CN114033606A - 一种内孤立波发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种内孤立波发电系统，包括设置在波峰、波谷处的横向发电装置和设置在内孤立波振幅区间内的纵向发电装置，横向发电装置和纵向发电装置通过电缆与海底输电电缆连接，将电能从海底输送至岸上；发电装置包括发电叶轮、发电机等，发电叶轮采用导叶与转轮的设计，保证内孤立波上下运动过程中转轮始终保持统一转向，导叶采用活动转轴的连接方式，以控制导叶的开合情况，并创新采用水体内漂浮式的发电结构，避免以往传统发电机构一半接触水、一半接触空气带来加速腐蚀的问题。本方案设计全新的内孤立波发电系统，将表层的波浪能利用推广至深海的内孤立波，内孤立波资源丰富，通过复用实现更高效、更高功率的发电，提高波浪能利用率。

Description

一种内孤立波发电系统
技术领域
本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种内孤立波发电系统，用于借助海洋内部特殊的波浪能，实现高质量的发电。
背景技术
海洋蕴藏着丰富的能源，许多国家都已经着手开发海洋资源与能源，其中波浪能的有效利用便是其中之一的热点问题。波浪能指海浪运动过程中产生的能量，该能量具有能量巨大、可再生等特点，因此也诞生出了借助波浪能发电的装置。目前的利用波浪能发电的装置全部置于海面上，借助波浪运动以及潮汐作用进行发电。多年以来，针对波浪发电装置的方案层出不穷，大致可分为振荡水柱式、摆式、波面筏、鸭式、振荡浮子等。
但是，在波浪能中，一种能量巨大、作用规律且连续的波浪能却被人忽视，那就是发生于海洋内部的内孤立波。内孤立波是发生在海洋内部波动，其具有强非线性、大振幅、短周期的特点。特别是，我国南海是全球五大内孤立波高发区之一，南海内部的内孤立波传输能量最大、振幅最强、频率最高，具备利用其能量发电的条件。南海北部的内孤立波最大振幅可达到240m，垂向流速0.5m/s，水平流速2.5m/s。在天文大潮期间，南海内孤立波平均每天可发生2次。南海内孤立波向西传播，穿越深水区，经过陆坡陆架区，最终在我国近岸发生破碎，其传播距离可超过600km。
内孤立波属于内波，同时具有内波的特性，具有较强的规律性。不同频率、不同波数的内波通过非线性作用进行能量交换。低垂向波数的内波能量将传递给高垂向波数内波，高垂向内波易发生破碎而发生混合，形成湍流。另外，内波的能量在临界处会被较大尺度的平均流吸收(水平流速达到最大)。因此针对内孤立波能量的利用需要分为两个方面，一方面是利用内孤立波垂向运动产生的能量，另一方面是内孤立波临界层处水平向流动(上下两临界方向相反)产生的能量。
针对内孤立波特点，发明一种内孤立波能量利用装置，可利用其垂向能量与水平向能量进行波浪能发电，并通过布置于海底的电缆连通至位于陆地的电厂储电或传输，提供一种波浪能利用新途径，并且提高波浪能利用效率。
发明内容
本发明的目的提供一种可以利用内孤立波这种特殊形式波浪能的发电系统，以进行波浪能发电，通过利用内孤立波水平向流动与垂直向流动的特征，设计一种双向利用的发电系统，补充波浪能利用的技术途径，提高波浪能利用的效率。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种内孤立波发电系统，包括横向发电装置和纵向发电装置，横向发电装置和纵向发电装置通过电缆与海底输电电缆连接，将电能从海底输送至岸上；
所述纵向发电装置设置在内孤立波振幅区间内，横向发电装置对应设置在波峰和波谷的临界面处，纵向发电装置与横向发电装置结构组成一致，其输电电缆方向不同；
所述纵向发电装置和横向发电装置均包括发电叶轮、发电机和支撑框架，发电叶轮的主轴与发电机的转轴连接，发电机固定设置在支撑框架内部，纵向发电装置的发电叶轮设置在支撑框架的一侧，横向发电装置的发电叶轮设置在支撑框架的下方。
进一步的，所述发电叶轮包括导叶和转轮，导叶沿转轮的周向均匀设置，转轮与主轴通过轴承连接，保证发电叶轮可以自由转动。
