CN104481780A - 浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统 - Google Patents

Abstract

一种海流能开发技术领域的浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统，由至少一台海流发电装置或多台海流发电装置组成阵列结构，每台海流发电装置包括：设置于流向适应性导流机构内部的发电机构以及与流向适应性导流机构相连的浮体机构；浮体机构包括：分别设置于流向适应性导流机构顶部和底部的浮球和翼型浮体，流向适应性导流机构包括：正对洋流方向的导流罩以及依次设置于其内的涡轮机叶片和流线型机舱。本发明实现将海流的动能带动发电，适用于稳定海流海况，且能量转化率高，将本系统放置于二到三米每秒的流速的海里，设计合适的叶片直径，能实现发电1～3兆瓦每小时。

Description

浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统

技术领域

本发明涉及的是一种海流能开发装置，具体是通过水流作用带动涡轮叶片的转动，将机械能转化为电能，具有启动流速低、随来流方向自行偏转获得最大流速及可自平衡于任意水深的特点。

背景技术

海流发电机从上世纪70年代提出以来，一直是国内外学者和工业界关注的热点研究问题，经过多年的努力，取得了一定的进展，从实验室研究发展到样机现场试验阶段，是继风能以后具有大规模开发潜力的能源获取方式。水平轴海流发电涡轮机是一种海流能吸收和转换装置，由于理论和技术上可借鉴风力涡轮机和船舶螺旋桨，有比较好的生产和制造基础，设备制造本身不会产生更多的污染或消耗巨大的资源，是海流能发电装置中国内外研究最多的热点。带导流罩海流发电涡轮机有着启动流速低、获能效率高和扭矩波动较小的优点，因此也逐渐成为一种趋势。海流发电涡轮机的研发国内外均进入到样机实验阶段，但兆瓦级乃至更大功率的实用还有距离，国内的样机也止步于千瓦级，原因在于吸收和转化海流能的效率还不高。从吸收能量角度考虑，实际的非均匀垂向海流剖面如图1所示，有研究表明大约75％的能量都在海面下较浅的区域。因此提高海流能的利用率首先从真实海流环境出发，从提高能量的获取着手。有一些学者如已经采用了理论和实验的方法研究了非均匀海流剖面对海流涡轮机的影响。因此浅浸没方式是最佳获取能量的方式。

经对现有技术检索发现，中国专利文献号CN103573530A，公开日2014年2月12日，公开了“一种海流能发电具有导流罩的水轮机叶轮”，包括：转轴和轮毂以及安装固定在轮毂上的叶片，所述的转轴、轮毂以及叶片均置于叶轮室内，叶轮室两端分别为进水侧和出水侧，水流从进水侧沿轴向流向出水侧，轮毂采用球面形，方便叶片的安装于固定，从而提高叶片的做功能力。但该技术装置的导流罩是入口大而到叶片处小，这种方式会导致叶片后的尾流产生更多的涡，降低叶片效率。

中国专利文献号CN1454290公开(公告)日2003.11.05，公开了一种用于开发潮汐与河流能量的系统，完全没入水下并包括：几台带叶片G、支撑总成C，后支撑装置E的水轮机A及发电机。水轮机A的轴的取向垂直于水流方向，而且叶片G呈翼形，致使不论水流方向如何，水轮机A同一方向转动。水轮机轴支撑在带有固定在支撑和承重装置的漂浮容器B的机架中。该电站由模块建成。但该技术的缺陷和不足在于：该叶轮的各叶片的重力并没有被平衡，在水 流推动叶片转动时重力的作用会损耗一部分功，该方式的能量吸收效率有限。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统，具有特殊设计的入口小而出口大的导流罩，通过合适的方式将发电装置定位在水面以下流速较高的位置，实现了将海流的动能带动发电，适用于稳定海流海况，且能量转化率高，将本装置放置于二到三米每秒的流速的海里，设计合适的叶片直径，能实现发电1～3兆瓦每小时。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由至少一台海流发电装置或多台海流发电装置组成阵列结构，每台海流发电装置包括：设置于流向适应性导流机构内部的发电机构以及与流向适应性导流机构相连的浮体机构，其中：浮体机构包括：分别设置于流向适应性导流机构顶部和底部的浮球和翼型浮体，流向适应性导流机构包括：正对洋流方向的导流罩以及依次设置于其内的涡轮机叶片和流线型机舱。

