CN104763579B - 阵列化海洋能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种阵列化海洋能发电装置，包括框架、至少四个水轮机、至少四个发电模组和至少四个卷帘门式负荷调节模组。至少四个水轮机平行设置于框架内，每个水轮机的轴线方向垂直于水平面。至少四个发电模组分别与至少四个水轮机机械连接。至少四个卷帘门式负荷调节模组设置于框架。每个卷帘门式负荷调节模组包括导水单元、滚筒轴和驱动器。导水单元包括至少两个并排连接的导水板。滚筒轴固定连接导水单元的一端。驱动器连接滚筒轴，驱动器驱动滚筒轴转动以展开或收起导水单元。本发明提供的阵列化海洋能发电装置能有效地利用海洋能进行发电。设备简单，易于维护，且能有效地投入大规模生产。

Description

阵列化海洋能发电装置
技术领域
本发明属于海洋能发电领域，尤其涉及一种阵列化海洋能发电装置。
背景技术
海洋能（包含潮流能、海浪能、洋流能）是指海水流动的能量，作为可再生能源，储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。海洋能的利用方式主要是发电，其工作原理与风力发电和常规水力发电类似，即通过能量转换装置，将海水的机械能转换成电能。具体而言，首先海水冲击水轮机，水轮机将水流的能量转换为旋转的机械能，然后水轮机经过机械传动系统带动发电机发电，最终转换成电能。
现今能源日益短缺，温室效应日益严重，能源需要低碳化，所以风能，海洋能（包含潮汐能、潮流能、海浪能、洋流能）等清洁能源是未来能源的发展方向。但现在这些清洁能源的发电设备，除了风能利用比较成熟外，海洋能的利用还都是在起步阶段，没有通用和成熟的设备，效率低下，设备不能大规模化。
传统的海洋能发电装置一般只采用一个至多两个水轮发电机。然而只采用一个或两个水轮发电机，为了提高发电功率，通常叶轮的直径需要制造得很大，这样会大大降低叶轮的转速，同时增大扭矩，导致中心轴和齿轮箱之间的摩擦加大，中心轴和齿轮箱的成本攀高。另外，整个发电装置的规模也会受到限制，发电装置的成本会居高不下，制约了海洋能发电装置的发展。
但是，目前海洋能发电领域的技术人员都存在着技术偏见，只着重于研发如何将水轮发电机的叶轮部分做大或者对叶轮叶片的结构进行改进以提高单个水轮发电机的发电功率。目前本领域没有任何人研究如何在不改变叶轮的前提下，提高发电功率且降低成本以适合商业运用。
另外，由于海洋能不稳定（尤其是水流的流速变化较大），现有的海洋能发电装置都存在发电功率不稳定，波动大，导致投资过大而无法商业化等问题。具体而言，在水流速度较低时，海洋能发电装置存在水轮机转动不足的缺点，以致发电装置无法有效捕捉海洋能。在水流速度较高时，水轮机转动却过快，导致发电输出功率急剧增大，超出整个装置的负载以致无法负荷的问题。并且现有的海洋能发电装置产生的电能也无法直接输出使用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种阵列化海洋能发电装置。
为实现上述目的，本发明提供一种阵列化海洋能发电装置，包括框架、至少四个水轮机、至少四个发电模组和至少四个卷帘门式负荷调节模组。至少四个水轮机平行设置于框架内，每个水轮机的轴线方向垂直于水平面。至少四个发电模组分别与至少四个水轮机机械连接。至少四个卷帘门式负荷调节模组设置于框架。每个卷帘门式负荷调节模组包括导水单元、滚筒轴和驱动器。导水单元包括至少两个并排连接的导水板。滚筒轴固定连接导水单元的一端。驱动器连接滚筒轴，驱动器驱动滚筒轴转动以展开或收起导水单元。
根据本发明的一实施例，卷帘门式负荷调节模组的数量为水轮机数量的两倍，每两个卷帘门式负荷调节模组对应于一个水轮机且分别设置于水轮机沿水流方向的上游和下游。
根据本发明的一实施例，阵列化海洋能发电装置还包括至少一个限流板设置于框架。
根据本发明的一实施例，阵列化海洋能发电装置还包括至少两个栅栏，相对设置于框架的两侧，两个栅栏分别位于水轮机沿水流方向的上游和下游。
根据本发明的一实施例，框架包括外框架和至少一个内框架，至少一个内框架可分离地设置于一个外框架内，至少一个水轮机设置于一个内框架内。
根据本发明的一实施例，阵列化海洋能发电装置还包括至少一个浮筒平台，设置于框架且平行于水平面。
根据本发明的一实施例，阵列化海洋能发电装置还包括至少两个浮筒单元，设置于框架的两侧，每个浮筒单元平行于水流方向且垂直于水平面。
