CN203601542U - 潮流发电装置及其安装框架 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种潮流发电装置及其安装框架。潮流发电装置包括潮流发电装置安装框架、至少三个水轮机和至少一个发电模组。潮流发电装置安装框架包括外框架和至少两个浮筒单元。至少两个浮筒单元设置于外框架的两侧，当潮流发电装置安装框架使用时，至少两个浮筒单元垂直于水平面且平行于水流方向。至少三个水轮机平行设置于外框架内。至少一个发电模组连接至少三个水轮机，当水流流向这些水轮机，这些水轮机转动以驱动发电模组发电。

Description

潮流发电装置及其安装框架
技术领域
本实用新型涉及一种发电装置，尤其涉及一种潮流发电装置及其安装框架。
背景技术
海洋能（包含潮流能、海浪能、洋流能）是指海水流动的机械能，作为可再生能源，储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。海洋能的利用方式主要是发电，其工作原理与风力发电和常规水力发电类似，即通过能量转换装置，将海水的机械能转换成电能。具体而言，首先海水冲击水轮机，水轮机将水流的能量转换为旋转的机械能，然后水轮机经过机械传动系统带动发电机发电，最终转换成电能。
现今能源日益短缺，温室效应日益严重，能源需要低碳化，所以风能，海洋能（包含潮流能、潮流能、海浪能、洋流能）等清洁能源是未来能源的发展方向。但现在这些清洁能源的发电设备，除了风能利用比较成熟外，海洋能，尤其是潮流的利用还都是在起步阶段，没有通用和成熟的设备，效率低下，设备不能大规模化。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种安装方便、发电效率高的潮流发电装置及其安装框架。
为实现上述目的，本实用新型提供一种潮流发电装置安装框架，包括外框架和至少两个浮筒单元。至少两个浮筒单元设置于外框架的两侧，当潮流发电装置安装框架使用时，至少两个浮筒单元垂直于水平面且平行于水流方向。
于本实用新型的一实施例中，潮流发电装置安装框架还包括至少一个内框架，可分离地设置于外框架内。
于本实用新型的一实施例中，每个浮筒单元包括固定浮筒和调节浮筒，调节浮筒平行于固定浮筒，当潮流发电装置安装框架使用时，调节浮筒相较于固定浮筒位于外框架远离水平面的一端。
于本实用新型的一实施例中，潮流发电装置安装框架还包括至少两个栅栏，设置于外框架的另外两侧，当潮流发电装置安装框架使用时，至少两个栅栏垂直于水平面且垂直于水流方向。
于本实用新型的一实施例中，潮流发电装置安装框架还包括拉环和拉索，拉环设于外框架上，拉索的一端设于拉环上。
为实现本实用新型的另一目的，本实用新型还提供一种潮流发电装置，包括潮流发电装置安装框架、至少三个水轮机和至少一个发电模组。潮流发电装置安装框架包括外框架和至少两个浮筒单元。至少两个浮筒单元设置于外框架的两侧，当潮流发电装置安装框架使用时，至少两个浮筒单元垂直于水平面且平行于水流方向。至少三个水轮机平行设置于外框架内。至少一个发电模组连接至少三个水轮机，当水流流向这些水轮机，这些水轮机转动以驱动发电模组发电。
于本实用新型的一实施例中，潮流发电装置安装框架还包括至少一个内框架，可分离地设置于外框架内。
于本实用新型的一实施例中，潮流发电装置还包括转轴和驱动单元，转轴可转动地设置于内框架上，驱动单元连接转轴以驱动转轴转动。
于本实用新型的一实施例中，潮流发电装置还包括至少一个导流罩，导流罩固定于内框架且为直径逐渐减小的圆筒状。
于本实用新型的一实施例中，每个浮筒单元包括固定浮筒和调节浮筒，调节浮筒平行于固定浮筒，当潮流发电装置安装框架使用时，调节浮筒相较于固定浮筒位于外框架远离水平面的一端。
