CN114856895B - 一种被动调节式双向潮流能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种被动调节式双向潮流能发电装置，属于潮流能发电装置领域，通过在轮机外箱两端的开口处分别设置一个导流板，导流板与轮机外箱的侧壁转动连接，轮机外箱两端转动连接的导流板位于不同侧壁上；轮机外箱的侧壁设有用于限制导流板偏转角度的限位装置；垂直轴转子上设置有转子叶片，导流板设置于面对来流的转子叶片的回转叶片侧，垂直轴转子的一端为动力输出端，利用轮机外箱的开口设置以及导流板结构，可以适应潮流的两向流态，不仅提高了水轮机的效率，同时不需要额外消耗电力进行主动调整，整体装置简单，大大提高阻力型水轮机在潮流能发电中的应用。整体的安装按照固定部件固定安装，安装拆卸简单。

Description

一种被动调节式双向潮流能发电装置
技术领域
本发明属于潮流能发电装置领域，特别涉及一种被动调节式双向潮流能发电装置。
背景技术
随着石油、煤炭等可再生能源的消耗以及环境问题被逐渐重视，人们把目光投向清洁的可再生能源。潮流能是海洋能源的一种，具备储量庞大、流动规律等特点，利用潮流能发电成为近海区域尤其是潮流能源丰富区域的一种可行有效的趋势。
阻力型垂直轴潮流能水轮机是一种可以利用潮流能发电的设备，具有运行与流动方向无关、启动流速低、扭矩大等优点，适合安装在低流速海域。然而该类水轮机的效率低，导致其应用远低于其他类型的水轮机，因此通常此类水轮机配套流动增强装置以提高它的效率。常规的固定流动增强装置往往只能适应单一水流的条件，这样的装置在双向潮流的环境下并不适用，无法有效提高该水轮机的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种被动调节式双向潮流能发电装置，以克服现有技术的不足，本发明能够根据潮流的方向进行被动调整，保证其一直正对来流方向，有效提高水轮机的效率。
一种被动调节式双向潮流能发电装置，包括轮机外箱以及设置于轮机外箱内的垂直轴转子，轮机外箱的两端设有开口，轮机外箱的中间沿两端的开口形成对流通道，垂直轴转子的转动轴线垂直于对流通道沿线设置，轮机外箱两端的开口处分别设置一个导流板，导流板与轮机外箱的侧壁转动连接，轮机外箱两端转动连接的导流板位于不同侧壁上；轮机外箱的侧壁设有用于限制导流板偏转角度的限位装置；垂直轴转子上设置有转子叶片，导流板设置于面对来流的转子叶片的回转叶片侧，垂直轴转子的一端为动力输出端。
优选的，同一个轮机外箱两侧的两个导流板通过驱动杆连接，驱动杆的两端分别与两个导流板的内侧滑动连接。
优选的，驱动杆上固定有驱动板，轮机外箱内固定有驱动箱，驱动箱的侧壁设有滑轨，驱动板的两端分别位于驱动箱内两侧的滑轨内。
优选的，驱动杆的两端通过铰链与可在导流板上的滑轨内移动的滑块转动连接，驱动箱两端为开口。
优选的，限位装置采用限位块，同一个导流板的上下两侧分别设置两个限位块，限位块固定于轮机外箱的侧壁。
优选的，导流板位于最大开合位置时，导流板与其连接的轮机外箱的外壁之间的夹角θ2大于0°，导流板始终偏向于垂直轴转子一侧，导流板的最小开合位置与最大开合位置之间的夹角为锐角。
优选的，轮机外箱的开口处位于导流板对面侧的侧壁设有静导板，静导板与轮机外箱的侧壁呈钝角设置。
优选的，轮机外箱内设置多个同轴设置的垂直轴转子，相邻两个垂直轴转子上的转子叶片相位之差为90°。
优选的，多个轮机外箱并排设置，多个轮机外箱之间相通，相邻两个轮机外箱内的垂直轴转子通过传动链连接，相邻两个垂直轴转子上的转子叶片相位之差为90°，导流板的转动轴上设有齿轮，同侧导流板的转动轴通过导流板齿轮链连接。
