WO2015100850A1 - 阵列化海洋能发电装置 - Google Patents

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陈正瀚
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Definitions

  • Ocean energy (including tidal energy, ocean wave energy, ocean current energy) refers to the energy of seawater flow. As a renewable energy source, it has abundant reserves and wide distribution, and has excellent development prospects and value.
  • the utilization of ocean energy is mainly power generation. Its working principle is similar to that of wind power generation and conventional hydropower generation, that is, the energy conversion of seawater into electrical energy through an energy conversion device. Specifically, first, seawater impacts the turbine, which converts the energy of the water stream into rotating mechanical energy, and then the turbine drives the generator to generate electricity through the mechanical transmission system, and finally converts it into electrical energy.
  • the present invention provides an arrayed marine energy generating apparatus comprising a frame, at least four turbines, at least four power generating modules, and at least four rolling door load adjusting modules. At least four turbines are disposed in parallel in the frame, and the axis direction of each turbine is perpendicular to the horizontal plane. At least four power modules are mechanically coupled to at least four turbines, respectively. At least four rolling door load adjustment modules are placed in the frame.
  • Each rolling door load adjustment module includes a water guiding unit, a drum shaft and a drive.
  • the water guiding unit comprises at least two water guiding plates connected side by side.
  • the roller shaft is fixedly connected to one end of the water guiding unit.
  • the drive is coupled to the drum shaft and the drive drives the drum shaft to rotate to unfold or stow the water guide unit.
  • the number of the rolling door type load regulating modules is twice the number of the hydraulic turbines, and each of the two rolling door type load regulating modules corresponds to one of the water turbines and is respectively disposed upstream and downstream of the water turbine in the water flow direction.
  • the arrayed ocean energy generating device further comprises at least two fences disposed opposite to each other on the frame, the two fences being respectively located upstream and downstream of the water turbine in the direction of the water flow.
  • the arrayed ocean energy generating device further comprises at least one pontoon platform disposed on the frame and parallel to the horizontal plane.
