一種雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平波力發(fā)電系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平波力發(fā)電系統(tǒng)，包括：設(shè)置在水下的水口，水口通過外水道與安裝有帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的過流通道，過流通道通過內(nèi)水道與水箱的底部連接，水箱與內(nèi)水道相連的水箱底部較小，水箱上部較大，水箱底部和水箱上部平滑過渡連接，形成喇叭形，水箱的上口是敞開的，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子是單向轉(zhuǎn)動(dòng)的軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)子。本發(fā)明采用的雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平，所述的透平是一種沖擊水流沿轉(zhuǎn)子軸向流動(dòng)的水輪機(jī)。使用軸流式水輪機(jī)與現(xiàn)有使用雙擊式水輪機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于，通過轉(zhuǎn)子的流道長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)子的直徑無(wú)關(guān)，轉(zhuǎn)子直徑可以根據(jù)沖擊水流中所含能量的大小自由選擇，而不會(huì)影響系統(tǒng)固有頻率。
【專利說(shuō)明】一種雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平波力發(fā)電系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平波力發(fā)電系統(tǒng)和方法，是一種可再生能源技術(shù)，是一種通過寬頻帶共振原理研究出的具有自動(dòng)適應(yīng)波浪頻率變化范圍的波能捕獲發(fā)電系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]波浪能包括各種頻率的能量，其能量頻帶是一個(gè)頻率區(qū)間，相應(yīng)地，波能捕捉裝置的系統(tǒng)固有頻率是一個(gè)點(diǎn)，只有其系統(tǒng)固有頻率與波浪頻率區(qū)間中的主頻率相等而發(fā)生共振時(shí)，才有較高的波浪能捕獲效率。即使如此，現(xiàn)有波能捕捉裝置也只捕獲了其固有頻率附近很窄范圍內(nèi)的波能。中國(guó)專利《一種波力發(fā)電的寬頻帶波能捕獲裝置和設(shè)計(jì)方法》(申請(qǐng)?zhí)?201120527008.5)披露了一種能夠根據(jù)波浪頻率的變化自動(dòng)地調(diào)整自身固有頻率的波能捕獲裝置。該裝置基于雙擊式水輪機(jī)的波能捕獲系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)雙擊式水輪機(jī)的進(jìn)出流道，水輪機(jī)和它的進(jìn)出流道一起組成了 一個(gè)封閉式的水體，這個(gè)水體在波浪力的激勵(lì)下產(chǎn)生振蕩，振蕩水體能夠推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)單向旋轉(zhuǎn)，振蕩水體能夠周期性的改變系統(tǒng)所包含水體的質(zhì)量和剛度，從而改變系統(tǒng)的固有頻率，這樣就使得波能捕獲裝置的固有頻率從一個(gè)點(diǎn)變?yōu)橐粋€(gè)頻率區(qū)間，在頻率區(qū)間范圍內(nèi)，具有高效捕獲這一頻段波浪能量的能力，解決了波浪能分布在很寬的頻率范圍內(nèi)和傳統(tǒng)點(diǎn)吸收波能捕獲裝置只在很小的頻率范圍內(nèi)具有高效率這一矛盾。所述的雙擊式水輪機(jī)是一種使水流沿水輪的外圓周流動(dòng)而沖擊水輪轉(zhuǎn)動(dòng)的水輪機(jī)。這種雙擊式水輪機(jī)為提高水流沖擊水輪的效率，往往需要使水流流過較多的葉片，才能盡可能地將較多水中動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。這樣就產(chǎn)生了一種問題:水流要盡可能多的流過水輪葉片就會(huì)增加流道的長(zhǎng)度，而增加流道的長(zhǎng)度會(huì)使系統(tǒng)固有頻率增加，換句話說(shuō)不適于捕獲振蕩周期較小的波能。更加困難的是使用雙擊式水輪機(jī)限制了水輪機(jī)轉(zhuǎn)子直徑的增大，而波能捕獲效率與轉(zhuǎn)子的直徑成正比，顯然對(duì)于雙擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)這點(diǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
[0003]但是針對(duì)中國(guó)沿海的波浪振蕩周期過小(只有4.0s-6.0s)的問題，采用雙擊式水輪機(jī)時(shí)，其轉(zhuǎn)子的直徑僅能達(dá)到1.25m，再增加轉(zhuǎn)子的直徑就要進(jìn)一步增加流道的長(zhǎng)度(水流通過葉片做功的長(zhǎng)度)，增加系統(tǒng)的固有頻率，其結(jié)果是使波能捕獲裝置的系統(tǒng)頻率超出波能的主頻范圍，顯著降低了捕獲波能的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平波力發(fā)電系統(tǒng)和方法。所述的系統(tǒng)和方法采用雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平，配合優(yōu)化設(shè)計(jì)的流道，通過這種方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)周期較小，能夠涵蓋的波浪頻率4.0s-6.0s的范圍，基本涵蓋了中國(guó)海洋波浪能量譜組成的高能量范圍。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平波力發(fā)電系統(tǒng)，包括:設(shè)置在水下的水口，所述的水口通過外水道與安裝有帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的過流通道，所述的過流通道通過內(nèi)水道與水箱的底部連接，所述的水箱與內(nèi)水道相連的水箱底部較小，水箱上部較大，所述的水箱底部和水箱上部平滑過渡連接，形成喇叭形，水箱的上口是敞開的，所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子是單向轉(zhuǎn)動(dòng)的軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