优选的，轮机外箱底部设置支撑座。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种被动调节式双向潮流能发电装置，通过在轮机外箱两端的开口处分别设置一个导流板，导流板与轮机外箱的侧壁转动连接，轮机外箱两端转动连接的导流板位于不同侧壁上；轮机外箱的侧壁设有用于限制导流板偏转角度的限位装置；垂直轴转子上设置有转子叶片，导流板设置于面对来流的转子叶片的回转叶片侧，垂直轴转子的一端为动力输出端，利用轮机外箱的开口设置以及导流板结构，可以适应潮流的两向流态，不仅提高了水轮机的效率，同时不需要额外消耗电力进行主动调整，整体装置简单，大大提高阻力型水轮机在潮流能发电中的应用。整体的安装按照固定部件固定安装，安装拆卸简单。
进一步的，采用驱动杆连接同一个轮机外箱两侧的两个导流板，保证水流改变流向时两个导流板能够同步转动，保持整个装置的稳定。
进一步的，利用驱动板与驱动箱滑轨两端的卡槽结构达到稳定状态，防止水轮机运行过程中出现短暂回流而导致导流板角度发生改变，进一步增加整个系统的稳定性。
进一步的，限位装置采用限位块，同一个导流板的上下两侧分别设置两个限位块，限位块固定于轮机外箱的侧壁，结构简单，能够有效控制导流板处于最佳的工作角度。
进一步的，采用导流板转轴齿轮链连接同侧的两个导流板，确保四个导流板同步转动，同侧导流板转动角度相同。
附图说明
图1为本发明实施例中双向潮流能发电装置立体结构示意图。
图2为本发明实施例中双向潮流能发电装置受水流作用示意图，图2中的a为受到左侧来流作用示意图，图2中的b为受到右侧来流作用示意图。
图3为本发明实施例中驱动箱安装结构示意图。
图4为本发明实施例中双向潮流能发电装置主视图。
图5为本发明实施例中转子叶片安装结构示意图。
图6为本发明实施例1中多个垂直轴转子垂直设置安装结构示意图。
图7为本发明实施例2中多个垂直轴转子并排设置安装结构示意图。
图8为本发明实施例2中并排设置安装后水流作用示意图。
图中，1、轮机外箱；2、垂直轴转子；3、导流板；4、转子叶片；5、限位装置；6、卡槽；7、驱动杆；8、驱动板；9、驱动箱；10、滑轨；11、滑块；12、发电机；13、发电机驱动轴；14、支撑座；15、静导板；16、传动链；17、导流板齿轮链。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，一种被动调节式双向潮流能发电装置，包括轮机外箱1以及设置于轮机外箱1内的垂直轴转子2，轮机外箱1的两端设有开口，轮机外箱1两端的开口形成对流通道，垂直轴转子2的转动轴线垂直于对流通道沿线设置，轮机外箱1两端的开口处分别设置一个导流板3，导流板3与轮机外箱1的侧壁转动连接，轮机外箱1两端转动连接的导流板3位于相对两侧，即轮机外箱1两端的两个导流板3位于不同侧；轮机外箱1的侧壁设有用于限制导流板3偏转角度的限位装置5；垂直轴转子2上设置有转子叶片4，导流板3设置于面对来流的转子叶片4的回转叶片侧，面对来流的转子叶片4的回转叶片侧指转子叶片逆向水流一侧，即转子叶片4的凸面转动至与水流垂直位置，且该转子叶片4的凸面此时转动方向与水流方向相反，垂直轴转子2的一端连接发电机驱动轴13，驱动发电机进行发电。