  • the arrayed marine energy generating device further comprises a fixing device, the fixing device comprising a base, a fixing unit and a plurality of anchor piles.
  • the base has a fixing groove.
  • the frame is fixed to the fixing groove of the base by a fixing unit.
  • At least one anchor pile is passed through the base and inserted into the sea floor to be fixed.
  • the arrayed marine energy generating device of the present invention can be fixed by floating means by providing a buoy platform or a buoy unit, or can be fixed to the seabed by a fixing device. Furthermore, by providing the pull ring and the cable, the arrayed marine energy generating device can be effectively fixed in the water, which is convenient for maintenance inspection.
  • the turbine of the present invention overcomes the blind spot in the conventional technology by adopting at least 28 blades and a specific angle setting at a low flow velocity of a marine flow rate of 3 m/s or less.
  • the development of human ocean energy provides a technical basis.
  • the experimental data shows that the efficiency of the power generating device using the turbine is more than twice that of the conventional vertical axis power generating device.
  • the number of turbines is set to an even number, and the two adjacent turbines are arranged in an axisymmetric manner to effectively increase the accumulation and evacuation of the water flow, the water flow speed is increased, thereby accelerating the rotation of the water turbine to increase the power generation of the power generation module.
  • Fig. 5 is a schematic view showing the angle structure of the blade in the first embodiment of the present invention.
  • Fig. 7 is a front elevational view showing the rolling door type load adjusting module in the first embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a side view of Figure 7.
  • Figure 16 is a plan view showing an arrayed ocean energy power generating apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • Figure 17 is a front cross-sectional view of Figure 16 .
  • Figure 18 is a side cross-sectional view of Figure 16 .
  • Figure 19 is a side cross-sectional view showing an arrayed ocean energy generating apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.

Abstract

提供一种阵列化海洋能发电装置，包括框架、至少四个水轮机、至少四个发电模组和至少四个卷帘门式负荷调节模组。至少四个水轮机平行设置于框架内，每个水轮机的轴线方向垂直于水平面。至少四个发电模组分别与至少四个水轮机机械连接。至少四个卷帘门式负荷调节模组设置于框架。每个卷帘门式负荷调节模组包括导水单元、滚筒轴和驱动器。导水单元包括至少两个并排连接的导水板。滚筒轴固定连接导水单元的一端。驱动器连接滚筒轴，驱动器驱动滚筒轴转动以展开或收起导水单元。提供的阵列化海洋能发电装置能有效地利用海洋能进行发电。设备简单，易于维护，且能有效地投入大规模生产。

Description

阵列化海洋能发电装置 技术领域
本发明属于海洋能发电领域， 尤其涉及一种阵列化海洋能发电装置。
背景技术
海洋能 （包含潮流能、 海浪能、 洋流能） 是指海水流动的能量， 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 （包含潮汐能、 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。
