CN114215679A - 一种半潜式潮流发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半潜式潮流发电装置，取力板迎水面为推力面，在取力板的推力面设置助推立面，在取力板的背水面设置导流立面，所述助推立面与推力面为非平行面，助推立面的一端至与推力面的安装端之间高度大于零，在水流冲击主推面时，该高度在主推面与助推立面之间形成助推力，所述导流立面与背水面为非平行面，导流立面的一端至与背水面的安装端之间高度大于零，使导流立面具有一个将推力面向后的流水在背水面形成的涡流后延的高度，从而消弱涡流阻力，提高取力转化率，可工作在单向或双向流水中。本发明最终实现低流速潮流能平稳发电，改变了现有低流速情况无法驱动，或转化率低，没有实际发电的意义的问题，实现了低流速转化率46%左右。

Description

一种半潜式潮流发电装置

技术领域

本发明涉及一种半潜式潮流发电装置，属于水流发电技术领域。

背景技术

在洋流的低流速情况下，现有的洋流发电装置存在无法驱动或虽然被驱动但是做功转化率过低而导致没有实际意义的问题，比如申请人早期设计的CN200510055300.0流水水力发电机，包括有水轮、发电机、变速箱、升降平板；水轮为立式水轮，水轮轮轴水平，轮轴上还固定有传动轮，轮轴两端安装在轴承座上，两端轴承座分别固定安装在两块升降平板上，水轮的下部位于水面以下；变速箱的齿轮与水轮转轴上的传动轮及发电机的主轴啮合；变速箱及发电机也固定在可升降平板上，两块升降平板分别安装在两个立柱的平台上。虽然在流水中，水轮只要被推动就可以转动，但是低流速下，其不能带负载，或者说是，其带负载的能力没有发电量的实际意义。

又如：CN201510160297.2一种排列式漂浮流水发电装置，安装在漂浮框架上的水轮组、传动组件、发电组件，水轮组通过安装在水轮轴上的传动件连接传动组件，传动组件连接发电组件；水轮组由若干水轮以迎水流方向相互平行间隔安装在漂浮框架上组成；水轮至少包含一个水轮轴和安装在水轮轴上的叶轮片。在海试中，低流速情况无法驱动，或者驱动后转化率最大只能达到20%，没有实际发电的意义（产业化）。

为了解决这一问题，发明人提出了一种低流速潮流能发电装置，用于解决自然的低速潮流能如何利用的问题，通过数月的检验，我们发现在低流速潮流能发电装置投入海水中，没有获得我们想要的推动发电效果，究其根本，依然是转化率低。如何能够解决转化率低的问题，成为阻挡我们研发的难题，而现有技术中也没有相关的技术报道可供参考。

发明内容

本发明的目的是为了解决转化率低的问题，发明人对所涉及的所有环节都进行了改进和试验，结果依然是没有大的改观，发明人通过环节的试验对比，最终决定对取力结构进行攻关，而现有的取力结构主要是板形结构，在对板形结构进行多种研究试验后发现，没有突破，发明人考虑是否是板形结构的形状有问题，于是根据流体原理试验了圆柱形结构，试验发现圆柱形结构还没有板形结构的效果好，这使得发明人更加困惑，在对海水这种流体介质进行多次分析后，发明人最终找到了一种远高于现有结构转化率的提高开放区域流水发电能力的方法，取得了较为理想的取力效果。

本发明实现技术目的所采用的技术手段是：一种半潜式潮流发电装置，包括安装架和设置在安装架上的转动轴，转动轴与水面平行，取力板安装在转动轴上，水流推动取力板以转动轴转动；

在单向流水中，取力板迎水面为推力面，在取力板的背水面设置导流立面，所述导流立面与背水面为非平行面，导流立面的一端至与背水面的安装端之间高度大于零，使导流立面具有一个将推力面向后的流水在背水面形成的涡流后延的长度，从而消弱涡流阻力，提高取力转化率；

在潮汐流水中，取力板迎水面为推力面，在取力板的推力面设置助推立面，在取力板的背水面设置导流立面，所述助推立面与推力面为非平行面，助推立面的一端至与推力面的安装端之间高度大于零，在水流冲击主推面时，该高度在主推面与助推立面之间形成助推力，所述导流立面与背水面为非平行面，导流立面的一端至与背水面的安装端之间高度大于零，使导流立面具有一个将推力面向后的流水在背水面形成的涡流后延的长度，从而消弱涡流阻力，提高取力转化率。

