專利名稱：一種基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)海洋波浪能差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于綠色能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)海洋波浪能差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電系統(tǒng)。。
背景技術(shù)：
海洋能屬于清潔的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、溫差能、海流能、鹽差能等。 其中波浪能指的是受星際運(yùn)動(dòng)和晝夜氣溫變化產(chǎn)生的海面波浪具有的動(dòng)能和勢能，它是海洋能源中蘊(yùn)含最大的可開發(fā)和利用的能量，主要表現(xiàn)為(1)海洋波浪能以動(dòng)能和勢能的形式出現(xiàn)。一般而言，波浪分為兩種。一種是離海岸較近的波浪，稱為近岸波浪。在海岸邊，由于海水的升降運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)化為海水垂直于海岸的橫向運(yùn)動(dòng)，其能量表現(xiàn)為橫向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，通常稱為潮汐。另一種是離海岸較遠(yuǎn)的波浪，稱為離岸波浪。離岸波浪受月亮和海風(fēng)影響，主要表現(xiàn)為做垂直于海平面的垂向運(yùn)動(dòng)，其能量表現(xiàn)為垂向相對位置差產(chǎn)生的勢能。( 波浪能的能量密度很大。在太平洋、大西洋東海岸緯度40 60°區(qū)域，按照延海岸線方向布局，根據(jù)大量的研究資料表明，單就按沿線分布核算，該區(qū)域海水波浪積聚的波浪能可達(dá)到30 70kW/m，某些地方甚至達(dá)到100kW/m，一個(gè)巨浪就可以把13噸重的巖石拋出20米高。一個(gè)波高5米，波長100米的海浪，在1米長的波峰片上就具有3120千瓦的能量，如果，能夠在海面上分布多層發(fā)電系統(tǒng)提取這種能量，則容量不可估量。(3)波浪在海洋中無時(shí)不在，無處不在，任何地方、國家都可以隨時(shí)提取。(4)波浪的能量來自于太陽，是一種取之不盡用之不竭的能源。據(jù)科學(xué)統(tǒng)計(jì)，全球海洋波浪能單就按照海岸線長度初步統(tǒng)計(jì)，理論蘊(yùn)藏量達(dá)700億千瓦，單就中國可供開發(fā)利用的波浪能為20 40億千瓦，每年的發(fā)電量可達(dá)IO6億千瓦時(shí)，是目前中國發(fā)電總量的 4倍之多。因此，海洋能提供的穩(wěn)定、長效的自然能量是唯一可以為人類提供大量的、不間斷的能源的來源。世界各海洋大國極其重視波浪能研究和開發(fā)。1799年法國人吉拉德是最早的波浪能利用機(jī)械裝置發(fā)明專利獲得者；1910年，法國的波契克斯-普萊西克，建造了一套氣動(dòng)式波浪能發(fā)電裝置，供應(yīng)他自己住宅1千瓦的電力；1965年，日本的益田善雄發(fā)明了導(dǎo)航燈浮標(biāo)用氣輪機(jī)波浪能發(fā)電裝置，獲得推廣，成為首次商品化的波浪能發(fā)電裝置。受石油危機(jī)的刺激，從20世紀(jì)70年代中期起，英國、日本、挪威等波浪能資源豐富的國家，把波浪能發(fā)電作為解決未來能源的重要一環(huán)，大力開展研究開發(fā)。在英國，索爾特發(fā)明了點(diǎn)頭鴨裝置； 科克里爾發(fā)明了波面筏裝置；國家工程試驗(yàn)室發(fā)明了振蕩水柱裝置；考文垂理工學(xué)院發(fā)明了海蛘裝置。1978年，日本建造了一艘長80米、寬12米、高5. 5米稱為“海明號”的波浪能發(fā)電船。該船有22個(gè)底部敞開的氣室，每兩個(gè)氣室可裝設(shè)一臺額定功率為125千瓦的氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。1978 1986年，日本、美國、英國、加拿大、愛爾蘭五國合作，先后三次在日本海由良海域?qū)Α昂Ｃ魈枴边M(jìn)行了波浪能發(fā)電史上最大規(guī)模的實(shí)海原型試驗(yàn)。但因發(fā)電成本高，未獲商業(yè)實(shí)用。1985年，英國、中國各自研制成功采用對稱翼氣輪機(jī)的新一代導(dǎo)航燈浮標(biāo)用的波浪能發(fā)電裝置。挪威在卑爾根附近的奧依加登島建成了一座裝機(jī)容量為250千瓦的收縮斜坡聚焦波道式波浪能發(fā)電站和一座裝機(jī)容量為500千瓦的振蕩水柱氣動(dòng)式波浪能發(fā)電站，標(biāo)志著波浪能發(fā)電站實(shí)用化的開始。近年來比較著名的波浪能發(fā)電裝置有英國的“海蟒”、“牡蠣”發(fā)電機(jī)以及葡萄牙的“海蛇”發(fā)電機(jī)等?？v觀波浪能的研究歷史，利用波浪能發(fā)電不外乎下面幾種方式一是振蕩水柱型。 用一個(gè)容積固定的、與海水相通的容器裝置，通過波浪產(chǎn)生的水面位置變化引起容器內(nèi)的空氣體積發(fā)生變化，壓縮容器內(nèi)的空氣驅(qū)動(dòng)葉輪帶動(dòng)發(fā)電裝置發(fā)電。中科院廣州能源研究所在廣東汕尾建成的100千瓦固定岸式波浪發(fā)電站、日本“海明號”浮式發(fā)電船以及航標(biāo)燈式波力裝置都是屬于這種類型。二是機(jī)械型。利用波浪的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)裝置的活動(dòng)部分，如鴨體、筏體、浮子等，活動(dòng)部分壓縮油、水等中間介質(zhì)，通過中間介質(zhì)推動(dòng)轉(zhuǎn)換發(fā)電裝置發(fā)電。 三是水流型。利用收縮水道將波浪弓丨入高位水庫形成水位差，直接驅(qū)動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。 這三種類型各有優(yōu)缺點(diǎn)，但有一個(gè)共同的問題是波浪能轉(zhuǎn)換成電能的中間環(huán)節(jié)多、效率低， 電力輸出波動(dòng)性大，這也是影響波浪能發(fā)電未能大規(guī)模開發(fā)利用的主要原因之一。把分散的、低密度的、不穩(wěn)定的波浪能吸收起來，集中、經(jīng)濟(jì)、高效地轉(zhuǎn)化為有用的電能，裝置及其構(gòu)筑物能承受災(zāi)害性海洋氣候的破壞，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行，是當(dāng)今波浪能開發(fā)的難題和方向。從未來的發(fā)展來看，要有效的開發(fā)和利用波浪能，需要解決以下問題(1)波浪能開發(fā)應(yīng)從影響漁業(yè)、海岸生態(tài)的近海發(fā)電向離岸外海拓展，海岸線上的能源遠(yuǎn)不如外海波浪能源豐富；(2)開發(fā)波浪能的基本原則是建立有效機(jī)制以捕獲波浪運(yùn)動(dòng)的最大動(dòng)能或利用波浪相對位置差的最大勢能，這就需要重新考慮波浪能開發(fā)的基本原理；(3)盡可能的借鑒水力發(fā)電轉(zhuǎn)置中的成熟技術(shù)(如高效的水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電)，盡可能的簡化波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)，降低開發(fā)成本，延長使用壽命減少維護(hù)和發(fā)電運(yùn)行成本；(4)在研究和設(shè)計(jì)波浪能發(fā)電裝置時(shí)，著力解決其固定方式、發(fā)電的穩(wěn)定性、防腐蝕、海洋生物附著等問題；(5)開發(fā)相應(yīng)電力傳輸、匯集、逆變、自動(dòng)保護(hù)和提高大功率電能的傳輸效率等課題。海洋波浪可分為近岸波浪和深海(本文定義深海為海水深度超過50米以上)波浪，或者稱為離岸波浪，指的是遠(yuǎn)離海岸，處于海洋水深超過50米位置的波浪。在海洋中遠(yuǎn)離海岸處的海水根據(jù)其特性分為海面波浪層和海水深處穩(wěn)流區(qū)。其中海面波浪層的海水隨著海浪的運(yùn)動(dòng)在豎直方向存在較大的波動(dòng)，而海洋深處的海水在豎直方向的流動(dòng)相對上層海面波浪層的海水則顯得非常緩慢，這一海水流動(dòng)相對穩(wěn)定的水下深處區(qū)域可被稱為穩(wěn)流區(qū)。波浪的發(fā)電能量為P= Ι=" 表示每米波長(波到達(dá)最高峰的距離)能
32π w/m，
夠產(chǎn)生的功率，其中P是海洋水的密度，取為1025kg/m3，g為重力加速度，取為9.8m/s2，T 為波浪周期，根據(jù)常年的觀測，離岸波浪的運(yùn)動(dòng)周期較為穩(wěn)定，冬天為8s，夏天為6s，H為波浪高度，中國南海的冬天平均約為3. 5m，夏天為an。
