CN109083799A - 一种翻板、翻板拾能单元及翻板式垂直轴海流发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于海流发电的装置，具体涉及一种翻板、翻板拾能单元及翻板式垂直轴海流发电机，属于海流能发电领域。本发明的翻板通过铰链连接在下横杆、上横杆之间，铰链前后侧分别设置翻板方向档杆和翻板做功档杆，翻板绕铰链在翻板方向档杆与翻板做功档杆之间转动；每一个翻板拾能单元包括2至8个翻板，两侧的翻板分别位于下横杆和上横杆的两面；下横杆和上横杆分别固定在垂直转轴；翻板在做功状态下外侧垂直边沿到垂直转轴轴心的距离为R，翻板宽度为W，W/R的取值范围是1/20～1/2。本发明的装置方便组建大功率输出的海流能发电站，降低建造与维修成本，降低单位电量成本等。

Description

一种翻板、翻板拾能单元及翻板式垂直轴海流发电机

技术领域

本发明涉及一种可用于海流发电的装置，具体涉及一种翻板、翻板拾能单元及翻板式垂直轴海流发电机，属于海流能发电领域。

背景技术

海洋中蕴藏着丰富的能量，包含潮汐能、潮流能、波浪能、海流能等。这些作为可再生能源，储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。

目前对于海流能的开发有借用风力发电机原理的水平轴水轮发电机和达里厄(Darrieus) 垂直轴海流发电机，还有降落伞海流发电机，风车式海流水轮机等。

尽管人们做了很多开发海流能发电的工作，但是直到现在都没有大规模开发利用，目前阻碍海流能装置规模化应用还存以下主要技术问题：1.海底固定方式不适用海流流向变化的情况,也不适用与海水较深的海域，而且生产安装维修成本高；2.漂浮式包括水平轴海流发电机、降落伞式海流发电机、风车式海流发电机，通常采用一根锚缆牵引，海流发电机会顺流方向漂移以适应海流方向的改变，因此发电机随着海流方向的变化在锚缆固定点为圆心的一个很大的圆面积内移动，所以海流发电机分布密度低，且可能出现缠绕，寿命有限，功率有限，不适合规模化发电，对于风车式海流发电机，由于其叶片一半在水中，一半在水面上，遇到大风时容易损坏；3.对采用达里厄垂直轴海流发电机，虽然不受海流方向的影响，但是其能量转换效率低，且，叶片在顺流和逆流时均受到较大的水流阻力，输出功率与整个叶片受力比不高；4.以上形式的发电机的叶片(伞)的尺寸受水深的限制无法做得很大，而且海水的流速随深度变化也很大，根据贝兹(Betz)法则，叶片的速度一般为海流的速度1/3时，能量转换效率最大，即使水轮机叶片直径做到与水深相当，也会由于不同水深处的流速差异很大，造成该水轮机的能量转换效率无法达到最佳。

有鉴于此，本发明提出一种翻板式垂直轴海流发电机，以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种翻板拾能单元及翻板式垂直轴海流发电机，旨在提高现有海流能发电机的效率，适应性和可靠性，方便组建大功率输出的海流能发电站，降低建造与维修成本，降低单位电量成本等。

本发明的技术方案是：一种翻板，其特征在于：翻板采用轻质材料或空腔结构，翻板在海水中的浮力与自重平衡。

根据如上所述的翻板，其特征在于：还包括铰链，铰链位于翻板工作状态下纵向边沿一侧。

本发明还公开了一种翻板拾能单元，包括下横杆、铰链、翻板、翻板方向档杆、翻板做功档杆、上横杆、垂直转轴，其特征在于：翻板通过铰链连接在下横杆、上横杆之间，铰链内外侧分别设置翻板方向档杆和翻板做功档杆，翻板绕铰链在翻板方向档杆与翻板做功档杆之间转动；工作状态下不同翻板在同一位置状态相同；下横杆和上横杆分别固定在垂直转轴上；翻板在做功状态下外侧垂直边沿到垂直转轴轴心的距离为R，翻板宽度为W，W/R的取值范围是1/20～1/2。

