CN112696307A - 一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，属于潮流能发电装置技术领域。本发明解决了现有的涡激振动潮流能发电装置因其结构限制，导致其不适用于较深海域工作的问题。它包括导流罩、钢架结构、至少一组发电组件、若干浮筒及若干系泊系统，其中所述发电组件为涡激振动发电组件，若干系泊系统的底端均固装在海底，若干浮筒一一对应固装在若干系泊系统的顶端，若干浮筒沿导流罩周向布置且所述导流罩与若干浮筒之间通过钢架结构固接，所述发电组件固装在导流罩内，所述导流罩通过浮筒及系泊系统形成半潜式主浮体结构。可适用于50米～500米较深海域。因而有效解决了现有技术中涡激振动发电组件在实际深海流域中的定位和安装问题。

Description

一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置
技术领域
本发明涉及一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，属于潮流能发电装置技术领域。
背景技术
随着世界经济不断地高速发展,人类对能源的需求量愈来愈大,按目前统计的年均开采量估算,我国到2040年石油资源枯竭；2060年天然气耗尽；2300年煤炭存储量开采完毕。为了人类社会的可持续发展，开发新型的、可再生的能源是世界各国当前必须解决的问题。
目前在可再生能源范畴里，能源能量密度最高的是海洋能，由于海洋能的清洁可再生且储量丰富的特性，使得对海洋能的开发具有重要意义和价值。目前已知的海洋能种类繁多，其中潮流能就是一种具有高能量密度的海洋能。目前利用水轮机发电是潮流能发电的主流形式，但是水轮机发电对水深和流速均有较高的要求。而利用流致振动获能原理进行发电则可以避免此类问题。密歇根大学Bernitsas教授团队已经申请成功的专利号为US 20080295509 A1的新型专利，提出了一种新型的潮流能发电装置VIVACE(VortexInduced Vibation Aquatic Clean Energy)，该装置利用圆柱形截面结构在稳定水流中的涡激振动现象，将海流的水动能转化为发电装置的振子的机械能；然后由发电机将机械能转化为电能。但是目前已有的VIVACE装置仅仅局限于模型实验，对发电装置在实际海流及河流中的总体实验及研究很少。如何利用涡激振动实现在实际海域中的发电，如何解决和应对涡激振动发电装置在实际海域中会遇到的问题(如：1、若采用坐底式安装，会使发电装置因结构限制，导致其受水深限制，不适用于200米以上的较深海域；2、传统潮流能发电装置选择水轮机作为能量转换装置，而水轮机的稳定工作流速在1.5m/s以上。但在我国，大部分海域的海流都不能稳定保持在该流速以上)，这都将成为后续需要继续研究的重要课题。
发明内容
本发明是为了解决现有的坐底式涡激振动潮流能发电装置不适用于较深海域工作的问题，进而提供了一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，它包括导流罩、钢架结构、至少一组发电组件、若干浮筒及若干系泊系统，其中所述发电组件为涡激振动发电组件，若干系泊系统的底端均固装在海底，若干浮筒一一对应固装在若干系泊系统的顶端，若干浮筒沿导流罩周向布置且所述导流罩与若干浮筒之间通过钢架结构固接，所述发电组件固装在导流罩内，所述导流罩、浮筒及系泊系统组成浮式主浮体结构。
进一步地，所述导流罩包括安装操作平台以及固装在安装操作平台底端面且对称布置的两个导流板，其中安装操作平台以及两个导流板的底端均与钢架结构固接。
进一步地，所述发电组件包括圆柱振子、发电机、齿轮齿条啮合组件、竖直且对称布置的两个导轨以及水平且对应固装在两个导轨底端的两个固定底板，其中，所述两个导轨及两个固定底板均对称固装在两个导流板相对的一侧，所述圆柱振子水平布置在两导轨之间且两端分别通过第一滑块与导轨滑动连接，所述齿轮齿条啮合组件中的齿轮与发电机连接，齿条竖向穿设在一个导轨内且底端与第一滑块固接。
