CN111622889A - 大型潮流能发电装置及其总成平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型潮流能发电装置及其总成平台，其内安装有至少一个水平轴水轮发电机，总成平台包括支架、至少四根固定桩、至少两个嵌套件以及至少两个受力支撑件。固定桩通过支架连接成一体且围绕形成安装空间，发电机安装于安装空间内，每根固定桩的一端打桩固定于海床，另一端延伸到水面以上，至少四根固定桩沿着水流方向分左右两列布放，其中每一列至少两根固定桩沿着水流方向依次布放且将其中至少一根固定桩作为主载桩。至少两个嵌套件分别可分离地套设于发电机左右两侧的主载桩上。至少两个受力支撑件的一端分别安装在水平轴水轮机沿水流方向的左右两侧，另一端分别对应地安装有嵌套件，以抵挡水流对水平轴水轮发电机的冲击力。

Description

大型潮流能发电装置及其总成平台

技术领域

本发明属于潮流能发电领域，尤其涉及一种大型潮流能发电装置及其总成平台。

背景技术

海洋能(包含潮流能、波浪能、温差能、盐差能、海流能等)是一种清洁无污染的可再生能源，其储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。现今能源日益短缺，温室效应日益严重，能源需要低碳化，所以风能、海洋能等清洁能源是未来能源的发展方向。但现在这些清洁能源的发电设备，除了风能利用比较成熟外，海洋能的利用还是在起步阶段，没有通用和成熟的设备，发电功率相较于其他能源的发电功率较低。最重要的是，现有的海洋能发电装置无论是制造成本、安装成本还是维修成本，都远远高于其他能源发电的成本，这成为了制约海洋能发电装置商业化运用和推广最大的阻碍。

目前利用海上风力进行发电的风力发电装置，单机装机功率最大可以做到5MW。它是将一个塔固定在海底，然后风力发电机固定于塔的顶端且位于海面以上，采集风能进行发电。塔最下端的直径为6.242m，最上端的直径为4.170m，塔径平均为5.206m，整个塔高96m。换言之，为了实现单机装机功率达到5MW，需要设置将近100m高的塔，并且直径最大处要大于6m才能够承载这个功率的发电机。这样的一个塔，重达439吨，造价和安装费用都不菲。因为高昂的成本，无法转换为真正的经济价值。即便想要大规模运用，也因为高昂的成本望而却步。

采用风力发电，整个叶轮的直径哪怕做到230m，也不过12MW的发电量，但是对应的塔高需要做到195m(叶片最下端需要离地30m，叶轮半径为165m)。但是利用潮流能进行发电，叶片直径只需要做到70m，理论上可达到30MW的发电量，并且桩的高度仅需做到40m(叶片离地5m，叶轮半径35m)。因此，相比海上风力发电，潮流能发电大大降低了塔筒高度，减少了成本，利用潮流能发电的发电效率将远高于利用海上风能进行发电。

传统的潮流能发电装置通常采用两种固定方式，一种是漂浮式固定，即通过浮床漂浮在海中并通过钢索固定在海床或者两岸，另一种是海床固定式，即通过一根固定桩直接固定在海底。由于漂浮式固定还是主要利用波浪能进行发电，相比深处的潮流能发电量不高，并且能够悬浮的发电机规模很小，所以经济性价值较小，于实际应用中逐渐舍弃。第二种海床固定式为现有的潮流能发电装置真正投入实际应用采用的固定方式。

目前，现有的潮流能发电装置真正投入运用的发电模组最大的单机装机功率是2MW。单机装机功率超过2MW的截止目前为止全世界没有成功实施的案例。受到单机发电机组规模的限制，大部分潮流能发电装置成本极高，无法真正投入商业运用，因此也无法产生商业价值。具体而言，传统的潮流能发电装置和海上风力发电装置类似，也是通过一根固定桩直接固定于海底。由于海水冲击力巨大，所以固定桩必须具有足够大的直径才能抵抗弯矩，直径越大的固定桩，其打桩成本越高。特定直径的固定桩，其承受力有上限值，因此也对应地只能承载一定规模以内的水平轴水轮发电机。固定桩无论从成本还是技术角度都无法无限制地做大，因此也造成单个水平轴水轮发电机的装机功率无法突破。

发明内容

本发明为了克服现有技术中的至少一个不足，提供一种大型潮流能发电装置及其总成平台。

于第一方面，本发明提供一种大型潮流能发电装置的总成平台，其内安装有至少一个水平轴水轮发电机，大型潮流能发电装置的总成平台包括支架、至少四根固定桩、至少两个嵌套件以及至少两个受力支撑件。至少四根固定桩通过支架连接成一体且围绕形成一个安装空间，至少一台水平轴水轮发电机安装于安装空间内，每根固定桩的一端打桩固定于海床，另一端延伸到水面以上，至少四根固定桩沿着水流方向分左右两列布放，其中每一列至少两根固定桩沿着水流方向依次布放，将每一列至少两根固定桩中的至少一根固定桩作为主载桩。至少两个嵌套件分别可分离地套设于水平轴水轮发电机左右两侧的主载桩上且位于水面以下。至少两个受力支撑件的一端分别安装在水平轴水轮机沿水流方向的左右两侧，另一端分别对应地安装有嵌套件，以抵挡水流对水平轴水轮发电机的冲击力。

于本发明的第一方面的一实施例中，总成平台还包括至少两组用于安装或固定栅栏的栅栏导槽，分别设置在水平轴水轮发电机的上下游两侧，每组栅栏导槽都从水面以上通到水面以下。

于本发明的第一方面的一实施例中，总成平台还包括至少一个通人管道，通人管道的一端通向水面以上，另一端通向水面以下，使得人能够到达水面以下对主载桩与嵌套件进行安装固定。

于本发明的第一方面的一实施例中，总成平台还包括至少一个鼓风机和一个通风管，通风管可固定或可拆卸地沿通人管道内或者沿通人管道外进行布置，通风管从水面以上通到水面以下以使水面下的工作区内能够进行换风。