传统的海洋能发电装置一般只釆用一个至多两个水轮发电机。 然而只釆用 一个或两个水轮发电机， 为了提高发电功率， 通常叶轮的直径需要制造得很大， 这样会大大降低叶轮的转速， 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， 发电装置的成本会居高不下， 制约了海洋能发电装置的发展。
但是， 目前海洋能发电领域的技术人员都存在着技术偏见， 只着重于研发 如何将水轮发电机的叶轮部分做大或者对叶轮叶片的结构进行改进以提高单个 水轮发电机的发电功率。 目前本领域没有任何人研究如何在不改变叶轮的前提 下， 提高发电功率且降低成本以适合商业运用。
另外， 由于海洋能不稳定 （尤其是水流的流速变化较大）， 现有的海洋能发 电装置都存在发电功率不稳定， 波动大， 导致投资过大而无法商业化等问题。 具体而言， 在水流速度较低时， 海洋能发电装置存在水轮机转动不足的缺点， 以致发电装置无法有效捕捉海洋能。 在水流速度较高时， 水轮机转动却过快， 导致发电输出功率急剧增大， 超出整个装置的负载以致无法负荷的问题。 并且 现有的海洋能发电装置产生的电能也无法直接输出使用。
发明内容 本发明针对现有技术的不足， 提供了一种阵列化海洋能发电装置。
为实现上述目的， 本发明提供一种阵列化海洋能发电装置， 包括框架、 至 少四个水轮机、 至少四个发电模组和至少四个卷帘门式负荷调节模组。 至少四 个水轮机平行设置于框架内， 每个水轮机的轴线方向垂直于水平面。 至少四个 发电模组分别与至少四个水轮机机械连接。 至少四个卷帘门式负荷调节模组设 置于框架。 每个卷帘门式负荷调节模组包括导水单元、 滚筒轴和驱动器。 导水 单元包括至少两个并排连接的导水板。 滚筒轴固定连接导水单元的一端。 驱动 器连接滚筒轴， 驱动器驱动滚筒轴转动以展开或收起导水单元。
根据本发明的一实施例， 卷帘门式负荷调节模组的数量为水轮机数量的两 倍， 每两个卷帘门式负荷调节模组对应于一个水轮机且分别设置于水轮机沿水 流方向的上游和下游。
根据本发明的一实施例， 阵列化海洋能发电装置还包括至少一个限流板设 置于框架。
根据本发明的一实施例， 阵列化海洋能发电装置还包括至少两个栅栏， 相 对设置于框架的两侧， 两个栅栏分别位于水轮机沿水流方向的上游和下游。
根据本发明的一实施例， 框架包括外框架和至少一个内框架， 至少一个内 框架可分离地设置于一个外框架内， 至少一个水轮机设置于一个内框架内。
根据本发明的一实施例， 阵列化海洋能发电装置还包括至少一个浮筒平台， 设置于框架且平行于水平面。
根据本发明的一实施例， 阵列化海洋能发电装置还包括至少两个浮筒单元， 设置于框架的两侧， 每个浮筒单元平行于水流方向且垂直于水平面。
根据本发明的一实施例， 阵列化海洋能发电装置还包括固定装置， 固定装 置包括基座、 固定单元和多个锚桩。 基座具有固定槽。 框架通过固定单元固定 于基座的固定槽中。 至少一个锚桩穿设基座且插入海底固定。
根据本发明的一实施例， 阵列化海洋能发电装置还包括拉环和拉索， 拉环 设于框架上， 拉索的一端设于拉环上。
根据本发明的一实施例， 水轮机包括至少两个圆形轮盘和多个叶片。 多个 叶片环绕设于圆形轮盘上， 叶片数量最少为 28片， 最多为圆形轮盘外圆周长的 厘米数的整数， 叶片为弧形， 所有叶片的一条弧形边的弧长的总和为圆形轮盘 外圆周长的 0.85-2倍之间， 叶片弧形边的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， 叶片弧形边的最大弦长线与过叶片外端点的 圆形轮盘半径线的夹角为叶片安装角， 叶片安装角在 15-75度之间。 根据本发明的一实施例， 水轮机的数量为偶数个， 且相邻两个水轮机呈轴 对称设置以使相邻两个水轮机的转动方向相反。
综上所述， 本发明提供的阵列化海洋能发电装置能有效地利用海洋能进行 发电。 设备简单， 易于维护， 且能有效地投入大规模生产。 本发明采用至少四 个呈阵列式分布的水轮机。 通过这种阵列化设置， 每个水轮机无需太大， 在提 高发电功率的前提下， 有效地降低了水轮机的制造成本且延长水轮机的使用寿 命。 本发明的卷帘门式负荷调节模组不仅能提高水轮机在低水流速度下承受的 负荷， 还可以降低水轮机在高水流速度下的输出荷载。 因此， 阵列化海洋能发 电装置的发电可平稳输出以及直接使用， 解决了传统发电装置的发电输出功率 波动大， 稳定性差的问题。
优选地， 在水轮机的上游和下游都设置卷帘门式负荷调节模组， 这样即便 潮流改变方向 （譬如涨潮和落潮）， 卷帘门式负荷调节模组均可以有效地对水流 进行导向和阻挡。
并且， 通过设置限流板， 在保护水轮机不受海里垃圾损害的同时， 也避免 了其它方向水流对水轮机的干扰， 从而提高发电模组的发电效率。 本发明提供 的阵列化海洋能发电装置通过在上下游设置至少两个栅栏， 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。 另外， 在实际组装本发明 的阵列化海洋能发电装置时， 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和维修， 大大简化了安装维修程 序， 降低海洋中安装维修难度， 大幅度降低安装维修的成本。
本发明的阵列化海洋能发电装置可以通过设置提供浮筒平台或浮筒单元进 行漂浮式固定， 也可以通过固定装置固定在海床。 再者， 通过设置拉环和拉索， 使得阵列化海洋能发电装置能在水中有效固定， 便于维修检查。
根据所有文献记载和实际实施表明， 现有的垂直轴水轮机， 在海洋低流速
(水流速度 3m/s以下） 时无力发电。 其捕获潮流的转换率不超过 10%， 所以海 洋能在全世界内无法商业化开发。 而本发明的水轮机通过采用至少 28片的叶片 和特定角度的设置， 在海洋流速为 3m/s以下的低流速时， 捕获潮流的转换率在 20%以上， 克服了传统技术中的盲点， 为人类的海洋能开发提供了技术基础。 实 验数据表明， 采用该水轮机的发电装置效率是传统垂直轴发电装置效率的 2倍 以上。 同时， 通过将水轮机数量设为偶数个， 且相邻两个水轮机呈轴对称设置以 有效地提高水流的聚集和疏散， 提升水流速度， 从而加快水轮机的转动以提高 发电模组的发电功率。
