CN104929857A - 海底潮汐能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底潮汐能发电装置，装置中的旋转体经轴承和支撑轴与底座相连接，旋转体内设有安装涡轮发电系统的腔室，旋转体的迎流面上设有腔室内相连通的进流通道，旋转体的上端面设有出流通道，涡轮经支架设在进流通道内，出流通道的出流口处设有中空的鳍状翼，鳍状翼的横截面呈抛物线状，纵截面呈鲨鱼鳍状，正面为封闭的迎流面，背面为开口的低压面，鳍状翼内设有导流板，导流板将鳍状翼内至少分隔成两个独立的与腔室相连通的出流通道，旋转体的迎流面与鳍状翼的迎流面方向一致，该装置不仅可以使涡轮的方向始终迎向洋流的方向，而且通过添加鳍状翼，提高了涡轮前后压差，进而提高了发电效率，使本装置可以广泛适用于各种洋流情况。

Description

海底潮汐能发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，特别涉及一种利用海底潮汐能发电的装置。

背景技术

近年来，矿物燃料所排放的温室气体对气候造成的负面影响日益凸显，人们为此开始积极开发各种可再生能源，如风能、太阳能和各种海洋能。在风能和太阳能的利用方面，人类已经取得了不少成果，但在对海浪、洋流和潮汐等海洋能的利用方面，受制于成本和技术因素，一直未能取得突破性进展。我国毗邻西北太平洋，海域面积广阔，其中蕴藏着巨大的可再生绿色能源，开发海洋区域的新能源，可以有效的解决我国面临的严峻的能源危机和环境问题，对我国的经济社会可持续发展具有重大的意义。

目前利用海洋潮汐能发电主要存在两种形式，其一，利用势能发电，在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存；在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。其二，利用海底洋流的动能发电，海洋在月亮万有引力作用下，产生潮涨潮退，加上风力等作用下产生的波浪会在海底引发巨大的洋流，利用这种现象，我们可以在海底安装涡轮发电机，利用洋流牵动涡轮旋转，带动发电机发电。这其中，利用海底的潮汐能发电时，发电装置深藏海底，运作安静，不会干扰海洋生物；而且海洋潮汐能变化规律，在日照缺乏的地区，海洋能量比太阳能和风能都稳定。

目前，在挪威北极圈附近的哈默弗斯特地区，以及苏格兰地区都建有海底潮汐电场，使用水下涡轮机利用潮汐能量发电，供给家庭和企业使用。由于海底潮汐能发电尚处于萌芽阶段，利用海底洋流发电的装置发展尚不成熟，海底潮汐发电大都选在水流湍急的地区，以适应发电的需要。当洋流较大时发电机支撑轴的转速也随之增大带来较好的发电效果，当洋流较小时，发电效果也随之受到影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术的不足，提供一种海底潮汐能发电装置，该装置不仅可以使涡轮的朝向随洋流的流动方向发生改变，而且通过添加鳍状翼，提高了涡轮前后压差，进而提高了发电效率，使本装置可以适应不同海域，以及同一海域不同时间的洋流情况。

为了达到上述技术目的本发明采用如下方案：

一种海底潮汐能发电装置，包括：旋转体、底座和涡轮发电系统，旋转体经轴承和支撑轴与底座相连接，所述的旋转体内设有安装涡轮发电系统的腔室，旋转体的迎流面上设有与腔室内相连通的进流通道，旋转体的上端面设有与腔室内相连通的出流通道，涡轮发电系统中的涡轮经支架设在进流通道内，旋转体上端面出流通道的出流口设有中空的鳍状翼，鳍状翼的横截面呈抛物线状，鳍状翼的纵截面呈鲨鱼鳍状，鳍状翼的正面为封闭的迎流面，鳍状翼的背面为开口的低压面，鳍状翼内设有导流板，导流板将鳍状翼内至少分隔成两个独立的与腔室相连通的出流通道，所述旋转体的迎流面与所述鳍状翼的迎流面方向一致。

本发明将涡轮发电系统安装在旋转体迎流面的进流通道内，并在旋转体顶部加装了直立的鳍状翼，由于鳍状翼和旋转体迎流面方向一致，因此，当海底洋流方向发生改变时，鳍状翼可以自动调节旋转体的角度，使旋转体的进流口始终迎向洋流流来的方向从而获得最大的海底潮汐能。同时，由于鳍状翼的横截面呈抛物线状，纵截面呈鲨鱼鳍状，且内部中空，这样就会在迎流面和背流面形成压差，使背流面处于低压环境中，提高涡轮前后的压差，再加上导流板对出流口处洋流的引导的作用，在同样的环境中，涡轮叶片受到海底洋流的推动作用会更强，转速更高。同时，还可以通过调整鳍状翼的大小来进一步控制涡轮前后压差，进而调整涡轮功率。