所述的流向适应性导流机构通过连接轴承和垂直旋转的连接轴与翼型浮体转动连接。

所述的流向适应性导流机构底部设有连接铰对，多台海流发电装置通过连接铰对实现阵列结构的连接。

本发明涉及上述系统的安装方法，包括以下步骤：

步骤1)确定安装位置，即海流较稳定的海况，将四根系泊线呈四角分布布置。

步骤2)在系泊线的同一端安装翼型浮体的四角以保证整个装置的浮力和稳定性，然后将系泊线一端固定在海底固定装置上，系泊线能控制长短，保证整个装置处于海流较大处。

步骤3)在岸上或船上组装好发电装置，先将叶片安装到垂直旋转的连接轴上，然后放入导流罩内，将机舱与支撑结构定位、焊接，检查密封装置及旋转连接轴。

步骤4)将发电装置连接到翼型然后慢慢浸入水中，达到合适的系泊高度，安装上部浮球，以对通航船舶提供指示，不影响通航。

步骤5)连接输电线缆到附近的海底配电板或并网。

本装置具体工作时，整体漂浮于海水之中合适高度，通过翼型浮体自平衡于洋流中；当海水接触涡轮机叶片前，先通过敞口结构的导流罩加压加速，使得水流在接触涡轮机叶片时已经得到了一定的加速，即涡轮机表面的流速比海流流速大，这样能有效地增加此海流发电机的工作效率，海水推动涡轮机转动，将动能通过轴系传递到后方的发电机中，从而产生电能，再通过电缆传输到用电单位。本装置可以多个排列形成发电机组，放置于二到三米每秒的流速的海里，就能实现发电三到五兆瓦每小时，年发电时间可达7000小时以上。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过翼型浮体和系泊索调整发电机漂浮位置及状态，可使发电 机保持在海流流速最大的浅浸没状态，获得最大的海流能。

上部浮球可以调节海流发电机的浸没深度，并可以提醒往来船只，不影响航道通航。

下部翼型浮体提高发电机的稳定性，并内置交直流电转换装置和电缆接口。

下部翼型浮体上部通过垂直旋转的连接轴及轴承与发电机和导流罩相连，保证发电机叶片可以根据来流的方向改变而相应的转动，保持正对来流，提高发电效率。

下部翼型浮体下部连接系泊索，提供发电机定位能力。

附图说明

图1a为本发明正视图；

图1b为图1a局部放大示意图；

图2为本发明侧视图。

图3为实施例阵列连接效果侧视图；

图4为实施例阵列连接效果俯视图；

图中：涡轮机叶片1、导流罩2、支撑结构3、流线型机舱4、齿轮箱5、永磁发电机6、蓄电池7、连接轴承8、连接轴9、翼型浮体10、系泊线11、球型接头12、浮球13、发电装置连接铰对14。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1a和图1b所示，本实施例由至少一台海流发电装置或多台海流发电装置组成阵列结构，每台海流发电装置包括：设置于流向适应性导流机构内部的发电机构以及与流向适应性导流机构相连的浮体机构，其中：浮体机构包括：分别设置于流向适应性导流机构顶部和底部的浮球13和翼型浮体10，流向适应性导流机构包括：正对洋流方向的导流罩2以及依次设置于其内的涡轮机叶片1和流线型机舱4。

所述的导流罩2内设有支撑结构3以实现加固。 

所述的发电机构包括：依次与涡轮机叶片相连的齿轮箱5和永磁发电机6，以及与永磁发电机输出端相连的蓄电池7。

所述的永磁发电机6的输出端设有输送电缆，该电缆从永磁发电机6的后部导出。

所述的流向适应性导流机构通过连接轴承8和垂直旋转的连接轴9与翼型浮体10转动连接。 

所述的流向适应性导流机构底部设有连接铰对14，多台海流发电装置通过连接铰对14 实现阵列结构的连接。

如图2和图3所示，所述的翼型浮体10通过系泊线11固定在海底；该系泊线11与翼型浮体优选通过铰链连接。

所述的系泊线11的数量优选为四根；该系泊线可采用悬链线或张紧方式通过打桩或锚实现固定。

所述的流向适应性导流机构置于翼型浮体之上并由于敞口结构的导流罩的力学特性有随流向改变涡轮机盘面朝向的功能，该导流罩2为敞口结构，其外形尺寸满足：y＝-0.0737x³+0.2988x²-0.0832x+0.3451，其中：x,y分别表示截面的横坐标和纵坐标。

