CN102400841A - 海堤跃浪叶轮式波能发电装置群 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海堤跃浪叶轮式波能发电装置群，由至少两个波能收集转化装置构成，波能收集转化装置包括固定在海堤内的叶轮机壳，叶轮机壳内部设置有外端通过齿轮传动机构连接有发电机的轮轴，轮轴上安装带有圆弧凹面叶片的叶轮；叶轮机壳斜上部连通有楔形体收缩波道，楔形体收缩波道连接有设置在海堤表面上的进水口，相邻两个进水口间距相同并且呈高低错落设置；叶轮机壳斜下部连接有排水廊道，排水廊道连接有设置在海堤表面的出水口。本发明由多个独立波能收集转化装置高低错落设置构成，以适应不同的海况条件，能够全面有效地吸收由于海浪起伏产生的波能，提高时空范围内的波能吸收率，使得大规模开发利用海洋波浪能成为可能。

Description

海堤跃浪叶轮式波能发电装置群
技术领域
本发明涉及可再生能源技术领域中的海洋波浪能开发应用，具体的说，是利用海洋能源所产生波能的发电装置。
背景技术
近年来，受化石能源日趋枯竭、能源供应安全、保护环境和生态平衡等的驱动，人们对新能源的开发越来越重视。地球表面积的71％是具有巨大能源资源的海洋，其中波浪能是海洋能源中蕴藏量最为丰富的能源之一。利用海洋能源已成为当今世界能源研究的方向，而如何有效利用资源丰富、可再生的海洋资源，也显得更加重要。1992年联合国把海浪发电列为开发海洋可再生能源的首位，沿海国家十分重视，加大力度并积极开发。
在上述背景下，波浪能的开发利用正日益受到关注，经过20世纪70年代对多种波浪能装置的试验和研究到80年代的海况试验及应用示范研究，国内外学者相继提出了很多不同种类的波能发电装置，波浪发电技术已逐步接近实用化水平。
波浪能发电方式数以千计，按能量中间转换环节主要分为机械式、气动式和液压式三大类，其中以机械式最为普遍，它的基本原理是通过某种传动结构实现波浪能从往复运动到单向旋转运动的传递来驱动发电机发电。采用齿条、齿轮和棘轮机构的波浪能发电装置，以机械传动形式获取机械动能，其结构简单，制造难度小，但在风浪较小时能量收集率低。因此目前波浪发电所面临的主要问题是不能兼顾安全可靠性和波能转换率，建造成本较高，受地形或海况条件限制较强，不能较好地实现规模化、产业化应用。
申请号为201110215221.7的专利申请公开了一种跃浪叶轮式波能转换装置，其利用水动力产生的能量，借助于能有效确保叶轮连续同向旋转的止回装置，获得高效的能量传递和转换。其缺点是，波能转化装置位置固定，限制了装置在时空范围内能量吸收率，难以实现实际应用。
综上所述，未来一段时间内波浪能发电领域的发展趋势为：研制高效率、高可靠性、低建造成本的波能发电装置。就目前研究阶段，可靠性和转化率显得尤其重要，还应兼顾考虑不同海区波浪及海况条件，降低发电成本，实现海洋能的规模化、产业化开发。
发明内容
本发明要解决的是现有的波能发电装置能量吸收率有限的技术问题，提供一种集高效率与高可靠性为一体，建造成本低的海堤跃浪叶轮式波能发电装置群，能够获得高效的能量传递和转化，适应在固定防浪堤条件下的不同海况，使得大规模开发利用海洋波浪能成为可能。
为了解决上述技术问题，本发明的装置通过以下的技术方案予以实现：
一种海堤跃浪叶轮式波能发电装置群，由至少两个波能收集转化装置构成，所述波能收集转化装置包括固定在海堤内的叶轮机壳，所述叶轮机壳通过轴承支座安装有设置于所述叶轮机壳内部的轮轴，所述轮轴上固定安装有均布三至六片叶片的叶轮，所述叶片的形状为圆弧凹面，所述轮轴外端通过齿轮传动机构连接有发电机；
所述叶轮机壳在面向跃浪一侧的斜上部连接有与其相通的楔形体收缩波道，所述楔形体收缩波道连接有设置在海堤表面上的进水口，相邻两个所述进水口间距相同并且呈高低错落设置；
所述叶轮机壳的斜下部在所述楔形体收缩波道对面连接有排水廊道，所述排水廊道一端与所述叶轮机壳相通，另一端连接有设置在海堤表面的出水口；