为让本发明的上述和其它目的、 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所示为根据本发明第一实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。 图 2为图 1的局部放大示意图。
图 3所示为图 1中框架和水轮机的主视图。
图 4为图 3的局部放大示意图。
图 5所示为本发明第一实施例中叶片夹角结构示意图。
图 6所示为本发明第一实施例中叶片安装角结构示意图。
图 7所示为本发明第一实施例中卷帘门式负荷调节模组的主视图。
图 8为图 7的局部放大示意图。
图 9为图 7的侧视图。
图 10为图 9的局部放大示意图。
图 11所示为根据本发明第二实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。 图 12所示为根据本发明第三实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。 图 13为图 12的局部放大示意图。
图 14为图 12的主视剖视图。
图 15所示为本发明第三实施例中栅栏的示意图。
图 16所示为根据本发明第四实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。 图 17为图 16的主视剖视图。
图 18为图 16的侧视剖视图。
图 19所示为根据本发明第五实施例提供的阵列化海洋能发电装置的侧视剖 视图。
图 20所示为根据本发明第六实施例提供的阵列化海洋能发电装置的侧视剖 视图。
具体实施方式
图 1所示为根据本发明第一实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。图 2 为图 1的局部放大示意图。 图 3所示为图 1中框架和水轮机的主视图。 图 4为 图 3的局部放大示意图。 图 5所示为本发明第一实施例中叶片夹角结构示意图。 图 6所示为本发明第一实施例中叶片安装角结构示意图。 图 7所示为本发明第 一实施例中卷帘门式负荷调节模组的主视图。 图 8为图 7的局部放大示意图。 图 9为图 7的侧视图。图 10为图 9的局部放大示意图。请一并参考图 1至图 10。
阵列化海洋能发电装置 100包括框架 1、 至少四个水轮机 3、 至少四个发电 模组 4和至少四个卷帘门式负荷调节模组 5。至少四个水轮机 3平行设置于框架 1内， 每个水轮机 3的轴线方向 A垂直于水平面 P。至少四个发电模组 4分别与 至少四个水轮机 3机械连接。
于本实施例中， 框架 1由钢材料焊接而成， 并有减少水流的设计。 因此框 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。
于本实施例中， 水轮机 3包括至少两个圆形轮盘 31和多个叶片 33。多个叶 片 33环绕设于圆形轮盘 31上。 叶片 33的数量最少为 28片， 最多为圆形轮盘 31的外圆周长的厘米数的整数。例如圆形轮盘 31的外圆周长为 98.3或 98.8cm， 其叶片 33数量均可为 98片。 叶片 33为弧形， 所有叶片 33的一条弧形边的弧 长的总和为圆形轮盘外圆周长的 0.85-2倍之间。 叶片夹角 α为叶片弧形边的中 点到两个端点的线段构成的夹角 （如图 5所示）， 叶片夹角 α大于等于 100度， 且小于等于 170度。 叶片安装角 β为叶片弧形边的最大弦长线与过叶片外端点 的圆形轮盘半径线间的夹角 （如图 6所示）， 其中叶片安装角 β大于等于 15度， 且小于等于 75度。 在实施中， 叶片安装角 β可以选用 15、 45、 60度等。
传统的水轮机是仿照风能的叶轮机制成， 然而风力的叶轮机是运用了风能 本身较高的启动速度（至少为 6m/s)， 从而利用较少的叶片进行发电。但是海流 的速度远低于风速（最理想状态 3m/s， 通常流速更低）， 因此传统的水轮机根本 无法捕获低流速下的海洋能。 传统的水轮机都忽略了现有技术中的这个盲点， 存在着技术误区。
当海洋流速较快时， 水轮机的叶片数量越少， 发电效率越高， 水轮机的叶 片数量过多， 反而阻挡了水流， 使其无法流入水轮机内进行有效发电。 然而在 低海洋流速的工况下， 水轮机叶片数量的增加能大大地提高发电效率。 换言之， 水轮机叶片的数量和海洋流速呈反比关系。
本实施例的水轮机 3通过采用至少 28片的叶片 33和具有特定的叶片夹角 a 和叶片安装角 β，克服了传统技术中水轮机无法在低海洋流速下启动和有效发电 的缺陷。 采用本实施例的水轮机 3的发电装置 100的发电效率是传统垂直轴水 轮机的发电装置的效率的 2倍以上。 然而， 本发明对水轮机 3的种类不作任何 限定。 于其它实施例中， 阵列化海洋能发电装置可以采用普通现有的水轮机。
于本实施例中， 由于整个水轮机 3较大， 圆形轮盘 3 1—共有 7个， 然而本 发明对圆形轮盘 31的数量不作任何限定。 通过这种设置， 有效地减小叶片 33 的长度 （于实际应用中， 该长度为叶片 33沿垂直于水平面的长度）， 从而增加 叶片 33对水流冲击的抵御力。 若叶片 33沿垂直方向的长度太长， 由于水流冲 击力巨大， 叶片 33容易变形甚至从中断裂。 然而本发明对圆形轮盘 31的具体 数量不作任何限定。 随着叶片 33的长度增加， 圆形轮盘 31的数量也相应增加。
于本实施例中， 水轮机 3还包括中心轴 32， 中心轴 32设置于圆形轮盘 3 1 的中心， 中心轴 32的轴线方向垂直于圆形轮盘 31的径向方向。 中心轴 32的轴 线方向即为水轮机的轴线方向 A。
本发明的水轮机 3的数量为四个或四个以上， 呈阵列式分布， 如此每个水 轮机 3无需做大， 在提高整个发电装置的发电功率的前提下， 大幅度降低了水 轮机 3的制造成本且延长水轮机 3的使用寿命， 克服了传统技术中只把研发重 点放在做大单个水轮发电机规模的技术偏见。 图 1中绘出了 12个水轮机 3， 然 而， 本发明对此不作任何限定。 于其它实施例中， 阵列化海洋能发电装置可仅 具有四个水轮机 3。 于本实施例中， 水轮机 3的个数为偶数个， 且相邻两个水轮 机 3呈轴对称设置以使相邻两个水轮机 3的转动方向相反。 具体而言， 多个水 轮机 3呈并排阵列设置， 且相邻两个水轮机 3的叶片 33的弯曲方向呈轴对称。 如图 1所示， 每两个水轮机 3为一组且平行设置， 左侧水轮机 3的转动方向为 顺时针， 右侧水轮机 3的转动方向为逆时针。 通过将相邻水轮机 3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 3 的转动以提高发电模组 4的发电效率。 然而， 本发明对水轮机 3的数量以及转 动方向不作任何限定。