通过垂直旋转的连接轴使得永磁发电机以及涡轮机叶片能够随着来流方向自行改变朝向，具有流向适应性。

所述的翼型浮体10为NACA0015翼型，弦长为1.2倍的导管长度。

如图2～图4所示，本装置在安装的时候，寻找一处海流比较稳定的海况，并将四根系泊线呈四角分布布置，并在这四根线的同一端安装一个翼型浮体来保证整个装置的浮力和稳定性。海流运动比较有规律，每天大概二次正向运动，每次持续六个小时，二次反向运动，每次持续六个小时，持续性较强，因而发电比较稳，并且发电量也较大，本装置可以多个排列形成发电机组，放置于二到三米每秒的流速的海里，就能实现发电三到五兆瓦每小时，年发电时间可达7000小时以上。将系泊线一端固定在海底固定装置上，这四根线的另一端安装一个翼型浮体四角上来保证整个装置的浮力和稳定性。系泊线能控制长短，保证整个装置处于海流较大处，浮球可以对通航船舶提供指示，不影响通航。

如图4所示，本海流发电装置在安装使用时，可采用阵列排布，通过翼型浮体上的连接器14连接相邻的单机，并保证一定的间距，若距离不够可增设钢制连接块，采用的配对结构使连接方便、快捷。

该实例仅为本设备的一种具体实施方式，对本实施例不受限制，凡是运用该原理的都属于本实施例的保护范围。

Claims (9)

1.一种浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统，其特征在于，由至少一台海流发电装置或多台海流发电装置组成阵列结构，每台海流发电装置包括：设置于流向适应性导流机构内部的发电机构以及与流向适应性导流机构相连的浮体机构；

所述的浮体机构包括：分别设置于流向适应性导流机构顶部和底部的浮球和翼型浮体，其中：流向适应性导流机构包括：正对洋流方向的导流罩以及依次设置于其内的涡轮机叶片和流线型机舱；流向适应性导流机构通过连接轴承和垂直旋转的连接轴与翼型浮体转动连接。

2.根据权利要求1所述的浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统，其特征是，所述的发电机构包括：依次与涡轮机叶片相连的齿轮箱和永磁发电机，以及与永磁发电机输出端相连的蓄电池。

3.根据权利要求1所述的浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统，其特征是，所述的流向适应性导流机构底部设有连接铰对，多台海流发电装置通过连接铰对实现阵列结构的连接。

4.根据权利要求1所述的浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统，其特征是，所述的导流罩内设有支撑结构以实现加固。

5.根据权利要求1所述的浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统，其特征是，所述的翼型浮体通过系泊线固定在海底。

6.根据权利要求5所述的浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统，其特征是，所述的系泊线为四根；该系泊线可采用悬链线或张紧方式通过打桩或锚实现固定。

7.根据权利要求1所述的浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统，其特征是，所述的流向适应性导流机构置于翼型浮体之上，所述的导流罩为敞口结构，其外形尺寸满足：

y＝-0.0737x³+0.2988x²-0.0832x+0.3451，其中：x,y分别表示截面的横坐标和纵坐标。

8.根据权利要求1或5或7所述的浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统，其特征是，所述的翼型浮体为NACA0015翼型，弦长为1.2倍的导管长度。

9.一种涉及上述任一权利要求所述的浅浸没漂浮式带导流罩水平轴海流发电系统的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)确定安装位置，即海流较稳定的海况，将四根系泊线呈四角分布布置；

步骤2)在系泊线的同一端安装翼型浮体的四角以保证整个装置的浮力和稳定性，然后将系泊线一端固定在海底固定装置上；

步骤3)在岸上或船上组装好发电装置，先将叶片安装到垂直旋转的连接轴上，然后放入导流罩内，将机舱与支撑结构定位、焊接；

步骤4)将发电装置连接到翼型然后浸入水中，达到系泊高度后再安装上部浮球；

步骤5)连接输电线缆到海底配电板或并网。