CN105179147A - 履带运动式海流发电装置及其发电方法 - Google Patents

履带运动式海流发电装置及其发电方法 Download PDF

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许栋
及春宁
张金凤
徐彬
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Abstract

本发明公开了一种履带运动式海流发电装置及其发电方法，包括设置在海底床面的至少两根桩柱，所述每根桩柱分别设置有上定滑轮和下定滑轮，所述上定滑轮和下定滑轮通过履带式运动缆绳依次连接，所述履带式运动缆绳等间距设置有运动伞，所述定滑轮连接有发电机；本装置运动伞在海流冲击作用下张开并推动运动缆绳运转，带动发电机产生电能。本发明适用于海流流速较低的近岸浅海区域，能够实现海流能量的高效利用。

Description

履带运动式海流发电装置及其发电方法
技术领域
本发明涉及一种发电系统，尤其是涉及一种利用海流能发电的履带运动式海流发电装置及其发电方法。
背景技术
随着现代社会对能源需要的日益增长以及矿物燃料资源的日益枯竭和环境污染的日趋加剧，开发利用清洁可再生的海洋能源正在成为世界各沿海国家的发展战略。在海洋能源众多形式之中，海流能是最为重要的可利用能源之一。
海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量。海流能的能量与流速的平方和流量成正比。相对波浪而言，海流能的变化要平稳且有规律得多。海流能的利用方式主要是发电，与陆地上的河流发电相比，它既不受洪水的威胁，又不受枯水季节的影响，几乎以常年不变的水量和一定的流速流动，完全可成为人类可靠的能源。我国海域辽阔，既有风海流,又有密度流；既有沿岸海流，也有深海海流，这些海流的流速多在2米/秒，流量变化不大,而且流向比较稳定。若以平均流量每秒100立方米计算，中国近海和沿岸海流的能量就可达到一亿千瓦以上，其中以台湾海峡和南海的海流能量最为丰富，它们将为发展我国沿海地区工业提供优质而廉价的电力。
海流发电的原理与风力发电相似，但由于海水的密度约为空气的1000倍，且必须放置于水下，故海流发电存在着一系列的关键技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。目前海流发电装置主要有轮叶式、降落伞式和磁流式几种。轮叶式海流发电装置利用海流推动轮叶，轮叶带动发电机发出电流。轮叶可以是螺旋浆式的，也可以是转轮式的。轮叶式海流发电目前仍然是研发的重点，围绕轮叶叶处优化、转速控制等，近年来不断有新型的设计出现，例如发明专利“自调节海流发电装置”(申请号：200610129897.3)、“一种新型的用于海流发电涡轮机的叶片”(申请号：200910154589.X)、“用于海流发电的渐开线式螺旋水轮机”(申请号：02137383.3)等。降落伞式海流发电装置由几十个串联在环形铰链绳上的"降落伞"组成。顺海流方向的"降落伞"靠海流的力量撑开，逆海流方向的降落伞靠海流的力量收拢，"降落伞"顺序张合，往复运动，带动铰链绳继而带动船上的铰盘转动，铰盘带动发电机发电。磁流式海流发电装置以海水作为工作介质，让有大量离子的海水垂直通过强大磁场，获得电流。海流发电的开发史还不长，发电装置还处在原理性研究和小型试验阶段，系统稳定性、可靠性、经济性以及发电装机容量等很多方面仍然存在大量不足之处，迫切需要提出优化的、实用的新型结构形式。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单，制作、安装、运动维护费用低，能够实现海流能量的高效利用，且适用于近岸浅海区域海流流速较低情况的新型海流发电装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种履带运动式海流发电装置，包括设置在海底床面的桩柱，所述桩柱并排设置至少为两根，所述每根桩柱分别设置有上定滑轮和下定滑轮，所述上定滑轮和下定滑轮通过履带式运动缆绳依次连接，所述履带式运动缆绳等间距设置有运动伞，所述上定滑轮连接有发电机。
所述桩柱为混凝土桩或钢管其中的一种构成。
所述桩柱的顶端位于海流水面之上。
所述运动伞包括通过固定结点设置在运动缆绳上的伞面和套装在运动缆绳上的滑动套管，所述滑动套管上设置有通过铰结点与骨架相连接的支撑杆。
所述骨架和支撑杆为弹性钢条。
所述定滑轮和发电机之间设置齿轮变速系统。
本发明还提供一种履带运动式海流发电方法，利用了如上所述的履带运动式海流发电装置，包括下述步骤：
一、制备履带运动式海流发电装置，包括设置在海底床面的桩柱，所述桩柱并排设置至少为两根，所述每根桩柱分别设置有上定滑轮和下定滑轮，所述上定滑轮和下定滑轮通过履带式运动缆绳依次连接，所述履带式运动缆绳等间距设置有运动伞，所述上定滑轮连接有发电机；