根据本发明的一实施例，阵列化海洋能发电装置还包括固定装置，固定装置包括基座、固定单元和多个锚桩。基座具有固定槽。框架通过固定单元固定于基座的固定槽中。至少一个锚桩穿设基座且插入海底固定。
根据本发明的一实施例，阵列化海洋能发电装置还包括拉环和拉索，拉环设于框架上，拉索的一端设于拉环上。
根据本发明的一实施例，水轮机包括至少两个圆形轮盘和多个叶片。多个叶片环绕设于圆形轮盘上，叶片数量最少为28片，最多为圆形轮盘外圆周长的厘米数的整数，叶片为弧形，所有叶片的一条弧形边的弧长的总和为圆形轮盘外圆周长的0.85-2倍之间，叶片弧形边的中点到两个端点的线段夹角构成叶片夹角，叶片夹角在100-170度之间，叶片弧形边的最大弦长线与过叶片外端点的圆形轮盘半径线的夹角为叶片安装角，叶片安装角在15-75度之间。
根据本发明的一实施例，水轮机的数量为偶数个，且相邻两个水轮机呈轴对称设置以使相邻两个水轮机的转动方向相反。
综上所述，本发明提供的阵列化海洋能发电装置能有效地利用海洋能进行发电。设备简单，易于维护，且能有效地投入大规模生产。本发明采用至少四个呈阵列式分布的水轮机。通过这种阵列化设置，每个水轮机无需太大，在提高发电功率的前提下，有效地降低了水轮机的制造成本且延长水轮机的使用寿命。本发明的卷帘门式负荷调节模组不仅能提高水轮机在低水流速度下承受的负荷，还可以降低水轮机在高水流速度下的输出荷载。因此，阵列化海洋能发电装置的发电可平稳输出以及直接使用，解决了传统发电装置的发电输出功率波动大，稳定性差的问题。
优选地，在水轮机的上游和下游都设置卷帘门式负荷调节模组，这样即便潮流改变方向（譬如涨潮和落潮），卷帘门式负荷调节模组均可以有效地对水流进行导向和阻挡。
并且，通过设置限流板，在保护水轮机不受海里垃圾损害的同时，也避免了其它方向水流对水轮机的干扰，从而提高发电模组的发电效率。本发明提供的阵列化海洋能发电装置通过在上下游设置至少两个栅栏，保护设置其内的水轮机不受海底垃圾的损害，延长水轮机的使用寿命。另外，在实际组装本发明的阵列化海洋能发电装置时，可先将水轮机固定在内框架内，然后将多个内框架分别固定在外框架内，从而实现模块化安装和维修，大大简化了安装维修程序，降低海洋中安装维修难度，大幅度降低安装维修的成本。
本发明的阵列化海洋能发电装置可以通过设置提供浮筒平台或浮筒单元进行漂浮式固定，也可以通过固定装置固定在海床。再者，通过设置拉环和拉索，使得阵列化海洋能发电装置能在水中有效固定，便于维修检查。
根据所有文献记载和实际实施表明，现有的垂直轴水轮机，在海洋低流速（水流速度3m/s以下）时无力发电。其捕获潮流的转换率不超过10%，所以海洋能在全世界内无法商业化开发。而本发明的水轮机通过采用至少28片的叶片和特定角度的设置，在海洋流速为3m/s以下的低流速时，捕获潮流的转换率在20%以上，克服了传统技术中的盲点，为人类的海洋能开发提供了技术基础。实验数据表明，采用该水轮机的发电装置效率是传统垂直轴发电装置效率的2倍以上。
同时，通过将水轮机数量设为偶数个，且相邻两个水轮机呈轴对称设置以有效地提高水流的聚集和疏散，提升水流速度，从而加快水轮机的转动以提高发电模组的发电功率。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为根据本发明第一实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。
图2为图1的局部放大示意图。
图3所示为图1中框架和水轮机的主视图。
图4为图3的局部放大示意图。
图5所示为本发明第一实施例中叶片夹角结构示意图。
图6所示为本发明第一实施例中叶片安装角结构示意图。
图7所示为本发明第一实施例中卷帘门式负荷调节模组的主视图。
图8为图7的局部放大示意图。
图9为图7的侧视图。
图10为图9的局部放大示意图。
图11所示为根据本发明第二实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。
图12所示为根据本发明第三实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。
图13为图12的局部放大示意图。
图14为图12的主视剖视图。
图15所示为本发明第三实施例中栅栏的示意图。
图16所示为根据本发明第四实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。
图17为图16的主视剖视图。
图18为图16的侧视剖视图。
图19所示为根据本发明第五实施例提供的阵列化海洋能发电装置的侧视剖视图。
