CN109236543B - 一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机 - Google Patents

一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机，包括自下而上依次设置的底座、发电部、压力部、锁定部。所述底座设置在海床上，所述锁定部中部活动设置有立杆，所述立杆自上而下贯穿所述锁定部并延伸进入所述压力部，所述立杆上部安装有圆柱形摆柱，所述摆柱位于海洋潮流场中并可在潮流水流作用下周期性摆动，所述立杆在所述摆柱带动下往复振动产生正、负压将外部水吸入压力部并推动发电部内部水轮机转动进行发电。本发明位于流场中的是简单的圆形截面的柱体，能够适应海中潮流方向的变化。

Description

一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机
技术领域
本发明属于海洋可再生能源开发领域，涉及海洋潮流能的获取、转化及存储技术，具体涉及一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机。
背景技术
海洋蕴藏着丰富的可再生能源，例如潮流能、波浪能、风能等。因为此类能源具有清洁无污染的特点，相比传统的煤炭、核能，更符合人们日益提高的环保要求，并且具有永不枯竭、可再生性的优点，使得发展海洋可再生能源获取及转化技术具有广阔的发展前景。潮流能因为具有区域分布明确、流场稳定等特点，成为海洋新能源领域重要的发展对象。
目前已有多种类型的潮流能发电机，大体上可以分为漂浮式、座底式两大类：漂浮式一般向下伸出支撑柱，支撑柱端部安装有水轮机；座底式则一般固定于海床底部，向上伸出支撑柱，令支撑柱端部的水轮机置于目标流场中。上述类型的潮流能发电机其基本原理均为将水轮机直接放置在潮流能流场中，利用水流推动水轮机叶片转动，进而获取潮流能并转化为电能。虽然此类装置可以达到一定的效用，但是仍存在一些弊端，例如海中潮流方向非固定不变，水轮机迎流方向一般无法调整，进而影响发电效率；潮流能机组安装涉及结构物基础施工，而海洋环境中施工操作往往难度大；水轮机迎流面较大，经海中阵列式排列后对海中生物形成一定的阻隔，存在不良的环境影响。
为了更便捷、有效地获取海洋潮流能，有针对性地研发一种能克服目前已有设备不足之处的新型潮流能发电机组具有重要的意义。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提出了一种新型的带重力底座的摇摆式潮流能发电机，其利用圆柱结构在流场中的涡激振动现象，获取海洋中潮流的能量以在本发明内部产生高压水流，进而推动水轮机转动以产生电能，实现潮流能与电能的转换。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机，包括自下而上依次设置的底座、发电部、压力部、锁定部，所述底座设置在海床上；所述发电部内部设置有水轮机，水轮机的转轴连接至发电部内顶壁，水轮机为圆筒形且内部安装有两片圆弧形的磁极，磁极所形成的内部空间中设置有竖向排列布置的圆柱形线圈，线圈内部设置有蓄电部；所述锁定部中部活动设置有立杆，所述立杆自上而下贯穿所述锁定部并延伸进入所述压力部，所述立杆上部安装有圆柱形摆柱，所述摆柱位于海洋潮流场中并可在潮流水流作用下周期性摆动，所述立杆在所述摆柱带动下往复振动产生正、负压将外部水吸入压力部并推动发电部内部水轮机转动进行发电。
进一步地，所述压力部外形为圆柱形且外侧壁中部设置有由中螺栓固定的渗透板，所述压力部在渗透板所在位置处设置有入水通道且所述压力部内部设有单向阀，所述压力部内围绕立杆下端设置有圆环形压力板，所述压力板通过伸缩壁连接压力部内侧面以形成容积可变的压力腔，所述压力腔底部设置带有单向阀的排水通道，所述排水通道连接至发电部内部。
进一步地，所述渗透板上设置有过滤网，所述伸缩壁由高强弹性材料制成。
进一步地，所述锁定部中部设有开孔，由上至下其开孔纵轴向剖面为梯形、圆形和矩形，所述立杆为圆杆并且中下部设有球铰，所述球铰设置于所述锁定部中部的圆形开孔（即球铰腔）内，所述球铰可由所述锁定部锁定，从而固定所述立杆。
进一步地，所述锁定部外形为圆柱形，分为上部、下部，所述上部、下部通过圆环形固定环和上螺栓连接，所述锁定部上部、下部连接后在内部形成空腔并夹有圆筒形的加温室，所述加温室内部设有膨胀腔和加热部件，所述膨胀腔由高强弹力膜包裹且内部含有热胀冷缩型材料，所述加热部件与蓄电部电连接，用于加热所述热胀冷缩型材料，所述膨胀腔与推杆相连，推杆的另一端固定有圆弧形锁止夹，所述圆弧形锁止夹的圆弧面与所述球铰的弧面相互吻合。
进一步地，所述推杆为钢制圆杆且中部设有限位圆盘，所述限位圆盘外径与加温室外径相等。