每个发电模组 4对应连接一个水轮机 3。于本实施例中， 每个发电模组 4包 括变速箱 41和发电机 42。变速箱 41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 32的一端， 随着中心轴 32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 42从而驱使发电机 42进行 发电。
至少一个卷帘门式负荷调节模组 5对应一个水轮机 3设置于框架 1。卷帘门 式负荷调节模组 5的数量为至少四个， 设置在水轮机 3沿水流方向 D的上游。 于本实施例中， 卷帘门式负荷调节模组 5的数量为水轮机 3数量的两倍， 每两 个卷帘门式负荷调节模组 5对应于一个水轮机 3且分别设置于水轮机 3沿水流 方向 D的上游和下游。
卷帘门式负荷调节模组 5包括导水单元 51、 滚筒轴 52和驱动器 53。 导水 单元 51 包括至少两个并排连接的导水板 511。 于本实施例中， 导水板 511的数 量为多个。 然而， 本发明对此不作任何限定。 导水板 511的数量设置为至少两 个， 有效地减小每个导水板 511沿垂直于水平面 P的方向的长度， 增加导水板 511对水流冲击的抵御力。若导水板 511沿垂直方向的长度太长， 由于水流冲击 力巨大， 导水板 511容易变形甚至从中断裂。
滚筒轴 52固定连接导水单元 51 的一端 E。驱动器 53连接滚筒轴 52，驱动 器 53驱动滚筒轴 52转动以展开或收起导水单元 51 。 于本实施例中， 导水板 511的截面形状为弧形， 即导水板 511为弧形板。 因此， 当滚筒轴 52收起导水 单元 51 时， 导水板 511更加贴合滚筒轴 52以减小所占空间。 然而， 本发明对 此不作任何限定。
于本实施例中， 滚筒轴 52的轴线方向平行于水平面。 然而， 本发明对此不 作任何限定。 于其它实施例中， 滚筒轴 52可垂直于水平面设置于框架 1。 本发 明对滚筒轴 52的设置位置亦不作任何限定。
于本实施例中， 卷帘门式负荷调节模组 5 还包括至少两条导轨 54， 两条导 轨 54位于滚筒轴 52的同一侧且平行设置， 当滚筒轴 52展开导水单元 51 ， 导 水单元 51 的另一端 F的两侧分别进入两条导轨 54中。 于本实施例中， 一个导 水单元 51 对应三条导轨 54， 其中两条设置于导水单元 51 的两侧， 另一条导轨 54设置于导水单元 51 的中间。 然而， 本发明对导轨 54的数量不作任何限定。 导水单元 51 的一端 E通过连接滚筒轴 52得以固定， 导水单元 51 的另一端 F 通过导轨 54进行限位。 通过将导水单元 51 的两端分别进行限位， 使得展开后 的导水单元 51 能充分展开形成 "屏障" 以阻挡或引导水流。
于本实施例中，卷帘门式负荷调节模组 5 还包括至少一根连接轴 55和至少 两个滚轮 56， 至少两个导水板 511通过连接轴 55连接， 滚轮 56套设于连接轴 55的两端， 当滚筒轴 52展开导水单元 51 ， 导水单元 51 的另一端 F的两侧分 别进入两条导轨 54， 两个滚轮 56分别在两条导轨 54内滑动。 于本实施例中， 连接轴 55的数量比导水板 511的数量少一个，每个连接轴 55对应三个滚轮 56， 滚轮 56的数量对应于导轨 54的数量。 然而， 本发明对此不作任何限定。
于本实施例中， 每个导水板 511的两边缘分别具有穿孔且为 "凹凸"状， 相邻的两个导水板 511的边缘可相互配合。 连接轴 55穿过穿孔以连接导水板 511。 通过连接轴 55连接导水板 511， 使得每个导水板 511可以旋转改变方向。 因此， 当导水单元 51 在收起时， 导水板 511能绕着滚筒轴 52叠在一起， 而当 导水单元 51 展开时， 多个导水板 511可从整体上来说位于一条直线上， 从而形 成 "屏障" 以有效阻挡或引导迎面来的水流。 随着滚筒轴 52不断展开导水单元 51 ，滚轮 56沿导轨 54从图 1中的上方不断往下滚动，从而实现导水单元 51 的 展开。 滚轮 56能有效引导导水单元 51 的另一端 F的两侧进入两条导轨 54， 从 而实现另一端 F的有效固定。
于本实施例中， 导水板 511与水流方向 D之间的夹角不为 0。 通过这种设 置， 本发明的卷帘门式负荷调节模组 5 不仅可以起到阻挡水流的作用， 还可以 起到引导水流的作用。
具体而言， 对于水轮机 3来说， 水轮机 3的叶片 33的内凹侧是动力侧， 而 叶片 33的背面， 即叶片 33的突出侧为阻力侧。 当海洋流速较小时， 驱动器 53 驱动滚筒轴 52将下游的导水板 511全部收起， 而上游的导水板 511全部展开形 成屏障， 从而有效阻挡水流流向水轮机 3的阻力侧， 将上游的水流全部引导入 水轮机的动力侧， 即将水流导向垂直于水轮机 3的叶片的内凹处， 增大水流对 水轮机 3的冲击力， 加大了水轮机 3的转动， 提高了发电机 4的发电功率。 当 海洋流速过大会导致发电功率出现大幅度波动时， 驱动器 53将驱动滚筒轴 52 将上游导水板 511收起和下游导水板 511部分展开， 水流得以流入水轮机 3的 阻力侧， 从而有效减缓水轮机 3的过快转动以稳定发电功率。
因此， 本实施例的阵列化海洋能发电装置 300通过设置卷帘门式负荷调节 模组 5， 不仅可以在水流较大时收起上游导水板 511， 并展开下游部分导水板 511阻挡水流来调低水轮机 3的输出荷载，还可以在水流较小时展开上游全部导 水板 511以有效地引导水流流向垂直于水轮机 3的叶片 33的内凹处的方向， 增 大水流对水轮机 3的冲击力， 加大了水轮机 3的转动， 提高了发电功率。 因此， 阵列化海洋能发电装置 300的发电可平稳输出以及直接使用， 解决了传统的海 洋能发电装置发电输出功率波动大， 稳定性差的问题。
