CN108223238B - 一种浪轮机及海洋浪轮机式水能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浪轮机及海洋浪轮机式水能发电装置，该浪轮机包括转轮主轴、转动叶片和转动叶窗，转轮主轴与转动叶片固定连接，转动叶片上设有窗口，窗口远离转轮主轴的一侧设有带轴承套的转动子轴，轴承套与转动叶窗固定连接，转动叶窗靠近转轮主轴的一侧的横截面呈L型，窗口靠近转轮主轴的一侧设有窗挡。本发明中采用在转动叶片上设置只能往叶片凹面开启的单向旋转的转动叶窗的方式，使得转动叶片不仅俘获波浪能，而且俘获海流能，充分利用海洋中的能量，提高能量转换效率。本发明中采用动力输出控制的方式，使得浪轮机转动圆频率与波频相等，确保转动叶窗的位置相对于转轮始终保持不变，避免转动叶窗频繁开闭，进而提高浪轮机的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及海洋能利用技术领域，特别是涉及浪轮机及海洋浪轮机式水能发电装置。
背景技术
众所周知，能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着国民经济的快速发展和工业化的推进，我国对能源的需求急剧增长，能源安全形势极为严峻。目前，大量的能源消耗、不合理的能源消费结构和较低的能源使用效率不仅挑战国家的能源安全，而且带来了一系列环境问题。因此，可再生能源因清洁环保、资源潜力大，人类可持续利用，在世界各国越来越受到重视，成为新一轮能源技术革命的动力。
目前，波浪能是海洋能中能流密度最大、分布最广、可开发潜力巨大的一种清洁可再生能源，是各国海洋能研究开发的重点之一，它的开发利用对于我国可再生能源利用及能源结构调整具有重要意义。波浪能利用的关键技术是波浪能转换装置，通常波浪能要经过三级转换：第一级为能量吸收系统，吸收波浪中的动能和势能；第二级为能量转换系统，即将动能和/或势能转换为机械能；第三级为能量的实际利用，目前主要用于发电，部分还用于供水和海水淡化等。目前，现有的波浪能利用装置中，绝大多数都采用液压系统的三级转换，转换环节相对较多、结构相对复杂、转换效率偏低、成本偏高和维护不便。国内外波浪能利用的专利很多，但是由于波浪能的不稳定性，波浪能转换装置成本高、规模小、技术不成熟等，尚未进入商业化开发利用阶段。
现有的海洋波浪能转换装置一般只能利用单一种类的波浪能，而不能同时利用波浪能和海流能，且结构复杂，不利于市场化。如何设计一种装置，其结构简单、转换环节少，且能同时俘获波浪能和海流能，充分俘获其能量，提高转换效率和年发电量，是当前研究的趋势。
非专利文献“轮机式浪流发电装置的设计与数值模拟研究”(雷道涛.上海海洋大学，硕士学位论文)中介绍了一种轮机式浪流发电装置，设计了一种以由平行于转轴的五片机翼分别等间距固定于轮辐所组成的水轮机作为浪流俘获装置的小型、模块化海洋能发电装置。该装置通过能量吸收转化效率高的水轮机，俘获海洋海流能，而没有考虑俘获波浪能。能量转化环节采用水轮机主轴与发电机直接相连，实现能量单级传动，较好解决了传统发电装置多级转换系统能量转化效率低等问题。整个装置利用浮筒漂浮海面，锚链系泊，数据远程控制，离岸运行，但该轮机式与传统的海流轮机相同，能否有效俘获波浪能并没有开展研究。
中国发明专利说明说书“CN104314734A”公开了一种船式浪流发电装置，包括船体，设置于船体中间的海流能收集器，两个对称设置于所述海流能收集器左、右侧面上的海流能发电机，两个对称设置于波浪能收集器左、右两侧的船体上的波浪能收集器，设置于所述波浪能收集器上方的波浪能发电机和两个对称设置于船体两端的船体阻尼机构。该发明集成了波浪能采集系统和海流能采集系统于一体的装置，而波浪能俘获只是采用非轮机式的技术。