于本发明的第一方面的一实施例中，总成平台还包括至少一个抽水泵和至少一根排水管，排水管可固定或可拆卸地沿通人管道内或者沿通人管道外进行布置，排水管从水面以上通到水面以下，抽水泵抽取水面以下工作区内的积水并通过排水管排出到水面以上。

于本发明的第一方面的一实施例中，主载桩的下部灌注混凝土，上部中空，从而人能够通过主载桩到达水面以下对主载桩与嵌套件进行安装固定。

于本发明的第一方面的一实施例中，总成平台还包括至少一个悬挂支撑柱，为密闭中空结构，悬挂支撑柱的一端连通水平轴水轮发电机，使得人员通过悬挂支撑柱进入水平轴水轮发电机的内部，悬挂支撑柱的另一端通向水面以上。

于本发明的第一方面的一实施例中，总成平台还包括密封装置和固定组件，固定组件固定主载桩和嵌套件，密封装置对应地设于固定组件处。

于本发明的第一方面的一实施例中，总成平台还包括至少两个避震装置，每个避震装置设置于嵌套件与主载桩之间。

于本发明的第一方面的一实施例中，每一列固定桩朝水平轴水轮发电机的一侧设置有侧板。

于第二方面，本发明还提供一种大型潮流能发电装置，包括如第一方面任一实施例所述的总成平台、至少一个水平轴水轮发电机以及至少一个悬挂支撑柱。至少一个水平轴水轮发电机可分离地安装于总成平台中。至少一个悬挂支撑柱为密闭中空结构，悬挂支撑柱的一端连通所述水平轴水轮发电机，使得人员通过所述悬挂支撑柱进入水平轴水轮发电机的内部，悬挂支撑柱的另一端通向水面以上。

于第三方面，本发明还提供一种潮流能发电装置，包括至少两个栅栏，分别设置于水平轴水轮发电机的上下游两侧，每个栅栏沿水流方向的宽度大于或等于8厘米。

于本发明的第三方面的一实施例中，潮流能发电装置包括如本发明第一方面任一实施例所述的总成平台。

于本发明的第三方面的一实施例中，潮流能发电装置采用如本发明第二方面任一实施例所述的潮流能发电装置。

综上所述，本发明通过将四根固定桩和支架连在一起形成安装空间，然后水平轴水轮发电机固定于安装空间内，而不是像现有技术一样将水平轴水轮发电机安装于框架内，大幅度降低了钢材的使用，降低了制造和安装成本。并且，本发明通过设置位于水平轴水轮发电机两侧的受力支撑件和嵌套件，能够将水平轴水轮发电机受到的水流的推力均衡地传递到两侧，从而分散给整个总成平台，使得整个总成平台能够承载更大功率的单个水平轴水轮发电机，大幅度降低了潮流能发电装置的发电成本。特别地，本发明的水平轴水轮发电机在水中具有“固定点”，因此避免了现有技术中水平轴水轮发电机在水流巨大的推力作用下，因为晃动产生共振现象从而容易损坏的问题。通过采用本实施例提供的大型潮流能发电装置及其总成平台，能够真正将潮流能发电的成本降低到低于火力发电的成本，从而真正实现潮流能发电的商业推广和运用。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为根据本发明第一实施例提供的大型潮流能发电装置的俯视图。

图2所示为根据本发明第一实施例提供的大型潮流能发电装置的侧视图。

图3所示为根据本发明第二实施例提供的大型潮流能发电装置的局部示意图。

图4所示为根据本发明第三实施例提供的大型潮流能发电装置的栅栏的示意图。

具体实施方式

图1所示为根据本发明第一实施例提供的大型潮流能发电装置的俯视图。

图2所示为根据本发明第一实施例提供的大型潮流能发电装置的侧视图。图1中右边虚线圆圈为左边虚线圆圈标识处的放大示意图。如图1和图2所示，于第一实施例中，大型潮流能发电装置包括总成平台1和至少一台水平轴水轮发电机2，至少一台水平轴水轮发电机2安装于总成平台1中。

于本实施例中，总成平台1包括至少四根固定桩11、至少两个嵌套件12、至少两个受力支撑件13以及支架14。每根固定桩11的一端打桩固定于海床F，另一端延伸到水面P以上。至少四根固定桩11通过支架14连成一体，四根固定桩11和支架14一起围绕形成一个安装空间15。四根固定桩11沿着水流方向D分左右两列布放，其中每一列至少两根固定桩11沿着水流方向D依次布放。具体而言，至少四根固定桩11分为两组(即两列)，每组包括至少两根固定桩11。每组内的至少两根固定桩11的横截面过中心点连成的线基本平行于水流方向D(可允许有些微偏差)。由于每组固定桩11排成了平行于水流方向D的一列，因此位于下游的固定桩11承受的水流冲击力会在位于上游的固定桩11的阻挡后大大减小。如图1所示，当涨潮的时候，水流方向为D，当落潮的时候，水流方向变为D’。本文中所提及的“左”和“右”，是相对于水流方向而言的左右两侧。具体而言，如图1所示方向看去，即从水面之上俯视，两列固定桩11分别位于左侧和右侧。

于本实施例中，支架14包括多个刚性杆件，每个刚性杆件连接两根固定桩11。整个总成平台1承受的力是靠支架14在固定桩11之间进行传递从而得到分解。通过设置支架14，至少四根固定桩11一起形成一个整体，单根固定桩11受到的力能够有效地传递到其它固定桩11，从而使得整个总成平台1的受力分布均衡。于本实施例中，固定桩11的水下部分和水上部分均设有支架14进行连接。当潮流能发电装置所在的海域比较深时，固定桩11会比较长，可以在水下多处设置支架14，这样可以使固定桩11之间的连接更加牢靠，能够更加有效地进行力的分散。然而，本发明对此不作任何限定，支架14的连接位置和连接数量可随具体要求进行设置。