进一步的，所述在单向流水中，在取力板的推力面设置助推立面，所述助推立面与推力面为非平行面，助推立面的一端至与推力面的安装端之间高度大于零，在水流冲击主推面时，该高度在主推面与助推立面之间形成助推力。

在单向流水中，不设置助推立面是可行的，设置助推立面是优选，而在潮汐这种双向流水中，不设置助推立面是不行的，因为，潮水流向的变化会使得推力面和背水面互换，发明人首先发现，现有技术中都是直接采用平板取力，看似取力面积最大化，实质上，如果取力面积过大，水在到达前就会绕开障碍物（取力板），而冲击在取力板上的水流流速会降低，同时，水流会绕过取力板的推力面在背水面形成反推涡流与推力抵消，从而使得在低速流水中或挂上发电机负载后，不做功了，发明人在发现这种问题后，首先进行了取力板的重新设计，增加了导流立面和助推立面，实现取力转化率的提升。

进一步的，所述在潮汐流水中，助推立面与导流立面的高度相等。在单向流水中，助推立面和导流立面的高度是可以不同的，结构也可以不同，而潮汐流水中，由于双向流水作用，两者的高度设计一定要相同，即使两者的结构不同。

作为一种具体的结构设计，所述取力板包括一块主推板和两块侧板，两块侧板分别安装在主推板的两侧，且两块侧板在主推板两侧的高度均高于主推板的板面，水流冲击主推板迎水面的板面形成推力面，在推力面两侧的侧板构成助推立面，背水面两侧的侧板形成导流立面。

该取力板的设计，追求结构简单易于加工，因此采用板结构，水流冲击在主推板迎水面，而在迎水面的主推板与侧板所构成的凹形会使水流首先冲击凹形底部，而后折回，在凹形面内形成一个更大的推力，这是一种有利于将水流纳入取力板内增强取力的结构（需要说明，发明人研究发现，在开放的水域中，当水流遇到阻碍后，会主动绕开阻碍流走，因而，对于一个平面的取力板，流水遇到取力板，会在板前提前一段距离向两侧分流，刚过取力板时，又会紧贴板面产生一个涡流，反推取力板，导致取力被消耗和抵消了）；而位于背水面的两侧的侧板又起到了导流板的作用，把从取力板两侧分流的水直接导走，不会在背水板面上直接形成涡流，而是涡流后延，不会直接对取力板施加反推力。

更进一步的，所述侧板垂直安装在主推板的一侧端面上，两块侧板与主推板的横截面形成H型。

更进一步的，所述取力板的主推板板面上设置有放水结构，放水结构贯穿取力板，使得主推面的水流从该放水结构直接流出至背水面后。放水结构能够解决水流绕行及取力板后方流速降低过大的问题，虽然看似取水面积减少，实质上却能提高转化效率。

更进一步的，所述放水结构包括若干个放水通槽，放水通槽为四方形通槽或圆形通槽。

更进一步的，所述放水结构还包括设置在两个相邻放水通槽之间的助放结构，所述助放结构具有从两个放水通槽向中部逐渐上升的凸起，凸起是三角体或由两个分别从各自放水通槽处向中间逐渐升起的外凸圆弧组成。

更进一步的，所述取力板在转动轴的同一圆周上均布安装两块或三块，形成取力板组，取力板组为两块取力板时，两块板之间的夹角为180°，取力板组为三块取力板时，相邻两块板之间的夹角为120°。由于在同一水流方向上，同时出现两块或更多取力板时，相邻的两块板之间的水会形成水体隔绝而不流动，消耗取力板的外来推力，影响取力的整体效果。设置180度，一块取力板进水，另一块露出水面，互相不影响，或者当取力水轮较大时，由于半径增大，此时一块取力板入水时，另一块接近出水，而两者之间的距离较远，因此影响很小，所以设置120度也可以。

更进一步的优选，所述转动轴上，不同圆周位置上安装若干组取力板组，相邻两组取力板组上的取力板错位安装，且所述取力板垂直安装在转动轴上，所述转动轴以与水面平行的方向设置在安装框架中，使取力板的迎水面与水流垂直。相互交错安装在整根转动轴上的取力板，可在不同时间入水取力，能保持始终有取力板在水中取力，而且解决了整个装置受力的平稳连续性的问题。