中国发明专利说明说书“CN102168641A”公开了一种海洋波能水轮机式发动机，包括海上工作平台，至少一组波能转换单元，所述波能转换单元包括水轮机，在所述海上工作平台上设有数量与波能转换单元相应的腔室，腔室的下端为敞口并与海水贯通，腔室顶部的中央部位设有与大气贯通的水流通道，所述水轮机安装于所述腔室和/或水流通道内。该发明可以充分利用波浪涌起的推力，实际上是利用波浪所产生的位能推动水轮机工作，具有导流和聚能作用，提高发动机效能。
中国发明专利说明书“CN106704078A”(S型双流向海洋发电装置)公开了一种S型双流向海洋发电装置，该装置由两块S型挡板和一个叶轮组成。由于叶轮都在水里，叶轮转动时将会受到较大的水体阻力从而不利于提高叶轮的效率。该装置把多个发电单元连接起来可实现不同规模发电。
以上发电装置的结构相对简单，在俘获波浪能的同时还能俘获一定数量的海流能，但发电效率还有待进一步测试。海洋能转换装置的发展趋势为高效率、高可靠性、低造价、易维护、环保，且结构简单易推广利用。为此，将简化结构，充分利用海洋中的波浪能与海流能，高效俘获其动能和/或势能，考虑设计一种波浪能与海流能一体化利用与转化的单一海洋浪轮机式的水能发电装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、俘能效率高、能量转换效率高的浪轮机及海洋浪轮机式水能发电装置，使得现有技术中存在的结构复杂、不能同时俘获波浪能和波浪能导致俘能效率低以及能量转换系统复杂导致能量转换效率低的问题得以解决。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种浪轮机，包括转轮主轴、转动叶片和转动叶窗，所述转轮主轴与所述转动叶片固定连接，所述转动叶片上开设有一贯通的窗口，所述窗口远离所述转轮主轴的一侧设有带轴承套的转动子轴，所述轴承套与所述转动叶窗固定连接，所述转动叶窗靠近所述转轮主轴的一侧的横截面呈L型，所述窗口靠近所述转轮主轴的一侧设置有窗挡，所述窗挡的横截面为反向倒置的L型，所述转动叶窗的L型结构与所述窗挡的反向倒置的L型结构可咬合连接。
优选的，所述转动叶片至少为1个，每个所述转动叶片均匀设置在所述转轮主轴上。
优选的，所述转动叶窗至少为一个。
本发明还提供一种海洋浪轮机式水能发电装置，包括海洋水能采集系统和海洋水能转换系统，所述海洋水能采集系统包括上述所述的浪轮机和浮式结构，所述浪轮机包括转轮主轴、转动叶片和转动叶窗，所述转轮主轴与所述转动叶片固定连接，所述转轮主轴通过主轴轴承与所述浮式结构相连接，所述转动叶片上开设有一贯通的窗口，所述窗口远离所述转轮主轴的一侧设有带轴承套的转动子轴，所述轴承套与所述转动叶窗固定连接，所述转动叶窗靠近所述转轮主轴的一侧的横截面呈L型，所述窗口靠近所述转轮主轴的一侧设置有窗挡，所述窗挡的横截面为反向倒置的L型，所述转动叶窗的L型结构与所述窗挡的反向倒置的L型结构可咬合连接；所述海洋水能转换系统包括发电机，所述发电机与所述转轮主轴相连接。
优选的，所述海洋浪轮机式水能发电装置还包括锚泊系统，所述锚泊系统与所述浮式结构相连接；优选的，所述海洋浪轮机式水能发电装置还包括桩柱及其基础，所述桩柱用于固定发电装置，所述桩柱并与海床面上的基础相连接。
优选的，所述海洋水能转换系统还包括一变速箱和动力输出控制器，所述变速箱设置在所述发电机与所述转轮主轴之间，所述动力输出控制器与所述发电机相连接。
优选的，所述转动叶片的形状为弧形曲面的斗状，所述转动叶窗的形状为弧形曲面或者矩形平面。
优选的，所述浪轮机至少为一个。
优选的，所述浮式结构包括由上至下依次连接的上浮体、中空柱和下浮体，所述转轮主轴通过主轴轴承与两个所述中空柱相连接，和/或所述转轮主轴通过主轴轴承分别与所述上浮体和所述下浮体相连接。
优选的，所述上浮体和所述下浮体均为环状结构，所述环状结构的横断面为圆形或矩形。
本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：
1、本发明的浪轮机及海洋浪轮机式水能发电装置中采用在转动叶片上设置可单向旋转的转动叶窗的方式，使得转动叶片只能发生单向绕轴转动，进而使得转动叶片不仅俘获海洋中的波浪能，还可以俘获海洋中的海流能，充分利用海洋水体中的能量，从而提高能量转换效率，避免了现有叶片只能用于稳定的海流能，而不能用于波浪能的问题，使得波浪能利用装置和波浪能利用装置结合为一个整体，减小了装置的结构体积。