如图2中的a所示，双向潮流能发电装置受到左侧水流作用，此时左侧的导流板发挥作用，左侧的导流板在左侧来流作用下，转动至最小开合角度，减小面对来流的转子叶片4的回转叶片侧受到水流的阻力作用，同时水流进口处的静导板15将水流导流至转子叶片4的凹面侧，增强转子叶片4凹面侧的作用力，同时右侧流出口的导流板转动至最大开合角度，使轮机中心截面扩大，配合水流出口处的静导板15起到扩压的作用。当潮流的方向发生改变时，如图2中的b所示，水流从右侧推动轮机继续转动，两个导流板在水流作用下反向转动，与左侧来流原理一致，水流流入轮机外箱1，且此时右侧的导流板3处于最大开合角度，由水动力带动的驱动隔膜会使右侧导流板3发生偏转，右侧导流板3初始的锐角，在限位装置的作用下转动至最小开度，左侧导流板转动至最大开合角度，本装置可以适应潮流的两向流态，大幅度增大水轮机的发电功率。
如图2中的a、图2中的b所示，限位装置5采用限位块，同一个导流板3的上下两侧分别设置两个限位块，限位块固定于轮机外箱1的侧壁，限制导流板3在两种工作状态下的角度，导流板3位于最大开合位置时，导流板3与其连接的轮机外箱1的外壁之间的夹角θ2大于0°，导流板3始终偏向于垂直轴转子2一侧，这样设计的优点在于当潮流流向发生改变时，导流板3在新方向的水流的作用下更容易向轮机外箱1的内侧偏转，而不会出现因角度不合理而发生卡死不动的状态。当导流板3从最大开合角度转动到最小开合角度时夹角θ1，导流板3的最小开合位置与最大开合位置之间的夹角为锐角。两个工作角度的设计在潮流流向变化时都避免了导流板的运动死点；导流板3的最小开合指导流板3起到最大阻流作用，即导流板3处于“关闭”状态，导流板3的最大开合指导流板3起到扩压作用，即导流板3处于“打开”状态。
如图3所示，同一个轮机外箱1两侧的两个导流板3通过驱动杆7连接，驱动杆7的两端分别与两个导流板3的内侧滑动连接，能够确保同一轮机外箱1两侧的两个导流板3保持同步转动，以提高整体运行的稳定性；如图1所示，在轮机外箱1内上下两侧分别设置一个驱动杆7，同一个轮机外箱1两侧的两个导流板3通过上下两个驱动杆7连接，进一步的提高驱动稳定性及驱动力；驱动杆7上固定有驱动板8，轮机外箱1内固定有驱动箱9，驱动箱9的侧壁设有滑轨10，驱动板8的两端分别位于驱动箱内两侧的滑轨10内，滑轨10内两端设置有用于驱动板8限位的卡槽6；驱动板8的两端设有滚珠，驱动箱9内部的侧面分别有两道内置滑轨10，与驱动板8上的滚珠配合，总共四个轨道保证驱动板8与驱动箱9通道垂直，减小驱动板8移动时的摩擦力；驱动板8受水流作用可在驱动箱9内移动，利用连杆滑块结构将水平移动转为导流板3的转动；滑轨两端位置设置卡槽6，分别对应导流板的两个工作位置，卡槽6的设计避免了短暂回流造成的导流板偏转现象，此设计为导流板的转动提供动力支持。
驱动杆7的两端通过铰链与可在导流板3上的滑轨内移动的滑块11转动连接，驱动箱9两端为开口结构，驱动板8可随水流一起流动，如图3所示，当水流方向从左侧进入水轮机时，水动力推动驱动板8，进而使驱动杆7移动，并实现两个导流板的摆动，此时位于左侧的导流板的安装位置将大幅度减少水流对转子叶片4的冲击，降低了转子负向扭矩的产生，提高了水轮机的效率；当水流从右侧进入水轮机时，在水流的驱动下两个导流板的位置再次改变，摆放角度互换，可利用双向水流进行发电。
如图3所示，驱动箱9内设置有发电机12，发电机12的发电机驱动轴13连接垂直轴转子2的一端，驱动箱9为被动控制部件，发电机12安装在驱动箱9内，两组螺栓孔分布在发电机12两侧，与驱动箱9通过螺栓连接，发电机驱动轴13与驱动杆7无干涉。
