CN102878004A - 一种旋流式水、气联合波能发电方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋流式水、气联合波能发电方法和装置，包括：聚坡道、单向自动拍门、副水池、主水池，主水池、喇叭口竖井，喇叭口竖井主体为竖直的圆筒形，环绕喇叭口竖井的井口周围均布多个高起旋墩和低起旋墩。喇叭口竖井中设有带动水轮发电机的水轮机。喇叭口竖井的底部连接出水洞，出水洞中设置多个排气井，排气井与水气分离室连接，水气分离室通过空气单向阀与压缩空气室连接，压缩空气室内设有带动空气轮发电机的空气轮机。本发明采用的旋流竖井产生旋流空腔，使水流中形成带有能力的空气，这些空气在出水洞中聚集形成带有能量的气囊，当气囊遇到排气井时形成带有能量的气流，这样就可以既利用水流也利用气流进行发电，提高波力发电的效率。

Description

一种旋流式水、气联合波能发电方法和装置

技术领域

本发明涉及一种旋流式水、气联合波能发电方法和装置，是一种无污染、对环境影响很小的新能源发电方法和装置，是一种利用海浪的波能发电的方法和装置。

背景技术

全球范围内具有发展前景的波能转换电能的原理和装置基本上有三种：

波浪振荡水柱（OWC）转换气压能：这是由波浪上下运动产生的压缩空气通过气轮发电机发电。如英国2000年在海岛上建成的500kw的LIMPET电站，日本1998年在海上安装有5台机组，总容量170kw的“巨鲸”号漂浮式电站，以及我国在广东汕尾市遮浪镇海岸建成的100kw电站。

波浪峰谷的弯曲运动转换液压能：这是由一条半潜浮在海上，几段圆形钢管铰接成的，波浪引起钢管铰接处弯曲伸缩，将其动能传递给液压油缸，使波能转换成液压能，驱动马达和发电机产生电能。如英国2002年开发的直径3.5m、长150m，容量750kw的“海蛇”式（Pelamis）波浪发电装置，于2008年在葡萄牙北海岸投产使用，并且将在加拿大温哥华岛建造2000kw的“海蛇”式电站。

波浪沿收缩坡道（Tapchan）爬坡转换势能：这是波浪通过收缩坡道爬坡漫溢进入水库里，由于水库水位高出海面，因此水流通过水轮机驱动电动机发电后返回到大海里。如：1986年挪威在海岛上建造的350kw波能电站。收缩坡道开口宽60m，长约30m逐渐变窄成收缩导流槽，波浪通向面积为8500m²与海面落差3~8m的水库，采用常规水轮发电机组发电。2003年挪威又开发了上下三层蓄水池，捕捉波浪爬坡漫溢的水量，在蓄水降落时驱动各级水轮机旋转产生电能，多层蓄水可以保持连续高效率发电。

传统的波浪沿收缩坡道爬坡转换势能转换为电能的方法均采用单一的水流势能发电的方式，研究表明这种方式不能充分的发挥所蓄势能而产生电力。如何提高所蓄势能的发电能力是一个重要的课题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种旋流式水、气联合波能发电方法和装置。所述的方法和装置利用水流在跌落时的动能产生旋流。由于旋流在跌落过程中会带入大量空气，在出水洞中产生有压气囊。这些有压气囊也带有相当的能量，因此，在水流旋流发电的同时，再利用气囊中的能量发电，提高波能发电的整体效率。

本发明的目的是这样实现的：一种旋流式水、气联合波能发电装置，包括：面向大海的聚坡道，所述聚波道的顶端设有安装单向自动拍门的副水池，所述的副水池环绕主水池，所述的主水池中央设有喇叭口竖井，所述喇叭口竖井的主体为竖直的圆筒形，圆筒形的顶端为上端大、然后按椭圆曲线逐渐缩小的喇叭形进水口，环绕所述的喇叭口竖井的井口周围均布多个兼做水轮发电机组支撑的高起旋墩，在所述各个高起旋墩之间设有低起旋墩；所述的喇叭口竖井中设有带动水轮发电机的水轮机；所述喇叭口竖井的底部连接出水洞，所述的出水洞中设置多个排气井，所述的排气井与水气分离室连接，所述的水气分离室通过空气单向阀与压缩空气室连接，所述的压缩空气室内设有带动空气轮发电机的空气轮机，所述出水洞的出水口设置在最低潮位的水下。

本发明产生的有益效果是：本发明采用的旋流竖井产生旋流空腔，使水流中形成带有能力的空气，这些空气在出水洞中聚集形成带有能量的气囊，当气囊遇到排气井时形成带有能量的气流，这样就可以既利用水流也利用气流进行发电，提高波力发电的效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述装置的结构示意图，是图1中B-B向视图；