由于海水的比重較空氣大832倍，因此海浪比風(fēng)的能量更集中。雖然風(fēng)可以達(dá)到很高的速度，但是海浪比風(fēng)更有力量，波浪的豎直運(yùn)動(dòng)比十倍速度的的風(fēng)蘊(yùn)含具有更大的， 更加穩(wěn)定的動(dòng)能，海洋波浪能發(fā)電場的建設(shè)，無須移民，無須占用耕地和森林用地，是一種取之不盡用之不竭的可再生清潔能源。根據(jù)世界海洋能源分布的統(tǒng)計(jì)情況來看，中國的平均海洋波浪能是每米20千瓦。根據(jù)中國18000公理的海岸線和6900個(gè)島嶼推算，可以利用的波浪能最少可以達(dá)到36億千瓦。大大超過目前中國的總裝機(jī)容量約為9億千瓦的容量。此外，沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，用電量大，實(shí)現(xiàn)利用海洋波浪發(fā)電將極大地促進(jìn)中國電力網(wǎng)絡(luò)合理分布，提高電網(wǎng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，海洋波浪能發(fā)電成本低，是實(shí)現(xiàn)可再生能源達(dá)到裝機(jī)超過50%總裝機(jī)容量的唯一潛在手段。波浪能發(fā)電技術(shù)通過波浪能裝置將波浪動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能然后再轉(zhuǎn)化為電能。這一技術(shù)興起于上世紀(jì)，80年代初西方海洋大國利用新技術(shù)優(yōu)勢紛紛開展研究。據(jù)媒體報(bào)道，2008年9月葡萄牙建造了世界上首座商用波浪能發(fā)電廠—— Agucadoura發(fā)電廠。通過3根140米長的紅色“海蛇”連接在葡萄牙北海面海床處的圓柱形波浪能轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)化器將波浪的能量轉(zhuǎn)化為電能后，通過海底電纜中轉(zhuǎn)站注入電網(wǎng)。該設(shè)備能產(chǎn)生2. 2兆千瓦的電能，足夠滿足1500個(gè)家庭的用電需求，該發(fā)電廠的最終目標(biāo)是產(chǎn)生21兆千瓦的電能。Agucadoura發(fā)電廠只是葡萄牙政府可再生能源計(jì)劃中的一小部分， 該計(jì)劃還包括了世界上最大的風(fēng)力發(fā)電廠和世界上最大的太陽能發(fā)電廠。葡萄牙政府希望到2020年之前，通過可再生能源能夠獲得國家總用電量60%左右的電能。在美國，己經(jīng)建立了以 Oregon State University 禾口 University of Washington 聯(lián)合海洋能利用研究團(tuán)隊(duì)，其中Oregon State University負(fù)責(zé)波浪能的研究和利用。開發(fā)出了一系列小功率的實(shí)驗(yàn)波浪能發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，該技術(shù)目前最大單機(jī)裝機(jī)容量約為19kw。 其中一個(gè)波浪發(fā)電思路，是將多個(gè)波浪能轉(zhuǎn)化裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，送給能量分析與數(shù)據(jù)采集裝置，然后送到中央?yún)R聚裝置，每個(gè)波浪能轉(zhuǎn)化裝置的發(fā)送約1兆瓦的能量。中央?yún)R聚裝置再通過海底電纜將電能傳輸給用戶。此外，類似的研究和設(shè)計(jì)工作還包括英國Queen’ s University研究的“牡蠣”波浪能發(fā)電機(jī)，他們與蘇格蘭Aquamarine公司合作，2010年獲得政府唯一授權(quán)建設(shè)第一處 200麗的“牡蠣”波浪能發(fā)電廠。從國內(nèi)來看，我國的五大發(fā)電集團(tuán)主要開發(fā)傳統(tǒng)火力發(fā)電項(xiàng)目的原因主要是成本。2006年3月，中國科學(xué)院廣州能源研究所在一篇文章這樣總結(jié)“波浪能發(fā)電只進(jìn)入示范階段，尚未進(jìn)入商業(yè)開發(fā)階段。波浪能利用在技術(shù)上并未完全成熟，還需要國家進(jìn)一步的支持?！边@說明06年前這一領(lǐng)域在產(chǎn)業(yè)化方面無論在國內(nèi)、國外都基本只是一個(gè)概念。06 年之后，中科院繼在汕尾項(xiàng)目后又在珠海開發(fā)了一個(gè)結(jié)合風(fēng)能(85KW)、波浪能(10KW)、太陽能(5KW)于一體的項(xiàng)目，雖然其中的波浪能容量為10KW，但項(xiàng)目投資高達(dá)800多萬。綜上，目前世界范圍內(nèi)利用波浪能發(fā)電通常包括以下方式1.潮汐發(fā)電，利用動(dòng)水與海岸之間的相對運(yùn)動(dòng)；2.洋流發(fā)電，利用動(dòng)水與海洋大陸之間的運(yùn)動(dòng)；3.隨波發(fā)電，利用動(dòng)水與發(fā)電轉(zhuǎn)置如“蛇管”的相對運(yùn)動(dòng)；4.活塞發(fā)電，利用動(dòng)水驅(qū)動(dòng)活塞相對定子運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)有波浪能發(fā)電系統(tǒng)還存在以下問題
1.海水、泥沙侵蝕，海洋生物附著；2.固定困難，容易受到惡劣氣候的破壞，如臺風(fēng)等；3.維護(hù)困難，投入成本高，無法大規(guī)模建設(shè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元即基于海洋波浪層和靜水層差分技術(shù)的波浪能提取單元，該發(fā)電單元維護(hù)容易，預(yù)計(jì)成本可以降低到lkw/5000元投資的，比任何其他發(fā)電方式都低的成投資本低，而且維護(hù)費(fèi)用低廉，具有可大規(guī)模實(shí)施的潛力。根據(jù)本發(fā)明的機(jī)理，假設(shè)水輪機(jī)的效率為40% (實(shí)際可以達(dá)到60% )，發(fā)電功率和水輪機(jī)渦輪的直徑之間的關(guān)系滿足如下理論計(jì)算設(shè)海水以每秒兩米的速度進(jìn)入水輪機(jī)渦輪，效率為40 %1水輪機(jī)的功率函數(shù)為P = 0. 5 π R2 ρ V3C其中C_水輪機(jī)功率系數(shù)，取0. 4 ；R-水輪機(jī)渦輪半徑；P -海水密度，取1080kg/ m3R = 0. 5m 時(shí)P = O. 5X3. 14X0. 25X 1080X 1X0. 4 = 169. 56kffR = Im 時(shí)P = O. 5X3. 14X1X1080X1X0. 4 = 678. 24kff ；R = 1. 5m 時(shí)P = O. 5X3. 14X2. 25X 1080X 1X0. 4 = 1526. 04kffR = 2m 時(shí)P = O. 5X3. 14X4X1080X1X0. 4 = 2712kff根據(jù)分析，理論上波浪能發(fā)電機(jī)的發(fā)電效能與水輪機(jī)渦輪半徑成平方關(guān)系，因此， 具備構(gòu)建大型波浪發(fā)電系統(tǒng)的能力。按照水輪機(jī)半徑為2米計(jì)算，可以成為發(fā)電功率超過 2. 5MW單機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，具有廣闊的開發(fā)潛力。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供上述基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元組成的發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用波浪的最大相對位移提取海洋中心的離岸波浪能量，通過海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)海浪能源的汲取，由于暴露在海面的部分風(fēng)阻系數(shù)小于0. 1，因此，抗臺風(fēng)能力強(qiáng)，綠色環(huán)保。本發(fā)明的第三個(gè)目的在于提供一種在上述基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元及發(fā)電系統(tǒng)中采用的水輪機(jī)，該水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，穩(wěn)定性好，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。本發(fā)明還提供了利用上述基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元組成的大規(guī)模組網(wǎng)構(gòu)建離岸海洋波浪能超大型發(fā)電場的具體解決方案。