CN103147901A - 无动力漂浮式洋流发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无动力漂浮式洋流发电系统，它的特点是包括基台，基台的下方有依次连接的聚流管道、水轮机管道和尾流管道。基台底部连接有浮筒，浮筒四周有浮力舱。水轮机管道从浮筒内穿过，且水轮机管道下方的浮筒内有隔板。浮筒内有输变电装置、水轮机和发电机，发电机的输出端子与输变电装置相连，发电机的输入轴与水轮机的转轴相连。水轮机含有筒状外壳，转轴位于筒状外壳的轴线上，转轴上沿周向均布有多排勺形水斗。筒状外壳的下侧加工有开口，水轮机管道上壁上有开口，筒状外壳的开口与水轮机管道的开口间呈密封连接。这种发电系统，不仅制造成本低，而且其发电量较高，能够达到大功率的要求。

Description

无动力漂浮式洋流发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电装置。具体说，是利用水流（特别是洋流）进行发电的无动力漂浮式的发电系统。

背景技术

众所周知，地球的表面被大面积的海洋所覆盖，而在风力和其它动力的推动下，海水长年循着一定的路线周而复始的运动着，这就形成了洋流，洋流的规模要远远大于陆地上江河湖泊中的河流，它是一种取之不尽、用之不竭的绿色环保资源。

近些年来，为了减少地球能源的过渡开发和利用，世界各国都比较重视利用绿色环保资源来进行发电，这其中就包括洋流发电。传统的洋流发电系统包括一个立柱，立柱的下端固定在海底，立柱的中上部安装有一个横臂，该横臂与立柱垂直，其两端伸出在立柱两侧。在横臂两端均安装有水轮机和发电机，水轮机的转轴与发电机的输入轴相连。运行时，由洋流推动水轮机旋转，再由水轮机带动发电机工作，从而进行发电。虽然利用这种洋流发电装置可以发电，但由于洋流的流速较慢，通常在1米/秒以下，功率密度小，要想提高单机的发电量，就必须将水轮机的叶片做得非常大。这样，用来支撑水轮机和电机的立柱也要粗大，而在海底设置立柱，须先在海底打桩后才能安装立柱，这就使得施工难度增加，制造成本上升。而且，由于受到海洋生态系统的影响和水轮机强度的限制，水轮机的叶片尺寸不能无限制的增加，即便将其尺寸做的非常大，也只能将洋流1米/秒流速所携带的动能进行简单的转换，从而产生电能，这种发电量非常有限，无法实现大功率的要求。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种无动力漂浮式洋流发电系统。这种发电系统，不仅制造成本低，而且其发电量较高，能够达到大功率的要求。

为解决上述问题，采取以下技术方案：

本发明的无动力漂浮式洋流发电系统的特点是包括基台，基台的下方有水平布置的洋流管道。所述洋流管道包括聚流管道、水轮机管道和尾流管道，聚流管道和尾流管道均为斗状，它们口径较小的一端分别于水轮机管道的两端相连接，聚流管道口径较大的一端为洋流入口，尾流管道口径较大的一端为尾流出口。所述基台底部连接有竖向布置的浮筒，浮筒对应的基台上有舱口，舱口上有盖板，基台底部除浮筒以外的位置有浮力舱，浮力舱的高度小于浮筒的长度。所述水轮机管道从浮筒内穿过，且水轮机管道的外壁与浮筒的筒壁间呈密封固定连接，水轮机管道下方的浮筒内有隔板，隔板四周与浮筒内壁间呈密封固定连接。所述浮筒内在隔板上方设有输变电装置、水轮机和发电机，发电机的输出端子借助电缆与输变电装置相连，发电机的输入轴与水轮机的转轴间通过变速箱相连。所述水轮机含有横向布置的筒状外壳，该筒状外壳呈封闭状，水轮机的转轴位于筒状外壳的轴线上，转轴上沿周向均布有多排勺形水斗，每排勺形水斗均沿转轴轴向排布。所述筒状外壳的下侧加工有贯通其长度的开口，浮筒内的那段水轮机管道上壁上有开口，筒状外壳的开口四周与水轮机管道的开口四周间呈密封固定连接，使得勺形水斗通过该开口伸入水轮机管道内并使水轮机的转轴与水轮机管道的纵向相垂直。 