图3是本发明的实施例一所述装置的结构示意图，是图1中C-C向视图；

图4是本发明的实施例三所述装置高、低起旋墩示意图；

图5是本发明的实施例四所述装置水轮机叶片示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种旋流式水、气联合波能发电装置，如图1、2、3所示。本实施例包括：面向大海的聚坡道1，所述聚波道的顶端设有安装单向自动拍门11的副水池10，所述的副水池环绕主水池2，所述的主水池中央设有喇叭口竖井5，所述喇叭口竖井的主体为竖直的圆筒形，圆筒形的顶端为上端大、然后按椭圆曲线逐渐缩小的喇叭形进水口，环绕所述的喇叭口竖井的井口周围均布多个兼做水轮发电机组支撑的高起旋墩3，在所述各个高起旋墩之间设有低起旋墩4。所述的喇叭口竖井中设有带动水轮发电机8的水轮机7；所述喇叭口竖井的底部连接出水洞13，所述的出水洞中设置多个排气井14，所述的排气井与水气分离室15连接，所述的水气分离室通过空气单向阀16与压缩空气室17连接，所述的压缩空气室内设有带动空气轮发电机18的空气轮机22，所述出水洞的出水口20设置在最低潮位L的水下（图2、3中H表示最高潮位，L表示最低潮位）。

如图1所示，所述的装置设置在防波堤上，面向大海的一面设置聚波道。所述的聚波道是一个面向大海的斜坡，斜波高的一侧高于最高潮位H，低的一侧延伸至最低潮位水下。海浪掀起的时候，浪头可以沿坡道爬升。在聚波道的顶部设置水池，将爬升到聚波道顶部的水流滞留在水池中，形成带有势能的水体，利用这些势能转化为电能供使用。

为在浪潮较小使也能够发电，在主水池的两侧设立延伸至水中的隔墙23。面向大海的一侧两道隔墙之间的距离较大，接近主水池时两道隔墙的距离较小。海浪从大海向所述装置涌来时（图1中箭头A的方向）水流在两道隔墙的作用下聚集，使较低的浪潮也可以爬上聚波道的顶端，进入主水池，产生带有势能的水体。

为充分利用浪潮较大时的能量，在主水池的周围，略高的位置设置副水池。所述的副水池可以与沿防波堤修筑的流水道12联通，使冲上防波堤顶端的海水通过流水道进入副水池中，成为具有势能的水体。

副水池和主水池之间利用导流平水栅9隔开。导流平水栅环绕面向大海的主水池，形成一段水槽，水槽的一端设置单向自动拍门，与副水池连接，水槽的另一端与主水池连接。较低海浪涌入时，浪头较低，海水只能进入平水栅所隔开的水槽和主水池中，这时副水池中没有水或水量很少，单向自动拍门关闭，水槽中的水流只能进入主水池（图1中箭头d1的方向）。较大海浪涌入时，浪头较高，可以到达副水池和防波堤上输水道的高度，使副水池和输水道中充满海水，由于输水道和副水池高于主水池，副水池和输水道中势能较大的水流冲开单向自动拍门进入主水池（图1中箭头d2的方向），增加主水池中水体的势能。

本实施例的关键在于喇叭口竖井。竖井有两个作用，一是产生旋流，二是在水流中掺入大量空气。本实施例所述装置与一般低水头发电不同点在于，不是依靠水流的势能带动水轮机，而是依靠水流的旋转，虽然水流的旋转是由水流的势能产生的，但最终带动水轮机转动的主要是旋转的水流，而旋转的水流则由喇叭口竖井产生。

喇叭口竖井的进口设立了起旋墩，起旋墩促使进入竖井的水流旋转，产生动能。喇叭口竖井的进口为椭圆曲线的喇叭形，这样的设置也是为了促使水流的旋转。水流旋转时由于离心力的作用，是质量较大的水贴近竖井洞壁，在旋流中央产生旋流空腔6，旋流空腔周围的水流带动旋流空腔中心的气体旋转、搅拌、挤压，使这些气体融入向下流动的水流中。

起旋墩是均匀分布在喇叭口竖井井口周围的短墙，短墙的水平长轴与井口切线成0~90度的角度。起旋墩分为高起旋墩和低起旋墩。高起旋墩的作用主要是为了支撑水轮机和水轮发电机。高起旋墩不能过多，一般为3~4个，过多的高起旋墩会阻碍水流进入竖井。在各个高起旋墩之间可以布置1~2个低起旋墩。水量较小是，低起旋墩露在水面上，水量较大时淹没在水中，这样既可以促进水流的旋转，又不会阻碍大量水流进入竖井。