图20所示为根据本发明第六实施例提供的阵列化海洋能发电装置的侧视剖视图。
具体实施方式
图1所示为根据本发明第一实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。图2为图1的局部放大示意图。图3所示为图1中框架和水轮机的主视图。图4为图3的局部放大示意图。图5所示为本发明第一实施例中叶片夹角结构示意图。图6所示为本发明第一实施例中叶片安装角结构示意图。图7所示为本发明第一实施例中卷帘门式负荷调节模组的主视图。图8为图7的局部放大示意图。图9为图7的侧视图。图10为图9的局部放大示意图。请一并参考图1至图10。
阵列化海洋能发电装置100包括框架1、至少四个水轮机3、至少四个发电模组4和至少四个卷帘门式负荷调节模组5。至少四个水轮机3平行设置于框架1内，每个水轮机3的轴线方向A垂直于水平面P。至少四个发电模组4分别与至少四个水轮机3机械连接。
于本实施例中，框架1由钢材料焊接而成，并有减少水流的设计。因此框架1重量轻，结构简单，易于加工制造，安装、调节，且拆换方便，适合工程应用。
于本实施例中，水轮机3包括至少两个圆形轮盘31和多个叶片33。多个叶片33环绕设于圆形轮盘31上。叶片33的数量最少为28片，最多为圆形轮盘31的外圆周长的厘米数的整数。例如圆形轮盘31的外圆周长为98.3或98.8cm，其叶片33数量均可为98片。叶片33为弧形，所有叶片33的一条弧形边的弧长的总和为圆形轮盘外圆周长的0.85-2倍之间。叶片夹角α为叶片弧形边的中点到两个端点的线段构成的夹角（如图5所示），叶片夹角α大于等于100度，且小于等于170度。叶片安装角β为叶片弧形边的最大弦长线与过叶片外端点的圆形轮盘半径线间的夹角（如图6所示），其中叶片安装角β大于等于15度，且小于等于75度。在实施中，叶片安装角β可以选用15、45、60度等。
传统的水轮机是仿照风能的叶轮机制成，然而风力的叶轮机是运用了风能本身较高的启动速度（至少为6m/s），从而利用较少的叶片进行发电。但是海流的速度远低于风速（最理想状态3m/s，通常流速更低），因此传统的水轮机根本无法捕获低流速下的海洋能。传统的水轮机都忽略了现有技术中的这个盲点，存在着技术误区。
当海洋流速较快时，水轮机的叶片数量越少，发电效率越高，水轮机的叶片数量过多，反而阻挡了水流，使其无法流入水轮机内进行有效发电。然而在低海洋流速的工况下，水轮机叶片数量的增加能大大地提高发电效率。换言之，水轮机叶片的数量和海洋流速呈反比关系。
本实施例的水轮机3通过采用至少28片的叶片33和具有特定的叶片夹角α和叶片安装角β，克服了传统技术中水轮机无法在低海洋流速下启动和有效发电的缺陷。采用本实施例的水轮机3的发电装置100的发电效率是传统垂直轴水轮机的发电装置的效率的2倍以上。然而，本发明对水轮机3的种类不作任何限定。于其它实施例中，阵列化海洋能发电装置可以采用普通现有的水轮机。
于本实施例中，由于整个水轮机3较大，圆形轮盘31一共有7个，然而本发明对圆形轮盘31的数量不作任何限定。通过这种设置，有效地减小叶片33的长度（于实际应用中，该长度为叶片33沿垂直于水平面的长度），从而增加叶片33对水流冲击的抵御力。若叶片33沿垂直方向的长度太长，由于水流冲击力巨大，叶片33容易变形甚至从中断裂。然而本发明对圆形轮盘31的具体数量不作任何限定。随着叶片33的长度增加，圆形轮盘31的数量也相应增加。
于本实施例中，水轮机3还包括中心轴32，中心轴32设置于圆形轮盘31的中心，中心轴32的轴线方向垂直于圆形轮盘31的径向方向。中心轴32的轴线方向即为水轮机的轴线方向A。
本发明的水轮机3的数量为四个或四个以上，呈阵列式分布，如此每个水轮机3无需做大，在提高整个发电装置的发电功率的前提下，大幅度降低了水轮机3的制造成本且延长水轮机3的使用寿命，克服了传统技术中只把研发重点放在做大单个水轮发电机规模的技术偏见。图1中绘出了12个水轮机3，然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，阵列化海洋能发电装置可仅具有四个水轮机3。于本实施例中，水轮机3的个数为偶数个，且相邻两个水轮机3呈轴对称设置以使相邻两个水轮机3的转动方向相反。具体而言，多个水轮机3呈并排阵列设置，且相邻两个水轮机3的叶片33的弯曲方向呈轴对称。如图1所示，每两个水轮机3为一组且平行设置，左侧水轮机3的转动方向为顺时针，右侧水轮机3的转动方向为逆时针。通过将相邻水轮机3的转动方向设置为相反，有效地提高水流的聚集和疏散，提升水流速度，从而加快水轮机3的转动以提高发电模组4的发电效率。然而，本发明对水轮机3的数量以及转动方向不作任何限定。