本發(fā)明的第一個(gè)目的是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)海洋波浪能差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元，包括海面浮動(dòng)平臺、浮動(dòng)平臺上安置的發(fā)電機(jī)組、浮動(dòng)平臺與海面下置于穩(wěn)定區(qū)的相互萬向節(jié)級聯(lián)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與能量轉(zhuǎn)換水輪機(jī)，所述的發(fā)電機(jī)組固定于海面浮動(dòng)平臺上，浮動(dòng)平臺漂浮于海面上，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入端通過萬向節(jié)級聯(lián)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將上下運(yùn)動(dòng)海浪能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的水輪機(jī)相連接，所述的水輪機(jī)置于深海穩(wěn)定區(qū)，所述的海面浮動(dòng)平臺隨波浪上下運(yùn)動(dòng)并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)置于深海穩(wěn)定區(qū)中水輪機(jī)在垂直方向上隨波浪的起伏上下運(yùn)動(dòng)，水輪機(jī)在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)使得穩(wěn)定區(qū)水流不斷通過水輪機(jī)的上部和下部導(dǎo)流葉片，同時(shí)沖擊水輪機(jī)中部的單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，受水流沖擊的作用力，當(dāng)水輪機(jī)受浮動(dòng)平臺垂直向上拉動(dòng)或受重力向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，受上部和下部導(dǎo)葉片層導(dǎo)引的作用，水流單方向作用水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，使水輪機(jī)中部的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子單向旋轉(zhuǎn)，并且?guī)?dòng)與浮動(dòng)平臺通過萬向節(jié)連接的傳動(dòng)桿與水輪機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞到海面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將海洋波浪能轉(zhuǎn)換為電能。本發(fā)明所述的浮動(dòng)平臺包括一個(gè)主浮筒和多個(gè)位于主浮筒下部的附加浮筒，所述主浮筒和附加浮筒中每個(gè)浮筒內(nèi)部被分割成多個(gè)獨(dú)立的腔體，每個(gè)獨(dú)立的腔體上均設(shè)有用于調(diào)節(jié)水量的注水口，用于調(diào)節(jié)浮動(dòng)平臺的浮力，以適應(yīng)不同的發(fā)電容量和海浪區(qū)域的需求。本發(fā)明在所述的主浮筒和附加浮筒之間還設(shè)有穩(wěn)流器，所述的穩(wěn)流器安裝在主浮筒的底部；所述的穩(wěn)流器包括穩(wěn)流器支架和設(shè)于穩(wěn)流器支架底部的多個(gè)可調(diào)節(jié)角度的矩形阻尼葉片，用于控制調(diào)節(jié)由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的浮動(dòng)平臺的慣性旋轉(zhuǎn)，確保浮動(dòng)平臺的穩(wěn)定。在隨波浪上下運(yùn)動(dòng)的過程中，穩(wěn)定器的阻尼葉片對海水的推動(dòng)力的方向和能量傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，抵消旋轉(zhuǎn)帶來的平臺慣性力，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)平臺的穩(wěn)定。本發(fā)明所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸和多個(gè)設(shè)于傳動(dòng)軸上的可調(diào)節(jié)水輪機(jī)在海面下放置深度的萬向節(jié)。萬向節(jié)的存在，解決了海面波濤洶涌使海面浮動(dòng)平臺上下運(yùn)動(dòng)外，還存在平面范圍內(nèi)四面翻動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過兩個(gè)以上萬向節(jié)的調(diào)節(jié)，除浮動(dòng)平臺垂直方向的運(yùn)動(dòng)外的其他運(yùn)動(dòng)，都不會對水輪機(jī)受重力穩(wěn)定影響的運(yùn)動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生較大的影響。本發(fā)明所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一端與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)輸入端相連接，另一端與水輪機(jī)單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的中心旋轉(zhuǎn)軸相連接。本發(fā)明的第二個(gè)目的是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的基于上述基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元組成的發(fā)電系統(tǒng)，所述的多個(gè)發(fā)電單元成片連接，兩相鄰浮動(dòng)平臺通過鏈環(huán)兩兩相連成多邊形網(wǎng)格狀分布漂浮于海面上， 所述的多邊形網(wǎng)格的每個(gè)角由多錨固定的工作平臺固定，每個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出并接，通過海底匯流集中后，通過海底電纜傳輸至陸地變電站。本發(fā)明的第三個(gè)目的是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種在上述基于基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電裝置及發(fā)電系統(tǒng)中采用的水輪機(jī)，其包括上下兩端具有喇叭型開口的圓筒狀機(jī)殼、設(shè)于機(jī)殼內(nèi)上部和內(nèi)下部的導(dǎo)流葉片和設(shè)于兩導(dǎo)流葉片之間的單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。本發(fā)明所述的單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子以水輪機(jī)的中心旋轉(zhuǎn)軸為中心沿與中心旋轉(zhuǎn)軸相垂直的方向分布成圓盤渦輪形，每個(gè)單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子渦輪呈凹形葉片狀并具有相同的排列方向。本發(fā)明所述的上、下導(dǎo)流葉片以單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子所在的平面對稱分布成鏡像設(shè)置， 每個(gè)導(dǎo)流葉片的形狀為弧形且凹向單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的中心旋轉(zhuǎn)軸。本發(fā)明在水輪機(jī)的中心旋轉(zhuǎn)軸的外表面分別設(shè)有錐體狀的上收縮體和錐體狀的下收縮體，上收縮體位于中心旋轉(zhuǎn)軸和上部導(dǎo)流葉片之間，下收縮體位于中心旋轉(zhuǎn)軸和下部導(dǎo)流葉片之間。收縮體存在的目的在于提高進(jìn)入水輪機(jī)水體的運(yùn)動(dòng)速度，增加水動(dòng)力扭矩，提高發(fā)電效能。本發(fā)明在所述水輪機(jī)的機(jī)殼上還設(shè)有多個(gè)附加浮筒，在每個(gè)浮筒的上部和下部設(shè)有進(jìn)水孔和排水孔。附加浮筒最好為三個(gè)，用于調(diào)節(jié)水輪機(jī)的重量，增加適應(yīng)性能，確保水輪機(jī)工作在高效重量狀態(tài)。