专利名称：一种海岸波能旋流发电方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海岸波能旋流发电方法和装置，是一种波浪发电的方法和装置，是一种低水头竖井旋流发电方法和装置。
背景技术：
现有的岸基波浪发电设施多用于波浪较大的海岸线，平均波浪功率超过20KW/m以上。对于平均波浪功率不到lOKW/m的波浪研究的比较少，设计的设施也相对较少，原因在于平均波浪功率不到lOKW/m的波浪能量比较难以捕捉，经济上不合算。但是如果数千公里海岸线的波浪都在10KW/m范围之内，其中蕴藏的能量也十分惊人。如何低成本的有效利用这些强度较弱的波浪，是应当解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种海岸波能旋流发电方法和装置，是一种通过捕捉强度较弱的波浪，将其所形成的低水头，通过竖管旋流的方式，驱动的水轮发电方法和装置。本发明的目的是这样实现的:一种海岸波能旋流发电装置，包括:设置在海岸线上的迎海面斜坡，所述的迎海面斜坡上设置高于平均潮位的多层捕获海浪的取水口，最下层的第一层取水口与蓄积海水的水池连接，所述水池的底板略低于平均潮位，在所述水池的底板上设置收缩导流墙，所述收缩导流墙的收缩口处安装单向拍门，所述单向拍门下游横排设置多个导流墩，在所述导流墩下游设置喇叭口竖管，所述喇叭口竖管中安装与发电机同轴连接的水轮机，所述的喇叭口竖管与尾水管连接；在所述喇叭口竖管的喇叭口外缘沿圆周均匀设置多个起旋墩；第二层以上各层取水口共同连接一平台，所述的平台末端的底部安装所述单向拍门的转动轴。一种使用上述装置实现海岸波能旋流发电的方法，所述方法的步骤如下:
海水进入第一层取水口的步骤:海浪爬坡逐步升高，首先进入第一层取水口 ；
海水聚集的步骤:海水从第一层取水口进入水池，并在水池中收缩导流墙的作用下向水池一侧聚集并向下游的单向拍门流动；
单向拍门打开的步骤:收缩导流墙聚集的水流冲开单向拍门；
产生旋流的步骤:水流在导流墩的作用下在水池下游沿一个方向流动；
生成通气螺旋流的步骤:在起旋墩的作用下，水流在喇叭形竖管周围产生旋流，并在竖管中形成通气的螺旋流，所述通气的螺旋流中心为空气，周围环绕螺旋的水流下降；
转换能量的步骤:所述通气的螺旋流带动水轮机，进而带动发电机发电；
海水进入第二层以上取水口的步骤:海浪升高，以此进入二层、三层，以及更高层的取水口 ；
海水从高层取水口回落的步骤:分别依次进入第三层、二层和一层取水口 ；
海水聚集势能的步骤:除第二层取水口的海水进入平台后降落到水池外，其它三、四高层取水口的海水均直接交替降落到平台中，并在平台的末端进入单向拍门的下游；
单向拍门关闭的步骤:由于第二层以上层取水口流入的海水的势能，压力大于从第一层取水口进入的海水，使单向拍门关闭，保持喇叭口竖管上不断的集聚发电水头；
以下重复产生旋流的步骤、生成通气的螺旋流的步骤、转换能量的步骤。本发明产生的有益效果是:本发明利用斜坡上多层取水口捕获海水，用多层捕获海水的取水口，共用一个水池和单向拍门，并设置喇叭口竖管，以及在喇叭口竖管外缘设置起旋墩，是水流产生通气的螺旋流，能在各种潮位和低水头下驱动水轮机组旋转发电。而且发电的连续性和稳定性较好，能并网。本发明所述的波能旋流发电装置的基础可采用粗骨料混凝土沉箱基础和钢筋混凝土上层结构，与防波堤结合修建，可以分摊工程投资，降低发电装置的成本。由于本发明所述的波能旋流发电装置使上下游两侧相通，并在旋流中掺入大量空气，如果与防波堤结合修建，可以使防波堤下游不断流入大量新鲜的海水和空气，可以净化防波堤内港口的水质，有利于堤内海洋生物繁殖，和改善生态环境。本发明波能发电装置的特点是，在任何不规则波浪条件下都能连续的发电，因此发电的稳定性较好，能并网。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本发明的实施例一所述装置的结构示意 图2是本发明的实施例一所述装置的取水口示意图，是图1中的A-A方向视 图3是本发明的实施例一所述装置的结构示意图，是图1中B-B方向剖视 图4是本发明的实施例一所述装置的结构示意图，是图1中C-C方向剖视 图5是本发明的实施例一所述装置的喇叭口竖管流态矢量示意图，是图1中D点的放大 图6是本发明的实施例二所述装置的聚能墙结构示意 图7是本发明的实施例七、八所述装置的喇叭口竖管和起旋墩示意图，是图5的E-E方向视图。