于实际应用中，每根固定桩11不一定要完全垂直于海床F进行安装。于本实施例中，位于迎水侧或者落水侧(即如图1所示的最下方和最上方)的固定桩11可倾斜地插入海床F中。每根倾斜插入的固定桩11能抵抗水流冲击力的能力是垂直设置的固定桩的1.5倍左右，即倾斜设置的固定桩11能承载分散更大的水流冲击力。

于本实施例中，潮流能发电装置的总成平台1可一共包括六根固定桩11，三根固定桩11位于水平轴水轮发电机2的左侧，三根固定桩11位于水平轴水轮发电机2的右侧。位于左侧或右侧的三根固定桩11沿着水流方向D依次布置。本发明对固定桩11的具体数量也不做任何限定。于其它实施例中，固定桩的数量可为4个、8个或12个。通过设置更多的固定桩11，水流带给水平轴水轮发电机2的冲击力能够传递给更多的固定桩11，因而水流冲击力能够有效地得到分散，从而使得整个潮流能发电装置能够承受和抵抗更大的水流推力，因此也提高了总成平台1承载单个更大规模的水平轴水轮发电机2的能力。换言之，本发明实施例提供的总成平台1能够支撑更大功率的水平轴水轮发电机2，提高了单个水轮机叶轮加上单个发电机的功率的上限，从而实现潮流能发电装置的商业推广和运用。另外，随着固定桩11数量的增多，可以对应减小每个固定桩11的直径，从而减小固定桩11阻挡水流的截面，提高水平轴水轮发电机2对水流的利用率，使得水平轴水轮发电机2的发电效率得到提升。

具体而言，以本申请背景技术部分所提及的现有的海上风力发电装置为例，该装置能承载的单机装机功率最大为5MW，但是需要最大直径大于6m的固定桩才能实现承载。而本实施例通过至少四根固定桩11和支架14组成一个整体从而将受到的水流推力进行分散，每根固定桩只需要做到直径为1.3m即可承载单机装机功率为5MW的水平轴水轮发电机，因此固定桩的直径能够得到大幅度降低。每根固定桩的制作难度和成本也随之降低。另外，单根固定桩需要固定在海床上的安装过程会非常繁琐。在安装期间，单根固定桩的周围需要先设置多根辅助桩形成的打桩平台，然后单根固定桩完成安装固定后，再派人派船去撤掉辅助打桩平台，甚至牵涉到水下作业，这样导致固定桩的安装成本非常高昂。然而，本实施例采用至少四根彼此相连的固定桩，形成天然的打桩平台。无需另外设置辅助打桩平台，大幅度降低了固定桩的安装成本。因此，四根直径为1.3m的固定桩的制造成本和安装成本之和都远远小于一根直径为6m的固定桩的制造成本和安装成本。

如果本实施例的每根固定桩做到3m直径，则可承载装机功率高达20MW的水平轴水轮发电机，打破了现有单机装机功率的上限，真正做到了将单机装机功率做大。现有的潮流能发电装置的最大单机装机功率仅为2MW，要达到20MW的发电量，需要运行高达十台的水平轴水轮发电机，并且需要设置至少十个总成平台进行安装。但是本发明第一实施例的潮流能发电装置，仅需要设置一台水平轴水轮发电机和一个总成平台即可实现20MW的发电量，大幅度降低了成本，使得潮流能发电装置的商业化运用真正成为可能。

潮流能发电装置的成本基本由两部分构成，一个是发电机的制造成本和安装成本，另一个是总成平台的制造成本和安装成本。举例而言，一台2.5MW的水平轴水轮发电机的制造成本和安装成本为2000万，两台2.5MW的水平轴水轮发电机的制造成本和安装成本为4000万，而一台5MW的水平轴水轮发电机的制造成本和安装成本仅为2600万。换言之，不考虑总成平台的制造成本和安装成本差额，光水平轴水轮发电机的成本而言，运行更大功率的水平轴水轮发电机将大幅度降低每度电的成本，更不用说本实施例的总成平台的制造成本和安装成本也远远低于现有技术的总成平台的制造成本和安装成本。

于本实施例中，至少两个嵌套件12分别可分离地套设于水平轴水轮发电机2左右两侧的主载桩上且位于水面P以下。于本实施例中，潮流能发电装置的总成平台有6根固定桩，左列位于中间的固定桩11和右列位于中间的固定桩11为主载桩，两个嵌套件12分别套设在沿水流方向左右两侧的主载桩上。于本实施例中，嵌套件12为圆形，然而本发明对嵌套件的具体结构不作任何限定。于其它实施例中，当潮流能发电装置有8根固定桩时，左列中间两根固定桩和右列中间两根固定桩可为主载桩，每个嵌套件12可为双环结构，可同时套设于两根主载桩上。

于本实施例中，至少两个受力支撑件13的一端分别安装在水平轴水轮发电机2沿水流方向D的左右两侧，另一端分别对应地安装有嵌套件12。于本实施例中，以图1中位于左侧的受力支撑件13为例，受力支撑件13的一端指的是右端，受力支撑件13的另一端为左端。以图1中位于右侧的受力支撑件13为例，受力支撑件13的一端指的是左端，受力支撑件13的另一端为右端。

本实施例的受力支撑件13和嵌套件12相结合以抵挡水流对水平轴水轮发电机2的冲击力。具体而言，如图1所示，水流从下往上沿水流方向D冲向水平轴水轮发电机2，由于两个受力支撑件13的一端分别固定在水平轴水轮发电机2的两侧，可以直接将水流对水平轴水轮发电机2的推力进行两侧的传递和分解。推力先后通过受力支撑件13、嵌套件12、主载桩和支架14被均衡地分配到每根固定桩11上，所有的固定桩11共同受力。同时，由于嵌套件12是固定在主载桩上，因此嵌套件12会对受力支撑件13产生一个如图1方向看去从上往下的“阻挡力”，不同的力之间产生的效果发生抵消，从而达到一个平衡，进而保证水平轴水轮发电机2在水中的稳定，从而提高了水平轴水轮发电机2能够承受水流推力的上限。