本發(fā)明在所述水輪機(jī)機(jī)殼的上部和下部兩端開口處還設(shè)有過濾網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑小于轉(zhuǎn)子葉片間距離的過濾網(wǎng)。防止海洋生物被卡死在水輪機(jī)渦輪處，降低水輪機(jī)效率并避免對海洋生物的威脅。本發(fā)明的還提供了一種利用上述基于基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元組成的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電的方法每個(gè)發(fā)電單元中所述浮動(dòng)平臺隨波浪上下運(yùn)動(dòng)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)置于海水深處穩(wěn)流區(qū)的水輪機(jī)在垂直方向上下運(yùn)動(dòng)，水輪機(jī)在垂直方向上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)海水深處穩(wěn)流區(qū)水流與水輪機(jī)相對反向運(yùn)動(dòng)，并沿水輪機(jī)的上、 下導(dǎo)流葉片進(jìn)入水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，水輪機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所述的多個(gè)發(fā)電單元成片連接，兩相鄰浮動(dòng)平臺通過鏈環(huán)兩兩相連成多邊形網(wǎng)格狀分布漂浮于海面上，所述的多邊形網(wǎng)格的每個(gè)角由多錨固平臺固定，每個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出并接通過海底電纜傳輸至陸地變電站。本發(fā)明的工作原理如下將發(fā)電機(jī)安置在海面浮動(dòng)平臺上，以保證發(fā)電機(jī)系統(tǒng)漂浮在海面上，不會長期浸泡在水中。將水輪機(jī)安置在距海面20米以下的海水深處穩(wěn)流區(qū)。海水在海面波浪層具有垂直方向的周期性振動(dòng)，而在海水深處穩(wěn)流區(qū)垂直方向的流動(dòng)則非常緩慢。因此浮動(dòng)平臺的上部分受到波浪的作用做垂直方向的上下往復(fù)動(dòng)，同時(shí)通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)海水深處穩(wěn)流區(qū)中的水輪機(jī)系統(tǒng)工作。當(dāng)海面波浪層的海水帶動(dòng)浮動(dòng)平臺(發(fā)電機(jī)系統(tǒng))垂直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸拉動(dòng)水輪機(jī)系統(tǒng)上移，由于重力的作用，處于水輪機(jī)箱體上方的海水通過過濾網(wǎng)從水輪機(jī)上方灌入，經(jīng)過上方導(dǎo)流葉片后改變流向，然后沖擊單向旋轉(zhuǎn)葉輪帶動(dòng)水輪機(jī)渦輪旋轉(zhuǎn)，海水流過渦輪后經(jīng)下方的導(dǎo)流葉片從水輪機(jī)箱體下方排出，由于導(dǎo)流葉片上下鏡像設(shè)計(jì)，因此，上導(dǎo)流葉片對水輪機(jī)產(chǎn)生的推動(dòng)外殼旋轉(zhuǎn)的力，將基本被下導(dǎo)流葉片產(chǎn)生的相反方向的推動(dòng)力平衡掉，因此，水輪機(jī)不會在深海出現(xiàn)顯著的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，特別是受到附加浮箱的阻尼，將會提高水輪機(jī)在水下的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，阻尼其出現(xiàn)整體旋轉(zhuǎn)。當(dāng)波浪帶動(dòng)浮動(dòng)平臺(和安置在其中的發(fā)電機(jī))垂直向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸推動(dòng)水輪機(jī)系統(tǒng)迅速下移，處于水輪機(jī)箱體下方的海水通過過濾網(wǎng)從箱體的下方灌入，經(jīng)過下方導(dǎo)流葉片后改變流向，然后與海水從上部進(jìn)入水輪機(jī)時(shí)沖擊的方向相同，沖擊單向旋轉(zhuǎn)葉輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。海水流過葉輪后經(jīng)上方的導(dǎo)流葉片從水輪機(jī)箱體上方排出，不會出現(xiàn)使整體水輪機(jī)反向旋轉(zhuǎn)的機(jī)理與上節(jié)相同。在安裝水輪機(jī)時(shí)，上方導(dǎo)流葉片和下方導(dǎo)流葉片改變海水的流向是相同的。即不管海水是從上方還是下方進(jìn)入水輪機(jī)，通過導(dǎo)流葉片后對葉輪的沖擊方向相同，亦即葉輪始終單向旋轉(zhuǎn)。這種工作方式有別于傳統(tǒng)的水力發(fā)電，通過水力獲得動(dòng)能時(shí)，水向下流動(dòng)沖動(dòng)葉輪而水輪機(jī)固定不動(dòng)；而本系統(tǒng)則是處于海水深處穩(wěn)流區(qū)的水不動(dòng)，而水輪機(jī)上下運(yùn)動(dòng)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)①.本發(fā)明利用波浪垂直方向的最大相對位移提取海洋中的波浪能量，通過水輪機(jī)在海水深處穩(wěn)流區(qū)與水體的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)海洋能源的汲?。虎?整體裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低，穩(wěn)定性好；③.由于波浪能提取裝置大部分浸在水下，水上受風(fēng)面積小，故抗臺風(fēng)能力強(qiáng)；④.由于利用的是海水垂直方向的能量，故多個(gè)波浪能提取裝置組成陣列并不會降低單個(gè)裝置的能量提取效率，可以在海域成片布置該波浪能提取裝置，組成波浪能發(fā)電場，這有利于集中管理維護(hù)，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，在這一點(diǎn)上極大地突破了海洋能提取受海岸線長度影響的制約，使該技術(shù)成為有別于潮汐發(fā)電，成為可以大規(guī)模實(shí)施的基石出。


圖1是具體實(shí)施方式
中基于基于海面海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元的主視圖；圖2是具體實(shí)施方式
中基于基于海面海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元的仰視圖；圖3是具體實(shí)施方式
中水輪機(jī)的主視圖；圖4是圖3的A向剖視圖；圖5是具體實(shí)施方式
中水輪機(jī)的附視圖；圖6是具體實(shí)施方式
中水輪機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是具體實(shí)施方式
中基于基于海面海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元原理簡圖。附圖標(biāo)記說明1、發(fā)電機(jī)；2、發(fā)電機(jī)固定架；3、護(hù)欄；4、工作平臺；5、主浮筒；6、穩(wěn)定器支架；7、 穩(wěn)流器阻尼葉片；8、附加副浮筒；9、萬向節(jié)；10、水輪機(jī)外筒；11、鰭狀浮筒；12、上收縮體； 121、導(dǎo)流葉片121 ；13、軸承結(jié)構(gòu)；14、單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子；15、下收縮體；151、導(dǎo)流葉片；16、鰭狀浮筒上進(jìn)水孔；17、鰭狀浮筒下進(jìn)入孔；18、傳動(dòng)軸(或傳動(dòng)桿)；在圖7中P.浮動(dòng)平臺；C.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；D.水輪機(jī)系統(tǒng)；M.海面；D.海面海面波浪層(即波浪層)；S.