本发明进一步，将旋转体设计成柱状结构，且旋转体的迎流面为弧面，这种设计可以减轻迎流面的水流阻力，分散洋流带来的水流压力。

为了增强导流板的作用，上述技术方案，进一步将导流板纵向弯曲，且弯曲方向与鳍状翼鲨鱼鳍状的纵截面弯曲方向一致。

上述技术方案将中导流板在纵向弯曲的基础上，进一步对导流板进行横向弯曲，且弯曲方向与鳍状翼抛物线状的横截面弯曲方向一致。

本发明中鳍状翼数量最优为3个，各鳍状翼的迎流面方向一致并与旋转体的迎流面方向相同。

本发明为了增强装置安装在海底的稳定性，使用的底座由立柱、支撑臂和支脚组成，所述旋转体经轴承和支撑轴与立柱的顶端相连接，立柱的底端均布着3个水平的支撑臂，支撑臂之间的夹角为120度，支撑臂的末端分别设有支脚。三个水平的支撑臂向外延伸，使整个装置安装时跨度更大，更加稳定。

本发明进一步，在立柱与3个水平的支撑臂之间分别设有定位杆，立柱、支撑臂和定位杆所在的边形成直角三角形的结构，定位杆的添加可以稳定立柱的位置，防止装置偏斜。

在上述技术方案中进一步，还设有控制系统，所述控制系统由流向传感器、流速传感器、微处理器和控制器组成，流向传感器和流速传感器分别经缆线与微处理器相连接，微处理器与控制器经缆线相连接，控制器与支撑轴相连接。目前海洋潮汐能发电技术主要存在的问题是：涡轮输入轴与发动机的驱动轴直接相连，在海底洋流的作用下，叶片转动带动发电机发电，当洋流较大时，一是容易对涡轮的叶片造成较大的冲击；二是叶片转动过快带动发动机转子转速过快，使发电机产生线圈过热、机械损伤、过流过压等现象。因此，在本装置上增加了控制系统，控制系统内的流向传感器和流速传感器，可以随时检测洋流的流向与流速，一旦洋流速度超过预警值，微处理器接收到流速信号，会迅速根据流向传感器传来的流向信号，对控制器发出命令，此时，控制器可以通过对支撑轴角度的控制，强制性的改变旋转体迎流面的方位，避免直接正对洋流而造成的机械损伤。

本发明的有益效果在于：1.涡轮大小可以调节，通过使用较小的涡轮，提高转速，直驱发电机，提高发电效率，降低发电机成本。2.鳍状翼不仅帮助调节旋转体的角度使涡轮叶片总是正对洋流流来的方向，而且可以在背流面形成低压环境，提高涡轮前后压差，在同样的环境中，涡轮叶片受到海底洋流的推动作用会更强，转速更高。3.通过调整鳍状翼的大小可以控制涡轮前后压差，进而对涡轮的功率进行调整。4.本装置增加控制器，可以根据海底洋流的流速与方向，即时调整旋转体的角度，避免洋流过大时涡轮正对洋流而造成的机械损伤。

附图说明

图1是本发明迎流面结构示意图。

图2是本发明背流面的结构示意图。

图3是本发明旋转体腔室的内部结构示意图。

图4是本发明鳍状翼纵截面的示意图。

图5是本发明控制系统的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1、图2、图3和图4所示的一种海底潮汐能发电装置，包括：旋转体1、底座和涡轮发电系统3，使用的底座由立柱2a、支撑臂2b和支脚2c组成，旋转体1经轴承和支撑轴8与立柱2a的顶端相连接，立柱2a的底端均布着3个水平的支撑臂2b，支撑臂3b之间的夹角为120度，支撑臂2b的末端分别设有支脚2c。三个水平的支撑臂向外延伸，使整个装置安装时跨度更大，更加稳定。在立柱2a与3个水平的支撑臂2b之间分别设有定位杆2d，立柱2a、支撑臂2b和定位杆2d所在的边形成直角三角形的结构，定位杆的添加可以稳定立柱的位置，防止装置偏斜。

旋转体1内设有安装涡轮发电系统3的腔室，旋转体1为柱状结构，且旋转体的迎流面为弧面。如图1、图2所示在本实施例中，更优地将旋转体迎流面两端的侧壁对称的设计成水平的断面结构，这种设计可以减轻迎流面的水流阻力，分散洋流带来的水流压力。旋转体1的迎流面上设有与腔室内相连通的进流通道4，如图3所示，所述的进流通道4呈喇叭状结构，进口细、出口粗，有利于水流的流动，旋转体1的上端面设有与腔室内相连通出流通道5，涡轮发电系统3中的涡轮经支架10设在进流通道内，涡轮叶片3a正对进流口迎向洋流的方向，旋转体1上端的出流通道5的出流口设有中空的鳍状翼6，鳍状翼6的数量最优为3个，鳍状翼6的横截面呈抛物线状，鳍状翼6的纵截面为鲨鱼鳍状，鳍状翼6的正面为封闭的迎流面，鳍状翼6的背面为开口的低压面，各个鳍状翼6的迎流面方向一致并与旋转体1的迎流面方向相同。鳍状翼6内有导流板7，导流板7将鳍状翼6内至少分隔成两个独立的与腔室相连通的出流通道，如图4所示导流板7纵向弯曲，且弯曲方向与鳍状翼6鲨鱼鳍状的纵截面弯曲方向一致；导流板7在纵向弯曲的基础上，还可以进行横向弯曲，且弯曲方向与鳍状翼6抛物线状的横截面弯曲方向一致。导流板的弯曲是为了起到更好的引流效果，增强涡轮的功率。在本实施例的技术方案中，涡轮发电系统置于密封壳体中，密封方法与本领域常用方法相同，不赘述。

