專利名稱：無動力漂浮式洋流發電系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種發電裝置。具體說，是利用水流(特別是洋流)進行發電的無動力漂浮式的發電系統。
背景技術：
眾所周知，地球的表面被大面積的海洋所覆蓋，而在風力和其它動力的推動下，海水長年循著一定的路線周而復始的運動著，這就形成了洋流，洋流的規模要遠遠大于陸地上江河湖泊中的河流，它是一種取之不盡、用之不竭的綠色環保資源。近些年來，為了減少地球能源的過渡開發和利用，世界各國都比較重視利用綠色環保資源來進行發電，這其中就包括洋流發電。傳統的洋流發電系統包括一個立柱，立柱的下端固定在海底，立柱的中上部安裝有一個橫臂，該橫臂與立柱垂直，其兩端伸出在立柱兩偵U。在橫臂兩端均安裝有水輪機和發電機，水輪機的轉軸與發電機的輸入軸相連。運行時，由洋流推動水輪機旋轉，再由水輪機帶動發電機工作，從而進行發電。雖然利用這種洋流發電裝置可以發電，但由于洋流的流速較慢，通常在I米/秒以下，功率密度小，要想提高單機的發電量，就必須將水輪機的葉片做得非常大。這樣，用來支撐水輪機和電機的立柱也要粗大，而在海底設置立柱，須先在海底打樁后才能安裝立柱，這就使得施工難度增加，制造成本上升。而且，由于受到海洋生態系統的影響和水輪機強度的限制，水輪機的葉片尺寸不能無限制的增加，即便將其尺寸做的非常大，也只能將洋流I米/秒流速所攜帶的動能進行簡單的轉換，從而產生電能，這種發電量非常有限，無法實現大功率的要求。
發明內容
本發明要解決的問題是提供一種無動力漂浮式洋流發電系統。這種發電系統，不僅制造成本低，而且其發電量較高，能夠達到大功率的要求。為解決上述問題，采取以下技術方案:
本發明的無動力漂浮式洋流發電系統的特點是包括基臺，基臺的下方有水平布置的洋流管道。所述洋流管道包括聚流管道、水輪機管道和尾流管道，聚流管道和尾流管道均為斗狀，它們口徑較小的一端分別于水輪機管道的兩端相連接，聚流管道口徑較大的一端為洋流入口，尾流管道口徑較大的一端為尾流出口。所述基臺底部連接有豎向布置的浮筒，浮筒對應的基臺上有艙口，艙口上有蓋板，基臺底部除浮筒以外的位置有浮力艙，浮力艙的高度小于浮筒的長度。所述水輪機管道從浮筒內穿過，且水輪機管道的外壁與浮筒的筒壁間呈密封固定連接，水輪機管道下方的浮筒內有隔板，隔板四周與浮筒內壁間呈密封固定連接。所述浮筒內在隔板上方設有輸變電裝置、水輪機和發電機，發電機的輸出端子借助電纜與輸變電裝置相連，發電機的輸入軸與水輪機的轉軸間通過變速箱相連。所述水輪機含有橫向布置的筒狀外殼，該筒狀外殼呈封閉狀，水輪機的轉軸位于筒狀外殼的軸線上，轉軸上沿周向均布有多排勺形水斗，每排勺形水斗均沿轉軸軸向排布。所述筒狀外殼的下側加工有貫通其長度的開口，浮筒內的那段水輪機管道上壁上有開口，筒狀外殼的開口四周與水輪機管道的開口四周間呈密封固定連接，使得勺形水斗通過該開口伸入水輪機管道內并使水輪機的轉軸與水輪機管道的縱向相垂直。本發明的進一步改進方案是浮筒和水輪機均至少有兩個，浮筒呈并排狀連接在基臺底部，所述水輪機管道從所有浮筒內穿過，且每個浮筒內的那段水輪機管道上均連接有水輪機。采用多級水輪機串聯的方式，可對做功后的洋流尾流進行再利用，使其再次對后一級的水輪機做功，將其所攜帶的動能進一步轉化為電能，從而實現洋流動能的充分利用。本發明的進一步改進方案是所述水輪機管道至少有兩個，它們的一端呈并排狀連接在聚流管道口徑較小的一端，它們的另一端均連接有尾流管道。所述至少兩個水輪機管道呈并排狀穿過浮筒，且浮筒內的每個水輪機管道上均連接有水輪機。多水輪機管道設置，可進一步縮小每個水輪機管道內的橫截面積，減少亂流現象的發生，且可以僅在相鄰兩個水輪機管道上對應的水輪機間連接一個發電機，從而使得該發電系統沿縱向中心線左右對稱，確保系統的平衡性。