所述叶轮机壳内壁在所述楔形体收缩波道的出口下方嵌装有用于防止所述叶轮逆向旋转的止回装置。
相邻两个所述进水孔垂直中心线之间的间距为30～50m。
所述进水孔最低端相对于当地水尺零点的最高高度为
Figure BDA0000103492350000021
最低高度为
Figure BDA0000103492350000022
其中：zmax为平均高潮位，zmin为平均低潮位，
Figure BDA0000103492350000023
为当地有效波高；η为根据海堤的坡度系数所测定的波浪爬高系数。
所述叶轮的凹面圆弧半径为R，
Figure BDA0000103492350000024
其中，r为所述叶轮机壳的内径，α为所述楔形体收缩波道下坡面的水平夹角，β为所述叶轮轴心到所述叶轮机壳与所述楔形体收缩波道下坡面交点连线的水平夹角。
所述止回装置包括一端通过销轴连接于所述叶轮机壳的止回棘爪，所述止回棘爪中部连接有另一端固定在所述叶轮机壳的止回弹簧。
本发明的有益效果是：
(一)本发明中的波能收集转化装置能量收集率和转化率较高，出水廊道的设计保证工作室内多余水量的排出，有利于整个装置连续工作及其安全性。
(二)本发明由多个独立的波能收集转化装置高低错落地安装在海堤上，构成叶轮式波能发电装置群，以不同的安装高度适应不同的海况条件，能够全面而有效地吸收由于海浪起伏产生的波能，进一步提高整个装置在时空范围内的波能吸收率，提高实际应用性，使得大规模开发利用海洋波浪能成为可能。
(三)本发明的波能收集转化装置中采用齿轮传动机构实现机械能向电能的转换，齿轮传动平稳、传动比精确、工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。
(四)本发明的波能收集转化装置活动部件较少，整体稳定性提高，可靠性高，能兼顾结构的可靠性及波能转换率，同时水下施工少，建造成本低廉。
附图说明
图1是本发明的海堤跃浪叶轮式波能发电装置群的整体结构示意图；
图2是本发明中的波能收集转化装置的剖面结构示意图；
图3是叶轮上叶片的凹面圆弧半径计算方法的示意图；
图4是本发明中的波能收集转化装置中齿轮传动机构的结构示意图；
图5是图2中止回装置的局部放大图。
图中：1：四叶式叶轮，2：键，3：轮轴，4：叶轮机壳，5：集波上壁，6：集波下壁，7：集波侧壁，8：止回弹簧，9：止回棘爪，10：排水廊道上壁，11：排水廊道下壁，12：排水廊道侧壁，13：基础底座，14：海堤，15：轴承支座，16：进水口，17：出水口，18：楔形体收缩波道，19：排水廊道，20：主动齿轮，21：从动齿轮，22：发电机，23：发电机基座。
具体实施方式
如图1所示，本实施例披露了一种海堤跃浪叶轮式波能发电装置群，在一段海堤14上设置有四个独立的波能收集转化装置，每个波能收集转化装置主要由叶轮机构、连接进水口16的楔形体收缩波道18、连接出水口17的排水廊道19、齿轮传动机构和发电机22构成。
如图2所示，叶轮机构包括一个圆筒形的叶轮机壳4，叶轮机壳4设置在海堤14内，通过基础底座13与海堤14连接牢固。基础底座13一般主要由水泥和砾石制成，也可预先用钢筋混泥土预制好基础，用地脚螺栓将叶轮机壳4、楔形体收缩波道18和排水廊道19固定在基础上。基础底座13能够保证在工作过程中叶轮机壳4在海堤14内稳定，从而使整个装置能够保持安全稳定的状态。
叶轮机壳4的轴心设置有轮轴3，轮轴3通过轴承支座15与叶轮机壳4相连接。叶轮机壳4内部设置有固定在轮轴3上的四叶式叶轮1，四叶式叶轮1与轮轴3之间通过键2连接。
四叶式叶轮1上设置有四片相互间呈90°，并环绕中心柱一周同向分布的叶片，使得叶轮机壳4内部形成四个均匀的空腔。叶片是圆弧形的凹面，凹面的圆弧与楔形体收缩波道18的集波下壁6相切，并通过四叶式叶轮1轴心。如图3所示，凹面的圆弧半径为R，