于现有技术中，水平轴水轮发电机是通过单根承载桩固定于海床，单根承载桩将承受水流对水平轴水轮发电机全部的冲击力。在这个过程中产生的弯矩和剪切力将非常大，为了确保承载桩不超负荷，对水平轴水轮发电机的单机装机规模设置了上限。然而，本实施例的总成平台，在整个发电装置的“腰部”设置了至少两个受力点，有效地将水流对水平轴水轮发电机的冲击力进行横向的分散。由于潮流能发点装置是利用水流的动能进行发电，水流的推力越大，发电量越大，因此，本实施例的潮流能发电装置能够承载更大功率的水平轴水轮发电机。

本实施例的嵌套件12和主载桩可通过千斤顶或者固定螺栓进行固定。然而，本发明对此不作任何限定。于另一实施例中，嵌套件12和主载桩可以实现过盈配合。具体而言，当将受力支撑件13套设在主载桩上时，无需额外配置千斤顶或者固定螺栓即可将嵌套件12和主载桩完全卡牢，二者的固定不会出现松动。安装的时候也对应地无需安装人员进入水下进行安装操作，也因此无需额外设置通人管。

于本实施例中，嵌套件12和受力支撑件13的数量均为两个。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，嵌套件和受力支撑件的数量可均为四个，水平轴水轮发电机沿水流方向的左右两侧可各有两个嵌套件和受力支撑件。于本实施例中，受力支撑件13的长度方向为垂直于水流方向D且平行于水平面P的方向，这样设置既减小受力支撑件1的用钢量也减小受力支撑件1产生的弯矩。本发明对此也不作任何限定。于其它实施例中，受力支撑件的长度方向可垂直于水流方向，但是和水平面可不平行，即受力支撑件可倾斜设置。受力支撑件13越倾斜设置，受力支撑件13的长度将会变长，用钢量将会变大，并且产生的弯矩也会增加。因此，受力支撑件13和嵌套件12的结合端需要设置于水面以下。

于本实施例中，两个受力支撑件13的一端是直接安装于水平轴水轮发电机2的发电机部分且位于左右两侧。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，水平轴水轮发电机可具有悬挂支撑柱，则两个受力支撑件13的一端可以安装在悬挂支撑柱上，且仍然位于水平轴水轮发电机2的两侧。换言之，受力支撑件的一端是直接或间接地安装在水平轴水轮发电机2上，从而朝两侧分解水平轴水轮发电机2受到的力。优选地，两个受力支撑件13固定于水平轴水轮发电机2两侧的位置离水平轴水轮发电机越近越好，越远则分解和传递力的作用越弱，同时增加了悬挂支撑柱产生的弯矩。

于实际安装过程中，水平轴水轮发电机2、受力支撑件13和嵌套件12在岸上进行焊接固定，组装形成内模块。固定桩11的雏形和支架14也先在岸上相互焊接固定连接，之后将其运至安装水域，分别对至少四根固定桩11进行打桩操作，进而完成了总成平台1的安装。之后将内模块从水面上自上而下吊入总成平台1的安装空间15内，然后完成嵌套件12和主载桩的固定，即完成整个潮流能发电装置的安装。于本实施例中，潮流能发电装置及其总成平台所有的制造和安装动作都可以在水面以上完成，杜绝了水下作业，降低了施工难度，提高了施工人员的安全性，也大幅度减少了施工安装成本。

关于本实施例中每根固定桩11如何固定于海床F上，可以采用本发明人发明的另外一个中国专利(公告号CN105401564)披露的打桩方式进行打桩，也可以采用现有的其它打桩方式，在此不展开进行描述。本发明对此也不作任何限定。需要注意的是，本实施例仅固定桩的打桩方式可以和CN10540156中披露的打桩方式一致，但是整个潮流能发电装置的结构和安装方式与CN10540156中披露的结构和安装方式有本质的不同。

首先，本发明人发明的CN10540156中的水平轴水轮发电机是先安装在内框架里，之后将内框架插入外框架中。内框架和外框架的设置会导致用钢量大大增加，成本大幅度攀升。在将本发明人之前发明的潮流能发电装置投入实际应用后，发明人发现水流产生的推力是巨大无法想象的，最大能产生高达2000-3000吨力的推力。因此只能通过加大内框架的重量，靠自身重力带来的摩擦来抵消水流对水轮发电机的推力，这样就导致用钢量和成本急剧上升。本实施例完全摒弃了框架的使用，整个总成平台，除了在灌注混凝土形成固定桩过程中需要用到少量的钢筋笼，受力支撑件、嵌套件和支架用到钢材以外，其他部分完全不需要钢材。整个总成平台的钢材消耗量几何层级地减少，大幅度降低了制造成本。

本发明人经过实际应用比对发现，实施本发明人之前发明的安装方法和结构，一台单机装机规模为200KW的水平轴水流发电机，叶轮的直径为5.4m，叶轮的截面为22.9m²，水轮发电机将承受水流23吨力的推力，此时，内框架需要高达230多吨，才能保障水轮发电机的安全运行。然而，本实施例的潮流能发电装置整个总成平台的重量仅需要做到125吨(如果除去中空的受力支撑件、中空的发电机机舱等产生的浮力，在水中实际只有25吨的重力)，即可平稳运行单机装机规模为1.5MW的水平轴水轮发电机，其叶轮直径为15m，叶轮的截面为177m²，水轮发电机会承受水流177吨力的推力。如果采用本发明人之前发明的安装方法和结构，需要高达1800吨的框架才能承载1.5MW的水平轴水轮机，而这个重量的框架无论是从技术还是从成本角度而言，都根本不可能实现。因此，光框架这个问题就限制了现有水平轴水轮发电机单机规模的做大。