每个发电模组4对应连接一个水轮机3。于本实施例中，每个发电模组4包括变速箱41和发电机42。变速箱41内具有齿轮组（图未示），其中一个齿轮的齿轮轴孔卡合于中心轴32的一端，随着中心轴32的转动，带动该齿轮的转动，然后通过齿轮间的相互啮合，将机械能传给发电机42从而驱使发电机42进行发电。
至少一个卷帘门式负荷调节模组5对应一个水轮机3设置于框架1。卷帘门式负荷调节模组5的数量为至少四个，设置在水轮机3沿水流方向D的上游。于本实施例中，卷帘门式负荷调节模组5的数量为水轮机3数量的两倍，每两个卷帘门式负荷调节模组5对应于一个水轮机3且分别设置于水轮机3沿水流方向D的上游和下游。
卷帘门式负荷调节模组5包括导水单元51、滚筒轴52和驱动器53。导水单元51 包括至少两个并排连接的导水板511。于本实施例中，导水板511的数量为多个。然而，本发明对此不作任何限定。导水板511的数量设置为至少两个，有效地减小每个导水板511沿垂直于水平面P的方向的长度，增加导水板511对水流冲击的抵御力。若导水板511沿垂直方向的长度太长，由于水流冲击力巨大，导水板511容易变形甚至从中断裂。
滚筒轴52固定连接导水单元51 的一端E。驱动器53连接滚筒轴52，驱动器53驱动滚筒轴52转动以展开或收起导水单元51 。于本实施例中，导水板511的截面形状为弧形，即导水板511为弧形板。因此，当滚筒轴52收起导水单元51 时，导水板511更加贴合滚筒轴52以减小所占空间。然而，本发明对此不作任何限定。
于本实施例中，滚筒轴52的轴线方向平行于水平面。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，滚筒轴52可垂直于水平面设置于框架1。本发明对滚筒轴52的设置位置亦不作任何限定。
于本实施例中，卷帘门式负荷调节模组5 还包括至少两条导轨54，两条导轨54位于滚筒轴52的同一侧且平行设置，当滚筒轴52展开导水单元51 ，导水单元51 的另一端F的两侧分别进入两条导轨54中。于本实施例中，一个导水单元51 对应三条导轨54，其中两条设置于导水单元51 的两侧，另一条导轨54设置于导水单元51 的中间。然而，本发明对导轨54的数量不作任何限定。导水单元51 的一端E通过连接滚筒轴52得以固定，导水单元51 的另一端F通过导轨54进行限位。通过将导水单元51 的两端分别进行限位，使得展开后的导水单元51 能充分展开形成“屏障”以阻挡或引导水流。
于本实施例中，卷帘门式负荷调节模组5 还包括至少一根连接轴55和至少两个滚轮56，至少两个导水板511通过连接轴55连接，滚轮56套设于连接轴55的两端，当滚筒轴52展开导水单元51 ，导水单元51 的另一端F的两侧分别进入两条导轨54，两个滚轮56分别在两条导轨54内滑动。于本实施例中，连接轴55的数量比导水板511的数量少一个，每个连接轴55对应三个滚轮56，滚轮56的数量对应于导轨54的数量。然而，本发明对此不作任何限定。
于本实施例中，每个导水板511的两边缘分别具有穿孔且为“凹凸”状，相邻的两个导水板511的边缘可相互配合。连接轴55穿过穿孔以连接导水板511。通过连接轴55连接导水板511，使得每个导水板511可以旋转改变方向。因此，当导水单元51 在收起时，导水板511能绕着滚筒轴52叠在一起，而当导水单元51 展开时，多个导水板511可从整体上来说位于一条直线上，从而形成“屏障”以有效阻挡或引导迎面来的水流。随着滚筒轴52不断展开导水单元51 ，滚轮56沿导轨54从图1中的上方不断往下滚动，从而实现导水单元51 的展开。滚轮56能有效引导导水单元51 的另一端F的两侧进入两条导轨54，从而实现另一端F的有效固定。
于本实施例中，导水板511与水流方向D之间的夹角不为0。通过这种设置，本发明的卷帘门式负荷调节模组5 不仅可以起到阻挡水流的作用，还可以起到引导水流的作用。
具体而言，对于水轮机3来说，水轮机3的叶片33的内凹侧是动力侧，而叶片33的背面，即叶片33的突出侧为阻力侧。当海洋流速较小时，驱动器53驱动滚筒轴52将下游的导水板511全部收起，而上游的导水板511全部展开形成屏障，从而有效阻挡水流流向水轮机3的阻力侧，将上游的水流全部引导入水轮机的动力侧，即将水流导向垂直于水轮机3的叶片的内凹处，增大水流对水轮机3的冲击力，加大了水轮机3的转动，提高了发电机4的发电功率。当海洋流速过大会导致发电功率出现大幅度波动时，驱动器53将驱动滚筒轴52将上游导水板511收起和下游导水板511部分展开，水流得以流入水轮机3的阻力侧，从而有效减缓水轮机3的过快转动以稳定发电功率。