海水深處穩(wěn)定區(qū)(即靜水層)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1本實(shí)施例提供的基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元， 如附圖1-7所示，包括發(fā)電機(jī)1、與海面波浪同步運(yùn)動(dòng)的浮動(dòng)平臺P、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)C和置于海水深處穩(wěn)流區(qū)S的水輪機(jī)T，發(fā)電機(jī)1固定于浮動(dòng)平臺P上，浮動(dòng)平臺P漂浮于海面M上并受海水波浪起伏驅(qū)動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)C的一端與發(fā)電機(jī)1的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入端相連接，另一端與水輪機(jī)T葉輪的中心旋轉(zhuǎn)軸相連接，浮動(dòng)平臺P隨波浪上下運(yùn)動(dòng)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)T帶動(dòng)置于海水深處穩(wěn)流區(qū)的水輪機(jī)T在垂直方向上下運(yùn)動(dòng)，水輪機(jī)T在垂直方向上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)海水深處穩(wěn)流區(qū)S水流與水輪機(jī)D相對反向運(yùn)動(dòng)，并沿水輪機(jī)T的上、下導(dǎo)流葉片進(jìn)入水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)T的葉輪旋轉(zhuǎn)，水輪機(jī)T的葉輪旋轉(zhuǎn)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)C驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)T的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)1發(fā)電。其中，發(fā)電機(jī)1固定于發(fā)電機(jī)固定架2上，在發(fā)電機(jī)1和發(fā)電機(jī)固定架2的外圍沿浮動(dòng)平臺P的周邊還設(shè)有護(hù)欄3，發(fā)電機(jī)固定架2固定于主浮筒5的上表面即工作平臺4 上。將發(fā)電機(jī)1通過支架2和密封箱固定在浮動(dòng)平臺P上的工作平臺4上，保證發(fā)電機(jī)浮在海水的表面M以上，這能減少對絕緣系統(tǒng)等級的需求。在浮動(dòng)平臺P包括一個(gè)主浮筒5、位于主浮筒5底部的穩(wěn)定器和位于穩(wěn)定器下部的多個(gè)附加浮筒8，附加浮筒8通過螺絲或焊接分別固定在穩(wěn)定器6的底部未開口的部位。 為了增加浮筒的抗沖擊強(qiáng)度，主浮筒5和附加浮筒8中每個(gè)浮筒內(nèi)部均被分割成6個(gè)獨(dú)立腔體，每個(gè)獨(dú)立腔體上均設(shè)有用于調(diào)節(jié)水量的注水口。穩(wěn)流器包括穩(wěn)流器支架6和設(shè)于穩(wěn)流器支架底部的多個(gè)可調(diào)節(jié)角度的矩形阻尼葉片7，穩(wěn)流器支架6安裝在主浮筒5的底部，穩(wěn)流器支架6的上部周邊與主浮筒5通過螺絲或焊接進(jìn)行緊密固定，穩(wěn)流器支架6與附加浮筒8也緊密固定住。穩(wěn)流器支架6底部均勻分布有六個(gè)可調(diào)節(jié)角度的矩形阻尼葉片7。在浮筒上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與發(fā)電機(jī)連接的傳動(dòng)軸會旋轉(zhuǎn)，并將帶動(dòng)浮動(dòng)平臺旋轉(zhuǎn)。穩(wěn)流器通過浸入水中的阻尼葉片產(chǎn)生與之轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的阻尼力，使整體水面結(jié)構(gòu)體不受轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，實(shí)現(xiàn)對浮動(dòng)平臺(包括發(fā)電機(jī)) 的軸向穩(wěn)定，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不會出現(xiàn)順傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向的運(yùn)動(dòng)，保證了發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)。穩(wěn)流器上的每個(gè)阻尼葉片呈長方行，長方形兩端中間帶有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，通過軸承結(jié)構(gòu)固定在穩(wěn)流器的底部，每個(gè)葉片的其中一端受齒輪結(jié)構(gòu)控制，可以實(shí)現(xiàn)長方形葉片旋轉(zhuǎn)控制，通過調(diào)節(jié)該葉片角度，可以使穩(wěn)流器針對不同的波浪產(chǎn)生合理平衡的阻尼力，確保整體發(fā)電平臺的軸向穩(wěn)定。該穩(wěn)定器由于均勻設(shè)計(jì)有六個(gè)葉片，在波浪中，也由于六個(gè)不同部位的對稱進(jìn)水口的存在，除了產(chǎn)生阻尼力量外，還將緩沖波浪對整個(gè)平臺的不均勻沖擊，達(dá)到緩沖、防浪的作用。穩(wěn)流器的作用就是在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)C帶動(dòng)發(fā)電機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，穩(wěn)流器的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)、在線動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)阻尼葉片7的角度和開度，使整體平臺根據(jù)海面波浪、葉輪轉(zhuǎn)速及海面風(fēng)速風(fēng)向情況自適應(yīng)調(diào)節(jié)，以抵消浮動(dòng)平臺P受到的除豎直方向外的其他作用力， 使該平臺P不至于受傳動(dòng)軸C的作用而出現(xiàn)整體旋轉(zhuǎn)。穩(wěn)流器底部通過焊接或者螺絲固定有若干附加副浮筒8，是實(shí)現(xiàn)針對不同重量的發(fā)電機(jī)1和水輪機(jī)T，調(diào)節(jié)整體浮力的設(shè)備，通過一體化設(shè)計(jì)的三個(gè)(或多個(gè))同樣體積的附加副浮筒8，確定整個(gè)系統(tǒng)在海水中具有完全沒入水體的固定浮力。在浮動(dòng)平臺P下部的主浮筒5則根據(jù)所需浮力的大小，實(shí)現(xiàn)可注水調(diào)節(jié)浮力。主浮筒5內(nèi)部也將均勻分為六個(gè)部分，每一部分都具備注入部分水體降低浮力的注水口。附加副浮筒8也有注水口。水輪機(jī)T外圍的鰭狀浮筒11上也有注水口 16和17。 因此，整個(gè)波浪能提取裝置可以通過調(diào)整浮筒5、8或11內(nèi)部液體的注入量來調(diào)節(jié)其所具備浮力的大小，以保證整個(gè)裝置一直處于最合適的海水深度。在臺風(fēng)季節(jié)，也可以通過該調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)減少迎風(fēng)面積，提高抗臺風(fēng)的能力。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸18和多個(gè)設(shè)于傳動(dòng)軸上的可調(diào)節(jié)水輪機(jī)在海面下放置深度的萬向節(jié)9。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一端與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入端相連接，另一端與水輪機(jī)葉輪的中心旋轉(zhuǎn)軸相連接。
