CN104806435A - 垂直轴波浪能发电装置 - Google Patents

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许昌
韩星星
陈丹丹
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Abstract

本发明公开了一种垂直轴波浪能发电装置，包括旋转轴、发电机、导流装置、内部腔体、叶片；导流装置具有导流加速作用，能够接受不同入流方向的波浪；内部腔体设置在导流装置的下方，接纳导流装置出来的水流；旋转轴与发电机中心转轴固定连接，叶片沿圆周方向固定于旋转轴上，叶片位于内部腔体中，并可在水流的作用下沿旋转轴为中心单向旋转，将不同入流方向的水流转变为单一方向水流，带动旋转轴旋转使发电机工作。特殊的导流装置使得装置在海上布置与入射波方向无关；叶片带动旋转轴的旋转，直接驱动发电机发电，能够有效地提高了波浪能的转换效率，同时满足电能输出的连续稳定，节省大量的工程造价；S型尾水管可以提高发电效率。

Description

垂直轴波浪能发电装置
技术领域
本发明涉及一种海洋波浪能发电装置，具体涉及利用不同来流方向的波浪能转化为单一方向的动能，并直接进行发电的垂直轴波浪能发电机。
背景技术
随着现代社会的进步和经济的发展，人类对能源的需求与日俱增，但是常规能源的开发已经逐渐难以满足需求，而且传统化石能源的大量利用，导致了环境污染以及能源的紧缺，这些严峻的问题迫使人们寻找新的可替代能源形式。海洋能是储量巨大的可再生能源，也是尚未充分开发利用的能源之一，其开发利用是当前科学研究的热点。波浪能具有储量巨大、清洁环保、分布广泛、开发受地区差异影响小等优点，是海洋能开发利用的焦点。
目前新能源方向主要是核能、风能和太阳能，波浪能发电的开发应用将会是另一个重要方向。波浪能发电是一种在复杂海况下获取能量的技术，对海洋环境的适应能力和生存能力有很高的要求。波浪能发电技术难点主要有：能量吸收的高效性、能量转换的稳定性、对不同方向的波浪利用的连续性、装置运行的可靠性以及恶劣环境下的生存能力等关键技术。
目前，随着研究者对波浪能发电技术的不断研究和应用，各种波浪发电装置不断涌现。从波浪能所采用的转换原理上看大致可分为聚波蓄能式、空气式( 振荡水柱式) 和摆式等三种。虽然研究者对波浪能发电装置的研究很多，也研制了不少试验发电装置，但是现有的波浪发电装置发电效率低，也不利于波浪能的规模化采集和利用，传动设备暴露在不稳定的波浪当中容易遭受破坏。如何将分散的、低密度的、不稳定的波浪能转换为高效、稳定、连续的电能，并且可以使波浪发电装置承受较大的灾害性海况的破坏，实现装置安全运行。这是波浪能今后研究发展的主要难点。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种垂直轴波浪能发电装置，可以产业化利用，能够将方向随机的波浪能转化为单一方向能量，并转化为电能。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种垂直轴波浪能发电装置，其特征在于，包括旋转轴、发电机、导流装置、内部腔体、叶片；
导流装置具有导流加速作用，能够接受不同入流方向的波浪；
内部腔体设置在导流装置的下方，接纳导流装置出来的水流；
旋转轴与发电机中心转轴固定连接，叶片沿圆周方向固定于旋转轴上，叶片位于内部腔体中，并可在水流的作用下沿旋转轴为中心单向旋转，将不同入流方向的水流转变为单一方向水流，带动旋转轴旋转使发电机工作。
所述导流装置为中心带孔的多边形腔体结构，并通过隔板分仓将腔体均匀分为多个方向的导流腔体，每一导流腔体呈梯形腔体结构，梯形腔体下底面开口为腔体入口，梯形腔体上底面设置为可单向朝内部腔体打开的单向阀门，其余四周均为密闭固定结构。
作为优选方案，所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：还包括活动铰链，单向阀门通过活动铰链与导流腔体上表面铰接。
所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：还包括浮筒，所述浮筒固定设置在波浪能发电装置的底部，用于保证整个波浪能发电装置的平衡且漂浮在海面上。
作为优选方案，所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：所述浮筒为圆环柱状结构，套设在内部腔体外且紧挨导流装置下表面。