进一步地，所述加热部件为设置在所述加温室内壁的电阻丝。
进一步地，所述锁定部上部外侧包裹有保温层。
进一步地，所述底座内部设置有连接加温室以及蓄电部的线缆通道，线缆经由所述线缆通道引出底座外部并连接至控制器。
进一步地，所述底座为圆台形并由混凝土浇筑而成，所述底座顶部设置有挂钩。
本申请中未说明的固定或者连接方式均为根据现有技术中任意可实现的手段，在此不再详细说明。
由于采用上述技术方案，本发明所达到的有益技术效果为：
1）本发明利用圆柱形摆柱在海流作用下的涡致周期性摆动特性，将潮流能转化为电能，相比传统的将水轮机直接置于流场中的潮流能发电装置，本发明位于流场中的是简单的圆形截面的柱体，能够完全适应海中潮流方向的多变性，避免了传统潮流能发电机只能在特定方向潮流作用下工作的局限性。
2）本发明采用固定重力式底座，具有高度的集成性，可以在岸上完成制造工序。因为底座上方设置有用于提挂的挂钩，并且本发明内设置有锁止夹，可以在安装施工作业时固定住立杆，快速地实施现场安装。锁止夹可采用本发明转化的电力进行驱动，无需外部电源，可实现恶劣工况下立杆的锁止效果。
3）与利用在流场中布置水轮机组的传统方式相比，本发明位于流场中的摆柱尺寸明显小于水轮机机组的尺寸，且涡致摆动频率通常也较低，由此在大幅减少对海域阻隔作用的同时，也降低了对海洋生物的危害，体现出更小的环境影响性。
附图说明
图1是本发明的一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机的纵向剖面结构示意图；
图2是沿图1的线A-A截取的剖面图；
图3是沿图1的线B-B截取的剖面图；
图4是沿图1的线C-C截取的剖面图；
图5是图1中a部分的局部放大图。
其中，1-立杆，2-摆柱，3-保温层，4-锁定部，5-固定环，6-上螺栓，7-球铰，8-锁止夹，9-推杆，10-加温室，11-膨胀腔，12-伸缩壁，13-压力腔，14-压力板，15-压力部，16-中螺栓，17-渗透板，18-发电部，19-内导线，20-轮机叶片，21-蓄电部，22-转轴，23-水轮机，24-磁极，25-线圈壁，26-线圈，27-挂钩，28-线缆，29-控制器，30-底座。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1- 5所示，一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机，包括自下而上依次设置的底座30、发电部18、压力部15、锁定部4，底座30设置在海床上，锁定部4中部活动设置有立杆1，立杆1自上而下贯穿所述锁定部4并延伸进入所述压力部15，立杆1上部安装有轻质材料填充的圆柱形摆柱2，摆柱2位于海洋潮流场中并可在潮流水流作用下周期性摆动，立杆1在摆柱2带动下往复振动产生正、负压将外部水吸入压力部15并推动发电部18内部水轮机23转动进行发电。
所述锁定部4为钢制圆筒结构，分为上部和下部两部分，所述上部和下部通过钢制环形的固定环5以及将固定环5栓接在锁定部4上部和下部的上螺栓6连接，形成完整的锁定部4。锁定部5上部和下部连接后在内部形成空腔并夹有圆筒形的加温室10。锁定部4上部外侧包裹有保温层3，减少加温室10加热时的热量损失。锁定部4中部设有开孔，由上至下其开孔纵轴向剖面为梯形、圆形和矩形。加温室10内部设有膨胀腔11，膨胀腔11由高强弹力膜包裹且内含有热胀冷缩型材料，加温室10内壁设置有可用于膨胀腔11内热胀冷缩材料加热的电阻丝。膨胀腔11朝向锁定部4中部的一端与推杆9相连，推杆9为钢制圆杆且中部设有限位圆盘，限位圆盘外径与加温室10外径相等，推杆9另一端固定有圆弧形锁止夹8。
立杆1为钢制圆杆，自上而下穿出锁定部4进入压力部15，立杆1中下部设有钢球铰7，钢球铰7设置于锁定部4中部的球铰腔，即锁定部4中部的圆形开孔内，推杆9端部的锁止夹8圆弧面与球铰7弧面相互吻合。
压力部15为钢制圆柱形，外侧壁中部固定有渗透板17和中螺栓16，渗透板17两侧与中螺栓16对应的螺栓孔中间设置有过滤网，压力部15在渗透板17所在位置处设置有入水通道且在压力部15内部设有单向阀，外部水流可经过滤网、单向阀进入压力部15内部。压力部15内围绕立杆1下端设置有圆环形压力板14，压力板14通过伸缩壁12连接压力部15内侧面以形成压力腔13，伸缩壁12为高强弹性材料制成，可在压力板14的运动下实现压力腔13容积的改变。压力腔13底部设置带有单向阀的排水通道，使得压力腔13内的水流经排水通道进入发电部18内部。
发电部18为钢制圆柱形且内部设置有水轮机23，水轮机23的转轴22连接至发电部18内顶壁，来自压力腔13的高压水流经由压力腔13底部的排水通道冲击轮机叶片20，水轮机23为圆筒形且内部安装有两片圆弧形的磁极24，磁极24所形成的内部空间中设置有竖向排列布置的圆柱形线圈26，线圈26内部设置有蓄电部21。
