CN1757910B - 利用海洋涌动能量建设海底发电厂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用海洋浪潮涌动能量发电的方法；属于利用新能源的范围。其技术领域属于电力、能源供应业。直接应用于电力行业。其发电方式是：在海底建设拱顶发电机房，从发电机房顶部伸出一个能满足设计发电量要求的管道，(管道口在水下)海水从上端流入，垂直下落，驱动安装在管道下端的涡轮式水轮发电机运转，落下来的海水再由安装在海岸边上的浮板1，塔架2，摇臂3，拉杆8，活塞式水泵4，活塞9等部件所构成的海洋能量收集和能量转化系统带动活塞式水泵把作功后的海水排回到海洋中的一种装置，很好的解决了落差和能量转化问题，并且不受海水涨潮、落潮因素的影响，使海洋能量利用成为可能。

Description

利用海洋涌动能量建设海底发电厂

所属技术领域：

本发明涉及一种利用海洋浪潮涌动能量发电的方法；属于利用新能源的范围。

其技术领域属于电力、能源供应业。直接应用于电力行业。

背景技术：

现代海洋能源主要是指海洋能发电；利用海洋能发电的方式很多，其中包括：潮汐发电、海水温差发电和海水含盐浓度差发电等。国内外已开发利用的海洋能发电主要是潮汐发电。

由于潮水的流动与河水的流动不同，它的流动方向不是单一的，因此就使得潮汐发电出现了不同的型式，例如：直接利用潮流的有①单库单向型。②单库双向型、③双库双向型等。其中第二种单库双向型应用最多。在我国的温领江厦潮汐试验电站是我国九座电站中最大的潮汐能发电站，装机3900千瓦。属单库双向型贯流式水轮发电机组。江厦港最大潮落差为8米多。每天发电时间平均为15-16小时。

此外，在检索中查阅到的各类利用海洋动力发电的发明设计中。大多是在海洋中系留浮筒，通过曲轴、连杆直接带动发电机的装置，用于小型发电机；在海流变化，涨潮落潮时难以保证稳定性。

上述潮汐发电属于应用最早。技术最成熟的海洋能量发电技术。其发电时间受潮水涨、落潮的限制。每天发电15-16小时。其中会有8-9小时的间断时间。众所周知，海洋潮汐是由于月球引力形成的，月球环绕地球的周期不会与用电峰期同步，会导致供电效率底下。此外其发电量受到落差的限制。(最大落差只有8米多)根据水利发电量计算公式：

N(千瓦)＝9.8·μ(效率)·H(落差)·Q(流量)

可知在流量不变的情况下，落差愈大，则发电量愈大；即：发电量与落差成正比。所以在潮汐发电中，落差是无法改变的，欲增加发电量，只有增加流量和库容量。而库容量的增加又受到地域资源的限制。

发明目的：

本发明技术的主要特点就是有效解决了落差与发电量之间的矛盾。如果潜水员作业深度允许的话，其落差可以提高到50-100米之间(这二点需根据潜水员水下作业深度的能力范围进行设计)

归纳起来本方案主要有如下三个目的：

1.利用海洋浪潮涌动不间断的特点，可以解决供电时间的连续性和稳定性，实现全天候连续供电。

2.解决落差和发电量之间的矛盾，提高落差达到潜水员潜水作业的允许深度进行设计，至少可以大于30米。如果潜水作业深度允许。可以在50——100深度进行设计。

3.可以留有二期抽水蓄能发电建设的余地，例如：每天在24小时供电时间内会有一定用电高峰和低峰期，如果开发利用荒岛上的土地资源，在岛上建水库。低峰期抽水入库，高峰时放水发电，可以补充高峰时发电量不足，提高发电总供电量，也就是提高供电效率。