Figure BDA0000103492350000041
其中，r为叶轮机壳4内径；α为集波下壁6的水平夹角；β为四叶式叶轮1轴心到叶轮机壳4与集波下壁6交点连线的水平夹角。
叶片的这种圆弧凹面设计，使得进入工作室的水量在装置工作过程中有机会瞬时暂留在叶片表面上，从而使四叶式叶轮1转动惯性变大，有利于提高波能转化率。根据跃浪频率的不同，叶轮上的叶片一般在三至六片的范围内选择。叶轮需采用耐腐蚀钢材或高强度树脂材料制作。
叶轮机壳4在面向跃浪一面的斜上部连接有楔形体收缩波道18，楔形体收缩波道18由集波上壁5、集波下壁6和两边的集波侧壁7构成。楔形体收缩波道18的截面为上宽下窄的楔形，下口与叶轮机壳4相通，上口连接有设置在堤坝14上的进水口16，从而导入波浪。波浪在逐渐变窄的波道中，波高不断被放大，直至波峰溢到叶轮机壳4内，这样上述集波壁面汇聚具有水位落差的有效水量至叶轮机壳4内，在水动力作用下带动四叶式叶轮转动产生能量，将波浪能转换成机械能。
如图4所示，叶轮机构和发电机22通过齿轮传动机构前后设置，实现机械能向电能的转换，利用发电机22将电能输出，从而实现了波能向电能的高效转换。具体地，轮轴3的后端套接安装有主动齿轮20，主动齿轮20啮合有从动齿轮21，从动齿轮21安装在发电机22上。主动齿轮20和从动齿轮21之间传递叶轮机构和发电机22之间的运动和动力，齿轮传动平稳、传动比精确、工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。发电机22固定在发电机基座23上，通过发电机基座23安装在海堤14内，有利于装置的安全和稳定。
叶轮机壳4的斜下部，即在楔形体收缩波道18的对面180度位置设置有排水廊道19，排水廊道19由排水廊道上壁10、排水管廊道壁11和两边的排水廊道侧壁12构成。排水廊道19一端与叶轮机壳4相通，另一端连接有设置在海堤14上的出水口17，从而与海水环境相通，相当于叶轮机壳4的出水孔。为了方便施工，出水口17通常设置于进水口16的正下方，这样排水廊道19先向下延伸再平行延伸到堤坝14表面。由于楔形体收缩波道18对叶轮机构具有持续的水量供给，为了让叶轮机壳4内水量保持在安全有效的工作状态，通过排水廊道19进行水量的实时排放，使每个波能收集转化装置能够顺畅地进行水体循环。
重要的是，相邻两个波能收集转化装置的进水口16的位置需要间距相同并且呈高低错落设置，这里高低错落设置的含义是不设置在同一水平线上。在产业上应用时，通过波能收集转化装置的安装位置间距相同并不在同一水平线上即可达到效果。这样，本发明的波能发电装置群能够适应不同的海况条件，有效而全面地吸收由于海浪起伏产生的波能，提高波能吸收率，有利于整个装置的能量的高效转换。
相邻两个进水孔16之间的间距一般应为30～50m，以进水孔16的垂直中心线为准，以使设备运行时相互之间无影响。
进水孔16的定位高度以其最低端的坡脚为准，以当地水尺零点起算，即进水孔16相对于水尺零点的高度在hmin～hmax之间。最高高度为潮汐平均高潮位减去爬高系数与当地有效波高的乘积：
Figure BDA0000103492350000051
其中：hmax为最高安装高度，zmax为平均高潮位，
Figure BDA0000103492350000052
为当地有效波高；η为波浪的爬高系数。最低高度为潮汐平均低潮位减去爬高系数与当地有效波高的乘积：
Figure BDA0000103492350000053
其中：hmin为最低安装高度，zmin为平均低潮位，
Figure BDA0000103492350000054
为当地有效波高；η为波浪的爬高系数。
潮汐平均高潮位(zmax)和潮汐平均低潮位(zmin)由长期观测资料获取。工程上用表示一种设计波高标准，称为有效波高，表示一个波群中
Figure BDA0000103492350000061