[0006]進(jìn)一步的，所述的過流通道與外水道連接處和內(nèi)水道連接處安裝有導(dǎo)流葉片。
[0007]進(jìn)一步的，所述的水輪機(jī)葉片為擴(kuò)口 U形，擴(kuò)口 U形的底部沿轉(zhuǎn)子的圓周向布置；所述的導(dǎo)流葉片呈彎曲狀:接近水輪機(jī)葉片一側(cè)導(dǎo)流葉片的葉面與水輪機(jī)葉片擴(kuò)口處的葉面方向一致或接近一致，導(dǎo)流葉片的另一側(cè)與轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心軸線方向一致或接近一致。
[0008]一種使用上述發(fā)電系統(tǒng)的雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平波力發(fā)電方法，所述方法的步驟如下:
海浪涌入的步驟:用于通過水口和外水道將海浪引入過流通道；
涌入海水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的步驟:用于引導(dǎo)涌入海水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；
海水進(jìn)入水箱的步驟:用于將海水通過內(nèi)水道引入水箱中，由于水箱是從下到上開口的喇叭形，使水體在進(jìn)入水箱后，整個(gè)流道和水箱中的水體與水箱、流道、渦輪機(jī)形成的系統(tǒng)固有頻率是一個(gè)不斷變化的范圍，這個(gè)系統(tǒng)固有頻率范圍與海浪的主頻譜相適應(yīng)，產(chǎn)生共振，最大程度的吸收海浪中的能量；
海水涌出水箱的步驟:用于通過內(nèi)水道將水箱中涌出的海水引導(dǎo)至過流通道；
涌出海水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn) 子的步驟:用于引導(dǎo)從水箱中涌出的海水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)與海水涌入過流通道時(shí)所沖擊轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向一致；
海浪涌出的步驟:用于通過水口和外水道將海浪引入大海；
所述的涌入、涌出海水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的步驟；
海水涌入時(shí)，海水在外水道一側(cè)的導(dǎo)向葉片的作用下，從水輪機(jī)回轉(zhuǎn)軸方向沿導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)彎，沖擊水輪機(jī)葉片擴(kuò)口 U型的底部，形成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；
海水涌出時(shí)，海水在內(nèi)水道一側(cè)的導(dǎo)向葉片的作用下，從水輪機(jī)回轉(zhuǎn)軸方向沿導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)彎，沖擊水輪機(jī)葉片擴(kuò)口 U型的底部，形成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；
不論海水是涌入還是涌出，水流都是沖擊機(jī)葉片擴(kuò)口 U型的底部，形成相同方向的轉(zhuǎn)矩，使水輪機(jī)轉(zhuǎn)子按同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0009]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明采用的雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平，所述的透平是一種沖擊水流沿轉(zhuǎn)子軸向流動(dòng)的水輪機(jī)。使用軸流式水輪機(jī)與現(xiàn)有使用雙擊式水輪機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于，通過轉(zhuǎn)子的流道長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)子的直徑無(wú)關(guān)，轉(zhuǎn)子直徑可以根據(jù)沖擊水流中所含能量的大小自由選擇，而不會(huì)影響系統(tǒng)固有頻率。在設(shè)計(jì)波力捕捉系統(tǒng)時(shí)，可在較快的范圍內(nèi)選擇適應(yīng)海浪頻譜的系統(tǒng)固有頻率，以此突破了流道設(shè)計(jì)的瓶頸，解除了系統(tǒng)頻譜優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一個(gè)約束。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0011]圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的實(shí)施例一所述?/κ/七沿流線的分布示意圖；
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例三所述水輪機(jī)葉片和導(dǎo)流葉片的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖1中B點(diǎn)的放大圖。【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施例一:
本實(shí)施例是一種雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平波力發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。本實(shí)施例包括:設(shè)置在水下的水口 3，所述的水口通過外水道12與安裝有帶動(dòng)發(fā)電機(jī)8的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子5的過流通道11，所述的過流通道通過內(nèi)水道10與水箱9的底部連接，所述的水箱與內(nèi)水道相連的水箱底部較小，水箱上部較大，所述的水箱底部和水箱上部平滑過渡連接，形成喇叭形，水箱的上口是敞開的，所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子是單向轉(zhuǎn)動(dòng)的軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
[0013]系統(tǒng)固有頻率是指內(nèi)部流道所包含水體的固有頻率，即水箱和流道中的水體也影響系統(tǒng)固有頻率。根據(jù)這一原理，本實(shí)施例采取了穿過水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的水道連接喇叭形水箱的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于，利用喇叭口形水箱的承受水量變化的特點(diǎn)，可以使系統(tǒng)的固有頻率在水箱的水位上升和下降過程中隨水量的變化而發(fā)生變化，而這一系統(tǒng)固有頻率的變化正好符合海浪波峰波谷的頻譜變化。
[0014]本實(shí)施例所述系統(tǒng)的固有頻率的計(jì)算如下:
建立圖1中1-1斷面和2-2斷面之間的非恒定總流的能量方程:
【權(quán)利要求】
1.一種雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平波力發(fā)電系統(tǒng)，包括:設(shè)置在水下的水口，所述的水口通過外水道與安裝有帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的過流通道，所述的過流通道通過內(nèi)水道與水箱的底部連接，所述的水箱與內(nèi)水道相連的水箱底部較小，水箱上部較大，所述的水箱底部和水箱上部平滑過渡連接，形成喇叭形，水箱的上口是敞開的，其特征在于，所述的水輪機(jī)轉(zhuǎn)子是單向轉(zhuǎn)動(dòng)的軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的過流通道與外水道連接處和內(nèi)水道連接處安裝有導(dǎo)流葉片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述的水輪機(jī)葉片為擴(kuò)口U形，擴(kuò)口U形的底部沿轉(zhuǎn)子的圓周向布置；所述的導(dǎo)流葉片呈彎曲狀:接近水輪機(jī)葉片一側(cè)導(dǎo)流葉片的葉面與水輪機(jī)葉片擴(kuò)口處的葉面方向一致或接近一致，導(dǎo)流葉片的另一側(cè)與轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心軸線方向一致或接近一致。
4.一種使用權(quán)利要求3所述發(fā)電系統(tǒng)的雙向?qū)Я魅~片沖擊式透平波力發(fā)電方法，所述方法的步驟如下: 海浪涌入的步驟:用于通過水口和外水道將海浪引入過流通道； 涌入海水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的步驟:用于引導(dǎo)涌入海水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)； 海水進(jìn)入水箱的步驟:用于將海水通過內(nèi)水道引入水箱中，由于水箱是從下到上開口的喇叭形，使水體在進(jìn)入水箱后，整個(gè)流道和水箱中的水體與水箱、流道、渦輪機(jī)形成的系統(tǒng)固有頻率是一個(gè)不斷變化的范圍，這個(gè)系統(tǒng)固有頻率范圍與海浪的主頻譜相適應(yīng)，產(chǎn)生共振，最大程度的吸收海浪中的能量； 海水涌出水箱的步驟:用于通過內(nèi)水道將水箱中涌出的海水引導(dǎo)至過流通道； 涌出海水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的步驟:用于引導(dǎo)從水箱中涌出的海水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)與海水涌入過流通道時(shí)所沖擊轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向一致； 海浪涌出的步驟:用于通過水口和外水道將海浪引入大海； 其特征在于: 所述的涌入、涌出海水沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的步驟； 海水涌入時(shí)，海水在外水道一側(cè)的導(dǎo)向葉片的作用下，從水輪機(jī)回轉(zhuǎn)軸方向沿導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)彎，沖擊水輪機(jī)葉片擴(kuò)口 U型的底部，形成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)； 海水涌出時(shí)，海水在內(nèi)水道一側(cè)的導(dǎo)向葉片的作用下，從水輪機(jī)回轉(zhuǎn)軸方向沿導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)彎，沖擊水輪機(jī)葉片擴(kuò)口 U型的底部，形成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)； 不論海水是涌入還是涌出，水流都是沖擊機(jī)葉片擴(kuò)口 U型的底部，形成相同方向的轉(zhuǎn)矩，使水輪機(jī)轉(zhuǎn)子按同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
【文檔編號(hào)】F03B1/00GK103790761SQ201410075349
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】郭曉晨, 吳一紅, 夏慶福, 余弘婧, 白音包力皋, 穆祥鵬, 陳興茹 申請(qǐng)人:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院