因此，本实施例的阵列化海洋能发电装置300通过设置卷帘门式负荷调节模组5，不仅可以在水流较大时收起上游导水板511，并展开下游部分导水板511阻挡水流来调低水轮机3的输出荷载，还可以在水流较小时展开上游全部导水板511以有效地引导水流流向垂直于水轮机3的叶片33的内凹处的方向，增大水流对水轮机3的冲击力，加大了水轮机3的转动，提高了发电功率。因此，阵列化海洋能发电装置300的发电可平稳输出以及直接使用，解决了传统的海洋能发电装置发电输出功率波动大，稳定性差的问题。
采用本实施例中的水轮机3和卷帘门式负荷调节模组5，阵列化海洋能发电装置100在海洋流速较低时（水流速度<3m/s），捕获潮流的转换率在20%以上，远远高于传统海洋能发电装置不到10%的转换率。并且克服了现有垂直轴水轮机在海洋低流速情况下无力发电的缺点。本发明的阵列化海洋能发电装置克服了传统技术中的盲点，为人类的海洋能开发提供了技术基础，真正实现了海洋能的商业营运。
图11所示为根据本发明第二实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。相同元件都以相同标号进行表示。于本实施例中，框架1、水轮机3、发电模组4、卷帘门式负荷调节模组5的结构和功能，皆如前一实施例所述，在此不再赘述。以下仅就不同之处予以说明。
于本实施例中，阵列化海洋能发电装置200还包括至少一个浮筒平台2，设置于框架1且平行于水平面。浮筒平台2可由固体浮力材料制得，主要作用是给整个阵列化海洋能发电装置200提供浮力，使得位于顶部的发电模组4浮于水平面以上，以延长发电模组4的使用寿命，确保发电模组4的正常发电及其工作效率。于实际应用中，浮筒平台2设置于整个框架1的中上部，位于海平面以下8米左右。
于本实施例中，阵列化海洋能发电装置200还包括至少一个限流板6，设置于框架1。优选地，阵列化海洋能发电装置200包括至少两个限流板6，两个限流板6相对设置于框架1的两侧，限流板6平行于水流方向D且垂直于水平面。具体而言，限流板6位于图11中框架1的左侧和右侧。然而，本发明对此不作任何限定。由于海洋环境较为复杂，水流的主要方向虽为水流方向D及其相反方向，但偶尔会有其他方向的水流进行干扰。通过设置两个限流板6，避免了其它方向水流对水轮机3的干扰，保障了每个水轮机3稳定地朝一个方向进行转动，从而提高发电模组4的发电效率。
于其他实施例中，阵列化海洋能发电装置200可包括三个限流板6，其中两个限流板6相对设置于框架1的两侧（位于图11中框架1的左侧和右侧），另一个限流板6设置于框架1的底部且平行于水平面，三个限流板6均平行于水流方向D。通过设置三个限流板6，结合设于中上部的浮筒平台2，实现对框架1非水流方向的全面包覆，避免了其它方向水流对水轮机3的干扰，保障了每个水轮机3稳定地朝一个方向进行转动，从而提高发电模组4的发电效率。另外，也避免了海面和海底垃圾进入阵列化海洋能发电装置200对水轮机3造成损害。同时，设置三个限流板6可以适当增加框架1的封闭性，能够提高整个阵列化海洋能发电装置一定的浮力。
本发明对限流板6的数量不作任何限定。于其它实施例中，阵列化海洋能发电装置200可仅包括一个平行于浮筒平台2设置于框架1底部的限流板6， 以避免海底垃圾进入阵列化海洋能发电装置200对水轮机3造成损害。并且，本发明对限流板6的设置位置也不作任何限定。于其它实施例中，当框架1包括外框架和内框架时，限流板6既可以设置于外框架的两侧，也可以设置于内框架的两侧。
于本实施例中，阵列化海洋能发电装置200还包括拉环71和拉索72，拉环71设于框架1上，拉索72的一端设于拉环71上。具体而言，多个拉环71设于框架1上，多根拉索72的一端穿设于拉环71上，另一端固定在岸边的桩上。优选地，拉环71的数量为四个以上，其中四个分别设于框架1的四个顶角。通过拉环71和拉索72的设置，使得阵列化海洋能发电装置200能在水中固定，也便于维修检查。
图12所示为根据本发明第三实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。图13为图12的局部放大示意图。图14为图12的主视剖视图。图15所示为本发明第三实施例中栅栏的示意图。请一并参考图12至图15。