进一步地，齿条与其固接的第一滑块之间由上到下依次一体固接有第二滑块及连接杆，其中所述第二滑块上下滑动连接在导轨内。
进一步地，安装操作平台上开设有安装孔，发电机安装在安装操作平台上方，两个导轨的顶端通过横梁固接，且所述横梁固装在安装操作平台的顶端面。
进一步地，每个固定底板均水平布置且其上均沿长度方向开设有若干销孔，其中每相临的两个销孔为一组，导轨的底端部沿其宽度方向加工有两个定位销，且对应插装在其下方的一组销孔内。
进一步地，浮筒的数量为三个且在水平方向上呈等边三角形布置，所述钢架结构包括底部固定架体、垂直固装在底部固定架体上方的四个立杆以及三组斜向支撑杆，其中两个导流板固装在底部固定架体上，安装操作平台为矩形结构体，其四个转角处对应与四个立杆的顶端固接，三个浮筒均与底部固定架体固接且对应与三组斜向支撑杆的下端固接，每组斜向支撑杆的上端均与安装操作平台固接。
进一步地，每组斜向支撑杆均包括两个支杆主体，且两个支杆主体的上端对应固装在安装操作平台上相临的两个转角处。
进一步地，所述系泊系统为张力腿式系泊系统。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
发电装置采用系泊系统定位，属于海上浮式结构物，可适用于50米～500米水深范围的海域。因而有效解决了坐底式涡激振动发电组件在实际较深海域中的定位和安装问题。
所述导流罩及其内安装的发电组件形成浮式主浮体结构，即大部分结构处于水线面以下，如此可以有效降低整体结构所受的波浪力载荷。
附图说明
图1为本申请的立体结构示意图；
图2为发电组件的立本结构示意图；
图3为齿条与第一滑块之间的连接结构示意图；
图4为安装操作平台的立体结构示意图；
图5为固定底板的立体结构示意图；
图6为导轨与横梁的安装结构示意图；
图7为导流板的立要结构示意图；
图8为钢架结构的立体结构示意图；
图9为浮筒与系泊系统的连接结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～9说明本实施方式，一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，它包括导流罩1、钢架结构2、至少一组发电组件3、若干浮筒4及若干系泊系统5，其中所述发电组件3为涡激振动发电组件3，若干系泊系统5的底端均固装在海底，若干浮筒4一一对应固装在若干系泊系统5的顶端，若干浮筒4沿导流罩1周向布置且所述导流罩1与若干浮筒4之间通过钢架结构2固接，所述发电组件3固装在导流罩1内，所述导流罩1、浮筒4及系泊系统5组成浮式主浮体结构。
发电装置采用系泊系统5定位，属于海上浮式结构物，可适用于50米～500米水深范围的海域。因而有效解决了现有技术中涡激振动发电组件3在实际深海流域中的定位和安装问题。
本申请中所采用的系泊系统5为现有技术，优选为张力腿式系泊系统5。
张力腿式系泊系统5的底端通过重力式锚6固装在海底。用于整个发电装置的固定。
通过设置浮筒4为整个发电装置提供所需的浮力。若干浮筒4均布在导流罩1的外部，以进一步保证发电装置的稳定性。浮筒4的结构为顶端封闭，底端开口的圆筒形结构。
所述导流罩1及其内安装的发电组件3形成浮式主浮体结构，即大部分结构处于水线面以下，如此可以有效降低整体结构所受的波浪力载荷。
导流罩1可为发电组件3提供较稳定的工作环境和较为集中水流。
通过钢架结构2将发电装置各部分连接在一起，加固了整个浮式涡激振动发电装置的稳定性和可靠性。
本申请可串联连接多部发电组件3。
本申请采用涡激振动发电组件3代替传统的水轮机，使用涡激振动发电组件3作为能量转换装置，实现在较低流速时即可启动，而在我国海域，大部分时间海流流速都保持在较低水平，因此该类的优点更为凸显。有效解决了水轮机式潮流能发电装置在低流速下无法正常工作的问题。
所述导流罩1包括安装操作平台11以及固装在安装操作平台11底端面且对称布置的两个导流板12，其中安装操作平台11以及两个导流板12的底端均与钢架结构2固接。如此设计，保证发电组件3的稳定安装，且便于发电组件3的回收和维修操作。两个导流板12相对布置形成的两个扇形口可引导来流。