2、本发明的浪轮机及海洋浪轮机式水能发电装置中采用转动叶片与转轮主轴相连接，且转轮主轴与发电机相连接的方式，使得转动叶片俘获的波浪能或者海流能能够通过转轮主轴直接传递给发电机，即其能量转换系统只有二级 (俘能级、能量利用级)，减少了能量转换系统的转换环节，使得发电装置的结构简单，功能可靠，成本低，维护方便；并且提高了能量转换效率。
3、本发明的浪轮机的转速是通过动力输出控制器来控制，使得转轮转动的周期与波浪周期同步，从而确保转动叶窗于其所在的转动叶片的相对位置始终保持不变，避免了转动叶窗频繁的开启和关闭，进而提高了浪轮机的可靠性。
4、本发明的浪轮机及海洋浪轮机式水能发电装置中采用将浮式结构设置为上浮体、中空柱和下浮体结构的方式，减小了浮体结构与海水接触的表面积，使得波浪能和波浪能主要作用于浪轮机的转动叶片上，作用于浮式结构本身上的力较小，提高了波浪能和海流能的利用率，降低了波浪能和海流能对发电装置的破坏；发电装置在有限或较浅水域中布置时可将浮式结构的上浮体、中空柱或下浮体与固定结构相连接，使得波流力主要作用于浪轮机上，提高了发电装置的安全性及在恶劣环境中的生存能力。
5、本发明由于没有使用液压系统，因此不存在液压油泄漏的危险，更加环保，维护便利。
6、本发明浪轮机主要由耐腐蚀的轻质复合材料建成，成本较低，且耐腐蚀，装置的使用寿命长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明浪轮机中转轮叶片径向剖面形状为弧形的结构示意图；
图2中a和b分别为本发明浪轮机中转轮叶片径向剖面形状为直角的结构示意图以及C-C剖面视图；
图3中a、b和c分别为本发明浪轮机中转动叶片上分别设置1 个、2个及4个转动叶窗的结构示意图；
图4为本发明海洋浪轮机式水能发电装置中转轮主轴通过主轴轴承分别与上浮体和下浮体相连接的结构示意图；
图5为图4的A-A断面结构示意图；
图6为本发明海洋浪轮机式水能发电装置中转轮主轴通过主轴轴承与两个中空柱相连接的结构示意图；
图7为图6的B-B断面结构示意图；
图8为单个浪轮机在一个完整波浪传播下的实施示意图；
其中，1-转轮主轴、2-转动叶片、3-海洋水能转换系统、4-转动叶窗、5- 转动子轴、6-浮式结构、7-锚泊系统、8-发电机、9-动力输出控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种结构简单、俘能效率高、能量转换效率高的浪轮机及海洋浪轮机式水能发电装置，使得现有技术中存在的结构复杂、不能同时俘获波浪能和海流能导致俘能效率低以及能量转换系统复杂导致能量转换效率低的问题得以解决。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-3所示，本发明提供一种浪轮机，包括转轮主轴1、转动叶片2和转动叶窗4，转轮主轴1与转动叶片2固定连接，转动叶片2上开设有一贯通的窗口，窗口远离转轮主轴1的一侧设有带轴承套的转动子轴5，轴承套与转动叶窗4固定连接，转动叶窗4靠近转轮主轴1的一侧的横截面呈L型，窗口靠近转轮主轴1的一侧设置有窗挡，窗挡的横截面为反向倒置的L型，转动叶窗4的L型结构与窗挡的反向倒置的L型结构可咬合连接。