相同元件都以相同标号进行表示。于本实施例中，框架1、水轮机3、发电模组4、拉环71和拉索72的结构和功能，皆如第二实施例所述，在此不再赘述。以下仅就不同之处予以说明。
于本实施例中，框架1包括外框架11和至少一个内框架12，至少一个内框架12可分离地设置于外框架11内，至少一个水轮机3设置于一个内框架12内。于本实施例中，内框架12上可设有卡勾，外框架11上可设有卡槽，内框架12通过卡勾和卡槽的相互卡合嵌入到外框架11内。然而，本发明对内框架12与外框架11之间的固定方式不作任何限定。于本实施例中，每四个水轮机3平行设置于一个内框架12内。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，一个内框架12内可只有一个水轮机3。
于实际应用中，可先将水轮机3固定在内框架12内，然后将多个内框架12分别固定在外框架11内，从而实现水轮机3的模块化安装以及阵列式分布。大大简化了安装程序，减少安装时间，降低海洋中安装难度。另外，由于水轮机3长期受到海水的侵蚀和冲击，因此容易损坏要进行维修。传统的海洋能发电装置将需要在海里维修水轮机。这样维修非常困难且费用庞大。然而，本发明的阵列化海洋能发电装置300可直接将内框架12和水轮机3组成的模块从海中取出进行维修或更换，实现海洋能发电装置300的快速更换和维修，大大降低了维修成本，使得阵列化海洋能发电装置300的商业化得以实现。
于本实施例中，阵列化海洋能发电装置300还包括至少两个浮筒单元8，设置于框架1的两侧，每个浮筒单元8平行于水流方向D且垂直于水平面P。于本实施例中，每个浮筒单元8包括固定浮筒81和调节浮筒82。固定浮筒81提供的浮力是固定的。调节浮筒82可通过控制内部的空气量或水量从而控制调节浮筒82的浮力，从而影响整个阵列化海洋能发电装置300在水中位置的深度。
于本实施例中，调节浮筒82平行于固定浮筒81，当阵列化海洋能发电装置300使用时，调节浮筒82相较于固定浮筒81位于外框架11远离水平面P的一端。具体而言，如图14所示，调节浮筒82设置于固定浮筒81的下方，且调节浮筒82和固定浮筒81沿同一条直线上分布。由于调节浮筒82的浮力是可调节的，通过将调节浮筒82设置在下方而非上方，可有效且迅速的对整个阵列化海洋能发电装置300在水中位置的深度进行调节，使得整个阵列化海洋能发电装置300的安装和维修更加方便。
于本实施例中，内框架12的数量为三个，浮筒单元8的数量为四个，其中两个浮筒单元8设置于外框架11的左右两侧，另外两个浮筒单元8设置于相邻两个内框架12之间。于实际应用中，浮筒单元8的数量比内框架12的数量多一个，以使得每个内框架12的两侧都可设置有浮筒单元8。这样的设置使得外框架11不光两侧具有浮筒单元8，外框架11中间也具有浮筒单元8。因此，整个阵列化海洋能发电装置300受到的浮力分配将更加均匀，从而使得阵列化海洋能发电装置300在水中的位置更加稳定。
于本实施例中，阵列化海洋能发电装置300还包括至少两个栅栏111，两个栅栏111相对设置于外框架11的两侧，两个栅栏111垂直于水流方向D且垂直于水平面P。于本实施例中，两个栅栏111固定于内框架12和外框架11之间。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，栅栏111可设置于外框架11之外且位于外框架11的上下游。通过设置栅栏111，可有效地避免海底垃圾卷入水轮机3，从而实现对水轮机3的保护，延长水轮机3的使用寿命。如图15所示，栅栏111具有格子型纹路。然而，本发明对此不作任何限定。图16所示为根据本发明第四实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。图17为图16的主视剖视图。图18为图16的侧视剖视图。请一并参考图16至图18。于本实施例中，框架1、水轮机3、发电模组4、卷帘门式负荷调节模组5的结构和功能，皆如第三实施例所述，相同元件以相同标号进行表示，在此不再赘述。以下仅就不同之处予以说明。
于本实施例中，阵列化海洋能发电装置400还包括固定装置9，固定装置9包括基座91、固定单元92和多个锚桩93。基座91具有固定槽912。框架1通过固定单元92固定于基座91的固定槽912中。至少一个锚桩93穿设基座91且插入海底20固定。