所述发电组件3包括圆柱振子31、发电机32、齿轮齿条啮合组件、竖直且对称布置的两个导轨34以及水平且对应固装在两个导轨34底端的两个固定底板35，其中，所述两个导轨34及两个固定底板35均对称固装在两个导流板12相对的一侧，所述圆柱振子31水平布置在两导轨34之间且两端分别通过第一滑块36与导轨34滑动连接，所述齿轮齿条啮合组件中的齿轮与发电机32连接，齿条33竖向穿设在一个导轨34内且底端与第一滑块36固接。如此设计，每个第一滑块36上均一体固装有凸台结构，圆柱振子31的两端均开设有凹槽，圆柱振子31对应通过配合插接的凸台结构与凹槽固定在第一滑块36上。齿轮固装在发电机32的输出轴，形成齿轮轴，齿轮与齿轮轴连接。通过设置导轨34，使得圆柱振子31只能实现纵向的往复运动。水流流过时，圆柱振子31发生涡激振动并沿着导轨34方向上下周期性运动。上端发电机32将振子的往复运动转化成发电机32的电能并储存。利用圆柱振子31的涡激振动现象发电，大大降低潮流能发电装置的启动流速。振子横向水平放置且垂直于来流方向时，发电效率最优。两个导流板12相对布置形成的两个扇形口，保证水流流向与圆柱振子31轴向保持垂直。涡激振动发电组件可实现低流速潮流能的俘获，解决了传统水轮式发电机低流速无法正常工作的问题。
齿条33与其固接的第一滑块36之间由上到下依次一体固接有第二滑块37及连接杆38，其中所述第二滑块37上下滑动连接在导轨34内。如此设计，第一滑块36与第二滑块37同时在导轨34中滑动，使得圆柱振子31的上下移动更平稳。每个滑块的两侧均转动安装有滑轮，便于滑块在导轨34上的上下滑动，减少运动产生的摩擦力，增加能量转换效率。
安装操作平台11上开设有安装孔111，发电机32安装在安装操作平台11上方，两个导轨34的顶端通过横梁39固接，且所述横梁39固装在安装操作平台11的顶端面。通过设置安装孔111，便于导轨34及固定底板35的安装及拆卸。通过设置横梁39，保证导轨34的稳定性。安装时，导轨34通过安装操作平台11的安装孔111放置到两个导流板12围成的水通道内。安装操作平台11上开设有定位槽112，定位槽112内开设螺纹孔113，横梁39通过螺栓固装在安装操作平台11的顶端面。
每个固定底板35均水平布置且其上均沿长度方向开设有若干销孔351，其中每相临的两个销孔351为一组，导轨34的底端部沿其宽度方向加工有两个定位销341，且对应插装在其下方的一组销孔351内。若干组销孔351沿固定底板35长度方向线性均匀排列。定位销341与销孔351之间为过盈配合。通过在固定底板35上开设有若干组销孔351，实现模块化布置，可并排安装多组发电组件3，且安装方便快捷。发电组件3可直接通过安装操作平台11的安装孔111放置到导流罩1中，下端销钉插入所述固定底板35的销孔351中，上端连接横梁39对应放入安装操作平台11的定位槽112中，并通过螺栓连接固定。
浮筒4的数量为三个且在水平方向上呈等边三角形布置，所述钢架结构2包括底部固定架体21、垂直固装在底部固定架体21上方的四个立杆22以及三组斜向支撑杆23，其中两个导流板12固装在底部固定架体21上，安装操作平台11为矩形结构体，其四个转角处对应与四个立杆22的顶端固接，三个浮筒4均与底部固定架体21固接且对应与三组斜向支撑杆23的下端固接，每组斜向支撑杆23的上端均与安装操作平台11固接。利用三角形的稳定性，减少不必要的晃动的同时可减少系泊数量，降低成本。
每组斜向支撑杆23均包括两个支杆主体，且两个支杆主体的上端对应固装在安装操作平台11上相临的两个转角处。
所述系泊系统5为张力腿式系泊系统。如此设计，不仅利用了张力腿式系泊本身可有效控制垂荡运动的优点，而且还可有效解决在布置涡激振动发电群时的密集性问题。

Claims (9)