本发明的进一步改进方案是浮筒和水轮机均至少有两个，浮筒呈并排状连接在基台底部，所述水轮机管道从所有浮筒内穿过，且每个浮筒内的那段水轮机管道上均连接有水轮机。采用多级水轮机串联的方式，可对做功后的洋流尾流进行再利用，使其再次对后一级的水轮机做功，将其所携带的动能进一步转化为电能，从而实现洋流动能的充分利用。

本发明的进一步改进方案是所述水轮机管道至少有两个，它们的一端呈并排状连接在聚流管道口径较小的一端，它们的另一端均连接有尾流管道。所述至少两个水轮机管道呈并排状穿过浮筒，且浮筒内的每个水轮机管道上均连接有水轮机。多水轮机管道设置，可进一步缩小每个水轮机管道内的横截面积，减少乱流现象的发生，且可以仅在相邻两个水轮机管道上对应的水轮机间连接一个发电机，从而使得该发电系统沿纵向中心线左右对称，确保系统的平衡性。

本发明的进一步改进方案是所述浮筒内在隔板上方还设有空压机，空压机的出气口通过管道与所述水轮机筒状外壳的内腔上部相连通。这样，可以通过空压机为水轮机筒状外壳的内腔上部提供压缩空气，使得洋流在流经水轮机时，其高度适中不超过水轮机管道的高度，从而避免筒状外壳内的页面上升而阻碍勺形水斗绕转轴转动。

本发明的进一步改进方案是所述浮筒外侧固定有绞盘，绞盘上绕有缆索，缆索一端连接在绞盘上，另一端连有锚。利用缆索将锚放入海底，使其勾住海床，可以使该发电系统呈相对固定的漂浮在既定位置，利用漂浮的缓冲作用减小海水和风力的冲击对系统造成的损坏，增加其使用寿命。

本发明的进一步改进方案是所述水轮机管道与聚流管道连接的一端设有阀门，该阀门可控制水轮机管道的开合。利用该阀门控制进入系统内的洋流，即可控制发电机的启闭，避免无输出状态时的发电机空转，从而增加发电机的使用寿命。

本发明的进一步改进方案是所述洋流入口的上端连接有导流板，该导流板与洋流入口连接的一端低于另一端。所述导流板的两侧边与洋流入口的竖向两边间分别连接有侧板。通过该导流板可以将上层流速较高的洋流导入到聚流管道中，进一步增加管道内洋流的流速，提高系统发电量。

本发明的进一步改进方案是所述聚流管道、尾流管道均通过拉杆与基台呈固定连接。这样，可增加聚流管道、尾流管道与水轮机管道的连接刚性，使它们不易受海水冲击而变形，从而增加系统的使用寿命。

本发明的进一步改进方案是所述浮力舱的数量不少于两个，它们布满在基台底部。所述基台上有开口，开口上有舱盖。基台上开口的数量不多于浮力舱的数量，且开口均至少与一个浮力舱相连通。在部分浮力舱出现损坏进水的情况下，整个基台不会全部进水而使得系统沉没。而且，维修人员可通过舱盖和开口进入损坏的浮力舱，对其进行维修。

本发明的更进一步改进方案是所述聚流管道的洋流入口端有滤网。通过该滤网可拦截海洋生物或其它物质进入洋流管道内，从而避免发电系统洋流管道的堵塞或损坏，在不影响海洋生态系统的同时，增加了系统的使用寿命。

采取上述方案，具有以下优点：

由于本发明的无动力漂浮式洋流发电系统的洋流管道的入口端采用斗状的聚流管道，且聚流管道洋流入口端的口径大于另一端，因此，当洋流进入聚流管道后，其流动截面不断缩小，即利用狭管效应将进入该管道的洋流自身巨大的静压强所具有的势能转换成洋流的动能，从而增加洋流的流速，极大的提升了洋流动能的功率密度。如果洋流入口处的横截面面积是聚流管道与水轮机管道连接端横截面面积的10倍的话，那么洋流在流动过程中，其流动速度将增加至原来的10倍，由于功率密度与速度的三次方成正比，即功率密度增加至原来的1000倍，在面积缩小到1/10之一的情况下，总功率增加至洋流入口处的100倍，从而大大提高了系统发电量，其可满足大功率的设计要求。与此同时，利用增加洋流流速的方式来提高发电量，可缩小水轮机尺寸，进而缩小发电系统整体的体积，而且采用漂浮式的结构也可避免在海底安装立柱带来的施工困难，从而可大大降低洋流发电系统的制造成本。