所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：还包括活动绳索，通过活动绳索将波浪能发电装置与海底固定平台连接，固定装置的位置，且能根据潮位自动调节整个装置的垂直位置，保证装置吃水深度不变。
作为优选方案，所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：还包括固定平台，所述固定平台设置在发电机与导流装置之间，发电机通过固定平台固定。
作为优选方案，所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：还包括与内部腔体的出流口相连通的尾水管，所述尾水管为S形结构，且尾水管的出水口水平向下，用于防止水流受波浪影响从出水口反向进入内部腔体。
有益效果：本发明提供的一种垂直轴波浪能发电装置，在海上布置与入射波方向无关；叶片带动旋转轴的旋转，直接驱动发电机发电，能够有效地提高了波浪能的转换效率，同时满足电能输出的连续稳定，节省大量的工程造价；采用漂浮示布置的结构形式还可以实现波浪发电装置的深海工作，增加了本装置的工作空间；同时装置可以陆上制作组装，拖运到规定海域安装，减少了施工时间，降低造价，装置的叶片和主轴安置在内部腔体中，提高装置的工作安全性和设备的寿命，维护方便、可靠性较高。
附图说明
图1和图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明中导流装置的示意图；
图4为本发明中发电机与旋转轴和叶片的示意图；
图中：旋转轴1、发电机2、固定平台3、导流腔体4、隔板5、腔体入口6、活动铰链7、单向阀门8、内部腔体9、浮筒10、叶片11、活动绳索12、海床固定平台13、尾水管14、出水口15。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1至图4所示，一种垂直轴波浪能发电装置，包括旋转轴1、发电机2、固定平台3、导流腔体4、隔板5、腔体入口6、活动铰链7、单向阀门8、内部腔体9、浮筒10、叶片11、活动绳索12、海床固定平台13、尾水管14、出水口15；
具有导流加速作用的导流装置，并且能够接受不同入流方向的波浪；导流装置为中心带孔的多边形腔体结构，并通过隔板5分仓将腔体均匀分为八个方向的导流腔体4，每一导流腔体4呈梯形腔体结构，梯形腔体下底面开口为腔体入口6，梯形腔体上底面设置为可单向朝内部腔体9打开的单向阀门8，其余四周均为密闭固定结构。
具有将不同入流方向的水流转变为单一方向水流的内部腔体9，而且能够保护叶片11和旋转轴1；
能够单向旋转的叶片11，叶片11沿圆周方向固定于旋转轴1上，旋转轴1与发电机2中心转轴直接固定连接；
柱状圆形的浮筒10，平衡重力装置的重力，保证装置漂浮在海面上，同时保证了整个波浪能发电装置的平衡；
防止水流从出水口反向进入内部腔体的S形尾水管14，提高波浪能利用效率。
内部腔体9设置在导流装置的下方，接纳导流装置出来的水流；
旋转轴1与发电机2中心转轴固定连接，叶片11沿圆周方向固定于旋转轴1上，叶片11位于内部腔体9中，并可在水流的作用下沿旋转轴1为中心单向旋转，将不同入流方向的水流转变为单一方向水流，带动旋转轴1旋转使发电机2工作。
本发明的具体实施过程如下：
1.波浪从腔体入口6冲入导流腔体4，水流在导流腔体4中不断加速，到达单向阀门8处，在水流的推力作用下，单向阀门8自动打开，水流沿着阀门8向下冲进内部腔体9，其余方向的阀门在内部腔体9内的水压作用下处于关闭状态；进入内部腔体9的水流沿着内部腔体9向下流动，当水流通过叶片11时，把机械能传递给叶片11，叶片11转动带旋转轴1转动，旋转轴1带动发电机2的转子转动，发电机2将机械能转化为电能，发电机通过发电机与导流腔体之间的固定平台3固定；通过叶片11的水流，进入尾水管14，最终从出水口15流出，见图1和图2。
2.导流腔体4通过隔板5分仓，将腔体均匀分为8个方向的导流腔体4，腔体呈梯形，导流腔体除了腔体入口6敞开，以及单向阀门8外，其余四周均为密闭固定结构，8个导流腔体4相对应的可以接受不同入流方向的波浪，单向阀门8通过活动铰链7与导流腔体4上表面连接，单向阀门8只能单向打开（朝向内部腔体9打开）。波浪进入腔体入口6后，在梯形导流腔体4中不断加速，推开单向阀门8向下冲进内部腔体9，其余方向的单向阀门在内部腔体9内的水压作用下处于关闭状态 ，见图3；