于本实施例中，基座91为钢筋混凝土基座，还具有多个固定空间911，固定空间911的横截面积（平行于水平面的横截面）大于每个锚桩93沿周向的横截面积，混凝土浇筑且填充于固定空间911与锚桩93之间的间隙。于实际应用中，基座91先预制形成钢筋混凝土框架，然后垂入海中，之后将锚桩93每个穿过固定空间911打入海底20，最后将混凝土二次浇筑入固定空间911以固定锚桩93。通过设置多个非常大横截面积的固定空间911，使得基座91为具有很多“空格”或“空洞”的框架。因此，基座91的重量能够大大降低，便于基座91垂入海中从而利于安装。
于本实施例中，固定槽912的轴线方向平行于水平面且垂直于水流方向。于本实施例中，固定槽912为长方体凹槽，且设置于基座91的顶部。固定槽912的槽底低于基座91的上表面。于本实施例中，固定槽912的宽度可略大于框架1的宽度以正好放置框架1。通过在基座91的表面设置固定槽912，固定了阵列化海洋能发电装置400的位置，克服了传统技术中因潮流会对发电装置产生巨大冲击力使得发电装置容易歪斜的问题。因此，本发明的阵列化海洋能发电装置400能一直保持正对潮流从而确保最大的利用潮流能以提高发电效率。
于实际应用中，为减少基座91的重量和体积，基座91分为可分离的三个部分。固定单元92包括多个锁链921和多个吊环922，一部分吊环922固定于两个未固定框架1的基座91上，另一部分吊环922固定于框架1上，每个锁链921的两端分别连接基座91上的吊环922和框架1上的吊环922。于本实施例中，锁链921和吊环922于框架1的两侧为对称设置，框架1能受到两侧的拉力从而保持固定。因此，无论是涨潮还是退潮，框架1均能保持稳定从而使得整个阵列化海洋能发电装置400正对潮流的冲击以提高发电效率。于具体应用中，锁链921可为拉索或刚性拉杆。
于本实施例中，固定装置9还包括引导架94。于实际应用中，基座91是先垂入海底20，之后将框架1置入基座91的固定槽912中。引导架94垂直于水平面的一边能引导框架1正确进入到固定槽912内。引导架94的顶端露出于水平面以上，引导架94还能便于安装人员观察基座91是否放置水平。
图19所示为根据本发明第五实施例提供的阵列化海洋能发电装置的侧视剖视图。于第五实施例中，于本实施例中，框架1、水轮机3、发电模组4的结构和功能，皆如第四实施例所述，在此不再赘述。相同元件以相同标号进行表述。以下仅就不同之处予以说明。
于本实施例中，固定装置9’包括基座91、固定单元92’和多个锚桩93。固定单元92’为桁架，桁架的一边嵌入于基座91中，另一边沿框架1的高度方向H延伸。优选地，桁架为桁架钢座。于本实施例中，桁架的横截面为直角三角形，桁架的一个直角边通过混凝土浇筑固定于基座91，另一个直角边平行于框架1的高度方向H。三角形的结构最为稳定。于本实施例中，固定单元92’分别对称地设置于框架1的两侧，从而使得框架1在两个方向上都得到可靠的固定。因此，无论是涨潮还是退潮，框架1均能保持稳定从而使得整个阵列化海洋能发电装置能正对潮流的冲击以提高发电效率。本发明对桁架沿高度方向H的直角边的长度不作任何限定。
图20所示为根据本发明第六实施例提供的阵列化海洋能发电装置的侧视剖视图。第六实施例和第五实施例的差别仅在于第六实施例中的固定装置9’’为混凝土块。于本实施例中，混凝土块的高度大于阵列化海洋能发电装置的框架1的高度的二分之一。然而，本发明对混凝土块的高度不作任何限定。
第四实施例至第六实施例中的固定装置能有效牢固地将阵列化海洋能发电装置整个固定在海底，并且使得阵列化海洋能发电装置尽可能地正对水流方向，从而提高发电效率。克服了现有技术中单桩基的成本巨大，或漂浮锚定技术，无法将海洋能发电装置大型化的问题。本实施例的固定装置便于安装，降低了固定海洋能发电装置的成本。
综上所述，本发明提供的阵列化海洋能发电装置能有效地利用海洋能进行发电。设备简单，易于维护，且能有效地投入大规模生产。本发明采用至少四个呈阵列式分布的水轮机。通过这种阵列化设置，每个水轮机无需太大，在提高发电功率的前提下，有效地降低了水轮机的制造成本且延长水轮机的使用寿命。本发明的卷帘门式负荷调节模组不仅能提高水轮机在低水流速度下承受的负荷，还可以降低水轮机在高水流速度下的输出荷载。因此，阵列化海洋能发电装置的发电可平稳输出以及直接使用，解决了传统发电装置的发电输出功率波动大，稳定性差的问题。
优选地，在水轮机的上游和下游都设置卷帘门式负荷调节模组，这样即便潮流改变方向（譬如涨潮和落潮），卷帘门式负荷调节模组均可以有效地对水流进行导向和阻挡。