采用本实施例中的水轮机 3和卷帘门式负荷调节模组 5，阵列化海洋能发电 装置 100在海洋流速较低时（水流速度 <3m/s)， 捕获潮流的转换率在 20%以上， 远远高于传统海洋能发电装置不到 10%的转换率。 并且克服了现有垂直轴水轮 机在海洋低流速情况下无力发电的缺点。 本发明的阵列化海洋能发电装置克服 了传统技术中的盲点， 为人类的海洋能开发提供了技术基础， 真正实现了海洋 能的商业营运。 图 11所示为根据本发明第二实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。 相 同元件都以相同标号进行表示。 于本实施例中， 框架 1、 水轮机 3、 发电模组 4、 卷帘门式负荷调节模组 5的结构和功能， 皆如前一实施例所述， 在此不再赘述。 以下仅就不同之处予以说明。
于本实施例中， 阵列化海洋能发电装置 200还包括至少一个浮筒平台 2， 设 置于框架 1且平行于水平面。 浮筒平台 2可由固体浮力材料制得， 主要作用是 给整个阵列化海洋能发电装置 200提供浮力， 使得位于顶部的发电模组 4浮于 水平面以上， 以延长发电模组 4的使用寿命， 确保发电模组 4的正常发电及其 工作效率。 于实际应用中， 浮筒平台 2设置于整个框架 1的中上部， 位于海平 面以下 8米左右。
于本实施例中， 阵列化海洋能发电装置 200还包括至少一个限流板 6， 设置 于框架 1。 优选地， 阵列化海洋能发电装置 200包括至少两个限流板 6， 两个限 流板 6相对设置于框架 1的两侧，限流板 6平行于水流方向 D且垂直于水平面。 具体而言， 限流板 6位于图 11中框架 1的左侧和右侧。 然而， 本发明对此不作 任何限定。 由于海洋环境较为复杂， 水流的主要方向虽为水流方向 D及其相反 方向， 但偶尔会有其他方向的水流进行干扰。通过设置两个限流板 6， 避免了其 它方向水流对水轮机 3的干扰， 保障了每个水轮机 3稳定地朝一个方向进行转 动， 从而提高发电模组 4的发电效率。
于其他实施例中， 阵列化海洋能发电装置 200可包括三个限流板 6，其中两 个限流板 6相对设置于框架 1的两侧 （位于图 11中框架 1的左侧和右侧）， 另 一个限流板 6设置于框架 1的底部且平行于水平面， 三个限流板 6均平行于水 流方向 D。 通过设置三个限流板 6， 结合设于中上部的浮筒平台 2， 实现对框架 1非水流方向的全面包覆，避免了其它方向水流对水轮机 3的干扰，保障了每个 水轮机 3稳定地朝一个方向进行转动， 从而提高发电模组 4的发电效率。 另外， 也避免了海面和海底垃圾进入阵列化海洋能发电装置 200对水轮机 3造成损害。 同时， 设置三个限流板 6可以适当增加框架 1的封闭性， 能够提高整个阵列化 海洋能发电装置一定的浮力。
本发明对限流板 6的数量不作任何限定。 于其它实施例中， 阵列化海洋能 发电装置 200可仅包括一个平行于浮筒平台 2设置于框架 1底部的限流板 6， 以 避免海底垃圾进入阵列化海洋能发电装置 200对水轮机 3造成损害。 并且， 本 发明对限流板 6的设置位置也不作任何限定。 于其它实施例中， 当框架 1包括 外框架和内框架时， 限流板 6既可以设置于外框架的两侧， 也可以设置于内框 架的两侧。
于本实施例中， 阵列化海洋能发电装置 200还包括拉环 71和拉索 72， 拉环 71设于框架 1上， 拉索 72的一端设于拉环 71上。具体而言， 多个拉环 71设于 框架 1上， 多根拉索 72的一端穿设于拉环 71上， 另一端固定在岸边的桩上。 优选地， 拉环 71的数量为四个以上， 其中四个分别设于框架 1的四个顶角。 通 过拉环 71和拉索 72的设置， 使得阵列化海洋能发电装置 200能在水中固定， 也便于维修检査。
图 12所示为根据本发明第三实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。 图 13为图 12的局部放大示意图。 图 14为图 12的主视剖视图。 图 15所示为本发 明第三实施例中栅栏的示意图。 请一并参考图 12至图 15。
相同元件都以相同标号进行表示。 于本实施例中， 框架 1、 水轮机 3、 发电 模组 4、拉环 71和拉索 72的结构和功能， 皆如第二实施例所述，在此不再赘述。 以下仅就不同之处予以说明。
于本实施例中， 框架 1包括外框架 11和至少一个内框架 12， 至少一个内框 架 12可分离地设置于外框架 11内，至少一个水轮机 3设置于一个内框架 12内。 于本实施例中， 内框架 12上可设有卡勾， 外框架 11上可设有卡槽， 内框架 12 通过卡勾和卡槽的相互卡合嵌入到外框架 11内。 然而， 本发明对内框架 12与 外框架 11之间的固定方式不作任何限定。 于本实施例中， 每四个水轮机 3平行 设置于一个内框架 12内。 然而， 本发明对此不作任何限定。 于其它实施例中， 一个内框架 12内可只有一个水轮机 3。
于实际应用中， 可先将水轮机 3固定在内框架 12内， 然后将多个内框架 12 分别固定在外框架 11内， 从而实现水轮机 3的模块化安装以及阵列式分布。 大 大简化了安装程序， 减少安装时间， 降低海洋中安装难度。 另外， 由于水轮机 3 长期受到海水的侵蚀和冲击， 因此容易损坏要进行维修。 传统的海洋能发电装 置将需要在海里维修水轮机。 这样维修非常困难且费用庞大。 然而， 本发明的 阵列化海洋能发电装置 300可直接将内框架 12和水轮机 3组成的模块从海中取 出进行维修或更换， 实现海洋能发电装置 300的快速更换和维修， 大大降低了 维修成本， 使得阵列化海洋能发电装置 300的商业化得以实现。
于本实施例中， 阵列化海洋能发电装置 300还包括至少两个浮筒单元 8， 设 置于框架 1的两侧， 每个浮筒单元 8平行于水流方向 D且垂直于水平面 P。 于 本实施例中， 每个浮筒单元 8包括固定浮筒 81和调节浮筒 82。 固定浮筒 81提 供的浮力是固定的。 调节浮筒 82可通过控制内部的空气量或水量从而控制调节 浮筒 82的浮力， 从而影响整个阵列化海洋能发电装置 300在水中位置的深度。
于本实施例中， 调节浮筒 82平行于固定浮筒 81， 当阵列化海洋能发电装置 300使用时， 调节浮筒 82相较于固定浮筒 81位于外框架 11远离水平面 P的一 端。 具体而言， 如图 14所示， 调节浮筒 82设置于固定浮筒 81的下方， 且调节 浮筒 82和固定浮筒 81沿同一条直线上分布。 由于调节浮筒 82的浮力是可调节 的， 通过将调节浮筒 82设置在下方而非上方， 可有效且迅速的对整个阵列化海 洋能发电装置 300在水中位置的深度进行调节， 使得整个阵列化海洋能发电装 置 300的安装和维修更加方便。