本实施例所述的水轮机与普通的低水头发电水轮机略有不同。其叶片面与垂线成小于45度的角度。本实施例所述水轮机的转动主要依靠的是水流的旋转动能，水流竖直向下的动能只是辅助作用。因此，为提高水轮机的效率，水轮机叶片的主要迎水面是接近垂直的。

本实施例另一个关键在于收集水中的气体，并利用气体携带的能量发电。本实施例在喇叭竖井的底部连接的出水洞中设置了排气井。排气井根据现场水工设施的需要可以设置两到三个，甚至更多。排气井为竖直的（工程上有时为了方便，也可以弯曲的），进口设置在出水洞的顶部，以收集聚集在出水洞顶部气囊中所聚集的空气。水流在进入喇叭口竖井的时候，旋转水流中心的旋流空腔也带动空气旋转和下落，空气在竖井的中部被搅拌和压缩，进入水流中，在竖井中，由于压缩的作用，水中的空气不能释放出来，这些空气只能随水流进出水洞。

由于出水洞接近水平，压缩作用消失，水中的空气迅速聚集并释放出来，在出水洞洞顶形成有压气囊21，这些有压气囊一旦遇到排气井则迅速上升（图3中箭头g的方向），形成带有能量的压缩空气。经水气分离后，这些带有能量的空气推开空气单向阀进入压缩空气室（图3中箭头k的方向），推动空气轮机，转换为机械能。

水气分离室将从排气井中出来的空气中的水分离出来，并通过回水道19排出（图3中箭头m的方向），使相对干燥的空气通过单向气阀，进入压缩空气室。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于副水池的细化。本实施例所述的副水池的水平位置高于主水池，所述的副水池与防波堤上的流水道联通。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于起旋墩的细化，如图4所示。本实施例所述的主起旋墩为4个，付起旋墩为4个，所述的主起旋墩水平平面截面形状为迎水面为小圆301，背水面为大圆302的大小圆光滑连接的长圆形。所述的付起旋墩的水平平面截面是矩形。

实施例四

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水轮机的细化，如图5所示。本实施例所述的水轮机包括：一个中心旋转轴701，所述的中心旋转轴沿径向圆周均布多个桨叶支撑杆702，所述的桨叶支撑杆与桨叶703连接，所述的桨叶为片状体，叶面与垂线的夹角α，小于45度角。

实施例五：

本实施是一种使用上述实施例所述装置的旋流式水、气联合波能发电方法。所述的方法将聚坡道波浪爬坡的水送到高于海面的蓄水池里，在蓄水池的出水喇叭口周边布置起旋墩，喇叭口的竖管内安装水轮机，在起旋墩的导流下，喇叭口竖管产生通气的旋转流，驱动水轮机组发电。同时，水流携带大量空气气进入下部水平出水管，逐渐集聚成气囊，漂浮在出水管的顶部，在水压的作用下气囊携带水体从出水管上部的排气管喷出，经水气分离室将气体输送到压缩空气室里驱动气轮机组发电。为了向蓄水池不断的供水，以保持水轮和气论机组连续发电，从蓄水池两侧较长的输水道（可以设置在防波堤上）捕捉波浪，向蓄水池补充海水。

所述方法的具体步骤如下：

海浪爬坡聚能的步骤：海浪掀起，海浪的水头抬高，浪头的水流通过聚波道进入主水池和副水池，形成水的势能。海浪水流从聚波道1漫溢，进入主水池2的导流平水栅9内，水流经平稳和导流后在主水池内按逆时针方向流动。为了保证正常连续发电，水流通过单向自动拍门不断地从副水池向主水池补水。副水池的挡水墙和底板均分别高于主水池的围墙和底板。副水池的水源来自输水道（输水道可以设置在一段防波堤顶上）。单向拍门通常处于关闭状态，当主水池水位降低时，由于主、副两池存在水位差，将拍门自动打开，使副水池向主水池补水。

旋流的步骤：带有势能的水流流向所述主水池的喇叭口竖井，在喇叭形竖井口周围高、低起旋墩的作用下，水流在进入喇叭口竖井之前即开始旋转，并在喇叭口椭圆曲线的作用下，增强了水流的旋转，在旋转水流的中央产生旋流空腔，所述的旋流空腔将大量空气带入流进竖井的水流中。在起旋墩的导流下，使喇叭口竖井产生带有旋流空腔6的螺漩流运动，旋流空腔中的空气在旋流的作用下，被搅拌、挤压溶入水流中，在喇叭口竖井的中、下部生成溶入大量空气的水体。

