CN103133224A - 半潜式洋流风力组合发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半潜式洋流风力组合发电系统，它包括浮台，浮台的上表面设置有风力发电系统，浮台内设置有发电机，浮台的四周均布有悬浮舱，浮台的下方有横向布置的洋流管道。其特点是所述洋流管道包括聚流管道、涡轮舱和排流管道，聚流管道、涡轮舱和排流管道依次呈横向同轴连接。浮台下端连接有浮筒，浮筒的径向相对筒壁上有开口，涡轮舱从开口穿过且呈固定密封连接。在聚流管道一端的涡轮舱内有轮筒，轮筒可沿涡轮舱轴线转动。轮筒的外壁沿周向均布有涡轮叶片，轮筒与发电机的输入轴间呈联动式配合。聚流管道内有圆锥形的导流罩，其圆形的一端与轮筒等径且位置对应。这种发电系统，体积较小，可降低制造成本，而且它对流体的利用率很高，能够产生较高的电能。

Description

半潜式洋流风力组合发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电系统。具体说，是能够同时利用风力和洋流进行发电的半潜式洋流风力组合发电系统，其具有对洋流进行聚集、收储、增速、转换等功能。

背景技术

众所周知，为减少对自然资源的过度开发、利用，目前世界各国都比较重视利用自然流体来进行发电，这其中包括风力发电和洋流发电。传统的风力发电系统和洋流发电系统的发电机均是利用风力和洋流（可统称流体）在大尺度范围内不同地点之间压强差形成的势能引起的宏观流动进行发电，这种方式对于流体的应用几乎已经达到极限，而对于流体本身所携带的静压力势能则无法被利用。为了提升这类发电机的功率，就只能一味增加其动力机与流体间的接触面积，结果通常的做法是必须配备巨大的叶片，从而导致这类发电机的体形巨大，制造成本较高。以洋流发电系统为例，如果需要建设一个兆瓦级的洋流发电系统，其动力机叶片需要截获的洋流面积必须达到几十万平方米，这不但需要投入大量的制造成本，而且还会对海洋生态系统造成较大的影响。

近些年来，有人提出了将洋流发电和风力发电进行组合的发电方式，即在一个浮台的上方和下方分别设置风力发电系统和洋流发电系统。这种方式虽然能够同时对风力和洋流两种流体进行组合利用，但其获取能量的方式仍然是常规的风力发电和洋流发电方式，即只是将这两种发电方式进行简单的组合，并没有产生特别的效果。而且在海上设置浮台毕竟不同于陆地，由于受到浮台尺寸的限制，其风力发电系统和洋流发电系统的尺寸通常都较小，即便是在高速洋流和风力的海域，其产生的电能也非常有限，而其制造成本往往要高于两台同级别的风力发电系统的总和，因此不具有很大的利用价值。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种半潜式洋流风力组合发电系统，这种发电系统，体积较小，可降低制造成本，而且它对流体的利用率很高，能够产生较高的电能。

为解决上述问题，采取以下方案：

本发明的半潜式洋流风力组合发电系统包括浮台，浮台的上表面设置有风力发电系统，浮台内设置有发电机，浮台的四周均布有悬浮舱，浮台的下方有横向布置的洋流管道。其特点是所述洋流管道包括聚流管道、涡轮舱和排流管道，聚流管道、涡轮舱和排流管道依次呈横向同轴连接。所述浮台下端连接有呈竖向布置的浮筒，浮筒的径向相对筒壁上有一对开口，所述涡轮舱从该对开口穿过，且涡轮舱与开口间均呈固定密封连接。在靠近聚流管道一端的涡轮舱内有横向布置的轮筒，该轮筒可在涡轮舱内沿涡轮舱轴线转动。所述轮筒的外壁上沿周向均布有涡轮叶片，轮筒与所述发电机的输入轴间呈联动式配合。所述聚流管道内有导流罩，该导流罩为圆锥形，其圆形的一端直径与轮筒直径相等且位置对应。

