專利名稱：波能發電裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用波浪能的發電裝置，特別涉及一種兼具高效率和高可靠性的波能 發電裝置。
背景技術：
目前，波浪能發電裝置在使用時主要存在以下幾個問題安全可靠性和波能轉換 率不能兼顧，建造成本較高，受地形或海況條件限制較強，不能很好地實現規模化、產業化 應用。申請號為200910050526.X的專利申請公開了一種漂浮圍堰式波浪能發電裝置， 其利用潮汐漲落時波浪的勢能和動能，通過水輪發電機轉化成電能。其缺陷在于波能發電 裝置設有自動控制系統，使得裝置過于復雜，可靠性差，難以實現實際應用，并且自動控制 系統本身也有能量消耗。未來波能發電裝置的發展趨勢為研制高效率、高可靠性、低建造成本的波能發電 裝置。這就要求波能發電裝置兼顧平穩、高效的波能轉換率及結構的可靠性，在波浪能技術 還不成熟的現階段，可靠性顯得十分重要，必要時效率可以低一些，但仍需較高可靠性。同 時還應考慮適應不同海區波浪及海況條件，降低發電成本，實現規模化、產業化開發。
發明內容
本發明旨在提供一種高效率、高可靠性、低建造成本的波能發電裝置，以適應不同 的地形和海況條件。本發明的技術方案是一種波能發電裝置，包括波能收集轉換系統1、水輪發電系 統2和錨固系統3。波能收集轉換系統1包括蓄水池101、引浪板102、聚波板103和出水管104，蓄水 池101為由12塊側板105圍成的中空等邊十二棱柱結構，其橫截面為等邊十二棱形，其上 部為進水口 106，底部設有出水口 107和底部平臺108，蓄水池外側設置引浪板102，引浪板 102上端與蓄水池側板105上端連接，下端傾斜延伸至蓄水池底部平面，相鄰引浪板102的 連接處設置聚波板103，蓄水池出水口 107處設置向下延伸的出水管104。所述引浪板102坡度為2 3，適于波浪爬升與攀越，引浪板102為等腰梯形，數量 為12塊。所述聚波板103為不規則四邊形，優選不規則梯形，豎直安裝于相鄰引浪板105的 連接處，數量為12塊，等距排列。聚波板103不但可以防止波浪爬升過程中往兩側滑落，以 盡可能多的捕獲波浪能，而且有利于波浪爬升過程中增加波高。所述出水管104管徑為蓄水池進水口 106徑向距離的1/4。水輪發電系統2包括水輪機201、發電機202和傳動機構203，水輪機201和發電 機202通過傳動機構203上下設置，水輪機201位于發電機202的下方。發電機202通過 支撐桿204安裝于蓄水池101的上部，高于蓄水池的進水口 106，發電機202通過傳動機構203與水輪機201連接，水輪機201位于出水管104內。所述傳動機構203包括傳動軸208， 傳動軸208外設置軸套209。所述發電機202外部設置密封套207。上下設置的方式可以 最大限度地減小在傳動過程中的能量損耗，提高能量地轉換效率。密封套207的設置可以 避免在使用過程中海水對發電機202的侵蝕，以延長發電機202的使用壽命。所述發電機支撐桿204數量為3或6根，支撐桿204 —端固定連接于發電機密封 套207上，另一端固定連接于蓄水池進水口 106邊緣處。所述水輪機201為軸流漿葉式水輪機210，通過軸承205和支撐桿206固定于出水 管104的入口處，軸承205通過支撐桿206連接于蓄水池的底部平臺108上，所述軸承205 的支撐桿206數量為3根，支撐桿206 —端固定連接于軸承205上，另一端固定連接于蓄水 池底部平臺108上。