水輪機(jī)T安置在20米至100米的海水深處穩(wěn)流區(qū)S。由于本發(fā)電系統(tǒng)主要采集波浪在垂直方向上的最大相對位移實(shí)現(xiàn)海水波浪能能量的汲取，海面波浪層D水流具有垂直方向上的快速運(yùn)動(dòng)，而海水深處穩(wěn)流區(qū)S水流垂直方向上的流動(dòng)非常緩慢，因此整個(gè)系統(tǒng)的上部分(浮動(dòng)平臺P)受到波浪的作用做垂直方向的運(yùn)動(dòng)，通過傳動(dòng)軸C帶動(dòng)海水深處穩(wěn)流區(qū)中的水輪機(jī)系統(tǒng)T上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)波浪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)垂直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸C拉動(dòng)水輪機(jī)系統(tǒng)T上移，由于重力的作用，處于水輪機(jī)T箱體上方的海水通過過濾網(wǎng)從箱體上方灌入，經(jīng)過上方導(dǎo)流葉片 12后調(diào)整流向，沖擊單向葉輪14的葉片的凹面，使得葉輪14轉(zhuǎn)動(dòng)。海水流過水輪機(jī)T下部的導(dǎo)流葉片15后從水輪機(jī)T箱體下方排出。當(dāng)海面波浪層的海水向波谷運(yùn)動(dòng)時(shí)，受重力作用，整個(gè)浮動(dòng)平臺P將垂直向下運(yùn)動(dòng)，海面系統(tǒng)通過傳動(dòng)軸C推動(dòng)水輪機(jī)系統(tǒng)T下移，水輪機(jī)T本身也受重力作用向下拉動(dòng)整個(gè)裝置向下運(yùn)動(dòng)，處于水輪機(jī)T箱體下方的海水通過過濾網(wǎng)從箱體的下方灌入，經(jīng)過下方導(dǎo)流葉片15后調(diào)整流向，沖擊單向葉輪葉片14的凹面，使葉輪14始終單向旋轉(zhuǎn)。海水流過水輪機(jī)T上部的導(dǎo)流葉片12后從水輪機(jī)T箱體上方排出。實(shí)施例2本實(shí)施例提供的基于上述海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元組成的發(fā)電系統(tǒng)，將上述實(shí)施例1中的多個(gè)發(fā)電單元成片連接，兩相鄰浮動(dòng)平臺通過鏈環(huán)兩兩相連成多邊形網(wǎng)格狀分布漂浮于海面上，多邊形網(wǎng)格的每個(gè)角由多錨固定平臺固定，此網(wǎng)格可以是四邊形，還可以是其它多邊形，每個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出直流電流，通過大功率二極管實(shí)現(xiàn)單向電流流出控制，杜絕反向電流流動(dòng)，多臺發(fā)電機(jī)的電能就可以匯流在多錨固定平臺的電力匯流裝置中，通過海底電纜傳輸至陸地變電站，通過大功率逆變裝置，實(shí)現(xiàn)將海洋能發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，經(jīng)變壓器升壓，實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程輸送。在此基礎(chǔ)上建造的大型波浪能發(fā)電場。當(dāng)多個(gè)單機(jī)發(fā)電單元共同工作時(shí)，需要避免相互碰撞的情況發(fā)生，這時(shí)需要建造四個(gè)或多個(gè)大型多錨固定平臺。根據(jù)容量需要和波浪能資源情況建設(shè)好發(fā)電機(jī)群后，用鏈環(huán)將所有發(fā)電機(jī)相互鏈接，所有的鏈接頭均有專門的鎖扣以方便解鎖。所有的電纜通過剛性傳導(dǎo)桿引入海下深處穩(wěn)流區(qū)，通過柔性海底電纜相互嵌接。在波浪能發(fā)電場四周或邊緣處，設(shè)置多個(gè)如四個(gè)錨固等的浮動(dòng)支點(diǎn)，用以固定整個(gè)發(fā)電場，避免其漂移。建設(shè)直流輸電匯流平臺分別接受所有發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能，集中后的電能，通過海底電纜傳輸?shù)桨渡稀０哆呍O(shè)置換流站，升為高壓傳輸?shù)綐屑~變電站。實(shí)施例3上述實(shí)施例1或2中使用的水輪機(jī)T，其包括兩端具有開口的圓筒狀機(jī)殼10、設(shè)于機(jī)殼內(nèi)上部的導(dǎo)流葉片121和內(nèi)下部的導(dǎo)流葉片151及設(shè)于兩導(dǎo)流葉片之間的單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子14。單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子14以水輪機(jī)的中心旋轉(zhuǎn)軸為中心沿與中心旋轉(zhuǎn)軸相垂直的方向分布成圓盤渦輪形，每個(gè)單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子渦輪呈凹形葉片狀并具有相同的排列方向。上導(dǎo)流葉片 121和下導(dǎo)流葉片151以單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子14所在的平面對稱分布成鏡像設(shè)置，每個(gè)導(dǎo)流葉片的形狀為弧形且凹向單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的中心旋轉(zhuǎn)軸。在水輪機(jī)的中心旋轉(zhuǎn)軸的外表面分別設(shè)有錐體狀的上收縮體12和圓錐形的下收縮體15，上收縮體位于單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的中心旋轉(zhuǎn)軸和上部導(dǎo)流葉片之間，下收縮體位于單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的中心旋轉(zhuǎn)軸和下部導(dǎo)流葉片之間。 上收縮錐體和下收縮錐體最好由不銹鋼制造，上下導(dǎo)流葉片在上下錐體和水輪機(jī)外殼之間焊接或鉚接成一體，分別構(gòu)成上部導(dǎo)流系統(tǒng)和下部導(dǎo)流系統(tǒng)，上下收縮錐體中間作為轉(zhuǎn)子固定的軸承結(jié)構(gòu)13，分別完成上部和下部對旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的軸的固定，并可以自由在其間旋轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn)子軸通過上部的萬向節(jié)將旋轉(zhuǎn)動(dòng)能向上傳遞到海面的平臺，并通過海面平臺的上下軸承固定，實(shí)現(xiàn)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的可靠銜接，并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、發(fā)電。在建造水輪機(jī)T時(shí)，上方導(dǎo)流葉片121和下方導(dǎo)流葉片151對海水流向的調(diào)整是相同的，也即不管海水是從上方還是下方進(jìn)入水輪機(jī)，通過導(dǎo)流葉片后都沖擊葉輪14的葉片的凹面，使葉輪14始終單向旋轉(zhuǎn)。該水輪機(jī)的具體構(gòu)件包括兩端具有開口的圓筒狀機(jī)殼、設(shè)于機(jī)殼內(nèi)上部和內(nèi)下部的鏡像方向?qū)Я魅~片和精確安裝在兩導(dǎo)流葉片之間的具有相同排列方向凹形葉片的單向旋轉(zhuǎn)葉輪即單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。在水輪機(jī)的外部，均勻設(shè)置三個(gè)或多個(gè)鰭狀附加浮筒11，在每個(gè)浮筒的上部進(jìn)水孔16和下部設(shè)有進(jìn)水孔17。該浮筒一方面起著穩(wěn)定水輪機(jī)，阻尼水輪機(jī)外殼做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用，另一方面，通過調(diào)節(jié)浮筒內(nèi)分別灌注的水量，調(diào)節(jié)水輪機(jī)的整體浮力，實(shí)現(xiàn)在海水中，針對不同海域、不同浪高環(huán)境下，整個(gè)水輪機(jī)的發(fā)電效能和傳動(dòng)桿的上下拉力，以達(dá)到最佳發(fā)電效率。在水輪機(jī)機(jī)殼的上部和下部兩端開口處還設(shè)有網(wǎng)孔直徑小于轉(zhuǎn)子葉片間距離的過濾網(wǎng)用于防止海洋生物的進(jìn)入，杜絕卡死葉輪現(xiàn)象，同時(shí)保護(hù)海洋生物。葉輪14即單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)軸C帶動(dòng)發(fā)電機(jī)1工作，其中傳動(dòng)軸C上的萬向節(jié)9可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳導(dǎo)，萬向節(jié)9的采用還解決了水輪機(jī)T在海水中不同安裝深度需求時(shí)的難題，通過安裝不同數(shù)量的傳動(dòng)桿18，就可以方便地將水輪機(jī)T安置在海水不同的深度。該系統(tǒng)的維護(hù)和檢修也將由于萬向節(jié)9的采用獲得便利。位于水輪機(jī)內(nèi)上部的導(dǎo)流葉片由內(nèi)部的流體壓縮椎體為核心，在表面和外殼間， 均勻安置拋物線形的導(dǎo)流葉片。