本发明的进一步改进方案是所述风力发电系统为聚风发电系统，它包括集风筒、聚风机构和风力发电机；所述集风筒为呈竖向布置的直筒，集风筒上端有集风头；所述集风头为弯头，其两端的轴向中心线相垂直，其一端与集风筒上端间呈可旋转状活动配合；集风筒内有导风罩，该导风罩为锥形，其上端呈封闭状；导风罩底部四周均布有聚风管道，该聚风管道的口径自上而下逐渐变小；聚风管道上端有调风机构，聚风管道下端与所述风力发电机的进风口相连。这样，从集风筒上端的集风头进入的自然风集聚到了导风罩的四周并分流后直接送给风力发电机，与传统风力发动机相比，避免了叶轮中心处的风无法产生力矩的情况，产生的力矩较大，使风能得到了充分利用。另外，由于从集风筒上端的集风头进入的自然风在导风罩的四周由于截面积不断减少的缘故，经历了第一次压缩增速，然后进入下端的聚风管道，由于在聚风管道中从上向下截面积进一步减少，利用狭管效应，风速得到进一步提升，更多静压力势能转换动能，使得风能功率密度成倍增强，风速由几米每秒增加到几十米每秒，增速后的风直接进入风力发电机，可大大提高风力发电机的发电量。

本发明的进一步改进方案是所述聚流管道和排流管道均为喇叭状，它们内径较小的一端分别与涡轮舱的两端相连接，聚流管道内径较大的一端为洋流进口，排流管道内径较大的一端为洋流出口。聚流管道设计成喇叭形，可进一步增加该系统对洋流的聚流、增速效果，从而进一步减小整个系统的体积，降低制造成本。根据伯努利定律，将排流管道设计成喇叭形，可使得洋流在排出过程中，管道横截面不断扩大，降低尾流速度，减少其所受到的阻力，使得尾流尽快地释放到海水中，避免其对洋流管道内洋流整体流动性的影响。

本发明的进一步改进方案是所述轮筒的四周外表面轴向有不少于两组涡轮叶片，每组涡轮叶片均沿轮筒外表面周向均匀布置，且涡轮叶片的倾斜方向均相同。相邻的两组涡轮叶片之间对应的涡轮舱内壁上固定有沿周向均布的第一导流板，第一导流板的倾斜方向与涡轮叶片的倾斜方向相反。即在轮筒的外表面轴向采用多级涡轮叶片串联，并在相邻的两级涡轮叶片之间设置第一导流板来调整洋流的流动方向，使得洋流与多级涡轮叶片撞击后才能排出，从而对洋流所携带的动能进行充分的利用。

本发明的进一步改进方案是所述导流罩与轮筒间连接有短直筒，短直筒的外壁上沿周向均布有第二导流板。这样，可以在洋流冲击涡轮叶片前，利用第二导流板对其进行规整，避免乱流和涡流的出现，使洋流沿着第二导流板的表面冲击涡轮叶片，从而减少洋流动能的损耗。

本发明的更进一步改进方案是所述涡轮舱内轮筒对应排流管道的一端连接有齿轮箱，轮筒与该齿轮箱的输入轴间呈同心固定连接，齿轮箱的输出轴与发电机的输入轴间呈同心固定连接，从而实现轮筒与发电机的输入轴间的联动式配合。其中，所述轮筒与齿轮箱的输入轴间、齿轮箱的输出轴与发电机的输入轴间均呈同心固定可拆卸状连接。所述涡轮舱对应排流管道一端的上侧壁、以及与该位置对应的浮台上均开有舱口，舱口上均有舱门，两个舱口的长度均不小于齿轮箱的长度，两个舱口的宽度均不小于齿轮箱的宽度。所述涡轮舱内在齿轮箱下方沿轴向设置有滑道，当齿轮箱的输入轴和输出轴均处于拆卸状态时，齿轮箱能够沿该滑道滑动至涡轮舱与排流管道连接的一端，且此时，齿轮箱与涡轮舱舱口、浮台舱口的位置均对应。所述浮台的舱口外设置有桁车，该桁车能够将齿轮箱吊起至浮台上方。这样，当齿轮箱出现问题需要维修或正常保修时，只需将齿轮箱的输入轴和输出轴分别从轮筒和发电机输入轴上拆除，再通过滑道将齿轮箱滑动至涡轮舱与排流管道连接的一端，然后打开涡轮舱和浮台上的舱门，利用桁车将齿轮箱吊起，即可进行维修保养作业，从而避免水下作业的安全隐患。