附图说明

图1是本发明的无动力漂浮式洋流发电系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的无动力漂浮式洋流发电系统包括基台1，基台1的下方有水平布置的洋流管道。洋流管道包括聚流管道11、水轮机管道14和尾流管道4，聚流管道11和尾流管道4均为斗状，聚流管道11口径较大的一端为洋流入口10，即聚流管道11自洋流入口10端到另一端的口径逐渐变小，尾流管道4口径较大的一端为尾流出口19，即尾流管道4自尾流出口19端到另一端口径也逐渐变小。本实施例中，水轮机管道14的数量为两个，它们呈并排状连接在聚流管道11口径较小的一端，它们的另一端分别连接有一个尾流管道4，且尾流管道4与水轮机管道14连接的一端均为其口径较小的一端。所述基台1底部连接有竖向布置的浮筒13，本实施例中，浮筒13的数量为两个，它们呈并排状连接在基台1底部，且浮筒13对应的基台1上均有舱口，舱口上均有盖板5，基台1底部除两个浮筒13以外的位置有浮力舱7，浮力舱7的高度均小于浮筒13的长度。所述浮力舱7的数量不少于两个，它们布满在基台1底部。所述基台1上有开口，开口上有舱盖2。基台1上开口的数量不多于浮力舱7的数量，且开口均至少与一个浮力舱7相连通。本实施例中，分别在两个浮筒13上方的基台1两侧各设置有一个开口及舱盖2，两个开口分别与一个浮力舱7相连通，相邻的两个浮力舱7间可设置密封门，这样，通过开口和密封门即可进入到任何一个浮力舱7中。所述两个水轮机管道14均先后从两个浮筒13内垂直穿过，即浮筒13的轴线均与水轮机管道14的纵向相垂直，且水轮机管道14的外壁均与浮筒13的筒壁间呈密封固定连接。所述两个浮筒13内在水轮机管道14的下方均设置有一块圆形的隔板6，隔板6的直径与浮筒13的内径相等，且隔板6四周均与浮筒13内壁间呈密封固定连接。所述浮筒13内在隔板6上方设有输变电装置、水轮机和发电机，发电机的输出端子借助电缆与输变电装置相连，发电机的输入轴与水轮机的转轴间通过变速箱相连接。所述水轮机含有横向布置的筒状外壳15，该筒状外壳15呈封闭状，水轮机的转轴位于筒状外壳15的轴线上，转轴上沿周向均布有多排勺形水斗16，每排勺形水斗16均沿转轴轴向排布。本实施例中，在两个浮筒13内，两条并排的水轮机管道14上分别连接有一个水轮机，即所述水轮机的数量为四个。四个水轮机的筒状外壳15的下侧均加工有贯通其长度的开口，两个浮筒13内共四段水轮机管道14的上壁均有开口，筒状外壳15的开口四周与水轮机管道14的开口四周间一一对应呈密封固定连接，使得四个水轮机的勺形水斗16均通过与其对应的开口伸入在水轮机管道14内并使水轮机的转轴均与水轮机管道14的纵向相垂直。在同一个浮筒13内，两个水轮机的转轴在一条直线上，且两个水轮机的转轴均连接在一个发电机的输入轴上。 

本实施例在两条水轮机管道14上分别采用两级水轮机串联的方式，可对一次做功后的洋流尾流进行再利用，使其再次对第二级的水轮机做功，将其所携带的动能再转化为电能，从而实现对洋流动能的充分利用。且两条水轮机管道14并联，可进一步缩小每个水轮机管道14内的横截面积，减少乱流现象的发生。而且，在两条水轮机管道14上位置对应的两个水轮机间连接一个发电机，可以使该发电装置沿纵向中心线左右对称，从而确保装置的平衡性。

在洋流进入水轮机管道14冲击水轮机的勺形水斗16时，由于受到流量和管道横截面的影响，在水轮机筒状外壳15内的水面会不断上升，甚至填满筒状外壳15，这就会对勺形水斗16的转动带来一定的阻力。因此，本实施例在两个浮筒13内的隔板6上方均设有空压机，空压机的出气口通过管道与各个浮筒13内的两个水轮机筒状外壳15的内腔上部均相连通。通过空压机可控制各个水轮机筒状外壳15内的水面高度，使其始终保持在与水轮机管道14等高的高度，从而减少海水对勺形水斗16转动带来的阻力。也可以在基台1内的任何位置仅设置一台空压机，并将该台空压机的出气口通过管道与所有水轮机的筒状外壳15相连接，从而实现相同的效果。