所述軸流漿葉式水輪機210包括轉輪212和葉片211，其葉片211垂直于軸流漿葉 式水輪機的軸心線安裝于其轉輪212上，葉片211為中央內凹結構，葉片迎水面213為內凹 的弧形面，背水面214為外凸的弧形面，弧形面的切線與軸心線的夾角為45°，葉片211數 量為6片，葉片211弦長為0. 45m，葉片211葉寬參數為，根部0.21m，端部0. 33m，葉片211 頂端為圓弧形。本技術方案提供的軸流漿葉式水輪機210可以在低水頭差AH= 1.5m 2. 0m下運行，減小了波能發電裝置對水頭的要求。所述水輪機201為曲面葉片式水輪機220，其通過軸承226固定于出水管104內。 所述出水管104上端設有S型導流板225，所述導流板225的一端固定于出水管壁上，一端 延伸至曲面葉片式水輪機220的葉片223上端。選用曲面葉片式水輪機220時，所述傳動 機構203包括兩根傳動軸208和兩個轉向軸承224，兩根傳動軸208各自分別一端連接發電 機202，另一端通過轉向軸承224與曲面葉片式水輪機220的轉軸222的一端相連接。所述曲面葉片式水輪機220包括轉軸222和葉片223，轉軸222外設有外殼221，葉 片223垂直于曲面葉片式水輪機220的軸心線安裝于外殼221上，葉片223為曲面結構，曲 面彎度為45°，葉片223數量為8片，等間距固定在外殼221上，葉片223弦長為0. 13m,葉 寬為0.3m。本技術方案提供的曲面葉片式水輪機220可以在低水頭差AH= 1.5m 2.0m 下運行，減小了波能發電裝置對水頭的要求。錨固系統3包括錨鏈301、荷重懸塊302和重力錨303，重力錨303錨定在海床上， 錨鏈301 —端固定于重力錨303上，另一端連接于蓄水池101外側底部的角端，錨鏈301以 蓄水池101為中心，呈中心對稱分布，荷重懸塊302通過短鏈304懸掛于錨鏈301上。因本 發明工作水域水深較小，平均水深為10m，故采用錨鏈而不用鋼索，它在強度、延伸率、斷裂 位能、耐磨損及耐腐蝕等各種性能上都優于鋼索。由于發電裝置有可能受到來自各個方向 的作用力，因此本錨固系統設計方案選用分布式。所述錨固系統3的錨鏈301數量為6，型號優選M3，鏈徑為60mm，錨鏈301單位長 度在空氣中的質量為75-80kg/m，單根錨鏈301的長度為27. 5m，單根錨鏈301的水平跨度 為22m ；荷重懸塊302的數量為6，單塊荷重懸塊302在空氣中的質量為1000_1100kg，荷重 懸塊302距錨鏈301下部末端的距離為17. 5m ；短鏈304數量為1_3根；重力錨303為鋼筋 混凝土制成的沉塊。因發電裝置預定工作海域的海底底質為基巖，采用一般型式的錨很難 使錨爪伸入底質而獲得足夠大的抓力；而采用樁柱又需進行水下施工，使建造成本大增。為 此，確定使用重力錨303，即使用鋼筋混凝土制成的沉塊來代替錨。只要重力錨303在海中有足夠的負浮力，靠其自身重力即可保證錨固的可靠性，保證裝置正常工作時不滑動走錨， 極端惡劣環境下可適當發生位移，只需保證裝置不發生漂流丟失。本發明的有益效果在于(1)本發明屬于漂浮式波能發電裝置，波能利用率高，可 以適用于不同海況及水深條件，不受潮差影響，可以實現商業化生產，降低發電成本；(2) 波能轉換率較高，各引浪板組成棱臺式引浪面，能夠吸收不同入射方向和頻率的波浪，同 時，裝配在引浪面上的聚波板既可以防止波浪往兩側滑落收集到更多的波能同時可以抬高 波浪的爬升，有助于波浪的越浪，收集更多的波能，提高波能轉換效率；(3)水輪機可以在 低水頭下運行，減小了波能發電裝置對水頭的要求；(4)可靠性高，裝置的活動部件較少， 整體穩定性高，可靠度好，能兼顧結構的可靠性及波能轉換率；(5)錨固系統多根錨鏈對稱 式分布，整體穩定性高，可靠度好，采用錨鏈形式，水下施工較少，建造成本低，采用錨鏈半 剛度系統，具有可調節性，可根據水位變化自動調節平衡位置，錨鏈懸掛荷重懸塊，增大錨 鏈剛度，增加錨鏈拉力，減小裝置運動響應，保證裝置正常工作。