于本实用新型的一实施例中，水轮机包括至少两个环形轮盘和多个叶片，多个叶片环绕设于环形轮盘上，叶片的数量最少为28片，最多为环形轮盘的外圆周长的厘米数的整数，叶片为弧形，所有叶片的一边的弧长的总和为环形轮盘外圆周长的0.85-2倍之间，每个叶片中点到两个端点的线段夹角构成叶片夹角，叶片夹角在100-170度之间，每个叶片的最大弦长线与过叶片外端点的环形轮盘的半径线的夹角为叶片安装角，叶片安装角在15-75度之间。
于本实用新型的一实施例中，潮流发电装置框架还包括拉环和拉索，所述拉环设于外框架上，所述拉索的一端设于拉环上。
综上所述，本实用新型提供的潮流发电装置框架通过在平行于水流方向设置浮筒单元，给整个框架提供浮力，以使潮流发电装置框架能够浮于海洋中接近海面处，以有效地利用海洋表面的潮流。
本实用新型提供的潮流发电装置包括至少三个呈阵列式分布的水轮机。因此，使用本实用新型提供的框架的潮流发电装置，无需使用非常大型的水轮机即可达到较高的发电功率，有效地降低了发电装置的制造成本且延长框架内水轮机的使用寿命。
另外，本实用新型提供的潮流发电装置框架通过在垂直于水流方向设置至少两个栅栏，保护设置其内的水轮机不受海底垃圾的损害，延长水轮机的使用寿命。并且，使用本实用新型的潮流发电装置框架，在实际组装发电装置时，可先将水轮机固定在内框架内，然后将多个内框架分别固定在外框架内，从而实现模块化安装，大大简化了安装程序，减少安装时间，降低海洋中安装难度。通过设置提供固定浮力的固定浮筒和可调节浮力的调节浮筒，能够有效地调节整个潮流发电装置在水中的位置。
通过设置拉环和拉索，使得潮流发电装置及其安装框架能在水中有效固定，便于维修检查。再者，通过设置导流罩，将水流都集中导向水轮机，使得水轮机的叶轮受力更大、转速更快，从而提高发电效率。
在一定的工况下，水轮机的效率和叶片的数量成正比的关系，叶片数量增多大大的提高工作效率。实用数据表明，采用本实用新型创新的叶片的发电装置效率是传统垂直轴发电装置效率的1.4-1.5倍；另外利用空心主轴自身浮力，减少了水轮机和轴承的摩擦力，有效提高了工作效率；适合往复水流，且具有各种流速下的自启动能力。
为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为根据本实用新型第一实施例提供的潮流发电装置及其安装框架的俯视图。
图2为图1的局部放大示意图。
图3为图1的正视图。
图4为图3的局部放大示意图。
图5所示为本实用新型另一实施例提供的水轮机的叶片夹角示意图。
图6所示为本实用新型另一实施例提供的水轮机的叶片安装角示意图。
图7所示为本实用新型第一实施例提供的潮流发电装置安装框架的栅栏的示意图。
图8所示为根据本实用新型第二实施例提供的潮流发电装置及其安装框架的俯视图。
图9为图8的正视图。
图10所示为根据本实用新型第三实施例提供的潮流发电装置及其安装框架的正视图。
具体实施方式
图1所示为根据本实用新型第一实施例提供的潮流发电装置及其安装框架的俯视图。图2为图1的局部放大示意图。图3为图1的正视图。图4为图3的局部放大示意图。图5所示为本实用新型另一实施例提供的水轮机的叶片夹角示意图。图6所示为本实用新型另一实施例提供的水轮机的叶片安装角示意图。图7所示为本实用新型第一实施例提供的潮流发电装置安装框架的栅栏的示意图。请一并参考图1至图7。
潮流发电装置10包括潮流发电装置安装框架100、至少三个水轮机4和至少一个发电模组5。潮流发电装置安装框架100包括外框架1和至少两个浮筒单元2。
于第一实施例中，外框架1的一半由空心钢管焊接而成，另一半由工字钢组成。具体而言，外框架1的上半部分由空心钢管焊接而成。因此外框架1重量轻，结构简单，易于加工制造，安装、调节，且拆换方便，适合工程应用。同时外框架1可以给整个潮流发电装置提供浮力。另外，外框架1的下半部分可采用工字钢，确保外框架1的重心在下部，以保障外框架1整体的平稳性。