其次，CN10540156中的水平轴水轮发电机是通过中心转轴可转动地固定在内框架的最上方和最下方。在水流巨大的推力作用下，水平轴水轮发电机在运行过程中很容易产生振动，发电机规模越大，振动就越厉害。剧烈的振动会导致水平轴水轮发电机内部的元器件产生共振从而发生损坏。因此，在将本发明人之前发明的潮流能发电装置投入实际应用后，发现采用CN10540156中的安装方式，只能安全运行200KW或300KW的水平轴水轮发电机，单机规模如果达到1MW以上，水平轴水轮发电机将非常容易损坏，这使得水平轴水轮发电机的单机规模无法突破。然而，本实施例提供的潮流能发电装置在水平轴水轮发电机的腰部或者腰部附近设有至少两个“束缚点”，水平轴水轮发电机是直接牢固地和受力支撑件进行固定，然后受力支撑件也牢固地和嵌套件固定，嵌套件和支架与固定桩之间也是牢固的固定关系。换言之，水平轴水轮发电机和总成平台是牢固的固定关系，没有元器件会在水中发生超出安全范围的震动，避免了共振的问题。因此本实施例提供的潮流能发电装置可以平稳运行更大装机规模的水平轴水轮发电机。

于本实施例中，为了有效地减少海洋异物(例如海洋垃圾或者浮冰)对水平轴水轮发电机2的损害，因此需要在水平轴水轮发电机2的上游和下游均设置栅栏。由于海洋垃圾较多，当栅栏使用一段时间之后需要定期清理表面垃圾，才能够确保水流一直顺畅地涌入水平轴水轮发电机2而不被垃圾阻挡，保障发电效率。另外，由于水流湍急，有些垃圾比较尖锐，即便是采用钢丝制作栅栏，仍然会存在损坏问题，因此栅栏需要经常维修和更换。现有的栅栏清理、安装和维修人员必须潜到水里进行作业，操作难度高，效率低，并且由于潮流能发电机周围水流冲撞容易造成漩涡，维修和清理也存在危险。

于本实施例中，总成平台1还包括至少两组用于安装或固定栅栏的栅栏导槽16，两组栅栏导槽16分别设置于水平轴水轮发电机2的上下游两侧(如果水流方向如图1中的D所示，则图1的下方为上游，图1的上方为下游)，每组栅栏导槽16都从水面以上通到水面以下。于本实施例中，每组栅栏导槽16包括两个栅栏导槽，一组栅栏导槽16位于图1中上游两根固定桩11(图1中最下方的两根固定桩)上游的一侧，另一组栅栏导槽16位于图1中下游两根固定桩11(最上方的两根固定桩)下游的一侧。于实际应用中，栅栏的左右两个侧边可沿着一组栅栏导槽16从上往下插入到栅栏导槽16中，之后依靠自身的重力作用滑行到底端，从而完成栅栏的安装和固定。通过设置栅栏导槽16，使得栅栏的安装更加简便，不需要进行海里的安装作业，直接进行海面上操作即可完成栅栏的安装。特别地，需要对栅栏进行清理或更换时，可以沿着栅栏导槽16从下往上拉出栅栏，人员只需要在水面上进行操作。因此，栅栏导槽16的设置也方便了栅栏的清理和更换工作。通过设置栅栏导槽16，降低了安装栅栏和维修更换的成本。本实施例对栅栏的具体类型不作任何限定。

于本实施例中，总成平台1包括至少一个通人管道17，至少一个通人管道17从水面以上通到水面以下，使得人能够通过通人管道17到达水面以下进行维修或固定操作。于本实施例中，通人管道17的数量为两个，两个通人管道17分别位于水平轴水轮发电机2两侧的主载桩内，人员可以通过通人管道17到达水面以下对嵌套件12和主载桩进行安装固定。于本实施例中，主载桩的下部灌注混凝土，上部中空，从而人能够通过主载桩到达水面以下对主载桩与嵌套件进行安装固定。换言之，上部中空的主载桩即起到通人管道17的作用，因此无需额外设置专门的管道来作为通人管道17，只需在主载桩内设置爬梯，人员可通过内部的爬梯进入水下，到达主载桩和嵌套件12的固定处，从而进行固定操作(例如调节固定螺栓等)。本发明对此不作任何限定，于其它实施例中，通人管道17可沿主载桩外进行布置。

于本实施例中，总成平台1还包括至少一个鼓风机181和一个通风管182，通风管182可固定或可拆卸地沿通人管道17内或沿通人管道17外进行布置，通风管182从水面P以上通到水面P以下以使水面下的工作区内能够进行换风。现有的潮流能发电装置没有考虑过水下安装或者维修的情况。本发明人之前考虑过水下维修，但是忽视了由于内部的机器长时间运行，机器发热产生的高温也会伴随产生有毒有害气体和二氧化碳浓度过高的问题。如果需要进行水下作业，人员需要长时间呆在水下，很容易发生缺氧或者二氧化碳中毒等情况。本实施例的鼓风机181和通风管182构成了新风系统，大大保障了进入水下的维修人员或者安装人员的生命安全。当人员需要进入水面以下的工作区内进行工作时，可启动鼓风机对水面以下的工作区内进行换风。于具体应用中，新风系统可具有更复杂的结构，比如具有独立的送风系统和排风系统等，在此不展开进行赘述。

于本实施例中，总成平台1还包括至少一个抽水泵183和至少一根排水管184，排水管184可固定或可拆卸地沿通人管道17内或沿通人管道17外进行布置，排水管184从水面P以上通到水面P以下，抽水泵183抽取水面以下的工作区内的积水并通过排水管184排出到水面以上。由于整个潮流能发电装置的大部分都是位于水中，在长久的运行后，密封圈容易发生松动，很难保证不会发生密封圈处漏水的情况。如果没有任何防护措施，维修人员或安装人员从通人管道17进入水下工作区域的话，很可能会面临生命危险。通过设置抽水泵183和排水管184，大大保障了人员的生命安全。于本实施例中，当人员需要进行水下工作前，启动抽水泵183先运行一段时间，观察排水管184是否有积水排出。人员可以直到排水管184没有明显积水排出才进入通人管道17。在人员进行水下工作时，抽水泵183一直保持工作直到人员完成工作回到水面以上。然而，本发明对抽水泵的工作形式不作任何限定。于其它实施例中，抽水泵183可定期运行以抽取内部的积水并通过排水管184排出到水面以上，从而避免积水损害元器件，并且保证工作人员的生命安全。于本实施例中，通风管182、排水管184、通人管道17可均位于固定桩11内。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，可沿固定桩11外设置专门的通风管182、排水管184、通人管道17从水上通到水下。