圖1是本發明的整體結構示意圖；圖2是本發明中波能收集轉換系統的立體結構圖；圖3是本發明的部分剖面圖；圖4是本發明中引浪板的示意圖；圖5是本發明中聚波板的示意圖；圖6是本發明中實施例1的部分剖面圖；圖7是本發明中軸流漿葉式水輪發電系統的結構示意圖；圖8是本發明中軸流漿葉式水輪機的結構示意圖；圖9是本發明中實施例2的部分剖面圖；圖10是本發明中實施例2的部分剖面圖；圖11是本發明中圖10的部分放大圖；圖12是本發明中實施例2的俯視圖；圖13是本發明中曲面葉片式水輪發電系統的結構示意圖；圖14是本發明中曲面葉片式水輪機的結構示意圖；圖15是本發明中曲面葉片式水輪發電系統的部分剖面圖；圖16是本發明中導流板的示意圖；圖17是本發明中錨固系統的結構示意圖；圖18是本發明中錨固系統的結構示意圖；圖19是本發明中錨固系統的荷重懸塊的分布示意圖。其中，1-波能收集轉換系統，2-水輪發電系統，3-錨固系統，101-蓄水池，102-引 浪板，103-聚波板，104-出水管，105-側板，106-進水口，107-出水口，108-底部平臺， 201-水輪機，202-發電機，203-傳動機構，204-支撐桿，205-軸承，206-支撐桿，207-密封 套，208-傳動軸，209-軸套，210-軸流漿葉式水輪機，211-葉片，212-轉輪，213-葉片迎水 面，214-葉片背水面，220-曲面葉片式水輪機，221-外殼，222-轉軸，223-葉片，224-轉向 軸承，225-導流板，226-軸承，301-錨鏈，302-荷重懸塊，303-重力錨，304-短鏈。
具體實施例方式結合實施例具體說明本發明。實施例1 參見圖1和圖3，波能發電裝置包括波能收集轉換系統1、水輪發電系統2和錨固 系統3。參見圖2-圖5，波能收集轉換系統1包括蓄水池101、引浪板102、聚波板103和出 水管104。蓄水池101為由12塊側板105圍成的中空等邊十二棱柱結構，其橫截面為等邊 十二棱形，其上部為進水口 106，底部設有出水口 107和底部平臺108。蓄水池外側設置引 浪板102，引浪板102上端與蓄水池側板105上端連接，下端傾斜延伸至蓄水池底部平面。 引浪板102坡度為2 3，適于波浪爬升與攀越，引浪板102為等腰梯形，數量為12塊。相 鄰引浪板102的連接處設置聚波板103，聚波板103為不規則四邊形，優選不規則梯形，豎直 安裝于相鄰引浪板105的連接處，數量為12塊，等距排列。蓄水池出水口 107處設置向下 延伸的出水管104。出水管104管徑為蓄水池進水口 106徑向距離的1/4。參見圖3，水輪發電系統2包括水輪機201、發電機202和傳動機構203，水輪機201 和發電機202通過傳動機構203上下設置，水輪機201位于發電機202的下方。發電機202 通過支撐桿204安裝于蓄水池101的上部，高于蓄水池的進水口 106，發電機202通過傳動 機構203與水輪機201連接，水輪機201位于出水管104內。所述傳動機構203包括傳動 軸208，傳動軸208外設置軸套209。所述發電機202外部設置密封套207。發電機支撐桿 204數量為6根，支撐桿204 —端固定連接于發電機密封套207上，另一端固定連接于蓄水 池進水口 106邊緣處。參見圖6-圖8，水輪機201選用軸流漿葉式水輪機210，通過軸承205和支撐桿206 固定于出水管104的入口處，軸承205通過支撐桿206連接于蓄水池的底部平臺108上，所 述軸承205的支撐桿206數量為3根，支撐桿206 —端固定連接于軸承205上，另一端固定 連接于蓄水池底部平臺108上。