至少两个浮筒单元2设置于外框架1的两侧。当潮流发电装置安装框架100使用时，至少两个浮筒单元2垂直于水平面P且平行于水流方向D。于第一实施例中，每个浮筒单元2包括固定浮筒21和调节浮筒22。浮筒单元2用于给整个潮流发电装置10提供浮力，使得发电模组5浮于水平面以上，以延长发电模组5的使用寿命，确保发电模组5的正常发电及其工作效率。固定浮筒21提供的浮力是固定的。调节浮筒22可通过控制内部的空气量或水量从而控制调节浮筒22的浮力，从而影响整个潮流发电装置10在水中位置的深度。
于第一实施例中，调节浮筒22平行于固定浮筒21，当潮流发电装置安装框架100使用时，调节浮筒22相较于固定浮筒21位于外框架1远离水平面P的一端。具体而言，如图3所示，调节浮筒22设置于固定浮筒21的下方，且调节浮筒22和固定浮筒21沿同一条直线上分布。由于调节浮筒22的浮力是可调节的，通过将调节浮筒22设置在下方而非上方，可有效且迅速的对整个潮流发电装置10在水中位置的深度进行调节，使得整个潮流装置的安装和维修更加方便。
于第一实施例中，潮流发电装置安装框架100还包括至少一个内框架3，可分离地设置于外框架1内。如图3所示，内框架3的数量为三个，浮筒单元2的数量为四个，其中两个浮筒单元2设置于外框架1的左右两侧，另外两个浮筒单元2设置于相邻两个内框架3之间。于实际应用中，浮筒单元2的数量比内框架3的数量多一个，以使得每个内框架3的两侧都可设置有浮筒单元2。这样的设置使得外框架1不光两侧具有浮筒单元2，外框架1中间也具有浮筒单元2。因此，整个潮流发电装置10受到的浮力分配将更加均匀，从而使得潮流发电装置10在水中的位置更加稳定。
于实际应用中，可先将水轮机4固定在内框架3内，然后将多个内框架3分别固定在外框架1内，从而实现水轮机4的模块化安装以及阵列式分布。于本实施例中，内框架3上可设有卡勾，外框架1上可设有卡槽，内框架3通过卡勾和卡槽的相互卡合嵌入到外框架1内。然而，本实用新型对内框架3与外框架1之间的固定方式不作任何限定。
于本实施例中，潮流发电装置安装框架100还包括至少两个栅栏6，设置于外框架1的另外两侧，当潮流发电装置安装框架100使用时，至少两个栅栏6垂直于水平面P且垂直于水流方向D。具体而言，从图1所示方向看去，浮筒单元2设置于内框架3的左右两侧，栅栏6设置于内框架3的上下两侧。于本实施例中，两个栅栏6固定于内框架3和外框架1之间。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，栅栏6可设置于外框架1之外且位于外框架1的上下两侧。通过设置栅栏6，可有效地避免海底垃圾卷入水轮机4，从而实现对水轮机4的保护，延长水轮机4的使用寿命。如图5所示，栅栏6具有格子型纹路。然而，本实用新型对此不作任何限定。
于第一实施例中，潮流发电装置框架100还包括拉环7和拉索8，拉环7设于外框架1上，拉索8的一端设于拉环7上。具体而言，多个拉环7设于外框架1上，多根拉索8的一端穿设于拉环7上，另一端固定在岸边的桩9上。优选地，拉环7的数量为四个以上，其中四个分别设于外框架1的四个顶角。通过拉环7和拉索8的设置，使得潮流发电装置10能在水中固定，也便于维修检查。
于第一实施例中，每四个水轮机4平行设置于一个内框架3内。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施中，若潮流发电装置框架100不具有内框架3，水轮机4可直接平行设置于外框架1内。于第一实施例中，水轮机4为垂直轴水轮机，即水轮机4的轴线方向A1垂直于水平面P。