如图1所示，在轮机外箱1内上下位置分别设置一个驱动箱9，在下端的驱动箱9内设置发电机12，上下两个驱动箱9结构相同，驱动箱9的安装角度满足两个条件：第一点是驱动箱9的进出口正对流动方向，即减少水动力损失；第二点是当导流板3稳定之后，水流可以流入驱动箱9，使驱动板8始终受力，保持导流板5的角度稳定，该功能与驱动箱9内滑轨10两端的卡槽6相同。
如图4所示，轮机外箱1底部设置支撑座14，通过支撑座14固定于潮流地带；轮机外箱1的侧壁设置有静导板15，轮机外箱1的同一侧侧壁两端分别设置一个导流板3和一个静导板15，在同一个轮机外箱1上共设置两个导流板3和两个静导板15，轮机外箱1、一个导流板3和一个静导板15，呈中心对称布置。每一侧为一个导流板3与一个静导板15，导流板3连接在轮机外箱上，可绕连接处转动，静导板15为轮机外箱1的一部分，即静导板15向外偏转且与轮机外箱1的侧壁呈夹角设置，优选的，静导板15与轮机外箱1的侧壁夹角为120°。
静导板15与轮机外箱1的侧壁夹角为钝角，在静导板15在轮机外箱1端部形成扩口结构，起到为前进叶片集流的作用，有利于提高发电量，并且设置有静导板15一侧的侧壁，即转子叶片4转动至顺流侧最大受力时叶片接近的侧壁；导流板3与静导板15的功能不同。转子叶片4采用S型叶片，形成S型水轮机结构，其轴对称形状，该水轮机的两个叶片分别为转动顺应流动方向的前进叶片及逆来流转动的回转叶片。该水轮机的正功率大部分由前进叶片产生，即转子叶片4的顺流侧受力，回转叶片有时会产生负功率。因此增强水轮机发电功率的措施即增大前进叶片的功率产出同时减少回转叶片的负功率。静导板15起到“聚流”的作用，聚集更多来流推动前进叶片；导流板3起到“防冲击”作用，即尽可能组织来流冲击回转叶片。
如图5所示，本发明采用中心对称结构的S型转子叶片4，如图2所示状态1为水流从左侧流入的情况，此时左侧的两个导流板各自发挥作用，且右侧流出截面也较轮机中心截面扩大，起到扩压的
作用。当潮流的方向发生改变，水流从右侧推动轮机继续转动，水流也会流入两个驱动外箱9，且此时右侧的导流板处于非工作角度，由水动力带动的驱动板8会使右侧导流板发生偏转，右侧导流板初始的锐角设计也防止了死点的产生。接着右侧的导流板与左侧的导流板的安装角度同步变化，直到被另一个限位装置阻挡，此时驱动隔膜上的滚珠也越过驱动外箱内置轨道上的卡槽，整个装置稳定如图2中的b所示状态2。此时右侧导流板虽遮挡了驱动外箱大部分入口，但右侧来流依旧可以进入驱动外箱内，为驱动板8提供力，此设计与驱动外箱轨道上的突起共同保障导流板的稳定性。
实施例1
轮机外箱1内设置多个同轴设置的垂直轴转子2；如图6所示，本申请采用两个同轴设置的垂直轴转子2，两个垂直轴转子2连接在同一根主轴上一起旋转，相邻两个垂直轴转子2上转子叶片4的相位之差为90°，发电机12设置于轮机外箱1下端；本发明采用多个同轴设置的垂直轴转子2，形成垂直自适应结构的多组发电驱动结构，进一步有效利用潮流能的空间，提高发电效率，此时垂直轴转子没有了转动死点。本装置能够根据潮流的方向进行被动调整，保证其一直正对来流方向，本发明能够保持在高效工作状态，且由水动力驱动的控制装置不消耗额外的电量。
实施例2
如图7、图8所示，多个轮机外箱1并排设置，外箱之间打通，形成并排式双向潮流能发电系统，相邻两个轮机外箱1内的垂直轴转子2通过传动链16连接，垂直轴转子2的一端伸出轮机外箱1的端部，垂直轴转子2伸出部分上固定有传动齿轮，相邻两个垂直轴转子2上的传动齿轮通过传动链16连接，并排安装多个垂直轴转子2，所有垂直轴转子2上的转子叶片4转向相同，相邻两个垂直轴转子2上转子叶片4的相位角相差90°，在该实施例中导流板3的转动轴上有齿轮，用导流板转轴齿轮链17连接同侧的两个导流板3，确保四个导流板同步转动，同侧导流板转动角度相同。同时处在两个垂直轴转子2中间的面对潮流侧的导流板具备两个用途，可以减小潮流对其转动侧的垂直轴转子2的返回叶片的冲击，同时为其远离侧的垂直轴转子2的前进叶片集流。