根据如上所述的一种翻板拾能单元，其特征在于：还可以包括平衡浮箱，平衡浮箱放置在下横杆和上横杆之间的垂直转轴上，平衡浮箱的浮力与除翻板外的翻板拾能单元重力平衡。

根据如上所述的一种翻板拾能单元，其特征在于：所述的翻板采用如上所述的翻板。

根据如上所述的一种翻板拾能单元，其特征在于：每一个翻板拾能单元包括2至8个翻板，翻板在圆周上均匀分布；垂直转轴两端采用陶瓷轴承支撑。

根据如上所述的一种翻板拾能单元，其特征在于：翻板做功档杆位于铰链内侧，翻板做功档杆与铰链之间的距离为翻板宽度的1/2。

本发明还公开了一种翻板式垂直轴海流发电机，包括框架、多个翻板拾能单元(垂直转轴旋转方向相同)、陶瓷轴承、轴承座、连轴器和发电机，翻板拾能单元通过陶瓷轴承、轴承座、轴承座支撑杆与框架连接；其特征在于：翻板拾能单元为如上所述的翻板拾能单元；发电机通过连轴器与翻板拾能单元垂直转轴相连。

根据如上所述的一种翻板式垂直轴海流发电机，其特征在于：还包括蝶形浮箱、设备层、逆变器；设备层放在于蝶形浮箱上，发电机、逆变器放置在设备层，逆变器将发电机的电能逆变后输出。

根据如上所述的一种翻板式垂直轴海流发电机，其特征在于：翻板拾能单元铺设N层， N大于等于1，每层翻板拾能单元设置旋转方向相同，垂直转轴采用连轴器上下同心连接，每层翻板在投影面均匀错开排列。

本发明的有益效果是：一是本发明采用翻板式垂直轴拾能方式，不受海流方向影响，翻板顺流做功时充分利用了翻板的面积而逆流返回时的阻力接近于0，因此提高了能量转换效率，并且在翻板翻转过程中，功率输出及整体受力都实现了平稳过度；二是垂直转轴主要承受径向力，有利于提高轴承寿命；还通过采用陶瓷滚动轴承对垂直转轴多点支撑，提高了垂直转轴的传动效率和轴承的寿命，增强了抗海水腐蚀性；由于翻板采用轻质材料或空腔结构使浮力与自重平衡,所以铰链与翻板之间转动灵活,减小受力，提高了翻板与铰链的寿命；

三是翻板的宽度与最大半径R的比的取值范围为W/R＝1/20～1/2，在翻板纵向对称中心的速度为海流速度的1/3时，由于翻板各点的速度更接近(相对于W/R＝1/1)，所以翻板整体可获得最佳能量转换效率，因为根据贝兹法则，理想情况下，流体能量转换系数Cp为， Cp＝0.5*(1-V2/V1)*(1+V2/V1)^2，其中V1为流体流速，V2为翻板的速度，当V2/V1＝1/3时， Cp取得最大值Cpmax＝0.593；

四是由于采用垂直转轴及多层翻板拾能单元，可以根据每层翻板拾能单元所在水深处的流速不同采用不同的半径R,使每层翻板拾能单元的翻板中心，在相同的转速下，速度处于水流速度的1/3，而且翻板的宽度和半径不受海水深度的限制，因此本发明的海流发电机适合做单台大功率发电机；

五是翻板的铰链位于翻板纵向的边沿，这样翻板的铰链在翻板翻转过程中承受的非做功横向推力最小；

六是本发明每个支架只有一个翻板，且采用直板结构，这样减小了返回时逆流面积和阻力；

七是本发明可在岸边生产装配完成后，将多个拼接起来，使整体设备像一个浮排一样，通过拖船拖到工作水域后再简单按图13或图14所示形式，拼接组合成所需的规模大小；在最后拼接成的大型海流发电装置四周用锚缆固定即可，没有方向要求，维修时，将有故障部分拆离整个系统，然后拖回岸边维修，因此生产，投放，维修成本都很低。