軸流漿葉式水輪機210包括轉輪212和葉片211，其葉片 211垂直于軸流漿葉式水輪機的軸心線安裝于其轉輪212上，葉片211為中央內凹結構，葉 片迎水面213為內凹的弧形面，背水面214為外凸的弧形面，弧形面的切線與軸心線的夾角 為45°，葉片211數量為6片，葉片211弦長為0. 45m,葉片211葉寬參數為，根部0. 21m，端 部0. 33m,葉片211頂端為圓弧形。參見圖16-圖18，錨固系統3包括錨鏈301、荷重懸塊302和重力錨303，重力錨 303錨定在海床上，錨鏈301 —端固定于重力錨303上，另一端連接于蓄水池101外側底部 的角端，錨鏈301以蓄水池101為中心，呈中心對稱分布，荷重懸塊302通過短鏈304懸掛 于錨鏈301上。錨固系統3的錨鏈301數量為6，型號優選M3，鏈徑為60mm，錨鏈301單位 長度在空氣中的質量為75-80kg/m，單根錨鏈301的長度為27. 5m，單根錨鏈301的水平跨 度為22m ；荷重懸塊302的數量為6，單塊荷重懸塊302在空氣中的質量為1000_1100kg，荷 重懸塊302距錨鏈301下部末端的距離為17. 5m ；短鏈304數量為1_3根；重力錨303為鋼 筋混凝土制成的沉塊。參見圖1-圖8，不同方向、頻率的波浪到達波浪收集轉換系統1底部時，沿引浪板 102向上攀升，到達進水口 106，最終越入蓄水池101中。引浪板102的坡度為2 3，適于 波浪爬升與攀越，聚波板103不但可以防止波浪爬升過程中往兩側滑落，以盡可能多的捕獲波浪能，而且有利于波浪爬升過程中增加波高。在此過程中，將較不穩定的入射波能轉換 為蓄水池101內水體的勢能。波浪進入蓄水池101后，通過出水口 107進入出水管104。水 流由上而下擊打在軸流漿葉式水輪機210的葉片211上，在水流沖擊力的作用下，葉片211 繞轉輪212旋轉，帶動與之相連的傳動軸208 —起轉動，從而帶動其上端的發電機202工 作，最終轉換成電能，水沿出水管104排出。參見圖16-圖18，當波能發電裝置正常工作時，波浪載荷不斷地作用其上，其錨固 系統3的錨鏈301具有較大的初始拉力，荷重懸塊302也增大運動阻尼，阻止波能發電裝置 大幅度的運動。當波能發電裝置有一定位移時，有荷重的錨鏈301產生較大的回復力，使波 能發電裝置趨于平衡位置。由于波能發電裝置工作地點潮汐水位變化較大，而錨鏈301是半剛性結構形式， 當水位變化時，在波能發電裝置浮力、自身重力、錨鏈拉力的作用下會改變錨鏈301形狀， 達到新的平衡位置，保證波能發電裝置繼續正常工作。當遇到極端海況時，波能發電裝置不再正常工作，此時不用考慮波能發電裝置運 動，只需保證錨固系統3不被破壞，為波能發電裝置提供安全保證。由于錨固系統3的錨鏈 301都具有較大安全系數，破壞強度值較大，故能保證錨固系統3不被破壞，即為波能發電 裝置提供了安全保證。因波能發電裝置預定工作海域的海底底質為基巖，采用一般型式的錨很難使錨爪 伸入底質而獲得足夠大的抓力；而采用樁柱又需進行水下施工，使建造成本大增。為此，確 定使用重力錨303，即使用鋼筋混凝土制成的沉塊來代替錨。只要重力錨303在海中有足夠 的負浮力，靠其自身重力即可保證錨固的可靠性，保證裝置正常工作時不滑動走錨，極端惡 劣環境下可適當發生位移，只需保證裝置不發生漂流丟失。實施例2 參見圖9-圖15，水輪機201選用曲面葉片式水輪機220，其通過軸承226固定于 出水管104內。所述出水管104上端設有S型導流板225，所述導流板225的一端固定于出 水管壁上，一端延伸至曲面葉片式水輪機220的葉片223上端。