于本实施例中， 内框架 12的数量为三个， 浮筒单元 8的数量为四个， 其中 两个浮筒单元 8设置于外框架 11的左右两侧， 另外两个浮筒单元 8设置于相邻 两个内框架 12之间。 于实际应用中， 浮筒单元 8的数量比内框架 12的数量多 一个， 以使得每个内框架 12的两侧都可设置有浮筒单元 8。 这样的设置使得外 框架 11不光两侧具有浮筒单元 8， 外框架 11中间也具有浮筒单元 8。 因此， 整 个阵列化海洋能发电装置 300受到的浮力分配将更加均匀， 从而使得阵列化海 洋能发电装置 300在水中的位置更加稳定。
于本实施例中， 阵列化海洋能发电装置 300还包括至少两个栅栏 111， 两个 栅栏 111相对设置于外框架 11的两侧， 两个栅栏 111垂直于水流方向 D且垂直 于水平面？。 于本实施例中， 两个栅栏 111固定于内框架 12和外框架 11之间。 然而， 本发明对此不作任何限定。 于其它实施例中， 栅栏 111可设置于外框架 11之外且位于外框架 11的上下游。 通过设置栅栏 111， 可有效地避免海底垃圾 卷入水轮机 3， 从而实现对水轮机 3的保护， 延长水轮机 3的使用寿命。 如图 15所示， 栅栏 111具有格子型紋路。 然而， 本发明对此不作任何限定。 图 16所 示为根据本发明第四实施例的阵列化海洋能发电装置的俯视图。 图 17为图 16 的主视剖视图。 图 18为图 16的侧视剖视图。请一并参考图 16至图 18。 于本实 施例中， 框架 1、 水轮机 3、 发电模组 4、 卷帘门式负荷调节模组 5的结构和功 能， 皆如第三实施例所述， 相同元件以相同标号进行表示， 在此不再赘述。 以 下仅就不同之处予以说明。
于本实施例中， 阵列化海洋能发电装置 400还包括固定装置 9， 固定装置 9 包括基座 91、 固定单元 92和多个锚桩 93。 基座 91具有固定槽 912。 框架 1通 过固定单元 92固定于基座 91的固定槽 912中。 至少一个锚桩 93穿设基座 91 且插入海底 20固定。 于本实施例中， 基座 91为钢筋混凝土基座， 还具有多个固定空间 911， 固 定空间 911的横截面积 （平行于水平面的横截面） 大于每个锚桩 93沿周向的横 截面积， 混凝土浇筑且填充于固定空间 911与锚桩 93之间的间隙。 于实际应用 中， 基座 91先预制形成钢筋混凝土框架， 然后垂入海中， 之后将锚桩 93每个 穿过固定空间 911打入海底 20， 最后将混凝土二次浇筑入固定空间 911以固定 锚桩 93。 通过设置多个非常大横截面积的固定空间 911， 使得基座 91为具有很 多 "空格"或 "空洞" 的框架。 因此， 基座 91的重量能够大大降低， 便于基座 91垂入海中从而利于安装。
于本实施例中， 固定槽 912的轴线方向平行于水平面且垂直于水流方向。 于本实施例中，固定槽 912为长方体凹槽，且设置于基座 91的顶部。固定槽 912 的槽底低于基座 91的上表面。 于本实施例中， 固定槽 912的宽度可略大于框架 1的宽度以正好放置框架 1。通过在基座 91的表面设置固定槽 912， 固定了阵列 化海洋能发电装置 400的位置， 克服了传统技术中因潮流会对发电装置产生巨 大冲击力使得发电装置容易歪斜的问题。 因此， 本发明的阵列化海洋能发电装 置 400能一直保持正对潮流从而确保最大的利用潮流能以提高发电效率。
于实际应用中， 为减少基座 91的重量和体积， 基座 91分为可分离的三个 部分。 固定单元 92包括多个锁链 921和多个吊环 922， 一部分吊环 922固定于 两个未固定框架 1的基座 91上， 另一部分吊环 922固定于框架 1上， 每个锁链 921的两端分别连接基座 91上的吊环 922和框架 1上的吊环 922。 于本实施例 中， 锁链 921和吊环 922于框架 1的两侧为对称设置， 框架 1能受到两侧的拉 力从而保持固定。 因此， 无论是涨潮还是退潮， 框架 1均能保持稳定从而使得 整个阵列化海洋能发电装置 400正对潮流的冲击以提高发电效率。 于具体应用 中， 锁链 921可为拉索或刚性拉杆。
于本实施例中， 固定装置 9还包括引导架 94。 于实际应用中， 基座 91是先 垂入海底 20， 之后将框架 1置入基座 91的固定槽 912中。 引导架 94垂直于水 平面的一边能引导框架 1正确进入到固定槽 912内。 引导架 94的顶端露出于水 平面以上， 引导架 94还能便于安装人员观察基座 91是否放置水平。
图 19所示为根据本发明第五实施例提供的阵列化海洋能发电装置的侧视剖 视图。 于第五实施例中， 于本实施例中， 框架 1、 水轮机 3、 发电模组 4的结构 和功能， 皆如第四实施例所述， 在此不再赘述。 相同元件以相同标号进行表述。 以下仅就不同之处予以说明。 于本实施例中， 固定装置 9' 包括基座 91、 固定单元 92' 和多个锚桩 93。 固定单元 92' 为桁架， 桁架的一边嵌入于基座 91中， 另一边沿框架 1的高度方 向 H延伸。 优选地， 桁架为桁架钢座。 于本实施例中， 桁架的横截面为直角三 角形， 桁架的一个直角边通过混凝土浇筑固定于基座 91， 另一个直角边平行于 框架 1的高度方向 H。 三角形的结构最为稳定。 于本实施例中， 固定单元 92' 分别对称地设置于框架 1的两侧， 从而使得框架 1在两个方向上都得到可靠的 固定。 因此， 无论是涨潮还是退潮， 框架 1均能保持稳定从而使得整个阵列化 海洋能发电装置能正对潮流的冲击以提高发电效率。本发明对桁架沿高度方向 H 的直角边的长度不作任何限定。
图 20所示为根据本发明第六实施例提供的阵列化海洋能发电装置的侧视剖 视图。 第六实施例和第五实施例的差别仅在于第六实施例中的固定装置 9"为混 凝土块。 于本实施例中， 混凝土块的高度大于阵列化海洋能发电装置的框架 1 的高度的二分之一。 然而， 本发明对混凝土块的高度不作任何限定。
第四实施例至第六实施例中的固定装置能有效牢固地将阵列化海洋能发电 装置整个固定在海底， 并且使得阵列化海洋能发电装置尽可能地正对水流方向， 从而提高发电效率。 克服了现有技术中单桩基的成本巨大， 或漂浮锚定技术， 无法将海洋能发电装置大型化的问题。 本实施例的固定装置便于安装， 降低了 固定海洋能发电装置的成本。