于本实施例中，每一列固定桩11朝水平轴水轮发电机2的一侧设置有侧板19。侧板19能够形成水道从而起到整流作用，即可以将水流聚集，更好地导向水平轴水轮发电机2，从而提高发电效率。于另一实施例中，水平轴水轮发电机2的上下左右四侧可都设有侧板，从而形成水道将水集中引导冲向水平轴水轮发电机2。

如图2所示，于本实施例中，总成平台1的每一根固定桩11在最低潮位线L以上的区域都设有混凝土保护装置111，保护每一根固定桩11不受到潮间带的强腐蚀，从而大大延长固定桩11的使用寿命，也因此延长总成平台1的使用寿命，降低维修频率和成本。由于水起到隔绝空气中的氧的作用，固定桩11在水下的部分不易腐蚀，固定桩11位于水面以上的部分反而最容易腐坏。如果不设置混凝土保护装置，固定桩11在水上的部分一旦腐坏，将会导致固定桩11之间力的传递不再均衡，很可能造成整个总成平台1的失衡甚至倒塌。通过设置混凝土保护装置111，整个总成平台1的使用寿命能够长达50年。随着涨潮和落潮，水面P的高度会发生变化，因此混凝土保护装置111的最下端优选设置在最低潮位线L处。于实际应用中，混凝土保护装置111的最下端可以低于最低潮位线L。于具体应用中，在固定桩的11位于最低潮位线L以上的区域设有保护套，然后在保护套内灌注混凝土，从而形成混凝土保护装置111。

于本实施例中，总成平台还包括密封装置185和固定组件186，固定组件186包括至少一个固定螺栓，密封装置185对应地设于固定组件186处。于本实施例的潮流能发电装置的安装过程中，在岸上将水平轴水轮发电机2、至少两个受力支撑件13和至少两个嵌套件12焊接连接好形成内模块。在固定桩11完成在海床F上的打桩固定后(包括但不限于在海床上进行钻孔、打桩嵌入基岩层、在桩内灌注混凝土形成钢筋混凝土灌注桩)，将内模块自上而下吊入位于水中的安装空间15内。随后人员从通人管道17进入(于本实施例是沿主载桩的内部爬梯进入)，通过调节固定组件186(比如拧紧固定螺栓)，将嵌套件12和主载桩卡紧，从而实现嵌套件12和主载桩的固定。至此，整个内模块和总成平台1完成固定，整个潮流能发电装置完成安装。然而，本发明对此不作任何限定。于另一实施例中，通人管道17可以通到受力支撑件13内，然后人员进入受力支撑件13内通过密封装置185和固定组件186将嵌套件12和主载桩固定在一起。于又一实施例中，嵌套件12和主载桩为卡合固定，因此无需设置密封装置185和固定组件186。

在实际制造过程中，很难保证嵌套件内径的尺寸能和主载桩的外径尺寸完全匹配。因为公差的存在，所以主载桩和嵌套件12之间会存在间隙。为了避免水平轴水轮发电机2发生晃动，安装人员可以通过通人管道17进入水下调节固定组件186(比如拧紧固定螺栓)，从而使得嵌套件12牢牢卡死在固定桩11的外壁上，避免了水平轴水轮发电机2的晃动。无论涨潮还是落潮，水平轴水轮发电机2都牢牢地被定位，不会产生超出可接受范围的振动现象。在这个过程中，鼓风机181一直工作，从通风管182送入新鲜的空气。并且抽水泵183也可以一直工作，从排水管184排出可能的积水，从而保障人员的生命安全。当需要将水平轴水轮发电机2从水中吊出时，可以调松固定组件186，从而解除水平轴水轮发电机2和主载桩之间的固定关系，实现水平轴水轮发电机2的可分离式安装和固定。

于本实施例中，潮流能发电装置还包括至少一个悬挂支撑柱31，为密闭中空结构，悬挂支撑柱31的一端连通水平轴水轮发电机2，使得人员能够通过悬挂支撑柱31进入水平轴水轮发电机2的内部，悬挂支撑柱31的另一端通向水面P以上。由于悬挂支撑柱31为密闭中空结构，可以在悬挂支撑柱31的内部设置爬梯。人员可通过中间的悬挂支撑柱31内部的爬梯进入水平轴水轮发电机2的内部进行工作(比如更换密封圈、更换机油等维修工作或者管道线路的布置工作)。当水平轴水轮发电机2发生故障时，可无需将水平轴水轮发电机2吊出水面，人员可以直接进入水平轴水轮发电机2的内部进行维修。本实施例潮流能发电装置中的悬挂支撑柱31对应地设置有鼓风机181、通风管182、抽水泵183以及排水管184，以保障水下工作人员的生命安全。

现有的潮流能发电装置大多数是在水平轴水轮发电机的下方设置单根承载桩，这样的安装方式有两个明显的缺点。第一个是上文已经提及的单根承载桩支撑将承受水流对水平轴水轮发电机全部的推力，从而导致弯矩和剪切力过大，所以无法承载更大单机规模的水平轴水轮发电机，使得发电成本居高不下。第二个是如果水平轴水轮发电机需要进行维修，那么需要人在水下拆除水平轴水轮发电机和承载桩之间的连接，然后将水平轴水轮发电机吊离海面，维修安全隐患大。并且，为了保证水平轴水轮发电机的正常运行，承载桩和水平轴水轮发电机之间的固定要非常牢靠，这也意味着解除二者之间的连接关系非常难，更不用提在水下进行操作，维修难度非常高。因此，现有的很多潮流能发电装置根本就不维修，一旦水平轴水轮发电机发生损害(比如密封圈由于长久使用发生松动而导致水平轴水轮发电机内部进水或者水平轴水轮发电机的机油要进行更换等)，则整个发电装置直接进行报废。这也是造成现有的潮流能发电装置使用寿命短，成本高的重要原因之一，使得潮流能发电装置无法实现商业化。