選用曲面葉片式水輪機220 時，所述傳動機構203包括兩根傳動軸208和兩個轉向軸承224，兩根傳動軸208各自分別 一端連接發電機202，另一端通過轉向軸承224與曲面葉片式水輪機220的轉軸222的一端 相連接。曲面葉片式水輪機220包括轉軸222和葉片223，轉軸222外設有外殼221，葉片 223垂直于曲面葉片式水輪機220的軸心線安裝于外殼221上，葉片223為曲面結構，曲面 彎度為45°，葉片223數量為8片，等間距固定在外殼221上，葉片223弦長為0. 13m,葉寬 為 0. 3m。波浪進入蓄水池101后，通過出水口 107進入出水管104后，水流由上而下擊打在 曲面葉片式水輪機220的葉片223上，在水流沖擊力的作用下，葉片223繞轉軸222旋轉， 從而將水流的勢能轉換成葉片223的動能。在內外水頭差的作用下，水流推動曲面葉片式 水輪機220的轉軸222轉動，在轉向軸承224的作用下，轉軸222通過傳動軸208帶動其上 端的發電機202工作，最終轉換成電能，水沿出水管104排出。其余同實施例1。
權利要求
一種波能發電裝置，其特征在于，包括波能收集轉換系統(1)、水輪發電系統(2)和錨固系統(3)；其中，波能收集轉換系統(1)包括蓄水池(101)、引浪板(102)、聚波板(103)和出水管(104)，蓄水池(101)為由12塊側板(105)圍成的中空等邊十二棱柱結構，其橫截面為等邊十二棱形，其上部為進水(106)，底部設有出水(107)和底部平臺(108)，蓄水池外側設置引浪板(102)，引浪板(102)上端與蓄水池側板(105)上端連接，下端傾斜延伸至蓄水池底部平面，相鄰引浪板(102)的連接處設置聚波板(103)，蓄水池出水(107)處設置向下延伸的出水管(104)；水輪發電系統(2)包括水輪機(201)、發電機(202)和傳動機構(203)，水輪機(201)和發電機(202)通過傳動機構(203)上下設置，水輪機(201)位于發電機(202)的下方，發電機(202)通過支撐桿(204)安裝于蓄水池(101)的上部，高于蓄水池的進水(106)，發電機(202)通過傳動機構(203)與水輪機(201)連接，水輪機(201)位于出水管(104)內，所述傳動機構(203)包括傳動軸(208)，傳動軸(208)外設置軸套(209)，所述發電機(202)外部設置密封套(207)；錨固系統(3)包括錨鏈(301)、荷重懸塊(302)和重力錨(303)，重力錨(303)錨定在海床上，錨鏈(301)一端固定于重力錨(303)上，另一端連接于蓄水池(101)外側底部的角端，錨鏈(301)以蓄水池(101)為中心，呈中心對稱分布，荷重懸塊(302)通過短鏈(304)懸掛于錨鏈(301)上。
2.根據權利要求1所述的波能發電裝置，其特征在于，所述引浪板(102)坡度為2 3， 為等腰梯形，數量為12塊。
3.根據權利要求1所述的波能發電裝置，其特征在于，所述聚波板(103)為不規則四邊 形，豎直安裝于相鄰引浪板(102)的連接處，數量為12塊，等距排列。
4.根據權利要求1所述的波能發電裝置，其特征在于，所述出水管(104)管徑為蓄水池 進水(106)徑向距離的1/4。
5.根據權利要求1所述的波能發電裝置，其特征在于，所述發電機支撐桿(204)數量為 3或6根，支撐桿(204) —端固定連接于發電機密封套(207)上，另一端固定連接于蓄水池 進水(106)邊緣處。