本发明的有益效果在于：

1、提供了一种能有效适应低流速的取力结构，同时解决了取力结构自身在水流中因互相干扰以及涡流等造成的无法取力，以及绕流带来的减低流速的问题，最终实现低流速潮流能平稳发电。

2、改变了现有低流速情况无法驱动，或者驱动后转化率最大只能达到20%，而没有实际发电的意义的问题，实现了低流速正常驱动，且转化率能达到46%左右。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

图1 为本发明的取力板结构示意图；

图2为本发明的取力板带放水结构的示意图；

图3为本发明的安装结构示意图。

图中：1、取力板，11、主推板，12、侧板，13、放水结构，14、放水通槽，15、助放结构，2、转动轴，3、安装框架，31、外固定框架，32、内调节框架，33、调节槽，34、调节支撑架，35、内框架，36、浮筒，37、增速机和发电机。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的一种半潜式潮流发电装置，包括安装架和设置在安装架上的转动轴，转动轴与水面平行，取力板安装在转动轴上，水流推动取力板以转动轴转动；在潮汐流水中，取力板迎水面为推力面，在取力板的推力面设置助推立面，在取力板的背水面设置导流立面，所述助推立面与推力面为非平行面，助推立面的一端至与推力面的安装端之间高度大于零，在水流冲击主推面时，该高度在主推面与助推立面之间形成助推力，所述导流立面与背水面为非平行面，导流立面的一端至与背水面的安装端之间高度大于零，使导流立面具有一个将推力面向后的流水在背水面形成的涡流后延的长度，从而消弱涡流阻力，提高取力转化率。取力板1包括一块主推板11和两块侧板12，两块侧板12分别安装在主推板11的两侧，且两块侧板12在主推板11两侧的高度均高于主推板11的板面，水流冲击主推板11迎水面的板面，并在迎水面侧的主推板11与侧板12之间形成反作用的助推力，在主推板11的背水面，两侧的侧板12把涡流延后。侧板12与主推板11垂直安装。取力板1垂直安装在转动轴2上。所述侧板12垂直安装在主推板11的一侧端面上，两块侧板12与主推板11的横截面形成H型。

在潮汐流水中，助推立面与导流立面的高度相等。在单向流水中，助推立面和导流立面的高度是可以不同的，结构也可以不同，而潮汐流水中，由于双向作用，两者的高度设计一定要相同，即使两者的结构不同。本发明的取力板1的设计，水流冲击在主推板11迎水面，而在迎水面的主推板11与侧板12所构成的凹形会使水流首先冲击凹形底部，而后折回，在凹形面内形成一个更大的推力，这是一种有利于水流纳入取力板内增强取力的结构。需要说明，在开放的水域中，当水流遇到阻碍时，会主动绕开阻碍流走，因而，对于一个平面的取力板，流水遇到取力板后，后续的水流会提前一段距离向两侧分流，而刚过取力板时又会紧贴取力板的后板面产生一个涡流，反推取力板，导致取力被消耗和抵消了；而位于背水面的两侧的侧板又起到了导流板的作用，把从取力板两侧分流的水直接导走，不会在背水板面上直接形成涡流，而是涡流后延，不会直接对取力板施加反推力。当水流以低流速或浪涌的形式冲击取力板时，现有的水轮发电装置是无法正常工作的，本实施例能使得整个设备平稳的、持续的取力发电。

实施例2

作为实施例1的进一步设计，如图2所示，所述取力板1的主推板11板面上设置有放水结构13，放水结构13贯穿取力板1，使得主推面11的水流从该放水结构13直接流出至背水面后方。

所述放水结构13包括若干个放水通槽14，放水通槽14为四方形通槽或圆形通槽，图2中为四方形通槽。

所述放水结构13还包括设置在两个相邻放水通槽之间的助放结构15，所述助放结构15具有从两个放水通槽向中部逐渐上升的凸起，凸起是两个斜面组成的三角体或由两个分别从各自放水通槽处向中间逐渐升起的外凸圆弧组成。

放水通槽14在取力板进水时，会使得水流部分从放水通槽中直接放到后方，这样，就解决了水流遇阻绕行的问题，将水流降速的问题消弱；另外，放水通槽还在离开水面时将结构兜水进行放水，减少取力板扬水带来的阻力作用；其三，有助于减少取力板背水面不流动水的阻力。主推板和侧板结构会形成兜水的槽，在离开时向轴方向兜水，从而增加了阻力，放水通槽解决了这一问题。助放结构15的功能是当取力板1进水时，流水会冲击助放结构的斜面，形成助推力，在离开水面时，会将兜水快速导向放水通槽放掉。放水结构13能够解决水流绕行及取力板背水面流速降低过大产生的阻力问题，虽然看似取水面积减少，实质上却能提高转化效率。