在浪轮机进行工作时，首先将浪轮机放置在水面以下或者水面以上，并根据浪轮机工作海域主要波况下的1个波浪波长，计算转动叶片2的最佳形状和尺寸以及转动叶窗4的回转半径；将浪轮机沿波浪传播方向布置，当海洋中的波浪传播过来时，波浪或潮流的作用力作用于转动叶片2上产生力矩作用而连续推动转轮主轴1旋转，实现海洋动能与势能转化为浪轮机的旋转机械能；同时由于转轮叶片旋转过程中，转轮叶片上转动方向一侧与海水相接触，或者海浪回流时回流海水对转轮叶片上转动方向一侧相接触，使得浪轮机的转轮叶片产生负作用力，此时转动叶片2上的转动叶窗4在负作用力作用下，绕转动子轴5自动进行单方向的旋转运动，使得海水穿过转动叶片2流出，进而减少了浪轮机受到的阻力，使得能量俘获比达到最大；并且随着浪轮机旋转，转动叶窗4受到的推力减少，转动叶窗4逐渐关闭。其中，本发明中采用在转动叶片 2上设置可单向旋转的转动叶窗4的方式，使得转动叶片2只能发生单向绕轴转动，进而使得转动叶片2不仅俘获海洋中的波浪能，还可以俘获海洋中的海流能，充分利用海洋水体中的能量，从而提高能量转换效率，避免了现有叶片只能用于稳定的海流能，而不能用于波浪能的问题，使得波浪能利用装置和海流能利用装置结合为一个整体，减小了装置的结构体积。
为了进一步提高转动叶片2的俘能效率，本发明中转动叶片2至少为一个，每个转动叶片2均匀设置在转轮主轴1上，优选的，转动叶片2可以为3个、 4个等，当为3个时，相邻转动叶片2之间的角度为120°；当为4个时，相邻转动叶片2之间的角度为90°。
为了进一步降低转动叶片2所受到的海水阻力，本发明中转动叶窗4至少为一个，优选的，转动叶窗4的个数可以为1个、2个、4个等。
如图4-7所示，本发明还提供一种海洋浪轮机式水能发电装置，包括海洋水能采集系统和海洋水能转换系统3，海洋水能采集系统包括上述的浪轮机和浮式结构6，浪轮机包括转轮主轴1、转动叶片2和转动叶窗4，转轮主轴1 与转动叶片2固定连接，转轮主轴1通过主轴轴承与浮式结构6相连接，转动叶片2上开设有一贯通的窗口，窗口远离转轮主轴1的一侧设有带轴承套的转动子轴5，轴承套与转动叶窗4固定连接，转动叶窗4靠近转轮主轴1的一侧的横截面呈L型，窗口靠近转轮主轴1的一侧设置有窗挡，窗挡的横截面为反向倒置的L型，转动叶窗4的L型结构与窗挡的反向倒置的L型结构可咬合连接；海洋水能转换系统3包括发电机，发电机与转轮主轴1相连接。
在进行发电工作时，首先将发电装置放置在水面以下或者水面以上，并根据发电装置工作海域主要波况下的实际波浪，计算转动叶片2的最佳形状和尺寸以及转动叶窗4的回转半径；将发电装置沿波浪传播方向布置，当海洋中的波浪传播过来时，波浪或海流的作用力作用于转动叶片2上产生力矩作用而连续推动转轮主轴1旋转，实现海洋动能与势能转化为浪轮机的旋转机械能；同时由于转轮叶片旋转过程中，转轮叶片上转动方向一侧与海水相接触，或者海浪回流时回流海水对转轮叶片上转动方向一侧相接触，使得浪轮机的转轮叶片产生负作用力，此时转动叶片2上的转动叶窗4在负作用力作用下，绕转动子轴5自动进行单方向的旋转运动，使得海水穿过转动叶片2流出，进而减少了浪轮机受到的阻力，使得能量俘获比达到最大；并且随着浪轮机旋转，转动叶窗4受到的推力减少，转动叶窗4逐渐关闭；自此作往复运动，机械能通过海洋水能转换系统3转换为电能。其中，本发明中采用转动叶片2与转轮主轴1 相连接，且转轮主轴1可与发电机直接相连接的方式，使得转动叶片2俘获的波浪能或者海流能能够通过转轮主轴1直接传递给发电机，即其能量转换系统只有二级(俘能级、能量利用级)，减少了能量转换系统的转换环节，使得发电装置的结构简单，功能可靠，成本低，维护方便；并且提高了能量转换效率。
本发明中海洋浪轮机式水能发电装置还包括锚泊系统7，锚泊系统7与浮式结构6相连接。其中，锚泊系统7为锚链，具有较大的抗拉强度，可以防止恶劣天气下受力过大而断裂；锚泊系统7连接在浮式结构6上，在防止浪能轮机装置发生漂移的前提下，不影响系泊装置对轮机运动的约束，有利于装置俘获波浪能和海流能。
为了使得换能效率可控，本发明中海洋水能转换系统3还包括一变速箱和动力输出控制器9，变速箱设置在发电机8与转轮主轴1之间，动力输出控制器9与发电机8相连接；本发明中可以根据海上波浪的波周期，通过动力输出控制器9来调节发电机8的功率输出，进而调节浪轮机的转速，使得浪轮机转动的周期与波浪周期同步，从而确保转动叶窗4于其所在的转动叶片2的相对位置始终保持不变，避免了转动叶窗4频繁的开启和关闭，进而提高了浪轮机的可靠性。
本发明中转动叶片2的形状为弧形曲面的斗状，转动叶窗4的形状为弧形曲面或者矩形平面。