具体实施例方式实施例一:
本实施例是一种海岸波能旋流发电装置，如图1、2、3、4、5所示。本实施例包括:设置在海岸线上的迎海面斜坡，所述的迎海面斜坡上设置高于平均潮位M的多层捕获海浪的取水口(图1-4中仅画出了 4个取水口，实际可以是两个以上的取水口)，所述取水口与蓄积海水的水池连接，所述水池的底板略低于平均潮位，在所述水池的底板上设置收缩导流墙，所述收缩导流墙的收缩口处安装单向拍门，所述单向拍门下游横排设置多个导流墩，在所述导流墩下游设置喇叭口竖管，所述喇叭口竖管中安装与发电机同轴连接的水轮机，所述的喇叭口竖管与尾水管连接。在所述喇叭口竖管的喇叭口外缘沿圆周均匀设置多个起旋墩(图
3、4中只画出了 6个起旋墩，实际还可以设置4-8和起旋墩)。第二层以上各层取水口连接一平台，所述的平台设置在第一层取水口与所述的单向拍门之间的水池上部，在所述的平台末端的底部安装所述单向拍门的转动轴承。第二、三、四层取水口所捕获的海水依次均降落在第一层水池里蓄能和释放。图1-4给出宽度为b(b=8m-10m)的本实施例所述装置的一个单元结构。如果将宽度扩大为Nb (N > 10，N为装置的个数)，则可构成全长发电的海港防波堤。防波堤波能电站的基础是大骨料的混凝土沉箱，上层建筑物是钢筋混凝结构，在迎海面的斜坡上，设置高于平均潮位的一至四层捕获海浪的取水口 1、2、3、4 (见图2)。其中第一层取水口下修建底板坡度i=0.02的水池，并在水池底板上浇筑收缩导流墙13和导流墩5，(见图3和4)。在收缩导流墙的收缩口处安装单向拍门12。从导流墩开始下游为平底，即i=0，并在水池平底的部位浇筑喇叭口竖管6，在喇叭口竖管中安装水轮机9。在喇叭口竖管的喇叭口外缘均匀对称的布置六个起旋墩8 (图3和4)。第二层取水口下浇筑一平台14，在平台末端的下面安装单向拍门12的转动轴承。第一层取水口的海水直接进入水池，第二层取水口的海水经过平台进入水池，而三、四层取水口的海水以瀑布式降落到水池中，全部捕获的海水均依次在单向拍门下游储存发电和泄放到下游(见图1)。各层取水口捕获的海水，共同绕一个水轮发电机竖轴7旋转，共同驱动一个水轮机和发电机10发电，水流通过同一个尾水管11流出下游(见图1)。所述水池的平均底板高程高于最低潮位L，这样即便是最低潮位是也可以形成水头。迎海面斜坡各层取水口之间的斜坡坡度与水平面之间的夹角θ=30° -35°。为了方便施工和扩大取水口，可以使Θ角由下而上逐渐增大。所述水池中的水流通过导流墩进入喇叭口竖管外缘周边的起旋墩,使喇叭口竖管从上到下产生通气的螺旋流HS、LS (见图5)，螺旋流合成速度的作用力驱动水轮机轮叶旋转(见图5中箭头的方向)。在旋流离心力的作用下质量轻的空气集聚在喇叭口竖管中心区，质量重的海水流向喇叭口竖管边壁附近。为了让螺旋流空气畅通，以防止雍水，水轮机可以由比较少的轮叶构成，每个轮叶用水平短管与水轮发电机竖轴固接，叶片的外缘紧靠喇叭口竖管的内壁。在低水头下主要靠螺旋流的合力推动水轮机轮叶，提高运转效率。喇叭口竖管内所吸允的大量空气，由通气孔(见图1)和取水口捕获海水掺混的空气补给。在所述喇叭口竖管的喇叭口外缘上对称的布置多个机翼形的起旋墩，起旋墩的直面与喇叭口外圆的法线成80°夹角，起旋墩的顶部高程高于平均潮位Μ，略低于最高潮位H，在喇叭口竖管的进口内安装低水头水轮机。为增加各取水口捕获的海水流量，可以采取集聚波浪的措施，即将取水口的斜坡面从上到下逐渐扩宽，两侧设立聚能边墙。但这一方案只适用于单个发电单元(如海岛)，对于防波堤上连续排列的发电单元则不太适用。本实施例所述的装置适于潮位变化和年平均波浪功率< lOKW/m的我国海岸线修建，也适于波浪功率大的远海岛屿上修建，这时各层取水口堰顶与平均潮位的高程差可以增大一些。实施例二:
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于迎海面斜坡的细化。本实施例所述的迎海面斜波从上到下逐渐扩宽，迎海面斜波两侧设置聚能边墙15 (适于在远海岛屿上修建)，如图6所示。所述的聚能边墙是修筑在迎海面斜坡两侧的两道逐渐收拢的墙体，可以使海浪从海面冲向岸边的时候逐渐缩小宽度，同时逐渐增高浪高，即将海浪的动能在两道逐渐收拢的聚能墙之间形成势能，可以冲进更高的取水口中。图6中画出了具有四个取水口的迎海面斜坡，若在海岸线防波堤上修建时，可采用三层取水口。实施例三:
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于迎海面斜坡的细化。本实施例所述的迎海面斜波的坡面倾斜角度在30-35度。各层取水口之间的坡度可以变化，例如从下至上逐渐增加坡度，这样可以增加取水口的宽 度。实施例四:
本实施例实施实施例三的改进，是实施例三关于取水口的细化。本实施例所述的取水口设置四层，第一层取水口距离平均潮位I米，第二层取水口距离平均潮位2.2米，第三层取水口距离平均潮位3.5米，第四层取水口距离平均潮位4.8米。本实施例所述斜坡上取水口的各层取水口堰顶高程同平均潮位M的垂直间距分别为yi，如果为四层取水口则为:y1、y2、y3和y4 (见图1)。Ii的大小要根据实际波浪要素通过物理模型试验优化确定，对于平均波浪功率小于lOKW/m的海岸，yi的参考值为(以四层取水口为例):
Y1=Im ；、y2=2.2m、ys=3.5m 和 y4=4.8m。实施例五:
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水池底板的细化。本实施例所述的水池的底板从第一层取水口到导流墩为坡度0.02的倾斜底板，从导流墩下游开始为平底IS.( =ο) ο实施例六:
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水池底板的细化。本实施例所述的水池的底板平均高程接近最低潮位。实施例七:
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于起旋墩的细化。本实施例所述的喇叭口竖管的喇叭口外缘沿圆周均匀设置六个起旋墩，见图7。起旋墩的个数不能过多也不能过少，过多的起旋墩水阻挡水流的畅通，过少的起旋墩起旋作用不明显。实施例八:
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于起旋墩的细化。本实施例所述的起旋墩的水平截面形状为一边为直线，一边为直线平滑过渡斜线的矩形，所述起旋墩的直线边与喇叭口外圆的法线成80度夹角，所述起旋墩的顶部高程高于平均潮位M，略低于最高潮位H，见图7。本实施例所述的起旋墩的水平截面为切角矩形，矩形的长边一边为平直，另一边为倾斜加直线，两个短边都圆弧过渡，特别是切角的一边，形成圆头尖角。实施例九:
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水轮机的细化。本实施例所述的水轮机由四个轮叶构成，每个轮叶用水平短管与水轮发电机竖轴固定连接，所述的叶片的外缘紧靠喇叭口竖管的内壁。