本發明的進一步改進方案是所述浮筒內在隔板上方還設有空壓機，空壓機的出氣口通過管道與所述水輪機筒狀外殼的內腔上部相連通。這樣，可以通過空壓機為水輪機筒狀外殼的內腔上部提供壓縮空氣，使得洋流在流經水輪機時，其高度適中不超過水輪機管道的高度，從而避免筒狀外殼內的頁面上升而阻礙勺形水斗繞轉軸轉動。本發明的進一步改進方案是所述浮筒外側固定有絞盤，絞盤上繞有纜索，纜索一端連接在絞盤上，另一端連有錨。利用纜索將錨放入海底，使其勾住海床，可以使該發電系統呈相對固定的漂浮在既定位置，利用漂浮的緩沖作用減小海水和風力的沖擊對系統造成的損壞，增加其使用壽命。本發明的進一步改進方案是所述水輪機管道與聚流管道連接的一端設有閥門，該閥門可控制水輪機管道的開合。利用該閥門控制進入系統內的洋流，即可控制發電機的啟閉，避免無輸出狀態時的發電機空轉，從而增加發電機的使用壽命。本發明的進一步改進方案是所述洋流入口的上端連接有導流板，該導流板與洋流入口連接的一端低于另一端。所述導流板的兩側邊與洋流入口的豎向兩邊間分別連接有側板。通過該導流板可以將上層流速較高的洋流導入到聚流管道中，進一步增加管道內洋流的流速，提高系統發電量。本發明的進一步改進方案是所述聚流管道、尾流管道均通過拉桿與基臺呈固定連接。這樣，可增加聚流管道、尾流管道與水輪機管道的連接剛性，使它們不易受海水沖擊而變形，從而增加系統的使用壽命。本發明的進一步改進方案是所述浮力艙的數量不少于兩個，它們布滿在基臺底部。所述基臺上有開口，開口上有艙蓋。基臺上開口的數量不多于浮力艙的數量，且開口均至少與一個浮力艙相連通。在部分浮力艙出現損壞進水的情況下，整個基臺不會全部進水而使得系統沉沒。而且，維修人員可通過艙蓋和開口進入損壞的浮力艙，對其進行維修。本發明的更進一步改進方案是所述聚流管道的洋流入口端有濾網。通過該濾網可攔截海洋生物或其它物質進入洋流管道內，從而避免發電系統洋流管道的堵塞或損壞，在不影響海洋生態系統的同時，增加了系統的使用壽命。采取上述方案，具有以下優點:
由于本發明的無動力漂浮式洋流發電系統的洋流管道的入口端采用斗狀的聚流管道，且聚流管道洋流入口端的口徑大于另一端，因此，當洋流進入聚流管道后，其流動截面不斷縮小，即利用狹管效應將進入該管道的洋流自身巨大的靜壓強所具有的勢能轉換成洋流的動能，從而增加洋流的流速，極大的提升了洋流動能的功率密度。如果洋流入口處的橫截面面積是聚流管道與水輪機管道連接端橫截面面積的10倍的話，那么洋流在流動過程中，其流動速度將增加至原來的10倍，由于功率密度與速度的三次方成正比，即功率密度增加至原來的1000倍，在面積縮小到1/10之一的情況下，總功率增加至洋流入口處的100倍，從而大大提高了系統發電量，其可滿足大功率的設計要求。與此同時，利用增加洋流流速的方式來提高發電量，可縮小水輪機尺寸，進而縮小發電系統整體的體積，而且采用漂浮式的結構也可避免在海底安裝立柱帶來的施工困難，從而可大大降低洋流發電系統的制造成本。
圖1是本發明的無動力漂浮式洋流發電系統結構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的無動力漂浮式洋流發電系統包括基臺1，基臺I的下方有水平布置的洋流管道。洋流管道包括聚流管道11、水輪機管道14和尾流管道4，聚流管道11和尾流管道4均為斗狀，聚流管道11 口徑較大的一端為洋流入口 10，即聚流管道11自洋流入口 10端到另一端的口徑逐漸變小，尾流管道4 口徑較大的一端為尾流出口 19，即尾流管道4自尾流出口 19端到另一端口徑也逐漸變小。本實施例中，水輪機管道14的數量為兩個，它們呈并排狀連接在聚流管道11 口徑較小的一端，它們的另一端分別連接有一個尾流管道4，且尾流管道4與水輪機管道14連接的一端均為其口徑較小的一端。所述基臺I底部連接有豎向布置的浮筒13，本實施例中，浮筒13的數量為兩個，它們呈并排狀連接在基臺I底部，且浮筒13對應的基臺I上均有艙口，艙口上均有蓋板5，基臺I底部除兩個浮筒13以外的位置有浮力艙7，浮力艙7的高度均小于浮筒13的長度。