水流发电的步骤：所述的旋转水流在竖井中下落利用势能和旋转的动能带动所述的水轮机，水轮机带动发电机发电。水流中的势能主要产生旋转水流的动能，水流的动能主要沿竖井的井壁，呈螺旋下降的方向，因此，本实施例所述的水轮机的叶片不论什么形式，主要收集的是这种螺旋下降的能量，叶片的形式必须适应这个特点。

水气分离的步骤：竖井中下落的水流进入出水洞，在出水洞中，水流中的空气上升、聚集在出水洞的顶端形成有压气囊，所述的有压气囊遇到出水洞顶端的排气井，则在排气井中形成带有动能的气流，所述带有动能的气流进入水气分离室，在水气分离室中排出气流中残留的水汽。在水轮机正常运行的情况下，水流通过喇叭口竖井时，产生旋流空腔，将大量空气带入较长的出水洞内，随着流动逐渐将分散的气泡集聚成气囊21，漂浮在出水洞的顶部，气囊流到排气井处时，在出水洞内压力的作用下连气带水一起向上喷射，通过水汽分离室将水气分离后，其中水体降落在回水道里，流到副水池内，而气体打开单向气阀，集聚到压缩空气室内，驱动汽轮发电机发电。

气流发电的步骤：所述带有动能的气流从水气分离室中通过空气单向阀进入压缩空气室，在压缩空气室中带有动能的气流推动空气轮机，空气轮机带动发电机发电。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如水轮机和空气轮机的形式，安装位置、聚波道的形式、主副水池的形式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

Claims (5)

1.一种旋流式水、气联合波能发电装置，包括：面向大海的聚坡道，所述聚波道的顶端设有安装单向自动拍门的副水池，所述的副水池环绕主水池，其特征在于，所述的主水池中央设有喇叭口竖井，所述喇叭口竖井的主体为竖直的圆筒形，圆筒形的顶端为上端大、然后按椭圆曲线逐渐缩小的喇叭形进水口，环绕所述的喇叭口竖井的井口周围均布多个兼做水轮发电机组支撑的高起旋墩，在所述各个高起旋墩之间设有低起旋墩；所述的喇叭口竖井中设有带动水轮发电机的水轮机；所述喇叭口竖井的底部连接出水洞，所述的出水洞中设置多个排气井，所述的排气井与水气分离室连接，所述的水气分离室通过空气单向阀与压缩空气室连接，所述的压缩空气室内设有带动空气轮发电机的空气轮机，所述出水洞的出水口设置在最低潮位的水下。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的副水池的水平位置高于主水池，所述的副水池与防波堤上的流水道联通。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的主起旋墩为4个，付起旋墩为4个，所述的主起旋墩水平平面截面形状为迎水面为小圆，背水面为大圆的大小圆光滑连接的长圆形；所述的付起旋墩的水平平面截面是矩形。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的水轮机包括：一个中心旋转轴，所述的中心旋转轴沿径向圆周均布多个桨叶支撑杆，所述的桨叶支撑杆与桨叶连接，所述的桨叶为：与垂线成小于45度角的片状体。

5.一种使用权利要求1所述装置的旋流式水、气联合波能发电方法，所述方法的步骤如下：

海浪爬坡聚能的步骤：海浪掀起，海浪的水头抬高，浪头的水流通过聚波道进入主水池和副水池，形成水的势能；

其特征在于：

旋流的步骤：带有势能的水流流向所述主水池的喇叭口竖井，在喇叭形竖井口周围高、低起旋墩的作用下，水流在进入喇叭口竖井之前即开始旋转，并在喇叭口椭圆曲线的作用下，增强了水流的旋转，在旋转水流的中央产生旋流空腔，所述的旋流空腔将大量空气带入流进竖井的水流中；

水流发电的步骤：所述的旋转水流在竖井中下落利用势能和旋转的动能带动所述的水轮机，水轮机带动发电机发电；

水气分离的步骤：竖井中下落的水流进入出水洞，在出水洞中，水流中的空气上升、聚集在出水洞的顶端形成有压气囊，所述的有压气囊遇到出水洞顶端的排气井，则在排气井中形成带有动能的气流，所述带有动能的气流进入水气分离室，在水气分离室中排出气流中残留的水汽；

气流发电的步骤：所述带有动能的气流从水气分离室中通过空气单向阀进入压缩空气室，在压缩空气室中带有动能的气流推动空气轮机，空气轮机带动发电机发电。

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