为了减小海水和风力的冲击对系统造成的损坏，增加其使用寿命，并使其始终处于设定区域，本实施例将传统的洋流发电系统利用立柱固定于海底的绝对固定方式变更为漂浮式的相对固定方式，即在所述浮筒13的外侧固定绞盘，绞盘上绕有缆索18，缆索18一端连接在绞盘上，另一端连有锚17，利用缆索18将锚17放入海底勾住海床，可以使该发电系统漂浮在既定位置。

由于洋流的运动是终年不息的，一旦将该发电系统置于海面上，整个洋流管道内就始终会有洋流流动，即便是在不需要发电或无输出状态时，发电机也会受到水轮机的联动作用而发生空转。因此，本实施例在所述水轮机管道14与聚流管道11连接的一端设置有阀门12，该阀门12可控制水轮机管道14的开合，从而控制水轮机和发电机的转动。洋流的流速自海平面向下是越来越缓慢，为了更好的利用海平面流速较高的洋流，本实施例在洋流入口10的上端连接有导流板8，该导流板8与洋流入口10连接的一端低于另一端，且导流板8较高的一端可伸出在海平面之上，导流板8的两侧边与洋流入口10的竖向两边间分别连接有侧板。从而可将海平面流速较高的洋流也导入到聚流管道11中，两边的侧板可防止洋流从聚流管道11两侧流失。同时，洋流的运动和牵引使得聚流管道11和尾流管道4终年受到海水的冲击，它们与水轮机管道14连接的一端始终为应力集中的位置，长期使用很容易发生变形，因此本实施例的聚流管道11、尾流管道4均通过拉杆3与基台1呈固定连接，从而增加了聚流管道11、尾流管道4与水轮机管道14的连接刚性。

另外，在广阔的海洋中，存在着大量的海洋生物或其它物质，这些生物和物质维系着整个海洋生态系统，而如果将本发明的无动力漂浮式洋流发电系统置于海上进行洋流发电时，这些生物和其它物质很容易随着洋流进入系统的洋流管道中，在可能对海洋生态系统造成影响的同时，还容易造成洋流管道的堵塞或损坏。因此，本实施例在聚流管道11的洋流入口10端还设置有滤网9，通过该滤网9可拦截大多数的海洋生物或其它物质，避免它们进入洋流管道中。

使用时，将本发明的无动力漂浮式洋流发电系统置于海洋中，并利用缆索18和锚17使其漂浮在设定的区域。洋流从安装有滤网9的聚流管道11洋流入口10流入，经口径逐渐缩小的聚流管道11加速之后，通过打开的阀门12进入左右对称的两个水轮机管道14，分别冲击安装在两个水轮机管道14中的第一级的两台水轮机，将其所携带的动能转化为水轮机的机械能，并通过转轴将机械能传递给发电机，最终转化为电能。经过一次做功的洋流尾流本身还具有一定的速度，它们继续沿着水轮机管道14流动，并分别冲击安装在两个水轮机管道14中的第二级的两台水轮机，同样可将洋流动能转化成机械能，并最终转化成电能。完成两次做功后最终的洋流尾流可沿着尾流管道4排出至海洋中。

本发明中的水轮机水斗采用勺形水斗16的设计，使得水对其正面的冲击力可以充分被吸收，且勺形结构具有较好的强度。多组勺形水斗16组合设计，具有很大的总涉水面积，但是每个勺形水斗16的面积又较小，制造安装容易。

将本发明的无动力漂浮式洋流发电系统略作改进，就可应用于旅游观光、物资中转站、海水谈化、制氢、氧基站、海上项目训练基地、狭管聚风发电塔建站、卫星导航、海产品深加工厂、雷达站、机场跑道、石油平台等民用和军用领域。

2012年05月04日《北京商报》报道世界首家利用洋流发电的是南非德班市，将利用附近海域的阿古拉斯洋流发电，它将具备1兆瓦的发电能力（洋流速度约为1米/秒），其水轮机叶轮所需要涉及的洋流面积超过5000平方米。若在同样海域使用本发明技术在发电量相同的情况下，理论上设计一个进水口50平方米，出水口面积5平方米的管道就可完成，发电装置的体积明显缩小，制造成本可大大降低。显然，当洋流涉流面积相同的情况下，使用本发明的发电装置可明显提高发电量。