主要技术方案：

在海底建设拱顶发电机房，从机房顶部伸出一个能满足设计发电容量和流量要求的管道。管道入水口在水面下3——5米，(涨潮时可达10米以上)海水从管道上端流入，垂直下落，驱动在管道下端安装着的涡轮及涡轮带动的发电机组运转，这一阶段实质上与江河上拦河筑坝形成落差发电的原理是一样的，属于成熟技术，主要的问题是，流下来的水如果不予排出，则当水灌满水管之后就不再向下流动，所以必须把水通过管道引出，分出多个支流流向由浪浪涌动能量驱动的若干个活塞式水泵，再通过水泵把水排回到大海中。从而完成海水的循环，达到发电的目的。如图二。本方案的主要技术特征：采用了塔架，浮板装置构成的海洋涌动能量收集装置，把收集到的这个能量转换为活塞式水泵所特有的活塞上下运动能量，形成排水运动，实现水流闭路循环，从而能够形成一个相对稳定的水流来带动水轮发电机工作。并能够克服海水涨潮落潮以及其他因素所造成的不稳定现象。

排水泵的工作原理：

在叙述排水泵原理之前首先作一个海浪运动实验：

实验第一步：在一个玻璃制的长条水槽中注水，注水深度达到水槽深度的一半以上，待水平静之后，从水槽的一端人为地制造一个波浪(例如可以用一块划板拨一下)迅速离开，注意：只拨动一次。这时观察这个波浪的运动情况：波浪从水槽这一端向另一端涌动。当到达另一端碰到水槽壁的时候，可以看到这个波浪碰到障碍会原路返回，涌向原拨动的这一端。其波浪的大小和速度在初始的几次涌动中衰减很小，需要经过很长时间的往返运动才会平静下来。其中第一次浪涌的折返运动也就是第一次碰到水槽壁时，回涌的质量和速度几乎维持不变。这就是本设计中关于浮板设计的理论依据之一。

实验第二步：条件同上，在水槽中制出第一个波浪后，再接着制造第二个波浪，这时可以观察到第一个波浪在碰壁返回后与第二个涌到的波浪在中途相撞，其折返能量会受到抵消。

实验第三步：

在水槽中靠近一端处安置一个用支架支撑着的浮板。浮板的安装如图1，如果采用质量大于水质量的材料。需将浮板制作成上部中空的，以使其在浮力作用下保持直立。支架与浮板之间采用轴承连接，使浮板能够自由向两侧摆动，水位同上，浮板的上端与水面平齐。支架下端及两侧的拉线用玻璃胶或环氧树脂粘在玻璃水槽底部。此时在安装支架、浮板的远端人为制造一个波浪可以观察到波浪将浮板推向靠槽壁一侧摆动。(由于中空的浮力作用，其摆动最大角也不会超过90°)当波浪涌过，碰到槽壁返回时，又会将浮板推动向另一侧摆动。

这个实验与科技馆中展示的实验模型水槽环境是一样的，区别在于：展示模型的浮板向下安装，其摇摆运动通过曲轴连杆机构直接转换旋转运动。本设计当中，浮板向上安装其摇摆运动直接带动两个活塞做上下运动成为水泵，其特点是：浮板摇摆幅度的大小变化不影响水泵的排水作业，只对单位时间的排水量产生影响，即波浪大时由于浮板的偏转角度变大，水泵排水量增加，波浪小时，浮板的偏转角度变小，水泵排水量减小。但是由于浮板的浮力做用，浮板的偏转最大角度不会大于九十度。

通过上述实验，可以对于波浪涌动能量推动浮板作往复运动的原理有了一个大致的了解。

由上述实验可得出结论之一：波浪在遇到障碍时会向反方向涌动，而且其涌动的质量和速度衰减很小，基本维持不变。

结论之二：当返回的波浪与之两次涌来的波浪相撞时会激起浪花，同时其涌动能量会被再一次涌来的波浪所抵消。

结论之三：波浪推动浮板作往复运动时必须靠近一侧障碍，否则其回涌的能量会被再一次涌来的波浪所抵消。

根据上述三个结论，可以对下述水泵驱动工作原理有所理解。

水泵驱动系统由(附图1)浮板1 塔架2 摇臂3 水泵体4 主管道5 排水管6 推拉杆7 及拉线8 活塞9组成。

塔架(2)下端用混凝土浇铸在海底靠近岸边沿海岸方向的岩层里。上端延伸到接近水面加上上面浮板，总高度与水面平齐或稍高出水面。塔架西侧顺海水涌动方向由四条拉线(8)拉紧使固定牢固，以抵抗海浪的冲击力。浮板(1)上端为中空的，有一定的浮力。使其保持直立向上，同时可使浮板最大偏转角小于90度，浮板与塔架用轴承连接并且与摇臂同轴。使浮板能自由随波浪摆动带动摇臂(3)与拉杆(7)作上下运动。