底座30为圆台形并由混凝土浇筑而成，底座30顶部设置有挂钩27，底座30内部设置有连接加温室10以及蓄电部21的线缆通道，线缆28经线缆通道引出底座30外部并连接至控制器29。
本发明在使用时，通过控制器29控制加温室10开始升温，进而使膨胀腔11内的填充材料膨胀，推动锁止夹8锁定球铰，从而避免立杆1在本发明安装过程中发生摆动。通过挂钩27将底座30放置在预定海床处，停止对加温室10加温，膨胀腔11内的填充材料收缩，进而使锁止夹8释放球铰，摆柱2在潮流作用下发生涡激振动，带动立杆1下端来回摆动进而在压力腔13内形成负压，促使外部海水经单向阀流入压力腔13，并在立杆1下端反向摆动时将水流压入至发电部18内部，从而推动水轮机23转动，实现竖向排列的线圈切割磁力线而将潮流能转化为电能的目的。转化得到的电能可存储于线圈26内部的蓄电部21内，蓄电部21可以提供用于加温室10加热所需的电能。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一
个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机，其特征在于，包括自下而上依次设置的底座（30）、发电部（18）、压力部（15）、锁定部（4），所述底座（30）设置在海床上；所述发电部（18）内部设置有水轮机（23），水轮机（23）的转轴（22）连接至发电部（18）内顶壁，水轮机（23）为圆筒形且内部安装有两片圆弧形的磁极（24），磁极（24）所形成的内部空间中设置有竖向排列布置的圆柱形线圈（26），线圈（26）内部设置有蓄电部（21）；所述锁定部（4）中部活动设置有立杆（1），所述立杆（1）自上而下贯穿所述锁定部（4）并延伸进入所述压力部（15），所述立杆（1）上部安装有圆柱形摆柱（2）；
所述压力部（15）外形为圆柱形且外侧壁中部设置有由中螺栓（16）固定的渗透板（17），所述压力部（15）在渗透板（17）所在位置处设置有入水通道且所述压力部（15）内部设有单向阀，所述压力部（15）内围绕立杆（1）下端设置有圆环形压力板（14），所述压力板（14）通过伸缩壁（12）连接压力部（15）内侧面以形成容积可变的压力腔（13），所述压力腔（13）底部设置带有单向阀的排水通道，所述排水通道连接至发电部（18）内部；
所述锁定部（4）中部设有开孔，由上至下其开孔纵轴向剖面为梯形、圆形和矩形，所述立杆（1）为圆杆并且中下部设有球铰（7），所述球铰（7）设置于所述锁定部（4）中部的圆形开孔内，所述球铰（7）可由所述锁定部（4）锁定，从而固定所述立杆（1）；
所述锁定部（4）外形为圆柱形，分为上部、下部，所述上部、下部通过圆环形固定环（5）和上螺栓（6）连接，所述锁定部（4）上部、下部连接后在内部形成空腔并夹有圆筒形的加温室（10），所述加温室（10）内部设有膨胀腔（11）和加热部件，所述膨胀腔（11）由高强弹力膜包裹且内部含有热胀冷缩型材料，所述加热部件与蓄电部（21）电连接，用于加热所述热胀冷缩型材料，所述膨胀腔（11）与推杆（9）相连，推杆（9）的另一端固定有圆弧形锁止夹（8），所述圆弧形锁止夹（8）的圆弧面与所述球铰（7）的弧面相互吻合。
2.根据权利要求1所述的一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机，其特征在于，所述渗透板（17）上设置有过滤网，所述伸缩壁（12）由高强弹性材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机，其特征在于，所述推杆（9）为钢制圆杆且中部设有限位圆盘，所述限位圆盘外径与加温室（10）外径相等。
4.根据权利要求1所述的一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机，其特征在于，所述加热部件为设置在所述加温室（10）内壁的电阻丝。
5.根据权利要求1所述的一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机，其特征在于，所述锁定部（4）上部外侧包裹有保温层（3）。
6.根据权利要求1所述的一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机，其特征在于，所述底座（30）内部设置有连接加温室（10）以及蓄电部（21）的线缆通道，线缆（28）经由所述线缆通道引出底座（30）外部并连接至控制器（29）。
7.根据前述权利要求1-2任一项所述的一种带重力底座的摇摆式潮流能发电机，其特征在于，所述底座（30）为圆台形并由混凝土浇筑而成，所述底座（30）顶部设置有挂钩（27）。
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