任何种类的水轮机都可适用本实用新型提供的潮流发电装置10及潮流发电装置安装框架100。于本实施例中，水轮机4包括至少两个环形轮盘41、中心轴42和多个叶片43。中心轴42穿设环形轮盘41的中心，中心轴42的轴线方向（即水轮机4的轴线方向A1）垂直于环形轮盘41的径向方向，中心轴42的一端连接发电模组5。多个叶片43环绕设于环形轮盘41上，两个环形轮盘41位于这些叶片43的两端。然而，本实用新型对水轮机4的种类不作任何限定。
于另一实施例中，水轮机4可采用特殊的水轮机，包括至少两个环形轮盘和多个叶片。叶片的数量最少为28片，最多为环形轮盘的外圆周长的厘米数的整数。例如环形轮盘的外圆周长为98.3或98.8cm，其叶片的数量可为98片。叶片为弧形。所有叶片的一边的弧长的总和为环形轮盘外圆周长的0.85-2倍之间。每个叶片中点到两个端点的线段夹角构成叶片夹角A（如图5所示），所述叶片夹角A大于等于100，小于等于170度。每个叶片的最大弦长线与过叶片外端点的环形轮盘的半径线的夹角为叶片安装角B（如图6所示）。其中叶片安装角大于等于15度，小于等于75度，在实施中，叶片安装角可以选用15、45、60度等。于第一实施例中，如图1所示，内框架3的俯视横截面为矩形，且在矩形的中间具有至少一根横梁31。对应地，内框架3的底部也具有横梁31。中心轴42的两端可转动地设置于横梁31上。顶部或底部的横梁31的数量等于中心轴42的数量，也等于水轮机4的数量。于本实施例中，每个内框架3的顶部或底部具有四根横梁31。
于第一实施例中，由于整个水轮机4较大，环形轮盘41一共有7个，然而本实用新型对环形轮盘41的数量不作任何限定。于本实施例中，中心轴42为空心轴，使得水轮机4可利用中心轴42的自身浮力以减少水轮机4和框架1的摩擦力，有效地提高了工作效率。
本实用新型的水轮机4的数量为三个或三个以上。现有的发电装置一般采用一个水轮机。然而只采用一个水轮机，为了提高发电功率，通常水轮机的直径会很大，这样会大大降低水轮机的转速，同时增大扭矩，导致中心轴和齿轮箱之间的摩擦加大，中心轴和齿轮箱的成本攀高。另外，整个发电装置的规模也会受到限制。然而，本实用新型的潮流发电装置采用至少三个水轮机4，呈阵列式分布，如此每个水轮机4无需太大，在保证发电功率甚至提高发电功率的前提下，有效地降低了水轮机4的制造成本且延长水轮机4的使用寿命。
于第一实施例中，水轮机4的个数为偶数个，且相邻两个水轮机4呈轴对称设置以使相邻两个水轮机4的转动方向相反。具体而言，多个水轮机4呈并排阵列设置，且相邻两个水轮机4的叶片43的弯曲方向呈轴对称。如图1所示，每两个水轮机4为一组且平行设置，左侧水轮机4的转动方向为顺时针，右侧水轮机4的转动方向为逆时针。通过将相邻水轮机4的转动方向设置为相反，有效地提高水流的聚集和疏散，提升水流速度，从而加快水轮机4的转动以提高发电模组5的发电效率。然而，本实用新型对水轮机4的数量以及转动方向不作任何限定。
至少一个发电模组5连接至少三个水轮机4，当水流流向这些水轮机4，这些水轮机4转动以驱动发电模组5发电。于第一实施例中，每个发电模组5对应连接一个水轮机4。图1中绘出了十二个水轮机4和十二个发电模组5，然而，本实用新型对此不作任何限定。每个发电模组5包括变速箱51和发电机52。变速箱51内具有齿轮组（图未示），其中一个齿轮的齿轮轴孔卡合于中心轴42的一端，随着中心轴42的转动，带动该齿轮的转动，然后通过齿轮间的相互啮合，将机械能传给发电机52从而驱使发电机52进行发电。
图6所示为根据本实用新型第二实施例提供的潮流发电装置及其安装框架的俯视图。图7为图6的正视图。请一并参考图6和图7。第二实施例的外框架1、浮筒单元2、内框架3、发电模组5、栅栏6、拉环7、拉索8的结构及连接关系皆如第一实施例所述，在此不再赘述。相同的元件以相同的标号进行表示，以下仅就不同之处予以说明。