并且，通过设置限流板，在保护水轮机不受海里垃圾损害的同时，也避免了其它方向水流对水轮机的干扰，从而提高发电模组的发电效率。本发明提供的阵列化海洋能发电装置通过在上下游设置至少两个栅栏，保护设置其内的水轮机不受海底垃圾的损害，延长水轮机的使用寿命。另外，在实际组装本发明的阵列化海洋能发电装置时，可先将水轮机固定在内框架内，然后将多个内框架分别固定在外框架内，从而实现模块化安装和维修，大大简化了安装维修程序，降低海洋中安装维修难度，大幅度降低安装维修的成本。
本发明的阵列化海洋能发电装置可以通过设置提供浮筒平台或浮筒单元进行漂浮式固定，也可以通过固定装置固定在海床。再者，通过设置拉环和拉索，使得阵列化海洋能发电装置能在水中有效固定，便于维修检查。
根据所有文献记载和实际实施表明，现有的垂直轴水轮机，在海洋低流速（水流速度3m/s以下）时无力发电。其捕获潮流的转换率不超过10%，所以海洋能在全世界内无法商业化开发。而本发明的水轮机通过采用至少28片的叶片和特定角度的设置，在海洋流速为3m/s以下的低流速时，捕获潮流的转换率在20%以上，克服了传统技术中的盲点，为人类的海洋能开发提供了技术基础。实验数据表明，采用该水轮机的发电装置效率是传统垂直轴发电装置效率的2倍以上。
同时，通过将水轮机数量设为偶数个，且相邻两个水轮机呈轴对称设置以有效地提高水流的聚集和疏散，提升水流速度，从而加快水轮机的转动以提高发电模组的发电功率。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (11)

1.一种阵列化海洋能发电装置，其特征在于，包括：
框架；
至少四个水轮机，平行设置于所述框架内，每个水轮机的轴线方向垂直于水平面；
至少四个发电模组，分别与所述至少四个水轮机机械连接；以及
至少四个卷帘门式负荷调节模组，设置于所述框架，每个卷帘门式负荷调节模组包括：
导水单元，包括至少两个并排连接的导水板；
滚筒轴，固定连接所述导水单元的一端；以及
驱动器，连接所述滚筒轴，所述驱动器驱动所述滚筒轴转动以展开或收起所述导水单元以根据水流大小调节发电模组的负荷。
2.根据权利要求1 所述的阵列化海洋能发电装置，其特征在于，所述卷帘门式负荷调节模组的数量为水轮机的数量的两倍，每两个卷帘门式负荷调节模组对应于一个水轮机分别设置于所述水轮机沿水流方向的上游和下游。
3.根据权利要求1 所述的阵列化海洋能发电装置，其特征在于，所述阵列化海洋能发电装置还包括至少一个限流板，设置于所述框架。
4.根据权利要求1 所述的阵列化海洋能发电装置，其特征在于，所述阵列化海洋能发电装置还包括至少两个栅栏，相对设置于所述框架的两侧，所述至少两个栅栏分别位于水轮机沿水流方向的上游和下游。
5.根据权利要求1 所述的阵列化海洋能发电装置，其特征在于，所述框架包括外框架和至少一个内框架，至少一个内框架可分离地设置于一个外框架内，至少一个水轮机设置于一个内框架内。
6.根据权利要求1 所述的阵列化海洋能发电装置，其特征在于，所述阵列化海洋能发电装置还包括至少一个浮筒平台，设置于所述框架且平行于水平面。
7.根据权利要求1 所述的阵列化海洋能发电装置，其特征在于，所述阵列化海洋能发电装置还包括至少两个浮筒单元，设置于所述框架的两侧，每个浮筒单元平行于水流方向且垂直于水平面。
8.根据权利要求1 所述的阵列化海洋能发电装置，其特征在于，所述阵列化海洋能发电装置还包括固定装置，所述固定装置包括：
基座，具有固定槽；
固定单元，所述框架通过固定单元固定于基座的固定槽中；以及
多个锚桩，至少一个锚桩穿设所述基座且插入海底固定。
9.根据权利要求1 所述的阵列化海洋能发电装置，其特征在于，所述阵列化海洋能发电装置还包括拉环和拉索，所述拉环设于框架上，所述拉索的一端设于拉环上。
10.根据权利要求1 所述的阵列化海洋能发电装置，其特征在于，所述水轮机包括：
至少两个圆形轮盘；以及
多个叶片，环绕设于圆形轮盘上，叶片数量最少为28 片，最多为圆形轮盘外圆周长的厘米数的整数，所述叶片为弧形，所有叶片的一条弧形边的弧长的总和为圆形轮盘外圆周长的0.85-2 倍之间，叶片弧形边的中点到两个端点的线段夹角构成叶片夹角，所述叶片夹角在100-170 度之间，叶片弧形边的最大弦长线与过叶片外端点的圆形轮盘半径线的夹角为叶片安装角，所述叶片安装角在15-75 度之间。
11.根据权利要求1 或10 所述的阵列化海洋能发电装置，其特征在于，所述水轮机的数量为偶数个，且相邻两个水轮机呈轴对称设置以使相邻两个水轮机的转动方向相反。
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