附图说明

图1为翻板的4个典型状态俯视图(垂直转轴逆时针旋转)；

图2为翻板的4个典型状态俯视图(垂直转轴顺时针旋转)；

图3为翻板位于P1位置状态；

图4为翻板位于P2位置状态；

图5为翻板位于P3位置状态；

图6为翻板位于P4位置状态；

图7为翻板拾能单元侧视图(2个翻板)；

图8为翻板拾能单元俯视翻板位置关系示意图(2个翻板)；

图9为翻板拾能单元(包括3个翻板)俯视翻板位置关系示意图；

图10为两层翻板拾能单元俯视翻板位置关系示意图(每层3个翻板)；

图11为翻板式海流发电机侧视图(2层，每层2个翻板)；

图12为图11的B向视图；

图13为海流方向固定海域海流发电站组合图；

图14为海流方向不定海域海流发电站组合图。

附图标记说明：1-框架，2-蝶形浮箱，3-翻板拾能单元(支架平面与海流流向平行时)， 4-连轴器，5-翻板拾能单元(支架平面与海流流向垂直时)，6-设备层；7-发电机；8-逆变器， 9-轴承座；10-陶瓷轴承；31-下横杆；32-铰链；33-翻板；34-翻板方向档杆；35-翻板做功档杆；36-上横杆；37-垂直转轴；38-平衡浮箱；91-轴承座支撑杆。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图与实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1至图6所示，本发明的翻板33采用轻质材料或空腔结构，使翻板33在海水中的浮力与自重平衡。本发明的翻板33还包括铰链32，铰链32位于翻板33工作状态下(即打开状态下)纵向边沿一侧，如图6所示。这样的有益效果是：翻板33的铰链32承力最小；返回阻力最小。

如图1至图10所示，本发明的翻板拾能单元(附图标号为3或5)，包括下横杆31、铰链32、翻板33、翻板方向档杆34、翻板做功档杆35、上横杆36、垂直转轴37、平衡浮箱 38，本发明的翻板33采用轻质结构，使浮力与自重平衡。翻板33通过铰链32连接在下横杆 31、上横杆36之间，铰链32内外(靠近垂直转轴为内)侧分别设置翻板方向档杆34和翻板做功档杆35，翻板33能绕铰链32在翻板方向档杆34与翻板做功档杆35之间灵活转动。如图12所示，本发明的翻板33的数量为2至8个，且均匀分布，即在圆周上均匀分布。本发明的两侧的翻板33分别位于下横杆31和上横杆36的两面。下横杆31和上横杆36分别固定在垂直转轴37。本发明的翻板拾能单元还可以包括平衡浮箱38，平衡浮箱38为蝶形，其浮力用于与翻板拾能单元(除翻板33外)的重力平衡，这样可以减少轴承的轴向力，延长轴承寿命。平衡浮箱38放置在下横杆31和上横杆36之间的垂直转轴37上，工作时，平衡浮箱 38放置在水中。本发明翻板33的翻转角度为180度。

翻板33可根据设计要求垂直主轴37的旋转方向不同确定翻板33安装在下横杆和上横杆平面的哪一面。如图1为逆时针旋转与图2顺时针旋转，翻板33分别在不同面。

如图2所示，本发明翻板拾能单元的翻板33在做功状态下外侧垂直边沿到垂直转轴37 轴心的距离为R，翻板33宽度为W，两者比值即W/R的取值范围是1/20～1/2。每层翻板中心的旋转半径R可根据不同深度取不同值，使翻板33各点相对海流的速度更均匀，更容易与海流速度匹配获得最佳拾能效率。