當(dāng)整體水輪機(jī)受海面浮力牽引，向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，海水深處穩(wěn)流區(qū)的水，將相對水輪機(jī)向下運(yùn)動(dòng)，水流受水輪機(jī)外殼所困，被導(dǎo)引進(jìn)入定子的水流一方面沿軸向收縮，加速，一方面由豎直運(yùn)動(dòng)受拋物線導(dǎo)流葉片導(dǎo)引，在最后沿各自的導(dǎo)流收縮溝， 分別以45度角度，迎面沖擊在設(shè)置在中間的水輪機(jī)葉輪的葉片上，使水輪機(jī)的葉輪受水力沖擊而旋轉(zhuǎn)，做功后的海水，通過下部導(dǎo)流葉片的間隙排出水輪機(jī)。作為鏡像設(shè)置的下部導(dǎo)流葉片與上部導(dǎo)流葉片完全鏡像對稱。在海面波浪由頂峰向谷底運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)水輪機(jī)受重力作用拉動(dòng)裝置整體向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，相對靜止的海水將相對水輪機(jī)向上運(yùn)動(dòng)，通過下部壓縮椎體加速和下部導(dǎo)流葉片，以45度角和同樣的方向沖擊水輪機(jī)葉輪的葉片，驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)葉輪運(yùn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)方向與上部水流沖擊時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向相同。做功后的海水通過上部導(dǎo)流葉片的間隙排出水輪機(jī)。從上部。其中水輪機(jī)中間的流體收縮椎體的作用是將進(jìn)入水輪機(jī)海水進(jìn)行向水輪機(jī)周邊方向的壓縮，一方面提高了海水在水輪機(jī)中的流速，另一方面使得沖擊水流與葉輪軸心的距離拉大而實(shí)現(xiàn)加大了沖擊力矩，進(jìn)而提高了流體沖擊的效率。水輪機(jī)的葉輪采用一組推力全防水軸承及相關(guān)結(jié)構(gòu)，與水輪機(jī)下部的導(dǎo)流葉片實(shí)現(xiàn)固定和自由旋轉(zhuǎn)連接，通過兩組全防水結(jié)構(gòu)的推力軸承和上部的導(dǎo)流葉片實(shí)現(xiàn)整體固定和自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過中央的自由旋轉(zhuǎn)軸，將水輪機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和扭力傳導(dǎo)出水輪機(jī)，經(jīng)過多節(jié)萬向節(jié)或固定接頭的延伸傳動(dòng)軸，將該旋轉(zhuǎn)能量傳遞到海面的浮動(dòng)平臺。通過浮動(dòng)平臺上的三級推力軸承固定，并通過齒輪箱，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸與安裝在海面平臺的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)法蘭連接和能量專遞。旋轉(zhuǎn)能通過發(fā)電機(jī)就可以轉(zhuǎn)化為電能，該電能通過嵌入式整流系統(tǒng)整流成直流，就可以向匯流裝置輸出直流電能。根據(jù)海洋波浪的分類情況描述該水輪機(jī)的兩種使用環(huán)境。海洋波浪分為兩類近岸波浪和離岸波浪。近岸波浪是靠近海岸的波浪，常表現(xiàn)為一種涌浪，具有較規(guī)則的外形， 排列比較整齊，波峰線較長，波面較平滑，比較接近于正弦波的形狀，一般做橫向運(yùn)動(dòng)。離岸波浪，指的是遠(yuǎn)離海岸的波浪。在海洋中遠(yuǎn)離海岸出的海水根據(jù)其特性分為海面波浪層和海水深處穩(wěn)流區(qū)。海面波浪層的海水會不停地上下縱向運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)流區(qū)的水流則比較緩慢。我們提出的水輪機(jī)能同時(shí)應(yīng)用于近岸波浪和離岸波浪。在臨近海岸處使用時(shí)，由于近岸波浪做橫向運(yùn)動(dòng)，水輪機(jī)箱體需橫向放置(即將圖7中的箱體T旋轉(zhuǎn)90度)，讓波浪從圓筒箱體的一端涌入，另一端流出。其工作機(jī)理類似于傳統(tǒng)的水力發(fā)電。但區(qū)別在于，傳統(tǒng)的水力發(fā)電中水對葉輪的沖擊只能是單向的，而本申請中的水輪機(jī)，水可以從兩個(gè)方向沖擊葉輪，而葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向始終不變。在遠(yuǎn)離海岸的海域中使用時(shí)，由于離岸波浪做縱向運(yùn)動(dòng)，水輪機(jī)需要與浮動(dòng)平臺配合使用，即將浮動(dòng)平臺放置在海面波浪層，將水輪機(jī)T垂直放置(即圖1中的放置方式) 于30至100米深的海水深處穩(wěn)流區(qū)，中間通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)C連接。浮動(dòng)平臺P的上下運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)水輪機(jī)T在靜水中上下運(yùn)動(dòng)，從而使得海水周期性的從水輪機(jī)上方、下方涌入，從而帶動(dòng)葉輪14旋轉(zhuǎn)。這種工作方式有別于傳統(tǒng)的水力發(fā)電。傳統(tǒng)的水力發(fā)電中，水向下流動(dòng)沖動(dòng)葉輪而水輪機(jī)固定不動(dòng)，而這里提到的工作方式則是海水不動(dòng)，水輪機(jī)系統(tǒng)上下運(yùn)動(dòng)。從能量獲得的本質(zhì)來看，兩者具有相同的原理。眾所周知，目前傳統(tǒng)水輪機(jī)發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了 90%，因此采用這種新型水輪機(jī)技術(shù)，能夠?qū)⑺啓C(jī)引入到波浪能發(fā)電中，必將極大的提升發(fā)電能效。同時(shí)，由于該水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，非常適合大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。實(shí)施例4本實(shí)施例提供的基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元進(jìn)行發(fā)電的方法，每個(gè)發(fā)電單元中浮動(dòng)平臺隨波浪上下運(yùn)動(dòng)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)置于海水深處穩(wěn)流區(qū)的水輪機(jī)在垂直方向上下運(yùn)動(dòng)，水輪機(jī)在垂直方向上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)海水深處穩(wěn)流區(qū)水流與水輪機(jī)相對反向運(yùn)動(dòng)，并沿水輪機(jī)的上、下導(dǎo)流葉片進(jìn)入水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)，水輪機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，多個(gè)發(fā)電單元成片連接，兩相鄰浮動(dòng)平臺通過鏈環(huán)兩兩相連成多邊形網(wǎng)格狀分布漂浮于海面上，多邊形網(wǎng)格的每個(gè)角由多錨固平臺固定，每個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出并接通過海底電纜傳輸至陸地變電站。