大波波高的平均值，由统计资料获取。η为根据海堤14的坡度系数所测定的波浪爬高系数，不同的底坡有自身不同的坡度系数。根据海岸动力学波浪在斜坡岸线的爬高研究成果，当坡度系数为1.5～2.0时，波浪爬高的壅水效果较好，因此建议海堤14的坡度系数为1.5～2.0。而坡度系数1.5～2.0的爬高系数，根据试验测定η≈2.4。
另外，叶轮机壳4内壁还设置有止回装置，止回装置用于防止四叶式叶轮1逆向旋转。止回装置可以具体是如图5所示的结构，包括止回弹簧8和止回棘爪9。止回棘爪9嵌装在叶轮机壳4内壁，其一端通过销轴固定于叶轮机壳4，销轴的轴心位置位于叶轮机壳4的进水孔下方，也就是楔形体收缩波道18的出口下方。止回棘爪9中部设置有凹槽，对应位置的叶轮机壳4内壁也设置有凹槽；止回弹簧8采用压簧形式，其两端分别镶嵌在止回棘爪9和叶轮机壳4的凹槽内。止回棘爪9的形状类似于倒置的逗号形状，并且为了增加强度，在其尾部增加宽度。
止回弹簧8在自然状态下，会将止回棘爪9顶出而稍高于叶轮机壳4内壁面；当四叶式叶轮1正向转动时，止回棘爪9可以被旋转的叶片顶回叶轮机壳4内壁中，止回弹簧8同时被压缩；一旦四叶式叶轮1发生逆向旋转，则距离楔形体收缩波道18的集波下壁6最近的那个叶片将会被止回棘爪9挡住而无法继续回转，从而达到制止四叶式叶轮1逆转的目的。当止回棘爪9挡住叶片时，叶片刚好与集波下壁6相切，由此可以确定止回棘爪9轴心的具体位置。
止回装置保证在水动力不足以使四叶式叶轮1正常工作情况下，阻止四叶式叶轮1发生回转，从而避免了装置发生紊乱运行的可能性。
尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种海堤跃浪叶轮式波能发电装置群，由至少两个波能收集转化装置构成，其特征在于，所述波能收集转化装置包括固定在海堤内的叶轮机壳，所述叶轮机壳通过轴承支座安装有设置于所述叶轮机壳内部的轮轴，所述轮轴上固定安装有均布三至六片叶片的叶轮，所述叶片的形状为圆弧凹面，所述轮轴外端通过齿轮传动机构连接有发电机；
所述叶轮机壳在面向跃浪一侧的斜上部连接有与其相通的楔形体收缩波道，所述楔形体收缩波道连接有设置在海堤表面上的进水口，相邻两个所述进水口间距相同并且呈高低错落设置；
所述叶轮机壳的斜下部在所述楔形体收缩波道对面连接有排水廊道，所述排水廊道一端与所述叶轮机壳相通，另一端连接有设置在海堤表面的出水口；
所述叶轮机壳内壁在所述楔形体收缩波道的出口下方嵌装有用于防止所述叶轮逆向旋转的止回装置。
2.根据权利要求1所述的一种海堤跃浪叶轮式波能发电装置群，其特征在于，相邻两个所述进水孔垂直中心线之间的间距为30～50m。
3.根据权利要求1所述的一种海堤跃浪叶轮式波能发电装置群，其特征在于，所述进水孔最低端相对于当地水尺零点的最高高度为
Figure FDA0000103492340000011
最低高度为
Figure FDA0000103492340000012
其中：zmax为平均高潮位，zmin为平均低潮位，
Figure FDA0000103492340000013
为当地有效波高；η为根据海堤的坡度系数所测定的波浪爬高系数。
4.根据权利要求1所述的一种海堤跃浪叶轮式波能发电装置群，其特征在于，所述叶轮的凹面圆弧半径为R，
Figure FDA0000103492340000014
其中，r为所述叶轮机壳的内径，α为所述楔形体收缩波道下坡面的水平夹角，β为所述叶轮轴心到所述叶轮机壳与所述楔形体收缩波道下坡面交点连线的水平夹角。
5.根据权利要求1所述的一种海堤跃浪叶轮式波能发电装置群，其特征在于，所述止回装置包括一端通过销轴连接于所述叶轮机壳的止回棘爪，所述止回棘爪中部连接有另一端固定在所述叶轮机壳的止回弹簧。
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