1.一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，其特征在于：它包括导流罩(1)、钢架结构(2)、至少一组发电组件(3)、若干浮筒(4)及若干系泊系统(5)，其中所述发电组件(3)为涡激振动发电组件(3)，若干系泊系统(5)的底端均固装在海底，若干浮筒(4)一一对应固装在若干系泊系统(5)的顶端，若干浮筒(4)沿导流罩(1)周向布置且所述导流罩(1)与若干浮筒(4)之间通过钢架结构(2)固接，所述发电组件(3)固装在导流罩(1)内，所述导流罩(1)、浮筒(4)及系泊系统(5)组成浮式主浮体结构。
2.根据权利要求1所述的一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，其特征在于：所述导流罩(1)包括安装操作平台(11)以及固装在安装操作平台(11)底端面且对称布置的两个导流板(12)，其中安装操作平台(11)以及两个导流板(12)的底端均与钢架结构(2)固接。
3.根据权利要求2所述的一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，其特征在于：所述发电组件(3)包括圆柱振子(31)、发电机(32)、齿轮齿条啮合组件、竖直且对称布置的两个导轨(34)以及水平且对应固装在两个导轨(34)底端的两个固定底板(35)，其中，所述两个导轨(34)及两个固定底板(35)均对称固装在两个导流板(12)相对的一侧，所述圆柱振子(31)水平布置在两导轨(34)之间且两端分别通过第一滑块(36)与导轨(34)滑动连接，所述齿轮齿条啮合组件中的齿轮与发电机(32)连接，齿条(33)竖向穿设在一个导轨(34)内且底端与第一滑块(36)固接。
4.根据权利要求3所述的一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，其特征在于：齿条(33)与其固接的第一滑块(36)之间由上到下依次一体固接有第二滑块(37)及连接杆(38)，其中所述第二滑块(37)上下滑动连接在导轨(34)内。
5.根据权利要求3或4所述的一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，其特征在于：安装操作平台(11)上开设有安装孔(111)，发电机(32)安装在安装操作平台(11)上方，两个导轨(34)的顶端通过横梁(39)固接，且所述横梁(39)固装在安装操作平台(11)的顶端面。
6.根据权利要求3所述的一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，其特征在于：每个固定底板(35)均水平布置且其上均沿长度方向开设有若干销孔(351)，其中每相临的两个销孔(351)为一组，导轨(34)的底端部沿其宽度方向加工有两个定位销(341)，且对应插装在其下方的一组销孔(351)内。
7.根据权利要求2、3、4或6所述的一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，其特征在于：浮筒(4)的数量为三个且在水平方向上呈等边三角形布置，所述钢架结构(2)包括底部固定架体(21)、垂直固装在底部固定架体(21)上方的四个立杆(22)以及三组斜向支撑杆(23)，其中两个导流板(12)固装在底部固定架体(21)上，安装操作平台(11)为矩形结构体，其四个转角处对应与四个立杆(22)的顶端固接，三个浮筒(4)均与底部固定架体(21)固接且对应与三组斜向支撑杆(23)的下端固接，每组斜向支撑杆(23)的上端均与安装操作平台(11)固接。
8.根据权利要求7所述的一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，其特征在于：每组斜向支撑杆(23)均包括两个支杆主体，且两个支杆主体的上端对应固装在安装操作平台(11)上相临的两个转角处。
9.根据权利要求1所述的一种垂直定位浮式涡激振动潮流能发电装置，其特征在于：所述系泊系统(5)为张力腿式系泊系统。
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