于第二实施例中，每个内框架3内仅安装一个水轮机4’。潮流发电装置20具有至少三个内框架3，即包括至少三个水轮机4’。于本实施例中，内框架3的数量和水轮机4’的数量均为六个。
于第二实施例中，水轮机4’ 为水平轴水轮机，即水轮机4’的轴线方向A2平行于水平面P。潮流发电装置20还包括转轴201和驱动单元202，转轴201可转动地设置于内框架3上，驱动单元202连接转轴201以驱动转轴201转动。于本实施例中，水轮机4’可为二片叶轮机、三片叶轮机、四片叶轮机的其中之一或其任意组合。
于本实施例中，驱动单元202包括电动机2021和减速机2022，减速机2022连接转轴201的一端（为图7中的上端），电动机2021通过减速机2022驱动转轴201转动。由于现有的电动机2021转速都较快，通过减速机2022后转速大大降低，因此能有效且精准地控制转轴201的转速和转动幅度。
于实际应用中，当水流沿水流方向D流向潮流发电装置20时，驱动单元202不运作。此时，水轮机4’面向水流。当水流沿水流方向D相反的方向（从图6中看去为由上往下）流向潮流发电装置20时，驱动单元202驱动转轴201转动，从而带动水轮机4’旋转180度，使得水轮机4’从朝下改为朝上，以保证水轮机4’的叶轮始终朝向水流。此种情况尤其适用于利用潮流能发电，确保了最大的发电功率。
于第二实施例中，潮流发电装置20还包括至少一个导流罩203，导流罩203固定于内框架3且为直径逐渐减小的圆筒状。于本实施例中，导流罩203的数量为转轴201的数量的两倍，且每两个导流罩203呈轴对称设置且分别位于水轮机4’的两侧。具体而言，两个导流罩203沿内框架3的横梁31呈轴对称。如图6所示，位于上方的导流罩203，其直径由上而下递减，位于下方的导流罩203，其直径由下而上递减。通过设置导流罩203，将水流都集中导向水轮机4’，使得水轮机4’的叶轮受力更大、转速更快，从而提高发电效率。然而，本实用新型对导流罩203的数量和形状不作任何限定。
图8所示为根据本实用新型第三实施例提供的潮流发电装置及其安装框架的正视图。第三实施例的外框架1、浮筒单元2、内框架3、水轮机4’、发电模组、栅栏、拉环7、拉索及连接关系皆如第二实施例所述，在此不再赘述。相同的元件以相同的标号进行表示，以下仅就不同之处予以说明。
于第三实施例中，水轮机4’的数量为转轴201数量的两倍，即每根转轴201固定有两个水轮机4’。 每个内框架3内安装两个水轮机4’。然而，本实用新型对此不做任何限定。于其他实施例中，每根转轴201可固定超过三个水轮机4’。
综上所述，本实用新型提供的潮流发电装置框架通过在平行于水流方向设置浮筒单元，给整个框架提供浮力，以使潮流发电装置框架能够浮于海洋中接近海面处，以有效地利用海洋表面的潮流。
本实用新型提供的潮流发电装置包括至少三个呈阵列式分布的水轮机。因此，使用本实用新型提供的框架的潮流发电装置，无需使用非常大型的水轮机即可达到较高的发电功率，有效地降低了发电装置的制造成本且延长框架内水轮机的使用寿命。
另外，本实用新型提供的潮流发电装置框架通过在垂直于水流方向设置至少两个栅栏，保护设置其内的水轮机不受海底垃圾的损害，延长水轮机的使用寿命。并且，使用本实用新型的潮流发电装置框架，在实际组装发电装置时，可先将水轮机固定在内框架内，然后将多个内框架分别固定在外框架内，从而实现模块化安装，大大简化了安装程序，减少安装时间，降低海洋中安装难度。通过设置提供固定浮力的固定浮筒和可调节浮力的调节浮筒，能够有效地调节整个潮流发电装置在水中的位置。
通过设置拉环和拉索，使得潮流发电装置及其安装框架能在水中有效固定，便于维修检查。再者，通过设置导流罩，将水流都集中导向水轮机，使得水轮机的叶轮受力更大、转速更快，从而提高发电效率。