翻板做功档杆35位于铰链32内侧，翻板做功档杆35与铰链32之间的距离约为翻板宽度的1/2，即翻板做功档杆35位于翻板33的受力中心，这样在做功时，铰链32受力最小。

本发明的一种翻板式垂直轴海流发电机可采用1～N层翻板拾能单元，每层结构相同，垂直转轴37采用连轴器4上下同心连接，并且每层翻板33的垂直投影均匀错开排列。

本发明的垂直转轴37两端最好采用陶瓷轴承支撑，陶瓷轴承具有良好的抗腐蚀性；两边的支撑轴承不承受扭矩，从而延长轴承寿命。

图10为两层3翻板拾能单元俯视翻板图，每层翻板拾能单元包括3个翻板33；两层翻板33之间的夹角为60度。

下面结合附图1，其单独分解图如图3至图6所示，描述本发明所述的翻板拾能单元的一个翻板33旋转一周的四个阶段。阶段一，翻板33从图3的P1→P2位置，是做功且功率增加过程，翻板33逆时针(顺流)转动，翻板33受翻板做功档杆35的支撑，保持与上横杆36和下横杆31平行，并通过上横杆36和下横杆31推动垂直转轴37转动向外输出机械能，翻板33在海流垂直面的投影不但增大，即阻力不但增大，且力臂也不但增大，直到P2位置时，翻板33的阻力与力臂都达到最大，即转矩最大，因此在相同转速下做功功率也达到最大；阶段二，翻板33从图4的P2→P3位置，是做功且功率减小过程，翻板33继续保持与翻板拾能单元上横杆36和下横杆31平行，并通过上横杆36和下横杆31推动垂直转轴37转动向外输出机械能，但是翻板33在海流垂直面的投影不但减小，即阻力不但减小，且力臂也不但减小，直到图5的P3位置时，翻板33的阻力与力臂都达到最小，因此做功功率为0(力臂为0)；阶段三，翻板33在图5的P3位置，由于海流作用，翻板33会绕翻板铰链32翻转为受翻板方向档杆34支撑；阶段四，翻板从图1的P3→P4→P1位置，是返回(做负功)过程，由于该过程中，翻板33在海流作用下，一直平行于海流方向，只有侧面受阻力，而侧面积远远小于翻板33的正面积，所以负功可以忽略。综上所述，翻板33在一周内所获得的能量约等于阶段一与阶段二(即从图1的P1→P2→P3位置)阻力所做的功。

在本发明的一个实施例中，所述翻板拾能单元还可以如图2所示，其翻板33与图1所示旋转方向相反，即顺时针旋转。

在本发明的一个实施例中，所述的翻板拾能单元框架平衡浮箱38的浮力与翻板拾能单元(除翻板外)的重力平衡，所以垂直转轴37两端的陶瓷轴承10基本不承受轴向力只承受径向力，有利于提高轴承寿命；还通过采用陶瓷轴承10对垂直转轴37多点支撑，提高了传动效率和整体寿命，增强了抗海水腐蚀性。

在本发明的一个实施例中，所述的翻板33采用轻质材料或空腔结构；使浮力与自重平衡，所以翻板铰链32受力小，翻转时的冲击也小，增加了翻板铰链32的寿命。

如图11至图14所示，本发明的一种翻板式垂直轴海流发电机，包括：框架1、蝶形浮箱2、翻板拾能单元、陶瓷轴承10、轴承座9、连轴器4，设备层6、发电机7、逆变器8；翻板拾能单元通过陶瓷轴承10、轴承座9、轴承座支撑杆91与框架1连接；多个蝶形浮箱2 产生的浮力，保证整体装置浮在海面上，尤其是所述的设备层6位于海水之上足够的高度，发电机7、逆变器8放置在设备层6中；发电机7通过连轴器4与最上层的翻板拾能单元垂直转轴37相连；逆变器8将发电机7的电能逆变后输出(并网)。翻板拾能单元的垂直转轴两端过陶瓷轴承10、轴承座9、轴承座支撑杆91与框架1连接。