在本实施例中，以1米海水流速测试，转化率为46%。

实施例3

如图3所示，转动轴2的同一圆周上安装两块取力板1，两块取力板1的夹角为180度。由于在同一水流方向上，同时出现两块或更多取力板时，相邻的两块板之间的水会形成被隔绝而不流动的水体，消耗取力板的外来推力，影响取力的整体效果。设置180度，当一块取力板进水，另一块露出水面，互相不影响。所述取力板1在转动轴的同一圆周上均布安装两块或三块，形成取力板组，取力板组为两块取力板时，两块板之间的夹角为180°，取力板组为三块取力板时，相邻两块板之间的夹角为120°。由于在同一水流方向上，同时出现两块或更多取力板时，相邻的两块板之间的水会形成水体隔绝而不流动，消耗取力板的外来推力，影响取力的整体效果。设置180度，一块取力板进水，另一块露出水面，互相不影响，或者当取力水轮较大时，由于半径增大，此时一块取力板入水时，另一块接近出水，而两者之间的距离较远，因此影响很小，所以设置120度也可以。

所述转动轴上，不同圆周位置上安装若干组取力板组，相邻两组取力板组上的取力板错位安装，且所述取力板垂直安装在转动轴上，所述转动轴以与水面平行的方向设置在安装框架中，使取力板的迎水面与水流垂直。相互错位安装在整根转动轴上的取力板，可在不同时间入水取力，能保持始终有取力板在水中取力，而且解决了整个装置受力的平稳连续性的问题。

转动轴2以与水面平行的方向设置在安装框架3中，在转动轴2上设置若干取力板1，取力板1沿着转动轴圆周分布。

安装框架3包括外固定框架31和内调节框架32，外固定框架31用于将整个架体固定在安装面上，内调节框架32安装在外固定框架31中，包括安装在外固定框架31两侧的调节槽33，调节支撑架34一端连接安装在调节槽33内的滑块，另一端连接内框架15，在调节支撑架14上设置浮筒16，在调节支撑架14上设置增速机和发电机37，转动轴2通过两侧内框架上的轴承座固定，且一端输出连接增速机，增速机输出连接发电机。通过可调节的框架，在潮流中始终让取力板处在一个理想的取力水面上。

外固定框架31或内框架35上设置防风罩。用于防止台风导致取力板旋转，毁坏发电机的问题。

转动轴2上，不同圆周上安装的取力板1中，相邻两块取力板之间具有一定角度。相互错位安装在整根转动轴上的取力板，能保持始终有取力板在水中取力，而且解决了整个装置受力的平稳连续性的问题。

本发明通过取力板1的设计，在迎水面的主推板11与侧板12所构成的凹形使水流首先冲击凹形底部，而后折回，在凹形面内叠加形成一个更大的推力，这是一种有利于水流纳入取力板以推动取力的结构；而位于背水面的两侧的侧板又起到了导流板的作用，把从取力板两侧分流的水直接导走，不会在背水板面上直接形成涡流，而是涡流后延，不会直接对取力板施加反推力。当水流以低流速或浪涌的形式冲击取力板时，能获得一个平稳、持续的取力效果，最终实现低流速潮流能平稳发电。

本实施中的安装方式是其中的一种，在实际应用中，比如将实施例1的取力结构的主轴安装在漂浮平台上。这里的漂浮平台，本公司研发了一种以中空钢管为支撑骨架，在支撑钢管中直接充填轻质发泡材料，由于这种填充方式，能够使得发泡材料与支撑钢管内部充分结合，即使钢管漏水，也无法降低其浮力，因此，能长期保持浮力效果。在钢管外面包裹钢丝网，而后加喷水泥浆，形成防侵蚀层，这样，使得整个架体能长期在海水中使用。

实施例4

本发明也可以用在单向流水中，比如河流。取力板迎水面为推力面，在取力板的背水面设置导流立面，所述导流立面与背水面为非平行面，导流立面的一端至与背水面的安装端之间高度大于零，使导流立面具有一个将推力面向后的流水在背水面形成的涡流后延的长度，从而消弱涡流阻力，提高取力转化率，在单向流水中，在取力板的推力面设置助推立面，所述助推立面与推力面为非平行面，助推立面的一端至与推力面的安装端之间高度大于零，在水流冲击主推面时，该高度在主推面与助推立面之间形成助推力。