采取上述方案，具有以下优点：

由于本发明的半潜式洋流风力组合发电系统的聚流管道内设置有导流罩，而且该导流罩为圆锥形，这就使得进入聚流管道的洋流在经过导流罩时，其流动截面不断缩小，即利用狭管效应将进入该管道的洋流自身巨大的静压强所具有的势能转换成洋流的动能，从而增加洋流的流速，极大的提升了洋流动能的功率密度。如果洋流入口处的横截面面积是导流罩圆形端与聚流管道间环形管道横截面面积的10倍的话，那么洋流在流动过程中，其流动速度将增加至原来的10倍，由于功率密度与速度的三次方成正比，即功率密度增加至原来的1000倍，在面积缩小到1/10之一的情况下，总功率增加至洋流入口处的100倍，在发电量相同的情况下，该聚流管道可大大降低发电系统整体的体积，从而降低其制造成本。与此同时，洋流能够通过该导风罩被分流到涡轮舱内壁附近，使其直接作用在涡轮叶片上，避免了传统的洋流发电机叶轮中心的洋流无法产生力矩的情况，使其最大限度的转化为机械能，从而使得洋流携带的动能被充分的利用，并最终产生较高的电能。

附图说明

图1是本发明的半潜式洋流风力组合发电系统的结构示意图；

图2是图1中风力发电系统的放大示意图；

图3是图中圆圈部分的局部放大示意图;

图4是本发明的半潜式洋流风力组合发电系统的立体半剖示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明：

如图1至图4所示，本发明的半潜式洋流风力组合发电系统包括浮台2，浮台2的上表面设置有风力发电系统，浮台2的内部中央设置有机房19，机房19内设置有发电机1，浮台2的四周在机房19外围均布有悬浮舱3，浮台2的下方有横向布置的洋流管道，本实施例分别在洋流管道的两端至浮台2间连接有稳定缆4，这样可增加系统的稳定性，避免洋流冲击对系统造成的损坏。所述洋流管道包括聚流管道5、涡轮舱10和排流管道15，聚流管道5、涡轮舱10和排流管道15依次呈横向同轴连接，聚流管道5和排流管道15均为喇叭状，它们内径较小的一端分别与涡轮舱10的两端相连接，聚流管道5内径较大的一端为洋流进口6，排流管道15内径较大的一端为洋流出口14。所述浮台2的机房19下端连接有呈竖向布置的浮筒11，浮筒11的径向相对筒壁上有一对开口，所述涡轮舱10从该对开口穿过，且涡轮舱10与开口间均呈固定密封连接。在靠近聚流管道5一端的涡轮舱10内有横向布置的轮筒9，轮筒9两端通过支撑架18支撑在涡轮舱10内，且轮筒9与支撑架18间呈可旋转状配合，使得轮筒9可沿涡轮舱10轴线转动。所述轮筒9的外壁上沿周向均布有涡轮叶片8，涡轮叶片8的倾斜方向均相同。所述涡轮舱10内轮筒9对应排流管道15的一端连接有齿轮箱12，轮筒9与齿轮箱12的输入轴间、齿轮箱12的输出轴与发电机1的输入轴间均呈同心固定连接，使得轮筒9与发电机1的输入轴间成联动式配合。所述聚流管道5内有导流罩7，该导流罩7为圆锥形，其圆形的一端直径与轮筒9直径相等且位置对应。

本发明中，浮台2上表面的风力发电系统可采用任何形式的风力发电系统，但由于受到浮台2大小的限制，传统的风力发电系统中风力发电机的叶轮尺寸不能过大，其产生的发电量可能较小。为了在有限的浮台2表面充分利用风能，提高风力发电系统的发电量，本实施例所采用的风力发电系统为聚风发电系统，它包括集风筒21和风力发电机24；所述集风筒21为呈竖向布置的直筒，集风筒21上端有集风头20；所述集风头20为弯头，其两端的轴向中心线相垂直，其一端与集风筒21上端间呈可旋转状活动配合；集风筒21内有导风罩25，该导风罩25为锥形，其上端呈封闭状；导风罩25底部四周均布有聚风管道23，该聚风管道23的口径自上而下逐渐变小；聚风管道23上端有调风机构22，聚风管道23下端与所述风力发电机24的进风口相连。该聚风发电系统利用狭管效应，在提高自然风流速的同时，还避免了传统的叶轮中心处的风无法产生力矩的情况，可充分利用风能，并大大提高风力发电机的发电量。

为了更好的对洋流动能进行充分利用，在所述轮筒9的外表面上可沿轴向设置多组涡轮叶片8，每组涡轮叶片8均沿轮筒9外表面周向均匀布置，且涡轮叶片8的倾斜方向均相同。相邻的两组涡轮叶片8之间对应的涡轮舱10内壁上固定有沿周向均布的第一导流板26，第一导流板26的倾斜方向与涡轮叶片8的倾斜方向相反。本实施例中，在轮筒9的四周外表面轴向设置有两级涡轮叶片8串联，并在两级涡轮叶片8之间的涡轮舱10内壁上设置第一导流板26来调整洋流方向，这样可大大提高对洋流动能的利用率。