二、海流冲击运动伞，在水流力作用下，伞面带动骨架、支撑杆张开，随之带动滑动套筒在运动缆绳上滑动，直到滑动套筒接触固定结点；
三、张开后的运动伞在水流力作用下推动运动缆绳运转，水下运动伞顺水流方向运动；
四、运动伞到达其运动方向前方第一下定滑轮后，伞面受第一下定滑轮阻挡而闭合，同时整体形态弯曲，绕第一下定滑轮转动；
五、运动伞绕过第一下定滑轮后，继续随运动缆绳向上运动，露出水面，并依次翻越上定滑轮，然后再次进入海流自由水面以下；
六、运动伞翻越第二下定滑轮之后，由竖直运动转为水平运动；
七、运动伞在水流力作用下再次张开，重复步骤二，实现循环运转，带动发电机连续产生电能。
本发明的有益效果是：
1、高效海流能量利用：该装置直接利用水流的冲击力发电，能够实现较高的能量转化效率，尤其是在海流流速较好低的情况下，传统叶轮式发电机往往存大起动困难等问题，本装置通过调节阻尼力矩及缆绳运动速度，仍能够达到较高的利用效率。本发电装置的能量损失主要来自水流的阻力损失及定滑系统的摩擦阻力，通过优化运动伞闭合后的形状，并采用低摩阻转动机构，能够把这些损失降至最低。另外，本装置在运动伞回收过程中，缆绳与伞体在水面之上的空气中运行，从而消除了该过程的水流阻力，而回收过程中风的阻力与水流阻力相比可以忽略。
2、在近岸浅海区域适用性强：在近岸浅海区域由于水深较浅(例如水深不足10米)，传统叶轮式发电机的叶轮直径受到很大限制，不宜于安装大功率的发电机组。而采用本发明的履带式运动海流发电装置，通过优化设置伞体形状(采用矩形伞体)，仍可实现较大的装机容量。
3、机械结构简单，造价低：该系统不设置复杂的叶轮发电机等设备，整体机械结构简单，主要建造费用是桩柱制作和打桩等土建工程，运动缆绳可采用普通钢索或链条，伞体可利用帆布等材料制作，机械装置造价非常低。另外在有条件的情况下可充分利用现有港口及近海工程已有土建结构，利用栈桥桩基、跨海大桥桥墩等，直接安装履带运动系统进行海流发电，进一步降低整体造价。
4、运行维护费用低：该系统的发电系统(及相关变速、控制等装置)均安装于水面以上，仅需设置简单防雨结构，且可靠性高，不会出现漏水等现象，另外如果运行过程中出现故障或需要更换设备，也均在水上进行，无需考虑水密封问题，因此，维护费用也较低。
附图说明
图1：本发明装置结构示意图；
图2：本发明运动伞张开状态下三维结构示意图；
图3：本发明运动伞闭合状态下三维结构示意图。
附图标注：1、海流自由水面；2、海底床面；3、定滑轮；4、定滑轮；5、定滑轮；6、定滑轮；7、桩柱；8、运动缆绳；9、运动伞；10、发电机；11、伞面；12、骨架；13、支撑杆；14、固定结点；15、滑动套筒；16、铰结点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如附图1-3所示，一种履带运动式海流发电装置，包括设置在海底床面2的桩柱7，所述桩柱7的顶端位于海流水面1之上，所述桩柱7并排设置至少为两根，本实施例中为两根，所述桩柱7结构可采用港口工程中的高桩形式，材料可采用混凝土桩或钢管桩，并由打桩船打入海底床面2一定深度，以承受足够的永久和可变荷载。所述每根桩柱7分别设置有上定滑轮3、6和下定滑轮4、5，所述上定滑轮3、6和下定滑轮4、5通过履带式运动缆绳8依次连接，所述履带式运动缆绳8等间距设置有运动伞9，所述运动伞9包括通过固定结点14设置在运动缆绳8上的伞面11，所述伞面11采用具有足够强度的帆布，并均匀设置有骨架12；所述运动伞9还包括套装在运动缆绳8上的滑动套管15，所述滑动套管15上设置有通过铰结点16与骨架12相连接的支撑杆13；其中，所述骨架12和支撑杆13均采用具有较高弹性的钢条。所述上定滑轮6连接有发电机10，两者之间设置齿轮变速系统。
本发明的发电方法，包括下述步骤：首先，制备如上所述的履带运动式海流发电装置，包括设置在海底床面2的桩柱7，所述桩柱7并排设置至少为两根，本实施例中为两根，所述每根桩柱7分别设置有上定滑轮3、6和下定滑轮4、5，所述上定滑轮3、6和下定滑轮4、5通过履带式运动缆绳8依次连接，所述履带式运动缆绳8等间距设置有运动伞9，所述定滑轮6连接有发电机10。其次，上述发电装置安装完毕后，位于海流自由水面1下的运动伞9受到海流冲击，在水流作用下，伞面11带动骨架和支撑杆13张开，随之带动滑动套筒15在运动缆绳8上滑动，直到滑动套筒15接触到固定结点14；张开后的运动伞9在水流作用下推动运动缆绳8运转，水下运动伞9顺水流方向运动；当运动伞9到达下定滑轮5后，伞面11受下定滑轮5阻挡而闭合，同时整体形态弯曲，并绕下定滑轮5转动；当运动伞9绕过下定滑轮5后，继续随运动缆绳8向上运动，露出水面，并依次翻越上定滑轮6、3，然后再次进入海流自由水面1以下；当运动伞9翻越下定滑轮4之后，由竖直运动转为水平运动，此时，运动伞9在水流力作用下再次张开，重复上述步骤，实现循环运转，带动发电机10连续产生电能。

