
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