在洋流进入聚流管道5并经过导流罩7分流后，可能会出现乱流、涡流，如直接冲击涡轮叶片8，不仅会损耗洋流所携带的动能，而且会造成涡轮叶片8受力不均而易损坏。因此，本实施例在所述导流罩7与轮筒9间连接有短直筒27，短直筒27的外壁上沿周向均布有第二导流板28，第二导流板28的倾斜方向与涡轮叶片8的倾斜方向相反。这样，可以在洋流冲击涡轮叶片8前，利用第二导流板28对其进行规整，避免乱流和涡流的出现。也可以在轮筒9对应导流罩7一端的支撑架18外周上直接设置第二导流板28，从而实现相同的效果。

另外，为了便于对齿轮箱12进行维修保养，减少水下作业的危险性，本实施例将轮筒9与齿轮箱12的输入轴间、齿轮箱12的输出轴与发电机1的输入轴间均设计成同心固定可拆卸状的连接方式。所述涡轮舱10对应排流管道15一端的上侧壁、以及与该位置对应的浮台2上均开有舱口，舱口上均有舱门16，两个舱口的长度均不小于齿轮箱12的长度，两个舱口的宽度均不小于齿轮箱12的宽度。所述涡轮舱10内在齿轮箱12下方沿轴向设置有滑道13，当齿轮箱12的输入轴和输出轴均处于拆卸状态时，齿轮箱12能够沿该滑道13滑动至涡轮舱10与排流管道15连接的一端，且此时，齿轮箱12与涡轮舱10舱口、浮台2舱口的位置均对应。所述浮台2的舱口外还设置有桁车17，该桁车17能够将齿轮箱12吊起至浮台2上方，从而在浮台2上即可进行齿轮箱12的维修保养作业。

使用时，将本发明的半潜式洋流风力组合发电系统设置在海面上，当洋流通过洋流进口6后，经口径逐渐缩小的聚流管道5进行增速，之后再经过导流罩7，使得流体截面积进一步减小，流速进一步增加，增速之后的洋流在远离轴心圆环外围流动，先经过第二导流板28调整方向之后，以最优的角度冲击第一级的涡轮叶片8上，推动轮筒9旋转。然后，经过第一导流板26改变方向之后的尾流再次冲击在第二级的涡轮叶片8上，进一步推动轮筒9同向旋转，从而增加轮筒9的旋转速度。轮筒9的旋转动能可以通过齿轮箱12传替至浮台2内的发电机1，并通过该发电机1最终转化为电能，最终的尾流经过排流管道15的洋流出口14排出。于此同时，浮台2甲板上设置有聚风发电系统，其集风头20根据洋面上360°任意方向的来风，进行有效釆集，风从集风头20进入，经设置在集风筒21内的导风罩25和聚风管道23，其流动口径逐渐缩小，利用狭管效应使得风速增加，加速后的管道风成喷射状推动风力发电机24叶轮旋转，进而带动风力发电机24发电。洋流转化的电能和风力转化的电能分别经各自设备后，集中进入舱内设置的高压输变电设备中，由电缆输送到陆基或附近岛屿国家电网。考虑到系统的维修保养方便，设计了可以在管道内滑动的机构，可将齿轮箱12滑至涡轮舱10尾端，然后用桁车17拉到浮台2上部检修。

本发明釆用了浮筒11加组合悬浮舱3的结构，中心浮筒11下部是成倒扣的水杯状扣在水中，下部是海水，上部是空气，而浮筒11的大小可以根据整个系统的重量设计，使其足以支撑整个浮台2，即在保证提供一定浮力的同时，可通过该浮筒11增加了整个系统的稳定性。浮台2四周的多个悬浮舱3组合，使得运输和安装较为方便，并且在部分悬浮舱3出现损坏进水的情况下，整个浮台2不会全部进水而使得系统沉没。整个系统中，绝大多数设备在海面以下（约70%重量在海面下），当海上风浪冲击的时候，其冲击力几乎仅作用在风力发电系统上，而水中的重量将远大于海风对风力发电系统的冲击，系统将非常平稳。本发明结合了洋流和风力发电，且洋流发电和风力发电均利用了狭管效应，结果是在占用较少海域的情况下，可以尽可能的提高发电量，方便提供给附近岛屿、过往舰船和管理远离大陆离岛，暗礁的人员使用，无论是民用还是军用都是不二选择。

Claims (7)