本发明中浪轮机至少为一个；即发电装置中可设置1个或1个以上浪轮机，且固定于浮式结构6上。
本发明中浮式结构6包括由上至下依次连接的上浮体、中空柱和下浮体，转轮主轴1通过主轴轴承与两个中空柱相连接，和/或转轮主轴1通过主轴轴承分别与上浮体和下浮体相连接。即可以根据固定浪轮机的浮式结构6的不同，浪轮机转轮主轴1布置为水平向或垂直向，无论浪轮机转轮主轴1何种方向或波浪和水流何种方向，转动叶片2总是绕着转轮主轴1并向转动叶片2 凸起的方向转动；并且采用将浮式结构6设置为上浮体、中空柱和下浮体结构的方式，减小了浮体结构与海水接触的表面积，使得波浪能和海流能主要作用于浪轮机的转动叶片2上，作用于浮式结构6本身上的力较小，提高了波浪能和海流能的利用率，降低了波浪能和海流能对发电装置的破坏。
为了减小浮体结构与海水接触的表面积，使得波浪和海流主要作用于浪轮机的转动叶片2上，本发明中上浮体和下浮体均为环状结构，环状结构的横断面为圆形或矩形。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (11)
1.一种浪轮机，其特征在于，包括转轮主轴、转动叶片和转动叶窗，所述转轮主轴与所述转动叶片固定连接，所述转动叶片上开设有一贯通的窗口，所述窗口远离所述转轮主轴的一侧设有带轴承套的转动子轴，所述轴承套与所述转动叶窗固定连接，所述转动叶窗靠近所述转轮主轴的一侧的横截面呈L型，所述窗口靠近所述转轮主轴的一侧设置有窗挡，所述窗挡的横截面为反向倒置的L型，所述转动叶窗的L型结构与所述窗挡的反向倒置的L型结构可咬合连接。
2.根据权利要求1所述的浪轮机，其特征在于，所述转动叶片至少为一个，每个所述转动叶片均匀设置在所述转轮主轴上。
3.根据权利要求1所述的浪轮机，其特征在于，所述转动叶窗至少为一个。
4.一种海洋浪轮机式水能发电装置，其特征在于，包括海洋水能采集系统和海洋水能转换系统，所述海洋水能采集系统包括如权利要求1-3任一项所述的浪轮机和浮式结构，所述浪轮机包括转轮主轴、转动叶片和转动叶窗，所述转轮主轴与所述转动叶片固定连接，所述转轮主轴通过主轴轴承与所述浮式结构相连接，所述转动叶片上开设有一贯通的窗口，所述窗口远离所述转轮主轴的一侧设有带轴承套的转动子轴，所述轴承套与所述转动叶窗固定连接，所述转动叶窗靠近所述转轮主轴的一侧的横截面呈L型，所述窗口靠近所述转轮主轴的一侧设置有窗挡，所述窗挡的横截面为反向倒置的L型，所述转动叶窗的L型结构与所述窗挡的反向倒置的L型结构可咬合连接；所述海洋水能转换系统包括发电机，所述发电机与所述转轮主轴相连接。
5.根据权利要求4所述的海洋浪轮机式水能发电装置，其特征在于，所述海洋浪轮机式水能发电装置还包括锚泊系统，所述锚泊系统与所述浮式结构相连接。
6.根据权利要求4所述的海洋浪轮机式水能发电装置，其特征在于，所述海洋水能转换系统还包括一变速箱和动力输出控制器，所述变速箱设置在所述发电机与所述转轮主轴之间，所述动力输出控制器与所述发电机相连接。
7.根据权利要求4所述的海洋浪轮机式水能发电装置，其特征在于，所述转动叶片的形状为弧形曲面的斗状，所述转动叶窗的形状为弧形曲面或者矩形平面。
8.根据权利要求4所述的海洋浪轮机式水能发电装置，其特征在于，所述浪轮机至少为一个。
9.根据权利要求4所述的海洋浪轮机式水能发电装置，其特征在于，所述浮式结构包括由上至下依次连接的上浮体、中空柱和下浮体，所述转轮主轴通过主轴轴承与两个所述中空柱相连接，和/或所述转轮主轴通过主轴轴承分别与所述上浮体和所述下浮体相连接。
10.根据权利要求9所述的海洋浪轮机式水能发电装置，其特征在于，所述上浮体和所述下浮体均为环状结构，所述环状结构的横断面为圆形或矩形。
11.根据权利要求4所述的海洋浪轮机式水能发电装置，其特征在于，所述海洋浪轮机式水能发电装置还包括桩柱及其基础，所述桩柱用于固定发电装置，所述桩柱并与海床面上的基础相连接。
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