当一侧海浪向浮板产生冲击力时，推动浮板(1)向另一侧运动，在浮板轴端的摆臂(2)跟随着向另一侧偏转。推拉杆(7)一侧产生推力。推动活塞(9)向下运动通过排水管(6)排出海水。同时另一侧推拉杆向上运动拉动另一侧活塞向上运动，从主管道(5)中吸入海水，当海浪遇到岸边障碍回涌时，浮板做反方向摆动。两侧活塞被带动做反方向运动。主管道与机房中的竖管道下端的缓冲设施接通，换句话说：从机房里流经水轮发电机作功后的海水又通过由浪潮涌动能量推动的水泵系统排回到大海中，从而形成了海水在闭路管道中的循环流动。带动了涡轮式水轮发电机发电。

浮板安装的位置，应在海岸的边缘，当海浪冲到岸边又回涌时恰好推动浮板反转运动达到满意的角度，避开涌回海浪与下一个海浪相撞的撞击点，海岸应选择陡峭的岩石海岸，以便获取最大的反向推动力。浮板在落潮时浮在水面一任海浪的冲刷，当海水涨潮，将浮板淹没时，在水下浮板仍然受海浪涌动的冲击作往复运动，不受海水涨潮、落潮因素的影响。

其主要的技术特点就是：通过由上述海浪收集系统，通过浮板(浮板制作成上端中空的，由于其浮力作用保持浮板直立向上并使其最大偏转角度小于90度)，塔架，摇臂，拉杆，活塞的组合收集海浪涌动能量推动浮板往复运动，再通过浮板的传导转化为带动活塞上下运动，使海水形成循环，(这个循环的落差应大于30米)，与江河上拦河筑坝发电的发电设备联合起来组成一个有机的组合。

整个循环过程不可能由一对水泵来完成，要形成较大的水流，就必须在主管道两侧安装多个由浮板组成海浪驱动的排水泵。众多由海浪驱动的水泵一起运动，可以在管道中形成一个很大的水流。下面例举进行计算：

例如：

设置浮板每一块为18平方米(高3米、宽6米)这个18平方米的浮板直立放置在海水中，其平面方向接受海浪冲击的力度在一般的天气情况下至少可以产生3吨的拉力。(指克服海水压力后剩余)3吨的拉力就可以提起3吨海水并将其排出到大海中。如果在浮板的两端和中间部位安装3只摆臂，每只摆臂两端分别拉动两只排水量为1吨的活塞式水泵。则每一个周期的海浪冲击可向海洋中排入6吨水。再设每次海浪冲击往复时间为10秒，则每分钟：6吨×6个周期＝36吨。每100只浮板水泵组每分钟可排出3600吨水。

计算10万千瓦发电机组的流量：

10万千瓦发电量，每秒流量约为300立方米。100只浮板每秒排量60立方米。达到上述发电量需设置浮板500只。这是理论设计数据，在实际应用中还需根据各种因素进行增减调整。

由于入水口垂直下落的水流速很快，而下面平流时的流速较慢。所以，如果用一条与入水口管道口径一样的管道排水不可能完成排水任务。所以必需用多条分支管道分别向外排水的方法来解决流速差的问题，设计排出流量应大于计算流入量，以适应各种环境因素的影响。为了尽可能的减少排水过程对入水流量的影响还应该在入水管道的下端建设缓冲设施，以减少排水对入水水流速度的影响使发电机转数保持稳定。在《附图3》中，对中央机房输出的管道分布作了初步设想：先由两条管道(4)分支引出，再由两条分为四条，在四条管道两侧安装分布着众多的排水泵(5)如果需要，还可以分出多条分支管道。

综上所述，海水循环的路径如下：

入水管道——垂直下下落——涡轮、发电机——两分支管道——四分支管道——排水泵——返回大海。

优点和积极效果：

由于采用了上述技术改进，从而使海水循环成为可能。形成一个由海浪自己的动能推动的管道内的闭路循环，再用这个循环的水流推动发电机发电，实现了海洋能量在完全可控的情况下的有效利用。整个发电过程以浪潮涌动能量为动力，不消耗物质能源，节能环保。