1.半潜式洋流风力组合发电系统，包括浮台（2），浮台（2）的上表面设置有风力发电系统，浮台（2）内设置有发电机（1），浮台（2）的四周均布有悬浮舱（3），浮台（2）的下方有横向布置的洋流管道；其特征在于所述洋流管道包括聚流管道（5）、涡轮舱（10）和排流管道（15），聚流管道（5）、涡轮舱（10）和排流管道（15）依次呈横向同轴连接；所述浮台（2）下端连接有呈竖向布置的浮筒（11），浮筒（11）的径向相对筒壁上有一对开口，所述涡轮舱（10）从该对开口穿过，且涡轮舱（10）与开口间均呈固定密封连接；在靠近聚流管道（5）一端的涡轮舱（10）内有横向布置的轮筒（9），该轮筒（9）可沿涡轮舱（10）轴线转动；所述轮筒（9）的外壁上沿周向均布有涡轮叶片（8），轮筒（9）与所述发电机（1）的输入轴间呈联动式配合；所述聚流管道（5）内有导流罩（7），该导流罩（7）为圆锥形，其圆形的一端直径与轮筒（9）直径相等且位置对应。

2.如权利要求1所述的半潜式洋流风力组合发电系统，其特征在于所述风力发电系统为聚风发电系统，它包括集风筒（21）和风力发电机（24）；所述集风筒（21）为呈竖向布置的直筒，集风筒（21）上端有集风头（20）；所述集风头（20）为弯头，其两端的轴向中心线相垂直，其一端与集风筒（21）上端间呈可旋转状活动配合；集风筒（21）内有导风罩（25），该导风罩（25）为锥形，其上端呈封闭状；导风罩（25）底部四周均布有聚风管道（23），该聚风管道（23）的口径自上而下逐渐变小；聚风管道（23）上端有调风机构（22），聚风管道（23）下端与所述风力发电机（24）的进风口相连。

3.如权利要求1所述的半潜式洋流风力组合发电系统，其特征在于所述聚流管道（5）和排流管道（15）均为喇叭状，它们内径较小的一端分别与涡轮舱（10）的两端相连接，聚流管道（5）内径较大的一端为洋流进口（6），排流管道（15）内径较大的一端为洋流出口（14）。

4.如权利要求1所述的半潜式洋流风力组合发电系统，其特征在于所述轮筒（9）的四周外表面轴向有不少于两组涡轮叶片（8），每组涡轮叶片（8）均沿轮筒（9）外表面周向均匀布置，且涡轮叶片（8）的倾斜方向均相同；相邻的两组涡轮叶片（8）之间对应的涡轮舱（10）内壁上固定有沿周向均布的第一导流板（26），第一导流板（26）的倾斜方向与涡轮叶片（8）的倾斜方向相反。

5.如权利要求1所述的半潜式洋流风力组合发电系统，其特征在于所述导流罩（7）与轮筒（9）间连接有短直筒（27），短直筒（27）的外壁上沿周向均布有第二导流板（28）。

6.如权利要求1至5中任一项所述的半潜式洋流风力组合发电系统，其特征在于所述涡轮舱（10）内轮筒（9）对应排流管道（15）的一端连接有齿轮箱（12），轮筒（9）与该齿轮箱（12）的输入轴间呈同心固定连接，齿轮箱（12）的输出轴与发电机（1）的输入轴间呈同心固定连接，从而实现轮筒（9）与发电机（1）的输入轴间的联动式配合。

7.如权利要求6所述的半潜式洋流风力组合发电系统，其特征在于所述轮筒（9）与齿轮箱（12）的输入轴间呈同心固定可拆卸状连接，齿轮箱（12）的输出轴与发电机（1）的输入轴间呈同心固定可拆卸状连接；所述涡轮舱（10）对应排流管道（15）一端的上侧壁、以及与该位置对应的浮台（2）上均开有舱口，舱口上均有舱门（16），两个舱口的长度均不小于齿轮箱（12）的长度，两个舱口的宽度均不小于齿轮箱（12）的宽度；所述涡轮舱（10）内在齿轮箱（12）下方沿轴向设置有滑道（13），当齿轮箱（12）的输入轴和输出轴均处于拆卸状态时，齿轮箱（12）能够沿该滑道（13）滑动至涡轮舱（10）与排流管道（15）连接的一端，且此时，齿轮箱（12）与涡轮舱（10）舱口、浮台（2）舱口的位置均对应；所述浮台（2）的舱口外设置有桁车（17），该桁车（17）能够将齿轮箱（12）吊起至浮台（2）上方。

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