进一步的，所述纵向发电装置和横向发电装置的发电叶轮外侧还设置有叶轮保护罩，叶轮保护罩采用笼式结构，与发电叶轮形状一致，以防止鱼群与海内动物卷入发电叶片，造成装置停运，同时能够保证对水体内生物的安全性。
进一步的，所述发电叶轮与支撑框架之间通过固定环固定连接，固定环的上下两侧通过螺栓固定。
进一步的，所述纵向发电装置的发电机的上下两侧设置有浮体，横向发电装置的发电机的上侧设置有浮体。
进一步的，为了更好的保护发电机，所述发电机上设置有发电机保护壳，发电机保护壳为密封结构，保证发电机组不会发生因进水导致的短路情况，保护壳开有电缆通孔，根据纵向发电装置和横向发电装置的方向不同，电缆的朝向有所不同。
进一步的，所述发电叶轮整体采用旋转涡轮的形状，通过水流动激发发电叶轮转动，从而进行发电，旋转叶轮整体采用耐腐蚀的316L不锈钢制成，有效的减轻海水的腐蚀性。
进一步的，所述导叶的两端设有活动转轴，导叶通过活动转轴固定在转轮的外周沿，活动转轴通过一电机的转动带动旋转，进而使导叶绕活动转轴转动以改变张开角度。
进一步的，所述导叶的截面为流线型结构。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本方案设计全新的内孤立波(波浪能)发电系统，将表层的波浪能利用推广至深海的内孤立波，内孤立波资源丰富，通过复用实现更高效、更高功率的发电，提高波浪能利用装置；
1、发电叶轮片采用导叶与转轮的设计，保证了内孤立波上下运动过程中，转轮始终保持统一转向，同时发电转轮的设计(涡型旋转结构)可以适用于横向、纵向的水流条件；
2、导叶创新采用活动转轴的连接方式，以控制导叶的开合情况，控制水流量，实现发电量的控制，同时保护发电机组不会超负荷工作；
3、创新采用水体内漂浮式的发电结构，避免以往传统发电机构一半接触水、一半接触空气带来加速腐蚀的问题。
附图说明
图1为本发明实施例内孤立波发电系统整体结构示意图；
图2为图1中纵向发电装置结构示意图；
图3为图1中横向发电装置结构示意图；
图4为本发明实施例中发电叶轮结构示意图；
图5为本发明实施例导叶开口调节示意图；
图6为本发明实施例发电叶轮与发电机连接结构示意图；
图7为本发明实施例发电系统复用装置示意图；
其中，1、海面；2、内孤立波；3、横向发电装置；4、纵向发电装置；5、电缆；6、海底输电电缆；7、海床；8、浮体；9、支撑框架；10、发电机保护壳；11、固定环；12、叶轮保护罩；13、转轮；14、导叶；15、活动转轴；16、主轴；17、发电机。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
如图1所示，本实施例提出一种内孤立波发电系统，包括横向发电装置3和纵向发电装置4，横向发电装置3和纵向发电装置4通过电缆5与海底输电电缆6连接，纵向发电装置4设置在内孤立波振幅区间内，横向发电装置3对应设置在波峰(上临界面)、波谷(下临界面)处；其中，需要说明的是，所述电缆5具有一定的强度，主要用于电能的运输，与海底输电电缆6相连接，同时电缆具有一定的强度，可以保证发电装置可以在一定范围内进行移动，但是设备不发生丢失；海底输电缆，主要用于连接各发电装置，同时进行将电能从海底输送至岸上。
所述纵向发电装置4与横向发电装置3结构组成及原理基本一致，在输电电缆方向有所差异。参考图2和图3，所述纵向发电装置4包括发电叶轮、叶轮保护罩12、发电机17和支撑框架9，支撑框架9用于保证发电装置在水中保持一定的稳定性，发电叶轮的主轴16与发电机17的转轴连接，主轴16的一端连接发电叶片，另一端连接发电机转子，通过发电叶片的转动带动主轴转动，从而带动转子转动进行发电；叶轮保护罩12采用笼式结构，其设置在发电叶轮外侧，以防止鱼群与海内动物卷入发电叶片，造成装置停运，同时能够保证对水体内生物的安全性，发电机17固定设置在支撑框架9内部，发电叶轮设置在支撑框架9的一侧，发电叶轮与支撑框架9之间通过固定环11固定连接(固定环11与支撑框架9通过固定环连接，固定环上下用螺栓固定)，以保证发电装置在水内的相对固定与稳定，且在发电机17的上下两侧设置有浮体8。