厂址选择：

选择暗礁多(暗礁多说明存在海底山脉)，不宜大船行驶，又不宜海水养殖，海流活动频繁，冬季不结冰的海域，利用海底山脉与大陆相连部分，距离大陆较近的荒岛上可以使用隧道技术实现机房建设，面积较大，具备一定高度的还可以进行二期抽水蓄能发电建设。至于隧道建设，香港海底、上海的江底隧道建设已是成熟技术不再赘述。

附图说明：

附图1：说明了浮板系统的工作原理。

1.浮板；2.塔架；3.摇臂；4.水泵；5.入水管；6.出水管；7推拉杆；8.拉线。

附图2：说明了总体方案的构思情况，海水的循环流动情况。

1.入水管道；2.发电机；3.通气管；4.闸门；5.浮板；6.塔架；7.摇臂；8.推拉杆；9.水泵；10.拉线；11.排气管道；12.缓冲设施 13.主排水管道。

附图3：说明了水泵在管道边的分布情况和水循环的分流情况。

1.厂房通道；2.厂房；3.水轮发电机；4.主排水管道；5.水泵。

附图4：说明了实施例整个隧道和机房管道的建设安装情况。

1.隧道；2.厂房；3.入水管道；4.水轮发电机；5.主排水管道；6.排气管道；7.能量收集系统；8.大陆和海底山脉连接；9.海水；10.缓冲设施。

实施例：

利用海底与大陆连接的山脉进行实施：在大陆通向海底山脉处开挖隧道直达山底，在山底建设拱型机房(也可以采用建设上海江底隧道的方法，预制隧道和机房然后沉放水底)。由机房顶部伸出管道，管道下方安装有涡轮及由涡轮带动的发电机组。机房的一侧需要开挖一个缓冲蓄水池，蓄水池的顶端须设置通气管道。由顶端流入的水作功以后首先流入缓冲蓄水池。排水管道从缓冲蓄水池向外引出，沿海岸边随着塔架和浮板的分布铺设(如附图4)。塔架应随着海岸的地形地貌进行合理布局安装。发电机的装机容量可大可小，应随勘探资料对塔架浮板进行合理布局计算出可能达到的总流量以配置相辅的发电容量。应该说明的有必要说明的一点是与摇臂连接传递动力的推拉杆也可以用油压装置来代替。例如在摇臂下方安装活塞式油泵用软管连接活塞传递压力。由于软管可以随意弯曲，安装更加灵活方便。至于塔架的安装，需要用海上活动平台利用平台钻孔浇注塔架和拉线根部以及浮板的定位安装。整个工程建设完毕后可由管道上的总闸门控制发电机的运转和停机。也可以有两套机组交替运行以方便维护检修工作。

由于高压电线的特有性质，输电变电需要建设在海岸边上。且需要考虑到涨潮时对变电输电设备的影响。应合理选址。

Claims (3)

1.利用海洋涌动能量建设海底发电厂，其特征在于：所述海底发电厂包括建造于海底的装设有水轮发电机组的发电机房、用于收集和转化海洋涌动能量的能量收集系统、连接于发电机房且进水口低于水面的入水管道、以及主排水管道和通气管；

所述入水管道垂直连接于水轮发电机组的入水口，所述主排水管道连通于水轮发电机组的出水口；

所述能量收集系统包括固定于海底的塔架、通过轴承连接于塔架上端的上部中空的浮板、与浮板同轴连接于塔架上端的摇臂、推拉杆、水泵、水泵排水管和水泵进水管；所述塔架装有拉线，所述浮板与塔架的总高度与水面平齐或稍高出水面，所述推拉杆的两端分别与摇臂和水泵的活塞连接，所述水泵的进水管装设有单向阀并与主排水管相连通，水泵的排水管装设有单向阀并连通于大海；

所述通气管的进气端与入水管道连通，通气管的出气端高于水面。

2.如权利要求1所述的利用海洋涌动能量建设海底发电厂，其特征在于：所述发电机房与海底隧道相连通。

3.如权利要求1所述的利用海洋涌动能量建设海底发电厂，其特征在于：所述入水管道与主排水管之间设有缓冲设施，所述缓冲设施连接有排气管。

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