然而，本实施例中的水平轴水轮发电机2，在需要进行维修时，维修人员可通过悬挂支撑柱31直接进入水平轴水轮发电机2的内部直接进行水下维修。于实际应用中，本实施例的总成平台的使用寿命可以长达50年，但是水平轴水轮发电机的使用上限是20年，当水平轴水轮发电机2到达使用寿命时，只需解除水平轴水轮发电机2和总成平台1之间的固定连接，即可从下至上将水平轴水轮发电机2从水里吊出水面，更换新的水平轴水轮发电机2进行安装。本实施例的水平轴水轮发电机2通过倒挂式可分离的安装方式，水平轴水轮发电机2的维修更换成本和难度远远低于直接固定于海床上的水平轴水轮发电机的维修成本和难度。

本实施例的水平轴水轮发电机2在水下被悬挂支撑柱31和两侧的受力支撑件13进行固定，确保水平轴水轮发电机2在水流巨大的推力作用下不会发生晃动，产生的振动也在安全范围之内。因此，本实施例提供的潮流能发电装置可以运行更大规模的水平轴水轮发电机，这也意味着水平轴水轮发电机的单机装机功率会更大。现有的潮流能发电装置可以承受的最大单机装机功率为2MW，本实施例的潮流能发电装置可以直接承载和运行单机装机功率为5MW甚至10MW、20MW的水平轴水轮发电机。这极大地促进了海洋能发电产业的发展和推动技术的进步，给本行业带来根本性的变革。

同时，现有的潮流能发电装置即便采用2MW的单机装机功率，也因为没有解决维修等问题，无法持续发电。即便部分潮流能发电装置有考虑维修问题，但是因为维修成本高昂，导致潮流能产电的发电成本远高于其他能源发电的成本，因此现有的潮流能发电装置的商业价值一直很小。本实施例的悬挂支撑柱不仅起到支撑作用，还能够通人进到水平轴水轮发电机内部进行维修，大大降低了维修成本。

于本实施例中，大型潮流能发电装置还包括至少一个连接件4，至少一个连接件4横向或纵向地连接悬挂支撑柱31水面以上的一端和总成平台1。当需要将水平轴水轮发电机2和总成平台1相分离时，解除连接件4和总成平台1的连接关系，调松固定组件186即可将水平轴水轮发电机2从水中吊出。

于另一实施例中，潮流能发电装置可不具有悬挂支撑柱，两个通人管道17可分别连通受力支撑件13，两个受力支撑件13可为中空结构，人员可以通过通人管道17和受力支撑件13到达水平轴水轮发电机2的内部，对水平轴水轮发电机2内部进行维修操作(比如机油的更新、齿轮的更换、密封件的更换等)。通风管182、排水管184也可都连通受力支撑件13的内部，并且通风管182和排水管184可以沿着中空的受力支撑件13进行布置，一直到达水平轴水轮发电机2的内部。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，总成平台可仅具有一个通人管道，人员可通过通人管道到达一侧的受力支撑件，对一侧的嵌套件12和主载桩进行固定安装，也可经过受力支撑件到达水平轴水轮发电机的内部，对水平轴水轮发电机进行维修操作，还可以依次通过一侧的受力支撑件、水平轴水轮发电机、另一侧的受力支撑件，对位于另一侧的嵌套件12和主载桩进行固定安装。于又一实施例中，总成平台可设置专门的通人管道，直接从水面之上连通水平轴水轮发电机的内部。

图3所示为根据本发明第二实施例提供的大型潮流能发电装置的局部示意图。第二实施例的总成平台、水平轴水轮发电机、固定桩11、混凝土保护装置、嵌套件12、受力支撑件、支架、安装空间、栅栏导槽、通人管道、鼓风机、通风管、抽水泵、排水管、侧板等可与第一实施例中的相应元件的结构和功能基本相同。以下仅就不同之处予以说明。

于第二实施例中，总成平台还包括两个避震装置21，每个避震装置21设置于嵌套件12与固定桩11之间。避震装置21可以采用特殊的聚乙烯高分子材料、橡胶材料或者弹簧等。通过设置避震装置21，可以有效地减小水平轴水轮发电机可能产生的共振。

图4所示为根据本发明第三实施例提供的栅栏的示意图，图4中右边虚线圆圈为左边虚线圆圈标识处的俯视图。第三实施例的总成平台、水平轴水轮发电机、固定桩、混凝土保护装置、嵌套件、受力支撑件、支架、安装空间、栅栏导槽、通人管道、鼓风机、通风管、抽水泵、排水管、侧板等可与第一实施例中的相应元件的结构和功能基本相同。以下仅就不同之处予以说明。

于本实施例中，总成平台包括至少两个栅栏3，分别设置于水平轴水轮发电机2的上下游两侧，每个栅栏3沿水流方向的宽度W大于或等于8厘米。现有的潮流能发电装置往往忽略了海洋中异物(比如海洋垃圾、海中浮冰等)对水轮发电机叶轮的损坏。发明人注意到了这点，因此采用设置栅栏的方式，从而降低海洋异物卷入叶轮中的概率。然而，经过一年多的实践发现，如果是通过钢丝编织形成的栅栏，经过水流持续不断地冲击，钢丝交接处相互摩擦，位于交接处的钢丝的厚度将会不断变薄，最终钢丝断裂，从而丧失了栅栏拦截海洋异物的作用。更重要的是，断裂的钢丝会被绞入水轮发电机的叶轮中，破坏叶片，导致整个水平轴水轮发电机的损坏。这样不但没有起到保护叶轮的作用，还意外造成维修成本的攀升。因此，通过将栅栏3沿水流方向的宽度设置为大于或等于8厘米，无论水流如何冲击，栅栏将不会再次损坏。由于本领域的特殊性，潮流能水平轴水轮发电机每一次的维修或者每一次的更换元件，都会造成成本巨大的攀升，阻碍潮流能发电装置的商业化运用。本领域技术人员之前往往都陷入误区，一直从理论上去考量问题，而忽略了发电装置真正投入运用后的经济适用性。8厘米这个参数是本发明人经过不断地实践积累，总结经验教训，最后确定能够保证栅栏有足够长的使用寿命的参数。