Claims (10)

1.无动力漂浮式洋流发电系统，其特征在于包括基台（1），基台（1）的下方有水平布置的洋流管道；所述洋流管道包括聚流管道（11）、水轮机管道（14）和尾流管道（4），聚流管道（11）和尾流管道（4）均为斗状，它们口径较小的一端分别于水轮机管道（14）的两端相连接，聚流管道（11）口径较大的一端为洋流入口（10），尾流管道（4）口径较大的一端为尾流出口（19）；所述基台（1）底部连接有竖向布置的浮筒（13），浮筒（13）对应的基台（1）上有舱口，舱口上有盖板（5），基台（1）底部除浮筒（13）以外的位置有浮力舱（7），浮力舱（7）的高度小于浮筒（13）的长度；所述水轮机管道（14）从浮筒（13）内穿过，且水轮机管道（14）的外壁与浮筒（13）的筒壁间呈密封固定连接，水轮机管道（14）下方的浮筒（13）内有隔板（6），隔板（6）四周与浮筒（13）内壁间呈密封固定连接；所述浮筒（13）内在隔板（6）上方设有输变电装置、水轮机和发电机，发电机的输出端子借助电缆与输变电装置相连，发电机的输入轴与水轮机的转轴间通过变速箱相连；所述水轮机含有横向布置的筒状外壳（15），该筒状外壳（15）呈封闭状，水轮机的转轴位于筒状外壳（15）的轴线上，转轴上沿周向均布有多排勺形水斗（16），每排勺形水斗（16）均沿转轴轴向排布；所述筒状外壳（15）的下侧加工有贯通其长度的开口，浮筒（13）内的那段水轮机管道（4）上壁上有开口，筒状外壳（15）的开口四周与水轮机管道（14）的开口四周间呈密封固定连接，使得勺形水斗（16）通过该开口伸入水轮机管道（14）内并使水轮机的转轴与水轮机管道（14）的纵向相垂直。

2.如权利要求1所述的无动力漂浮式洋流发电系统，其特征在于所述浮筒（13）和水轮机均至少有两个，浮筒（13）呈并排状连接在基台（1）底部，所述水轮机管道（14）从所有浮筒（13）内穿过，且每个浮筒（13）内的那段水轮机管道（14）上均连接有水轮机。

3.如权利要求1所述的无动力漂浮式洋流发电系统，其特征在于所述水轮机管道（14）至少有两个，它们的一端呈并排状连接在聚流管道（11）口径较小的一端，它们的另一端均连接有尾流管道（4）；所述至少两个水轮机管道（14）呈并排状穿过浮筒（13），且浮筒（13）内的每个水轮机管道（14）上均连接有水轮机。

4.如权利要求1所述的无动力漂浮式洋流发电系统，其特征在于所述浮筒（13）内在隔板（6）上方还设有空压机，空压机的出气口通过管道与所述水轮机筒状外壳（15）的内腔相连通。

5.如权利要求1所述的无动力漂浮式洋流发电系统，其特征在于所述浮筒（13）外侧固定有绞盘，绞盘上绕有缆索（18），缆索（18）一端连接在绞盘上，另一端连有锚（17）。

6.如权利要求1所述的无动力漂浮式洋流发电系统，其特征在于所述水轮机管道（14）与聚流管道（11）连接的一端设有阀门（12），该阀门（12）可控制水轮机管道（14）的开合。

7.如权利要求1所述的无动力漂浮式洋流发电系统，其特征在于所述洋流入口（10）的上端连接有导流板（8），该导流板（8）与洋流入口（10）连接的一端低于另一端；所述导流板的两侧边与洋流入口的竖向两边间分别连接有侧板。

8.如权利要求1所述的无动力漂浮式洋流发电系统，其特征在于所述聚流管道（11）、尾流管道（4）均通过拉杆（3）与基台（1）呈固定连接。

9.如权利要求1所述的无动力漂浮式洋流发电系统，其特征在于所述浮力舱（7）的数量不少于两个，它们布满在基台（1）底部；所述基台（1）上有开口，开口上有舱盖（2）；基台（1）上开口的数量不多于浮力舱（7）的数量，且开口均至少与一个浮力舱（7）相连通。

10.如权利要求1~9中任一项所述的无动力漂浮式洋流发电系统，其特征在于所述聚流管道（11）的洋流入口（10）端有滤网（9）。