本装置在底座上还设有控制系统9，控制系统由流向传感器、流速传感器、微处理器和控制器组成，如图5所示是本装置控制系统流程示意图，流向传感器和流速传感器分别经缆线与微处理器相连接，微处理器与控制器经缆线相连接，控制器与支撑轴相连接。流速传感器和流向传感器得到海底洋流的数据后，发送给微处理器，经过微处理器的分析处理后将命令发送给控制器，由于控制器直接和支撑轴相连，因而可以控制支撑轴的旋转角度，进而控制旋转体迎流面的朝向。

将本发明经底座定位在海底后，由于鳍状翼6和旋转体1迎流面方向一致，在海底根据洋流方向的不同，鳍状翼6可以自动调节旋转体的角度，使旋转体1的进流口始终迎向洋流流来的方向，此时安装在旋转体迎流面的进流通道4处的涡轮发电系统3的涡轮在洋流的作用下开始转动，涡轮的转动带动发电机的转动，涡轮发电系统开始发电。在洋流运动的过程中，鳍状翼6可以在背流面形成低压环境，提高涡轮前后压差，再加上导流板的作用，在同样的环境中，涡轮叶片受到海底洋流的推动作用会更强，转速更高。此外，控制装置9在整个过程中都会持续监测海底洋流的流速和流向，一旦微处理器经分析认为海底洋流的流速会对涡轮发电系统造成损伤，会迅速给控制器发送命令，控制器接收到命令之后，驱动支撑轴8转动，旋转体1随之发生旋转，使进流通道4与洋流的流向错开一定的角度，避免直接正对洋流而造成涡轮发电系统的机械损伤。

Claims (8)

1.一种海底潮汐能发电装置，包括：旋转体、底座和涡轮发电系统，旋转体经轴承和支撑轴与底座相连接，其特征在于所述的旋转体内设有安装涡轮发电系统的腔室，旋转体的迎流面上设有与腔室内相连通的进流通道，旋转体的上端面设有与腔室内相连通的出流通道，涡轮发电系统中的涡轮经支架设在进流通道内，旋转体上端面出流通道的出流口设有中空的鳍状翼，鳍状翼的横截面呈抛物线状，鳍状翼的纵截面呈鲨鱼鳍状，鳍状翼的正面为封闭的迎流面，鳍状翼的背面为开口的低压面，鳍状翼内设有导流板，导流板将鳍状翼内至少分隔成两个独立的与腔室相连通的出流通道，所述旋转体的迎流面与所述鳍状翼的迎流面方向一致。

2.根据权利要求1所述的一种海底潮汐能发电装置，其特征在于所述的旋转体为柱状结构，且旋转体的迎流面为弧面。

3.根据权利要求1所述的一种海底潮汐能发电装置，其特征在于所述的导流板纵向弯曲，且弯曲方向与鳍状翼鲨鱼鳍状的纵截面弯曲方向一致。

4.根据权利要求2所述的一种海底潮汐能发电装置，其特征在于所述的导流板横向弯曲，且弯曲方向与鳍状翼抛物线状的横截面弯曲方向一致。

5.根据权利要求1所述的一种海底潮汐能发电装置，其特征在于所述的鳍状翼数量为3个，各鳍状翼的迎流面方向一致并与旋转体的迎流面方向相同。

6.根据权利要求1所述的一种海底潮汐能发电装置，其特征在于所述的底座由立柱、支撑臂和支脚组成，所述旋转体经轴承和支撑轴与立柱的顶端相连接，立柱的底端均布3个水平的支撑臂，支撑臂之间的夹角为120度，支撑臂的末端分别设有支脚。

7.根据权利要求4所述的一种海底潮汐能发电装置，其特征在于所述的立柱与3个水平的支撑臂之间分别设有定位杆，立柱、支撑臂和定位杆所在的边形成直角三角形的结构。

8.根据以上任一权利要求所述的一种海底潮汐能发电装置，其特征在于，还设有控制系统，所述控制系统由流向传感器、流速传感器、微处理器和控制器组成，流向传感器和流速传感器分别经缆线与微处理器相连接，微处理器与控制器经缆线相连接，控制器与支撑轴相连接。