同理，横向发电装置3与纵向发电装置4的结构相似，不同之处在于，发电叶轮设置在支撑框架9的下方，且仅在支撑框架的上侧设置浮体8。在使用过程中，浮体用以为整个装置提供浮力，保证发电装置整体变成浮力型装置，可以漂浮在水面上，通过输电电缆(有一定的强度)拉紧发电装置，使发电装置不发生漂移与较大的运动。另外，为了更好的保护发电机17，在其上设置有发电机保护壳10，发电机保护壳10为密封结构，保证发电机组不会发生因进水导致的短路情况，保护壳开有电缆通孔，根据纵向发电装置和横向发电装置的方向不同，电缆的朝向有所不同。
如图4和图6所示，所述发电叶轮包括导叶14和转轮13，导叶14沿转轮13的周向均匀设置一周，转轮13与主轴16通过轴承进行连接，保证发电叶轮可以自由转动，主要用于水流经过，将水流的能量转换为旋转机械结构的机械能，然后带动发电装置旋转进行发电。发电叶轮整体采用旋转涡轮的形状，通过水流动激发发电叶轮转动，从而进行发电。旋转叶轮整体采用耐腐蚀的316L不锈钢制成，有效的减轻海水的腐蚀性。。
继续参考图4，导叶14的截面为流线型，类似机翼，在导叶14的两端设有活动转轴15，导叶14通过活动转轴15固定在转轮13的外周沿，活动转轴15通过一电机的转动带动旋转，进而使导叶绕活动转轴转动以改变张开角度(导叶旋转的原理为比较成熟的技术，在此不做过多限值)，如图5所示，为不同开度下的导叶示意图，最左面是导叶关闭位置，水流被切断，在机组甩负荷时，关闭导叶使水轮机停止运行；中间图与右面图是导叶转到中开度与大开度位置，水流走向见图中箭头线，通过改变导叶的角度可以改变进入转轮的水流大小与角度，从而控制发电叶轮的转动速度，也实现对发电量的控制。通过调节导叶14的开度调节进入转轮的流量和形成转轮所需要的环量,，以保证进入转轮的液体流向与流量，保证内部转轮的匀速转动，进而保证发电的稳定。
导叶14在水流作用下发生旋转时，使得流体偏转的方向与转轮方向相同，此时成进口导叶开合角为正，反之为负。
具体使用时，内孤立波发电系统的具体工作过程介绍如下：
1、于陆地上或船只上进行发电叶轮的安装，随后进行叶轮与发电机的配合组装，最后进行保护罩、保护框架、浮体、电缆的安装；
2、发电装置分为纵向发电装置和横向发电装置，在一个垂向剖面内，共有三台发电装置。分别是位于波峰处(上临界面)的横向发电装置，位于内孤立波振幅区间的纵向发电装置(可根据内孤立波的振幅增加至2～3个)，位于波谷(下临界面)的横向发电装置；
3、发电装置均通过浮体材料浮在水内，同时由电缆提供拉力，保证发电装置位于某一确定的高度；
4、在内孤立波作用过程中，振幅区间的纵向发电装置受水体上下运动的能量传动，在导叶的作用下，转轮沿同一方向进行转动，带动发电装置进行发电；
5、在上临界面和下临界面处，水体垂向运动速度为0，水平向运动速度达到最大，此时横向发电装置利用水体横向流动进行发电；
6、横向发电装置与纵向发电装置的发电过程中实时将电能通过电缆输运至海底输电缆，随后海底输电缆输送至陆地发电厂进行储能或者进行输送至用户；
7、以上为一套完整的内孤立波发电系统，由于内孤立波水平向传播距离广泛，在同一海底输电缆上，可以通过内孤立波发电系统的复用来提高内孤立波的利用效率，同时提高发电质量，具体如图7所示。
本实施例对一次内孤立波活动发电量计算说明如下：
基于波动的传递，将内孤立波的传递过程简化成为简谐纵波船舶，则可以把运动过程分成无穷份，则每份的体积为dV，则每个单元的质量可以表示为dm＝ρdV，而每一点的运动方程可以表达成是
Figure BDA0003390183140000051
对t求偏导可以得到
Figure BDA0003390183140000052
Figure BDA0003390183140000053
则每一点的动能可以表示为
Figure BDA0003390183140000054
对于单元应力来讲，可以表示为
Figure BDA0003390183140000055
应变可以表示为
Figure BDA0003390183140000056
根据物体的应力与应变成正比则有