所述浮力艙7的數量不少于兩個，它們布滿在基臺I底部。所述基臺I上有開口，開口上有艙蓋2。基臺I上開口的數量不多于浮力艙7的數量，且開口均至少與一個浮力艙7相連通。本實施例中，分別在兩個浮筒13上方的基臺I兩側各設置有一個開口及艙蓋2，兩個開口分別與一個浮力艙7相連通，相鄰的兩個浮力艙7間可設置密封門，這樣，通過開口和密封門即可進入到任何一個浮力艙7中。所述兩個水輪機管道14均先后從兩個浮筒13內垂直穿過，即浮筒13的軸線均與水輪機管道14的縱向相垂直，且水輪機管道14的外壁均與浮筒13的筒壁間呈密封固定連接。所述兩個浮筒13內在水輪機管道14的下方均設置有一塊圓形的隔板6，隔板6的直徑與浮筒13的內徑相等，且隔板6四周均與浮筒13內壁間呈密封固定連接。所述浮筒13內在隔板6上方設有輸變電裝置、水輪機和發電機,發電機的輸出端子借助電纜與輸變電裝置相連，發電機的輸入軸與水輪機的轉軸間通過變速箱相連接。所述水輪機含有橫向布置的筒狀外殼15，該筒狀外殼15呈封閉狀，水輪機的轉軸位于筒狀外殼15的軸線上，轉軸上沿周向均布有多排勺形水斗16，每排勺形水斗16均沿轉軸軸向排布。本實施例中，在兩個浮筒13內，兩條并排的水輪機管道14上分別連接有一個水輪機，即所述水輪機的數量為四個。四個水輪機的筒狀外殼15的下側均加工有貫通其長度的開口，兩個浮筒13內共四段水輪機管道14的上壁均有開口，筒狀外殼15的開口四周與水輪機管道14的開口四周間一一對應呈密封固定連接，使得四個水輪機的勺形水斗16均通過與其對應的開口伸入在水輪機管道14內并使水輪機的轉軸均與水輪機管道14的縱向相垂直。在同一個浮筒13內，兩個水輪機的轉軸在一條直線上，且兩個水輪機的轉軸均連接在一個發電機的輸入軸上。本實施例在兩條水輪機管道14上分別采用兩級水輪機串聯的方式，可對一次做功后的洋流尾流進行再利用，使其再次對第二級的水輪機做功，將其所攜帶的動能再轉化為電能，從而實現對洋流動能的充分利用。且兩條水輪機管道14并聯，可進一步縮小每個水輪機管道14內的橫截面積，減少亂流現象的發生。而且，在兩條水輪機管道14上位置對應的兩個水輪機間連接一個發電機，可以使該發電裝置沿縱向中心線左右對稱，從而確保裝置的平衡性。在洋流進入水輪機管道14沖擊水輪機的勺形水斗16時，由于受到流量和管道橫截面的影響，在水輪機筒狀外殼15內的水面會不斷上升，甚至填滿筒狀外殼15，這就會對勺形水斗16的轉動帶來一定的阻力。因此，本實施例在兩個浮筒13內的隔板6上方均設有空壓機，空壓機的出氣口通過管道與各個浮筒13內的兩個水輪機筒狀外殼15的內腔上部均相連通。通過空壓機可控制各個水輪機筒狀外殼15內的水面高度，使其始終保持在與水輪機管道14等高的高度，從而減少海水對勺形水斗16轉動帶來的阻力。也可以在基臺I內的任何位置僅設置一臺空壓機，并將該臺空壓機的出氣口通過管道與所有水輪機的筒狀外殼15相連接，從而實現相同的效果。為了減小海水和風力的沖擊對系統造成的損壞，增加其使用壽命，并使其始終處于設定區域，本實施例將傳統的洋流發電系統利用立柱固定于海底的絕對固定方式變更為漂浮式的相對固定方式，即在所述浮筒13的外側固定絞盤，絞盤上繞有纜索18，纜索18 —端連接在絞盤上，另一端連有錨17，利用纜索18將錨17放入海底勾住海床，可以使該發電系統漂浮在既定位置。由于洋流的運動是終年不息的，一旦將該發電系統置于海面上，整個洋流管道內就始終會有洋流流動，即便是在不需要發電或無輸出狀態時，發電機也會受到水輪機的聯動作用而發生空轉。因此，本實施例在所述水輪機管道14與聚流管道11連接的一端設置有閥門12，該閥門12可控制水輪機管道14的開合，從而控制水輪機和發電機的轉動。