综上所述， 本发明提供的阵列化海洋能发电装置能有效地利用海洋能进行 发电。 设备简单， 易于维护， 且能有效地投入大规模生产。 本发明采用至少四 个呈阵列式分布的水轮机。 通过这种阵列化设置， 每个水轮机无需太大， 在提 高发电功率的前提下， 有效地降低了水轮机的制造成本且延长水轮机的使用寿 命。 本发明的卷帘门式负荷调节模组不仅能提高水轮机在低水流速度下承受的 负荷， 还可以降低水轮机在高水流速度下的输出荷载。 因此， 阵列化海洋能发 电装置的发电可平稳输出以及直接使用， 解决了传统发电装置的发电输出功率 波动大， 稳定性差的问题。
优选地， 在水轮机的上游和下游都设置卷帘门式负荷调节模组， 这样即便 潮流改变方向 （譬如涨潮和落潮）， 卷帘门式负荷调节模组均可以有效地对水流 进行导向和阻挡。
并且， 通过设置限流板， 在保护水轮机不受海里垃圾损害的同时， 也避免 了其它方向水流对水轮机的干扰， 从而提高发电模组的发电效率。 本发明提供 的阵列化海洋能发电装置通过在上下游设置至少两个栅栏， 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。 另外， 在实际组装本发明 的阵列化海洋能发电装置时， 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和维修， 大大简化了安装维修程 序， 降低海洋中安装维修难度， 大幅度降低安装维修的成本。
本发明的阵列化海洋能发电装置可以通过设置提供浮筒平台或浮筒单元进 行漂浮式固定， 也可以通过固定装置固定在海床。 再者， 通过设置拉环和拉索， 使得阵列化海洋能发电装置能在水中有效固定， 便于维修检查。
根据所有文献记载和实际实施表明， 现有的垂直轴水轮机， 在海洋低流速
(水流速度 3m/s以下） 时无力发电。 其捕获潮流的转换率不超过 10%， 所以海 洋能在全世界内无法商业化开发。 而本发明的水轮机通过采用至少 28片的叶片 和特定角度的设置， 在海洋流速为 3m/s以下的低流速时， 捕获潮流的转换率在 20%以上， 克服了传统技术中的盲点， 为人类的海洋能开发提供了技术基础。 实 验数据表明， 釆用该水轮机的发电装置效率是传统垂直轴发电装置效率的 2倍 以上。
同时， 通过将水轮机数量设为偶数个， 且相邻两个水轮机呈轴对称设置以 有效地提高水流的聚集和疏散， 提升水流速度， 从而加快水轮机的转动以提高 发电模组的发电功率。
虽然本发明已由较佳实施例揭露如上， 然而并非用以限定本发明， 任何熟 知此技艺者， 在不脱离本发明的精神和范围内， 可作些许的更动与润饰， 因此 本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims

WO 2015/100850 4τΐ 3¾t ^ ^ί½ -H- PCT/CN2014/072876 权 利 要 求 书
1. 一种阵列化海洋能发电装置， 其特征在于， 包括：
框架；
至少四个水轮机， 平行设置于所述框架内， 每个水轮机的轴线方向垂直于 水平面；
至少四个发电模组， 分别与所述至少四个水轮机机械连接； 以及
至少四个卷帘门式负荷调节模组， 设置于所述框架， 每个卷帘门式负荷调 节模组包括：
导水单元， 包括至少两个并排连接的导水板；
滚筒轴， 固定连接所述导水单元的一端； 以及
驱动器， 连接所述滚筒轴， 所述驱动器驱动所述滚筒轴转动以展开或 收起所述导水单元。
2. 根据权利要求 1所述的阵列化海洋能发电装置， 其特征在于， 所述卷帘 门式负荷调节模组的数量为水轮机的数量的两倍， 每两个卷帘门式负荷调节模 组对应于一个水轮机分别设置于所述水轮机沿水流方向的上游和下游。
3. 根据权利要求 1所述的阵列化海洋能发电装置， 其特征在于， 所述阵列 化海洋能发电装置还包括至少一个限流板， 设置于所述框架。
4. 根据权利要求 1所述的阵列化海洋能发电装置， 其特征在于， 所述阵列 化海洋能发电装置还包括至少两个栅栏， 相对设置于所述框架的两侧， 所述两 个栅栏分别位于水轮机沿水流方向的上游和下游。
5. 根据权利要求 1所述的阵列化海洋能发电装置， 其特征在于， 所述框架 包括外框架和至少一个内框架， 至少一个内框架可分离地设置于一个外框架内， 至少一个水轮机设置于一个内框架内。
6. 根据权利要求 1所述的阵列化海洋能发电装置， 其特征在于， 所述阵列 化海洋能发电装置还包括至少一个浮筒平台， 设置于所述框架且平行于水平面。
7. 根据权利要求 1所述的阵列化海洋能发电装置， 其特征在于， 所述阵列 化海洋能发电装置还包括至少两个浮筒单元， 设置于所述框架的两侧， 每个浮 筒单元平行于水流方向且垂直于水平面。
8. 根据权利要求 1所述的阵列化海洋能发电装置， 其特征在于， 所述阵列 化海洋能发电装置还包括固定装置， 所述固定装置包括：
基座， 具有固定槽；
固定单元， 所述框架通过固定单元固定于基座的固定槽中； 以及
多个锚桩， 至少一个锚桩穿设所述基座且插入海底固定。
9. 根据权利要求 1所述的阵列化海洋能发电装置， 其特征在于， 所述阵列 化海洋能发电装置还包括拉环和拉索， 所述拉环设于框架上， 所述拉索的一端 设于拉环上。
10. 根据权利要求 1所述的阵列化海洋能发电装置， 其特征在于，所述水轮 机包括：
至少两个圆形轮盘； 以及
多个叶片， 环绕设于圆形轮盘上， 叶片数量最少为 28片， 最多为圆形轮盘 外圆周长的厘米数的整数， 所述叶片为弧形， 所有叶片的一条弧形边的弧长的 总和为圆形轮盘外圆周长的 0.85-2倍之间， 叶片弧形边的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， 叶片弧形边的最大弦长 线与过叶片外端点的圆形轮盘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。
11. 根据权利要求 1或 10所述的阵列化海洋能发电装置， 其特征在于， 所 述水轮机的数量为偶数个， 且相邻两个水轮机呈轴对称设置以使相邻两个水轮 机的转动方向相反。
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