Figure BDA0003390183140000057
(Y表示杨氏模量)；根据胡克定律，单元应变的方向沿y轴，所以dF＝kdy，所以
Figure BDA0003390183140000058
所以单元的弹性势能可以表示为
Figure BDA0003390183140000059
所以有
Figure BDA00033901831400000510
Figure BDA00033901831400000511
y对x求偏导有
Figure BDA00033901831400000512
波速与杨氏模量之间存在
Figure BDA00033901831400000513
则有Y＝ρu2。代入则有
Figure BDA00033901831400000514
化简得到
Figure BDA00033901831400000515
Figure BDA00033901831400000516
最后单元质点能量可以表示为
Figure BDA00033901831400000517
所以对于传播路径上的能量密度可以表示为
Figure BDA00033901831400000518
平均能量密度可以表示为
Figure BDA00033901831400000519
则传播过程产生的平均能流(波的功率)表示为
Figure BDA00033901831400000520
(S为横截面积)。所以对于一次内孤立波周期内的能量可以表示为
Figure BDA00033901831400000521
按照发电功率为30％计算，则单次内孤立波发电能量累计为
Figure BDA00033901831400000522
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种内孤立波发电系统，其特征在于，包括横向发电装置(3)和纵向发电装置(4)，横向发电装置(3)和纵向发电装置(4)通过电缆(5)与海底输电电缆(6)连接，将电能从海底输送至岸上；
所述纵向发电装置(4)设置在内孤立波振幅区间内，横向发电装置(3)对应设置在波峰和波谷的临界面处，纵向发电装置(4)与横向发电装置(3)结构组成一致，其输电电缆方向不同；
所述纵向发电装置(4)和横向发电装置(3)均包括发电叶轮、发电机(17)和支撑框架(9)，发电叶轮的主轴(16)与发电机(17)的转轴连接，发电机(17)固定设置在支撑框架(9)内部，纵向发电装置(4)的发电叶轮设置在支撑框架(9)的一侧，横向发电装置(3)的发电叶轮设置在支撑框架(9)的下方。
2.根据权利要求1所述的内孤立波发电系统，其特征在于：所述发电叶轮包括导叶(14)和转轮(13)，导叶(14)沿转轮(13)的周向均匀设置，转轮(13)与主轴(16)通过轴承连接。
3.根据权利要求1所述的内孤立波发电系统，其特征在于：所述纵向发电装置(4)和横向发电装置(3)的发电叶轮外侧还设置有叶轮保护罩(12)，叶轮保护罩(12)采用笼式结构。
4.根据权利要求1所述的内孤立波发电系统，其特征在于：所述发电叶轮与支撑框架(9)之间通过固定环(11)固定连接，固定环(11)的上下两侧通过螺栓固定。
5.根据权利要求1所述的内孤立波发电系统，其特征在于：所述纵向发电装置(4)的发电机的上下两侧设置有浮体(8)，横向发电装置(3)的发电机的上侧设置有浮体(8)。
6.根据权利要求1所述的内孤立波发电系统，其特征在于：为了更好的保护发电机，所述发电机上设置有发电机保护壳(10)，发电机保护壳(10)为密封结构。
7.根据权利要求1所述的内孤立波发电系统，其特征在于：所述发电叶轮整体采用旋转涡轮的形状，采用耐腐蚀材质制成。
8.根据权利要求1所述的内孤立波发电系统，其特征在于：所述导叶(14)的两端设有活动转轴(15)，导叶(14)通过活动转轴(15)固定在转轮(13)的外周沿。
9.根据权利要求7所述的内孤立波发电系统，其特征在于：所述导叶(14)的截面为流线型。
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