在一定的工况下，水轮机的效率和叶片的数量成正比的关系，叶片数量增多大大的提高工作效率。实用数据表明，采用本实用新型创新的叶片的发电装置效率是传统垂直轴发电装置效率的1.4-1.5倍；另外利用空心主轴自身浮力，减少了水轮机和轴承的摩擦力，有效提高了工作效率；适合往复水流，且具有各种流速下的自启动能力。
虽然本实用新型已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟知此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (12)

1. 一种潮流发电装置安装框架，其特征在于，包括：
外框架；以及
至少两个浮筒单元，设置于所述外框架的两侧，当所述潮流发电装置安装框架使用时，所述至少两个浮筒单元垂直于水平面且平行于水流方向。
2. 根据权利要求1所述的潮流发电装置安装框架，其特征在于，所述潮流发电装置安装框架还包括至少一个内框架，可分离地设置于所述外框架内。
3. 根据权利要求1所述的潮流发电装置安装框架，其特征在于，每个浮筒单元包括固定浮筒和调节浮筒，所述调节浮筒平行于所述固定浮筒，当所述潮流发电装置安装框架使用时，所述调节浮筒相较于所述固定浮筒位于所述外框架远离水平面的一端。
4. 根据权利要求1所述的潮流发电装置安装框架，其特征在于，所述潮流发电装置安装框架还包括至少两个栅栏，设置于所述外框架的另外两侧，当所述潮流发电装置安装框架使用时，所述至少两个栅栏垂直于水平面且垂直于水流方向。
5. 根据权利要求1所述的潮流发电装置安装框架，其特征在于，所述潮流发电装置安装框架还包括拉环和拉索，所述拉环设于所述外框架上，所述拉索的一端设于拉环上。
6. 一种潮流发电装置，其特征在于，包括：
潮流发电装置安装框架，包括：
外框架；以及
至少两个浮筒单元，设置于所述外框架的两侧，当所述潮流发电装置安装框架使用时，所述至少两个浮筒单元垂直于水平面且平行于水流方向； 
至少三个水轮机，平行设置于所述外框架内；以及
至少一个发电模组，连接所述至少三个水轮机，当水流流向所述这些水轮机，所述这些水轮机转动以驱动所述发电模组发电。
7. 根据权利要求6所述的潮流发电装置，其特征在于，所述潮流发电装置安装框架还包括至少一个内框架，可分离地设置于所述外框架内。
8. 根据权利要求7所述的潮流发电装置，其特征在于，所述潮流发电装置还包括转轴和驱动单元，所述转轴可转动地设置于所述内框架上，所述驱动单元连接所述转轴以驱动所述转轴转动。
9. 根据权利要求8所述的潮流发电装置，其特征在于，所述潮流发电装置还包括至少一个导流罩，所述导流罩固定于所述内框架且为直径逐渐减小的圆筒状。
10. 根据权利要求6所述的潮流发电装置，其特征在于，每个浮筒单元包括固定浮筒和调节浮筒，所述调节浮筒平行于所述固定浮筒，当所述潮流发电装置安装框架使用时，所述调节浮筒相较于所述固定浮筒位于所述外框架远离水平面的一端。
11. 根据权利要求6所述的潮流发电装置，其特征在于，所述水轮机包括至少两个环形轮盘和多个叶片，所述多个叶片环绕设于所述环形轮盘上，所述叶片的数量最少为28片，最多为环形轮盘的外圆周长的厘米数的整数，所述叶片为弧形，所有叶片的一边的弧长的总和为环形轮盘外圆周长的0.85-2倍之间，每个叶片中点到两个端点的线段夹角构成叶片夹角，所述叶片夹角在100-170度之间，每个叶片的最大弦长线与过叶片外端点的环形轮盘的半径线的夹角为叶片安装角，所述叶片安装角在15-75度之间。
12. 根据权利要求6所述的潮流发电装置，其特征在于，所述潮流发电装置框架还包括拉环和拉索，所述拉环设于外框架上，所述拉索的一端设于拉环上。
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