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)海洋波浪能差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元，其特征是包括海面浮動(dòng)平臺、浮動(dòng)平臺上安置的發(fā)電機(jī)組、浮動(dòng)平臺與海面下置于穩(wěn)定區(qū)的相互萬向節(jié)級聯(lián)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與能量轉(zhuǎn)換水輪機(jī)，所述的發(fā)電機(jī)組固定于海面浮動(dòng)平臺上， 浮動(dòng)平臺漂浮于海面上，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入端通過萬向節(jié)級聯(lián)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將上下運(yùn)動(dòng)海浪能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的水輪機(jī)相連接，所述的水輪機(jī)置于深海穩(wěn)定區(qū)，所述的海面浮動(dòng)平臺隨波浪上下運(yùn)動(dòng)并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)置于深海穩(wěn)定區(qū)中水輪機(jī)在垂直方向上隨波浪的起伏上下運(yùn)動(dòng)，水輪機(jī)在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)使得穩(wěn)定區(qū)水流不斷通過水輪機(jī)的上部和下部導(dǎo)流葉片，同時(shí)沖擊水輪機(jī)中部的單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，受水流沖擊的作用力，當(dāng)水輪機(jī)受浮動(dòng)平臺垂直向上拉動(dòng)或受重力向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，受上部和下部導(dǎo)葉片層導(dǎo)引的作用，水流單方向作用水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，使水輪機(jī)中部的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子單向旋轉(zhuǎn)，并且?guī)?dòng)與浮動(dòng)平臺通過萬向節(jié)連接的傳動(dòng)桿與水輪機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)動(dòng)力傳遞到海面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將海洋波浪能轉(zhuǎn)換為電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)海洋波浪能差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元，其特征是所述的浮動(dòng)平臺包括一個(gè)主浮筒和多個(gè)位于主浮筒下部的附加浮筒，所述主浮筒和附加浮筒中每個(gè)浮筒內(nèi)部被分割成多個(gè)獨(dú)立的腔體，每個(gè)獨(dú)立的腔體上均設(shè)有用于調(diào)節(jié)水量的注水口，用于調(diào)節(jié)浮動(dòng)平臺的浮力，以適應(yīng)不同的發(fā)電容量和海浪區(qū)域的需求。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)海洋波浪能差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元，其特征是在所述的主浮筒和附加浮筒之間還設(shè)有穩(wěn)流器，所述的穩(wěn)流器安裝在主浮筒的底部；所述的穩(wěn)流器包括穩(wěn)流器支架和設(shè)于穩(wěn)流器支架底部的多個(gè)可調(diào)節(jié)角度的矩形阻尼葉片，用于控制調(diào)節(jié)由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的浮動(dòng)平臺的慣性旋轉(zhuǎn)，確保浮動(dòng)平臺的穩(wěn)定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元，其特征是所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸和多個(gè)設(shè)于傳動(dòng)軸上的可調(diào)節(jié)水輪機(jī)在海面下放置深度的萬向節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)海洋波浪能差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元，其特征是所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一端與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)輸入端相連接，另一端與水輪機(jī)單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的中心旋轉(zhuǎn)軸相連接。
6.權(quán)利要求1所述的海面波浪層和深海穩(wěn)定區(qū)海洋波浪能差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元組成的發(fā)電系統(tǒng)，其特征是所述的多個(gè)發(fā)電單元成片連接，兩相鄰浮動(dòng)平臺通過鏈環(huán)兩兩相連成多邊形網(wǎng)格狀分布漂浮于海面上，所述的多邊形網(wǎng)格的每個(gè)角由多錨固定的工作平臺固定，每個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出并接，通過海底匯流集中后，通過海底電纜傳輸至陸地變電站。
7.權(quán)利要求1或6中所述的水輪機(jī)，其特征是其包括上下兩端具有喇叭型開口的圓筒狀機(jī)殼、設(shè)于機(jī)殼內(nèi)上部和內(nèi)下部的導(dǎo)流葉片和設(shè)于兩導(dǎo)流葉片之間的單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水輪機(jī)，其特征是所述的單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子以水輪機(jī)的中心旋轉(zhuǎn)軸為中心沿與中心旋轉(zhuǎn)軸相垂直的方向分布成圓盤渦輪形，每個(gè)單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子渦輪呈凹形葉片狀并具有相同的排列方向。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水輪機(jī)，其特征是所述的上、下導(dǎo)流葉片以單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子所在的平面對稱分布成鏡像設(shè)置，每個(gè)導(dǎo)流葉片的形狀為弧形且凹向單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的中心旋轉(zhuǎn)軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的水輪機(jī)，其特征是在水輪機(jī)的中心旋轉(zhuǎn)軸的外表面分別設(shè)有錐體狀的上收縮體和錐體狀的下收縮體，上收縮體位于中心旋轉(zhuǎn)軸和上部導(dǎo)流葉片之間，下收縮體位于中心旋轉(zhuǎn)軸和下部導(dǎo)流葉片之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水輪機(jī)，其特征是在所述水輪機(jī)的機(jī)殼上還設(shè)有多個(gè)附加浮筒，在每個(gè)浮筒的上部和下部設(shè)有進(jìn)水孔和排水孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水輪機(jī)，其特征是在所述水輪機(jī)機(jī)殼的上部和下部兩端開口處還設(shè)有直徑小于轉(zhuǎn)子葉片間距離的過濾網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于海面波浪區(qū)和深海穩(wěn)定區(qū)海洋波浪能差動(dòng)能量提取的波浪能發(fā)電單元，包括海面浮動(dòng)平臺、發(fā)電機(jī)組、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與水輪機(jī)，所述的發(fā)電機(jī)組固定于海面浮動(dòng)平臺上，浮動(dòng)平臺漂浮于海面上，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)輸入端通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與水輪機(jī)相連接，所述的水輪機(jī)置于深海穩(wěn)定區(qū)，還公開了由上述發(fā)電單元組成的發(fā)電系統(tǒng)及上述單元和發(fā)電系統(tǒng)中采用的水輪機(jī)，該發(fā)電系統(tǒng)抗臺風(fēng)能力強(qiáng)，綠色環(huán)保；該水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，穩(wěn)定性好，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
文檔編號F03B13/16GK102261302SQ20111007807
公開日2011年11月30日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者鄭貴林 申請人:鄭貴林