洋流的流速自海平面向下是越來越緩慢，為了更好的利用海平面流速較高的洋流，本實施例在洋流入口 10的上端連接有導流板8，該導流板8與洋流入口 10連接的一端低于另一端，且導流板8較高的一端可伸出在海平面之上，導流板8的兩側邊與洋流入口 10的豎向兩邊間分別連接有側板。從而可將海平面流速較高的洋流也導入到聚流管道11中，兩邊的側板可防止洋流從聚流管道11兩側流失。同時，洋流的運動和牽引使得聚流管道11和尾流管道4終年受到海水的沖擊，它們與水輪機管道14連接的一端始終為應力集中的位置，長期使用很容易發生變形，因此本實施例的聚流管道11、尾流管道4均通過拉桿3與基臺I呈固定連接，從而增加了聚流管道11、尾流管道4與水輪機管道14的連接剛性。另外，在廣闊的海洋中，存在著大量的海洋生物或其它物質，這些生物和物質維系著整個海洋生態系統，而如果將本發明的無動力漂浮式洋流發電系統置于海上進行洋流發電時，這些生物和其它物質很容易隨著洋流進入系統的洋流管道中，在可能對海洋生態系統造成影響的同時，還容易造成洋流管道的堵塞或損壞。因此，本實施例在聚流管道11的洋流入口 10端還設置有濾網9，通過該濾網9可攔截大多數的海洋生物或其它物質，避免它們進入洋流管道中。使用時，將本發明的無動力漂浮式洋流發電系統置于海洋中，并利用纜索18和錨17使其漂浮在設定的區域。洋流從安裝有濾網9的聚流管道11洋流入口 10流入，經口徑逐漸縮小的聚流管道11加速之后，通過打開的閥門12進入左右對稱的兩個水輪機管道14，分別沖擊安裝在兩個水輪機管道14中的第一級的兩臺水輪機，將其所攜帶的動能轉化為水輪機的機械能，并通過轉軸將機械能傳遞給發電機，最終轉化為電能。經過一次做功的洋流尾流本身還具有一定的速度，它們繼續沿著水輪機管道14流動，并分別沖擊安裝在兩個水輪機管道14中的第二級的兩臺水輪機，同樣可將洋流動能轉化成機械能，并最終轉化成電能。完成兩次做功后最終的洋流尾流可沿著尾流管道4排出至海洋中。本發明中的水輪機水斗采用勺形水斗16的設計，使得水對其正面的沖擊力可以充分被吸收，且勺形結構具有較好的強度。多組勺形水斗16組合設計，具有很大的總涉水面積，但是每個勺形水斗16的面積又較小，制造安裝容易。將本發明的無動力漂浮式洋流發電系統略作改進，就可應用于旅游觀光、物資中轉站、海水談化、制氫、氧基站、海上項目訓練基地、狹管聚風發電塔建站、衛星導航、海產品深加工廠、雷達站、機場跑道、石油平臺等民用和軍用領域。2012年05月04日《北京商報》報道世界首家利用洋流發電的是南非德班市，將利用附近海域的阿古拉斯洋流發電，它將具備I兆瓦的發電能力(洋流速度約為I米/秒)，其水輪機葉輪所需要涉及的洋流面積超過5000平方米。若在同樣海域使用本發明技術在發電量相同的情況下，理論上設計一個進水口 50平方米，出水口面積5平方米的管道就可完成，發電裝置的體積明顯縮小，制造成本可大大降低。顯然，當洋流涉流面積相同的情況下，使用本發明的發電裝置可明顯提高發電量。
權利要求
1.無動力漂浮式洋流發電系統，其特征在于包括基臺(1)，基臺(1)的下方有水平布置的洋流管道；所述洋流管道包括聚流管道(11)、水輪機管道(14)和尾流管道(4)，聚流管道(11)和尾流管道(4)均為斗狀，它們口徑較小的一端分別于水輪機管道(14)的兩端相連接，聚流管道(11) 口徑較大的一端為洋流入口(10)，尾流管道(4) 口徑較大的一端為尾流出口(19);所述基臺(1)底部連接有豎向布置的浮筒(13)，浮筒(13)對應的基臺(1)上有艙口，艙口上有蓋板(5 )，基臺(I)底部除浮筒(13 )以外的位置有浮力艙(7 )，浮力艙(7 )的高度小于浮筒(13)的長度；所述水輪機管道(14)從浮筒(13)內穿過，且水輪機管道(14)的外壁與浮筒(13)的筒壁間呈密封固定連接，水輪機管道(14)下方的浮筒(13)內有隔板(6)，隔板(6)四周與浮筒(13)內壁間呈密封固定連接；所述浮筒(13)內在隔板(6)上方設有輸變電裝置、水輪機和發電機，發電機的輸出端子借助電纜與輸變電裝置相連，發電機的輸入軸與水輪機的轉軸間通過變速箱相連；所述水輪機含有橫向布置的筒狀外殼(15)，該筒狀外殼(15)呈封閉狀，水輪機的轉軸位于筒狀外殼(15)的軸線上，轉軸上沿周向均布有多排勺形水斗(16)，每排勺形水斗(16)均沿轉軸軸向排布；所述筒狀外殼(15)的下側加工有貫通其長度的開口，浮筒(13)內的那段水輪機管道(4)上壁上有開口，筒狀外殼(15)的開口四周與水輪機管道(14)的開口四周間呈密封固定連接，使得勺形水斗(16)通過該開口伸入水輪機管道(14)內并使水輪機的轉軸與水輪機管道(14)的縱向相垂直。
2.如權利要求1所述的無動力漂浮式洋流發電系統，其特征在于所述浮筒(13)和水輪機均至少有兩個，浮筒(13)呈并排狀連接在基臺(I)底部，所述水輪機管道(14)從所有浮筒(13)內穿過，且每個浮筒(13)內的那段水輪機管道(14)上均連接有水輪機。
3.如權利要求1所述的無動力漂浮式洋流發電系統，其特征在于所述水輪機管道(14)至少有兩個，它們的一端呈并排狀連接在聚流管道(11) 口徑較小的一端，它們的另一端均連接有尾流管道(4);所述至少兩個水輪機管道(14)呈并排狀穿過浮筒(13)，且浮筒(13)內的每個水輪機管道(14)上均連接有水輪機。
4.如權利要求1所述的無動力漂浮式洋流發電系統，其特征在于所述浮筒(13)內在隔板(6)上方還設有空壓機，空壓機的出氣口通過管道與所述水輪機筒狀外殼(15)的內腔相連通。
5.如權利要求1所述的無動力漂浮式洋流發電系統，其特征在于所述浮筒(13)外側固定有絞盤，絞盤上繞有纜索(18)，纜索(18) —端連接在絞盤上，另一端連有錨(17)。
6.如權利要求1所述的無動力漂浮式洋流發電系統，其特征在于所述水輪機管道(14)與聚流管道(11)連接的一端設有閥門(12)，該閥門(12)可控制水輪機管道(14)的開合。
7.如權利要求1所述的無動力漂浮式洋流發電系統，其特征在于所述洋流入口(10)的上端連接有導流板(8)，該導流板(8)與洋流入口(10)連接的一端低于另一端；所述導流板的兩側邊與洋流入口的豎向兩邊間分別連接有側板。
8.如權利要求1所述的無動力漂浮式洋流發電系統，其特征在于所述聚流管道(11)、尾流管道(4)均通過拉桿(3)與基臺(1)呈固定連接。
9.如權利要求1所述的無動力漂浮式洋流發電系統，其特征在于所述浮力艙(7)的數量不少于兩個，它們布滿在基臺(1)底部；所述基臺(1)上有開口，開口上有艙蓋(2);基臺(I)上開口的數量不多于浮力艙(7)的數量，且開口均至少與一個浮力艙(7)相連通。
10.如權利要求廣9中任一項所述的無動力漂浮式洋流發電系統，其特征在于所述聚流管道(11)的洋流 入口(10)端有濾網(9)。
全文摘要
本發明涉及一種無動力漂浮式洋流發電系統，它的特點是包括基臺，基臺的下方有依次連接的聚流管道、水輪機管道和尾流管道。基臺底部連接有浮筒，浮筒四周有浮力艙。水輪機管道從浮筒內穿過，且水輪機管道下方的浮筒內有隔板。浮筒內有輸變電裝置、水輪機和發電機，發電機的輸出端子與輸變電裝置相連，發電機的輸入軸與水輪機的轉軸相連。水輪機含有筒狀外殼，轉軸位于筒狀外殼的軸線上，轉軸上沿周向均布有多排勺形水斗。筒狀外殼的下側加工有開口，水輪機管道上壁上有開口，筒狀外殼的開口與水輪機管道的開口間呈密封連接。這種發電系統，不僅制造成本低，而且其發電量較高，能夠達到大功率的要求。
文檔編號F03B3/18GK103147901SQ20131008313
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月15日 優先權日2013年3月15日
發明者李勇強, 姚伯龍, 謝玉琪, 楊偉濤, 張紅旭 申請人:江蘇中蘊風電科技有限公司