Claims (7)

1.一种履带运动式海流发电装置，包括设置在海底床面(2)的桩柱(7)，其特征在于，所述桩柱(7)并排设置至少为两根，所述每根桩柱(7)分别设置有上定滑轮(3)、(6)和下定滑轮(4)、(5)，所述上定滑轮(3)、(6)和下定滑轮(4)、(5)通过履带式运动缆绳(8)依次连接，所述履带式运动缆绳(8)等间距设置有运动伞(9)，所述上定滑轮(6)连接有发电机(10)。
2.根据权利要求1所述的履带运动式海流发电装置，其特征在于，所述桩柱(7)为混凝土桩或钢管其中的一种构成。
3.根据权利要求1所述的履带运动式海流发电装置，其特征在于，所述桩柱(7)的顶端位于海流水面(1)之上。
4.根据权利要求1所述的履带运动式海流发电装置，其特征在于，所述运动伞(9)包括通过固定结点(14)设置在运动缆绳(8)上的伞面(11)和套装在运动缆绳(8)上的滑动套管(15)，所述滑动套管(15)上设置有通过铰结点(16)与骨架(12)相连接的支撑杆(13)。
5.根据权利要求4所述的履带运动式海流发电装置，其特征在于，所述骨架(12)和支撑杆(13)为弹性钢条。
6.根据权利要求1所述的履带运动式海流发电装置，其特征在于，所述定滑轮(6)和发电机(10)之间设置齿轮变速系统。
7.一种使用权利要求1履带运动式海流发电装置的发电方法，其特征在于，包括下述步骤：
①制备权利要求1履带运动式海流发电装置，包括设置在海底床面(2)的桩柱(7)，所述桩柱(7)并排设置至少为两根，所述每根桩柱(7)分别设置有上定滑轮(3)、(6)和下定滑轮(4)、(5)，所述上定滑轮(3)、(6)和下定滑轮(4)、(5)通过履带式运动缆绳(8)依次连接，所述履带式运动缆绳(8)等间距设置有运动伞(9)，所述定滑轮(6)连接有发电机(10)；
②海流冲击运动伞(9)，在水流力作用下，伞面(11)带动骨架(12)、支撑杆(13)张开，随之带动滑动套筒(15)在运动缆绳(8)上滑动，直到滑动套筒(15)接触固定结点(14)；
③张开后的运动伞(9)在水流力作用下推动运动缆绳(8)运转，水下运动伞(9)顺水流方向运动；
④运动伞(9)到达下定滑轮(5)后，伞面(11)受下定滑轮(5)阻挡而闭合，同时整体形态弯曲，绕下定滑轮(5)转动；
⑤运动伞(9)绕过下定滑轮(5)后，继续随运动缆绳(8)向上运动，露出水面，并依次翻越上定滑轮(6)、(3)，然后再次进入海流自由水面(1)以下；
⑥运动伞(9)翻越下定滑轮(4)之后，由竖直运动转为水平运动；
⑦运动伞(9)在水流力作用下再次张开，重复步骤②，实现循环运转，带动发电机(10)连续产生电能。
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