本发明被动调节式双向潮流能发电装置，利用导流板3改变的安装角，可以适应潮流的两向流态；同时该装置可以并排布置多个同向旋转的转子而不会带来制造、安装层面的难度，并排布置的转子具备耦合增益效果，即并排布置的转子可以互相增加其发电量，在整体装置占地面积较小的情况下，大幅度提高装置的发电功率, 垂直轴转子2之间通过齿轮、齿轮链实现同速转动，保持固定的相位差，采用90°的相位差设置的转子叶片4对垂直轴转子2的增益效果最强。

Claims (7)

1.一种被动调节式双向潮流能发电装置，其特征在于，包括轮机外箱(1)以及设置于轮机外箱(1)内的垂直轴转子(2)，轮机外箱(1)的两端设有开口，轮机外箱(1)的中间沿两端的开口形成对流通道，垂直轴转子(2)的转动轴线垂直于对流通道沿线设置，轮机外箱(1)两端的开口处分别设置一个导流板(3)，导流板(3)与轮机外箱(1)的侧壁转动连接，轮机外箱(1)两端转动连接的导流板(3)位于不同侧壁上；轮机外箱(1)的侧壁设有用于限制导流板(3)偏转角度的限位装置(5)；垂直轴转子(2)上设置有转子叶片(4)，导流板(3)设置于面对来流的转子叶片(4)的回转叶片侧，垂直轴转子(2)的一端为动力输出端，同一个轮机外箱(1)两侧的两个导流板(3)通过驱动杆(7)连接，驱动杆(7)的两端分别与两个导流板(3)的内侧滑动连接，驱动杆(7)上固定有驱动板(8)，轮机外箱(1)内固定有驱动箱(9)，驱动箱(9)的侧壁设有滑轨(10)，驱动板(8)的两端分别位于驱动箱内两侧的滑轨(10)内；导流板(3)位于最大开合位置时，导流板(3)与其连接的轮机外箱(1)的外壁之间的夹角θ2大于0°，导流板(3)始终偏向于垂直轴转子(2)一侧，导流板(3)的最小开合位置与最大开合位置之间的夹角为锐角。
2.根据权利要求1所述的一种被动调节式双向潮流能发电装置，其特征在于，驱动杆(7)的两端通过铰链与可在导流板(3)上的滑轨内移动的滑块(11)转动连接，驱动箱(9)两端为开口。
3.根据权利要求1所述的一种被动调节式双向潮流能发电装置，其特征在于，限位装置(5)采用限位块，同一个导流板(3)的上下两侧分别设置两个限位块，限位块固定于轮机外箱(1)的侧壁。
4.根据权利要求1所述的一种被动调节式双向潮流能发电装置，其特征在于，轮机外箱(1)的开口处位于导流板(3)对面侧的侧壁设有静导板(15)，静导板(15)与轮机外箱(1)的侧壁呈钝角设置。
5.根据权利要求1所述的一种被动调节式双向潮流能发电装置，其特征在于，轮机外箱(1)内设置多个同轴设置的垂直轴转子(2)，相邻两个垂直轴转子(2)上的转子叶片(4)相位之差为90°。
6.根据权利要求1所述的一种被动调节式双向潮流能发电装置，其特征在于，多个轮机外箱(1)并排设置，多个轮机外箱(1)之间相通，相邻两个轮机外箱(1)内的垂直轴转子(2)通过传动链(16)连接，相邻两个垂直轴转子(2)上的转子叶片(4)相位之差为90°，导流板(3)的转动轴上设有齿轮，同侧导流板(3)的转动轴通过导流板齿轮链(17)连接。
7.根据权利要求1所述的一种被动调节式双向潮流能发电装置，其特征在于，轮机外箱(1)底部设置支撑座(14)。
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