在本发明的一个实施例中，所述的一种翻板式垂直轴海流发电机可采用1～N层翻板拾能单元，每层翻板33在投影面均匀错开排列，可以使垂直转轴37上的输出功率更大更平稳。如图11所示，其中包含了2层2个翻板的翻板拾能单元。由于2个翻板的翻板拾能单元的翻板夹角为180°，所以2层的翻板垂直投影夹角为1/2*180°,即90°，其翻板垂直投影与图2 相同；如果采用3层翻板拾能单元，则翻板垂直投影夹角为1/3*180°,即60°，其翻板垂直投影与图10相同。如果将图11的2层2个翻板拾能单元换成2层3个翻板的翻板拾能单元，则翻板垂直投影夹角为1/2*120°,即60°，其翻板垂直投影也与图10相同。

图13和图14分别为在海流方向固定和不定海域的发电站组合图，在图13和图14中，两个相邻海流发电机的垂直转轴方向相反，这样可以抵消海流做功时对单台发电机产生的旋转扭矩。

上述实施例对本发明做了详细说明。当然，上述说明并非对本发明的限制。本发明也不仅限于上述例子，相关技术人员在本发明的实质范围内所作出的变化、改型、添加或减少、替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种翻板，其特征在于：翻板采用轻质材料或空腔结构，翻板在海水中的浮力与自重平衡。

2.根据权利要求1所述的翻板，其特征在于：还包括铰链，铰链位于工作状态下纵向边沿一侧。

3.一种翻板拾能单元，包括下横杆、铰链、翻板、翻板方向档杆、翻板做功档杆、上横杆、垂直转轴，其特征在于：翻板通过铰链连接在下横杆、上横杆之间，铰链内外侧分别设置翻板方向档杆和翻板做功档杆，翻板绕铰链在翻板方向档杆与翻板做功档杆之间转动；工作状态下不同翻板在同一位置状态相同；下横杆和上横杆分别固定在垂直转轴；翻板在做功状态下外侧垂直边沿到垂直转轴轴心的距离为R，翻板宽度为W，W/R的取值范围是1/20～1/2。

4.根据权利要求3所述的一种翻板拾能单元，其特征在于：还可以包括平衡浮箱，平衡浮箱放置在下横杆和上横杆之间的垂直转轴上，平衡浮箱的浮力与除翻板外的翻板拾能单元重力平衡。

5.根据权利要求3所述的一种翻板拾能单元，其特征在于：所述的翻板采用权利要求1或2所述的翻板。

6.根据权利要求3所述的一种翻板拾能单元，其特征在于：每一个翻板拾能单元包括2至8个翻板，翻板在圆周上均匀分布；垂直转轴两端采用陶瓷轴承支撑。

7.根据权利要求3所述的一种翻板拾能单元，其特征在于：翻板做功档杆位于铰链内侧，翻板做功档杆与铰链之间的距离为翻板宽度的1/2。

8.一种翻板式垂直轴海流发电机，包括框架、多个翻板拾能单元、陶瓷轴承、轴承座、连轴器和发电机，翻板拾能单元通过陶瓷轴承、轴承座、轴承座支撑杆与框架连接；其特征在于：翻板拾能单元为权利要求3至7任一种所述的翻板拾能单元；发电机通过连轴器与翻板拾能单元垂直转轴相连。

9.根据权利要求8所述的一种翻板式垂直轴海流发电机，其特征在于：还包括蝶形浮箱、设备层、逆变器；设备层放在于蝶形浮箱上，发电机、逆变器放置在设备层，逆变器将发电机的电能逆变后输出。

10.根据权利要求8所述的一种翻板式垂直轴海流发电机，其特征在于：翻板拾能单元铺设N层，N大于等于1，每层翻板拾能单元设置旋转方向相同，垂直转轴采用连轴器上下同心连接，每层翻板在投影面均匀错开排列。