3.内部腔体9的设计避免了叶片11和旋转轴1在复杂多变的波浪下运行，同时不同入流方向的波浪从单向阀门8进入内部腔体9，在内部腔体9中形成单一方向（垂直向下）流动的水流，水流再将机械能传递给叶片；
4．转轮叶片11沿圆周方向固定于旋转轴上，旋转轴与发电机中心转轴直接固定连接，由于受翼型扭角分布的影响，只能单向旋转，保护叶轮同时提高了转换效率。水流通过叶片时，将机械能传递给叶片，这是由于叶片翼型影响，水流流过时，叶片压力面与吸力面产生压力差，此时叶片11逆时针旋转（从上往下看），转动的叶片11带动旋转轴1转动，旋转轴1带动发电机2的转子转动，发电机2将机械能转化为电能，见图4；
5．整个发电装置通过浮筒10平衡重力，保证装置漂浮在海面上，导流腔体4上表面露在空气中，上表面以下的腔体入口6基本浸没在水中。浮筒10是柱状圆形的，产生的浮力均匀作用在导流腔体4的下表面，保证了整个装置的平衡；
6．S形尾水管14，出水口15水平向下开口，可以防止出水口15受波浪影响，减少波浪反向进入腔体的影响，提高波浪能的利用效率。如果尾水管14出口高度进一步提高，尾水管14右侧最高点管道上方处于空气当中，管道下方与海水保持较少接触，利用连通器原理排水，出水口15受波浪的影响几乎可以降低到零。
7.活动绳索12将发电装置与海底固定平台13连接，用于固定装置的位置，当海水潮位变化时，通过活动绳索12与海底固定平台13之间的夹角自动变化，保持发电装置的吃水深度不变。保证了设备的安全性与稳定性。
本垂直轴波浪发电机在海上布置与入射波方向无关；叶片带动旋转轴的旋转，直接驱动发电机发电，能够有效地提高了波浪能的转换效率，同时满足电能输出的连续稳定，节省大量的工程造价。
本波浪能发电装置采用漂浮示布置的结构形式还可以实现波浪发电装置的深海工作，增加了本装置的工作空间；同时装置可以陆上制作组装，拖运到规定海域安装，减少了施工时间，降低造价，装置的叶片和旋转轴安置在内部腔体9中，提高装置的工作安全性和设备的寿命，维护方便、可靠性较高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种垂直轴波浪能发电装置，其特征在于，包括旋转轴、发电机、导流装置、内部腔体、叶片；
导流装置具有导流加速作用，能够接受不同入流方向的波浪；
内部腔体设置在导流装置的下方，接纳导流装置出来的水流；
旋转轴与发电机中心转轴固定连接，叶片沿圆周方向固定于旋转轴上，叶片位于内部腔体中，并可在水流的作用下沿旋转轴为中心单向旋转，将不同入流方向的水流转变为单一方向水流，带动旋转轴旋转使发电机工作。
2.根据权利要求1所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：所述导流装置为中心带孔的多边形腔体结构，并通过隔板分仓将腔体均匀分为多个方向的导流腔体，每一导流腔体呈梯形腔体结构，梯形腔体下底面开口为腔体入口，梯形腔体上底面设置为可单向朝内部腔体打开的单向阀门，其余四周均为密闭固定结构。
3.根据权利要求2所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：还包括活动铰链，单向阀门通过活动铰链与导流腔体上表面铰接。
4.根据权利要求1所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：还包括浮筒，所述浮筒固定设置在波浪能发电装置的底部，用于保证整个波浪能发电装置的平衡且漂浮在海面上。
5.根据权利要求4所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：所述浮筒为圆环柱状结构，套设在内部腔体外且紧挨导流装置下表面。
6.根据权利要求1所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：还包括活动绳索，通过活动绳索将波浪能发电装置与海底固定平台连接，固定装置的位置。
7.根据权利要求1所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：还包括固定平台，所述固定平台设置在发电机与导流装置之间，发电机通过固定平台固定。
8.根据权利要求1-7任一项所述的垂直轴波浪能发电装置，其特征在于：还包括与内部腔体的出流口相连通的尾水管，所述尾水管为S形结构，且尾水管的出水口水平向下，用于防止水流受波浪影响从出水口反向进入内部腔体。
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