在单向流水中，不设置助推立面是可行的，设置助推立面是优选，而在潮汐这种双向流水中，不设置助推立面是不行的，因为，迎水面的变化会使得推力面和背水面互换，发明人首先发现，现有技术中都是直接采用平板取力，看似取力面积最大化，实质上，如果取力面积过大，水在到达前就会绕开障碍物（取力板），而冲击在取力板上的水流流速会降低，同时，水流会绕过取力板的推力面在背水面形成反推涡流与推力抵消，从而使得在低速流水中或挂上发电机负载后，不做功了，发明人在发现这种问题后，首先进行了取力板的重新设计，增加了导流立面和助推立面，实现取力转化率的提升。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半潜式潮流发电装置，包括安装架和设置在安装架上的转动轴，转动轴与水面平行，取力板安装在转动轴上，水流推动取力板以转动轴转动；其特征在于：在单向流水中，取力板迎水面为推力面，在取力板的背水面设置导流立面，所述导流立面与背水面为非平行面，导流立面的一端至与背水面的安装端之间高度大于零，使导流立面具有一个将推力面向后的流水在背水面形成的涡流后延的长度，从而消弱涡流阻力，提高取力转化率；在潮汐流水中，取力板迎水面为推力面，在取力板的推力面设置助推立面，在取力板的背水面设置导流立面，所述助推立面与推力面为非平行面，助推立面的一端至与推力面的安装端之间高度大于零，在水流冲击主推面时，该高度在主推面与助推立面之间形成助推力，所述导流立面与背水面为非平行面，导流立面的一端至与背水面的安装端之间高度大于零，使导流立面具有一个将推力面向后的流水在背水面形成的涡流后延的长度，从而消弱涡流阻力，提高取力转化率。

2.根据权利要求1所述半潜式潮流发电装置，其特征在于：所述在单向流水中，在取力板的推力面设置助推立面，所述助推立面与推力面为非平行面，助推立面的一端至与推力面的安装端之间高度大于零，在水流冲击主推面时，该高度在主推面与助推立面之间形成助推力。

3.根据权利要求1所述半潜式潮流发电装置，其特征在于：所述在潮汐流水中，助推立面与导流立面的高度相等，取力板的迎水面和背水面在潮汐往复中互换，而助推立面与导流立面的功能也互换。

4.根据权利要求1所述半潜式潮流发电装置，其特征在于：所述取力板包括一块主推板和两块侧板，两块侧板分别安装在主推板的两侧，且两块侧板在主推板两侧的高度均高于主推板的板面，水流冲击主推板迎水面的板面形成推力面，在推力面两侧的侧板构成助推立面，背水面两侧的侧板形成导流立面。

5.根据权利要求4所述半潜式潮流发电装置，其特征在于：所述侧板垂直安装在主推板的一侧端面上，两块侧板与主推板的横截面形成H型。

6.根据权利要求4所述半潜式潮流发电装置，其特征在于：所述取力板的主推板板面上设置有放水结构，放水结构贯穿取力板，使得主推面的水流从该放水结构中直接流出至背水面后方。

7.根据权利要求6所述半潜式潮流发电装置，其特征在于：所述放水结构包括若干个放水通槽，放水通槽为四方形通槽或圆形通槽。

8.根据权利要求7所述半潜式潮流发电装置，其特征在于：所述放水结构还包括设置在两个相邻放水通槽之间的助放结构，所述助放结构具有从两个放水通槽向中部逐渐上升的凸起，凸起是三角体或由两个分别从各自放水通槽处向中间逐渐升起的外凸圆弧组成。

9.根据权利要求4所述半潜式潮流发电装置，其特征在于：所述取力板在转动轴的同一圆周上均布安装两块或三块，形成取力板组，取力板组为两块取力板时，两块板之间的夹角为180°，取力板组为三块取力板时，相邻两块板之间的夹角为120°。

10.根据权利要求9所述半潜式潮流发电装置，其特征在于：所述转动轴上，不同圆周位置上安装若干组取力板组，相邻两组取力板组上的取力板错位安装，且所述取力板垂直安装在转动轴上，所述转动轴以与水面平行的方向设置在安装框架中，使取力板的迎水面迎流。

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