于本实施例中，每个栅栏网格沿水深方向的高度仍然为钢丝的直径，即8mm左右。于实际应用中，栅栏3沿水流方向的宽度W可为30厘米，有效防止加拿大北部附近海域中冰凌的撞击，同时也确保钢丝不会被绞断。于本实施例中，栅栏垂直于水流方向且平行于水平面方向的长度根据对应安装的总成平台尺寸而定，本专利不做限定，比如可为15m*20m。栅栏沿水深方向的高度根据实施地水流环境的应力条件而定，本专利不做具体的限定。栅栏的网目可为方形或菱形结构，本专利对网目距离的大小不做限定，网目可为30cm*30cm。另外，本专利对栅栏支架和拦网的具体材料也不做限定。

本申请提及的所有实施例中的所有特征可以依据实际情况进行自由组合使用。举例而言，第三实施例中的栅栏可以运用到第一或第二任一实施例的潮流能发电装置中，第三实施例中的栅栏也可以用于任何现有的潮流能发电装置中。第一或第二任一实施例的潮流能发电装置也可以采用其他结构的栅栏。第一至第三实施例的潮流能发电装置，都可以在水深方向上安装一台或一台以上的水平轴水轮发电机。

综上所述，本发明通过将四根固定桩和支架连在一起形成安装空间，然后水平轴水轮发电机固定于安装空间内，而不是像现有技术一样将水平轴水轮发电机安装于框架内，大幅度降低了钢材的使用，降低了制造和安装成本。并且，本发明通过设置位于水平轴水轮发电机两侧的受力支撑件和嵌套件，能够将水平轴水轮发电机受到的水流的推力均衡地传递到两侧，从而分散给整个总成平台，使得整个总成平台能够承载更大功率的单个水平轴水轮发电机，大幅度降低了潮流能发电装置的发电成本。特别地，本发明的水平轴水轮发电机在水中具有“固定点”，因此避免了现有技术中水平轴水轮发电机在水流巨大的推力作用下，因为晃动产生共振现象从而容易损坏的问题。通过采用本申请提供的大型潮流能发电装置及其总成平台，能够真正将潮流能发电的成本降低到低于火力发电的成本，从而真正实现潮流能发电的商业推广和运用。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (10)

1.一种大型潮流能发电装置的总成平台，其内安装有至少一个水平轴水轮发电机，其特征在于，所述大型潮流能发电装置的总成平台包括：

支架；

至少四根固定桩，所述至少四根固定桩通过支架连接成一体且围绕形成一个安装空间，所述至少一台水平轴水轮发电机安装于安装空间内，每根固定桩的一端打桩固定于海床，另一端延伸到水面以上，所述至少四根固定桩沿着水流方向分左右两列布放，其中每一列至少两根固定桩沿着水流方向依次布放，将所述每一列至少两根固定桩中的至少一根固定桩作为主载桩；

至少两个嵌套件，分别可分离地套设于水平轴水轮发电机左右两侧的主载桩上且位于水面以下；

至少两个受力支撑件，所述至少两个受力支撑件的一端分别安装在所述水平轴水轮机沿水流方向的左右两侧，另一端分别对应地安装有嵌套件，以抵挡水流对所述水平轴水轮发电机的冲击力。

2.根据权利要求1所述的大型潮流能发电装置的总成平台，其特征在于，所述总成平台还包括至少两组用于安装或固定栅栏的栅栏导槽，分别设置在水平轴水轮发电机的上下游两侧，每组栅栏导槽都从水面以上通到水面以下。

3.根据权利要求1所述的大型潮流能发电装置的总成平台，其特征在于，所述总成平台还包括至少一个通人管道，所述至少一个通人管道的一端通向水面以上，另一端通向水面以下，使得人能够到达水面以下对主载桩与嵌套件进行安装固定。

4.根据权利要求3所述的大型潮流能发电装置的总成平台，其特征在于，所述总成平台还包括至少一个鼓风机和一个通风管，所述通风管可固定或可拆卸地沿通人管道内或者沿通人管道外进行布置，所述通风管从水面以上通到水面以下以使水面下的工作区内能够进行换风。

5.根据权利要求3所述的大型潮流能发电装置的总成平台，其特征在于，所述总成平台还包括至少一个抽水泵和至少一根排水管，排水管可固定或可拆卸地沿通人管道内或者沿通人管道外进行布置，排水管从水面以上通到水面以下，抽水泵抽取水面以下工作区内的积水并通过排水管排出到水面以上。

6.根据权利要求1所述的大型潮流能发电装置的总成平台，其特征在于，主载桩的下部灌注混凝土，上部中空，从而人能够通过主载桩到达水面以下对主载桩与嵌套件进行安装固定。

7.根据权利要求1所述的大型潮流能发电装置的总成平台，其特征在于，所述总成平台还包括至少一个悬挂支撑柱，为密闭中空结构，悬挂支撑柱的一端连通所述水平轴水轮发电机，使得人员通过所述悬挂支撑柱进入水平轴水轮发电机的内部，悬挂支撑柱的另一端通向水面以上。

8.根据权利要求1所述的大型潮流能发电装置的总成平台，其特征在于，所述总成平台还包括密封装置和固定组件，固定组件固定主载桩和嵌套件，密封装置对应地设于固定组件处。

9.根据权利要求1所述的大型潮流能发电装置的总成平台，其特征在于，所述总成平台还包括至少两个避震装置，每个避震装置设置于嵌套件与主载桩之间。

10.一种大型潮流能发电装置，其特征在于，包括：

如权利要求1-9中任一项所述的总成平台；

至少一个水平轴水轮发电机，可分离地安装于总成平台中；

至少一个悬挂支撑柱，为密闭中空结构，悬挂支撑柱的一端连通所述水平轴水轮发电机，使得人员通过所述悬挂支撑柱进入水平轴水轮发电机的内部，悬挂支撑柱的另一端通向水面以上。

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