6.根據權利要求1所述的波能發電裝置，其特征在于，所述水輪機(201)為軸流漿葉 式水輪機(210)，包括轉輪(212)和葉片(211)，其葉片(211)垂直于軸流漿葉式水輪機的 軸心線安裝于其轉輪(212)上，葉片(211)為中央內凹結構，葉片迎水面(213)為內凹的弧 形面，背水面(214)為外凸的弧形面，弧形面的切線與軸心線的夾角為45°，葉片(211)數 量為6片，葉片(211)弦長為0.45m，葉片(211)葉寬參數為，根部0. 21m，端部0. 33m，葉片 (211)頂端為圓弧形。
7.根據權利要求7所述的波能發電裝置，其特征在于，所述軸流漿葉式水輪機(210)通 過軸承(205)和支撐桿(206)固定于出水管(104)的入口處，軸承(205)通過支撐桿(206) 連接于蓄水池的底部平臺(108)上，所述軸承(205)的支撐桿(206)數量為3根，支撐桿 (206) 一端固定連接于軸承(205)上，另一端固定連接于蓄水池底部平臺(108)上。
8.根據權利要求1所述的波能發電裝置，其特征在于，所述水輪機(201)為曲面葉片式 水輪機(220)，其包括轉軸(222)和葉片(223)，轉軸(222)外設有外殼(221)，葉片(223)垂直于曲面葉片式水輪機(220)的軸心線安裝于外殼(221)上，葉片(223)為曲面結構， 曲面彎度為45°，葉片(223)數量為8片，等間距固定在外殼(221)上，葉片(223)弦長為 0. 13m，葉寬為 0. 3m。
9.根據權利要求9所述的波能發電裝置，其特征在于，所述曲面葉片式水輪機(220)通 過軸承(226)固定于出水管(104)內。
10.根據權利要求9所述的波能發電裝置，其特征在于，所述出水管(104)上端設有S 型導流板(225)，所述導流板(225)的一端固定于出水管壁上，一端延伸至曲面葉片式水輪 機(220)的葉片(223)上端。
11.根據權利要求9所述的波能發電裝置，其特征在于，所述傳動機構(203)包括兩根 傳動軸(208)和兩個轉向軸承(224)，兩根傳動軸(208)各自分別一端連接發電機(202)， 另一端通過轉向軸承(224)與曲面葉片式水輪機(220)的轉軸(222)的一端相連接。
12.根據權利要求1所述的波能發電裝置，其特征在于，所述錨固系統(3)的錨鏈 (301)數量為6，鏈徑為60mm，錨鏈(301)單位長度在空氣中的質量為75_80kg/m，單根錨鏈 (301)的長度為27. 5m，單根錨鏈(301)的水平跨度為22m ；所述荷重懸塊(302)的數量為 6，單塊荷重懸塊(302)在空氣中的質量為lOOO-llOOkg，荷重懸塊(302)距錨鏈(301)下部 末端的距離為17. 5m ；所述短鏈(304)數量為1_3根；所述重力錨(303)為鋼筋混凝土制成 的沉塊。
全文摘要
本發明涉及一種兼具高效率和高可靠性的波能發電裝置。本發明旨在提供一種高效率、高可靠性、低建造成本的波能發電裝置。其技術方案是一種波能發電裝置，包括波能收集轉換系統、水輪發電系統和錨固系統。波能收集轉換系統包括蓄水池、引浪板、聚波板和出水管。水輪發電系統包括水輪機、發電機和傳動機構，水輪機和發電機通過傳動機構上下設置，水輪機位于發電機的下方。錨固系統包括錨鏈、荷重懸塊和重力錨，重力錨錨定在海床上，錨鏈一端固定于重力錨上，另一端連接于蓄水池外側底部的角端，錨鏈以蓄水池為中心，呈中心對稱分布，荷重懸塊通過短鏈懸掛于錨鏈上。本發明波能利用率高，波能轉換率較高，整體穩定性好，可靠性高。
文檔編號F03B3/12GK101984251SQ20101057536
公開日2011年3月9日 申請日期2010年12月6日 優先權日2010年12月6日
發明者劉婭君, 劉棟, 劉臻, 史宏達, 王鴻旭, 邵萌, 黃燕 申請人:中國海洋大學