由于喇叭口竖管中的水流是中间为空气的水流，水流主要沿管壁螺旋下降流动，因此，本实施例所述的水轮机的叶片也应当符合这个水流的要求。因此，本实施例所述的水轮机的叶片用四个短管连接在水轮机的竖轴上，这也可以防止阻碍中间空气的流动并减轻叶片的重量。所述的水轮机叶片的迎水面倾斜为与铅直线成锐角，这与一般的水轮机叶片与铅直线成钝角明显不同，见图5、7。实施例十:
本实施例是一种使用上述实施例所述装置的实现海岸波能旋流发电的方法。所述方法的主要思路如下，以四层取水口为例:
低潮位情况:
在低潮位情况下，一般波浪要小一些，波浪爬不到第四层取水口就回落到第三层取水口，所捕获的部分海水直接降落在第一层水池里，水流经过导流墩和起旋墩，在喇叭口竖管形成通气的螺旋流，驱动水轮机旋转，促使顶层的同轴发电机旋转发电(见图1)。接着波浪回落到第二层取水口，继续捕获海水，也进入第一层水池里，经分流墩和起旋墩，在喇叭口竖管形成通气的螺旋流，驱动水轮机和发电机旋转发电(见图2、3)。再接着波浪回落到第一层取水口，继续捕获海水到该层的水池里，打开收缩口处的单向拍门，水流经分流墩，流至起旋墩，在喇叭口竖管形成通气的螺旋流，驱动水轮机和发电机旋转发电(见图1、4)。这时第二个波列紧接着又爬上坡来，海水依次经第一、二、三层取水口进入第一层水池里旋转驱动水轮发电机发电，再依次回落到二、一层取水口连续发电。以后继续按上述程序运作。在第一层的水池，若喇叭口起旋墩周围的水位高于上游流道水位时，单向拍门自动关闭，以防止水外流，保持水轮机有一定的水头，当起旋墩附近的水位低于流道的水位时，单向拍门自动打开向喇叭口竖管供水。高潮位情况:
在高潮位的情况下，通常第一层取水口、水池和水轮机被海水淹没。当波浪爬坡到顶部第四层取水口时，捕获的海水迅速降落到第一层水池的高潮位水面上，由于单向拍门自动关闭，喇叭口竖管上的水头增高，水流经导流墩和起旋墩，在喇叭口竖管内同样会产生通气的螺旋流，驱动水轮机和发电机旋转发电。接着部分的海水回落进入第三层取水口，也迅速降落到第一层水池里，经导流墩和起旋墩，在喇叭口竖管内产生螺旋流，驱动水轮机和发电机旋转发电。再接着波浪回落到第二层取水口，捕获的海水进入第一层的水池里，按上述程序驱使发电机发电。此时第一层取水口已处在高潮位的海水下面，第二次波列又开始爬上来，海水重复从第二、三、四层和再回落到第三、二层取水口连续发电。继续实施上述的运转发电程序。这里应指出，不管在低潮位或在高潮位运行，各取水口捕获海水所形成的作用水头，均能使喇叭口竖管产生通气的螺旋流，驱动水轮发电机发电(见图5中低潮位和高潮位流态示意)，但是低潮位运行时螺旋流的合成速度矢量与水平夹角要比高潮位时的夹角小一些，前者比后者的作用力略大一些。所述方法的具体步骤如下:
海水进入第一层取水口的步骤:海浪爬坡逐步升高，首先进入第一取水口 ；
海水聚集的步骤:海水从第一层取水口进入水池，并在水池中收缩导流墙的作用下向水池一侧聚集并向下游的单向拍门流动。
单向拍门打开的步骤:收缩导流墙聚集的水流冲开单向拍门。产生旋流的步骤:水流在导流墩的作用下在水池下游沿一个方向流动。生成通气的螺旋流的步骤:在起旋墩的作用下，水流在喇叭口竖管周围产生旋流，并在竖管中形成通气的螺旋流，所述通气的螺旋流中心为空气，周围环绕螺旋下降的水流。转换能量的步骤:所述通气的螺旋流驱动水轮机，进而带动发电机发电；
海水进入第二层以上取水口的步骤:海浪爬坡升高，以此进入二层、三层，以及更高层
的取水口。海水从高层取水口回落的步骤:分别依次进入第三层、二层和一层取水口。海浪在爬坡时由低向高进入各个取水口，海浪退去时则由高向低进入各个取水口。海水聚集势能的步骤:在低潮位时，海水进入第一层取水口的水池里就高于海平面，形成势能，从第二层以上的取水口进入的海水依次降落到单向拍门的下游，单向拍门自动关闭，水池的水位均高于海平面，形成势能。在高潮位时，因海水淹没了第一层取水口，仅该层的海水不存在势能，而其它高程取水口捕获的海水均形成势能。单向拍门关闭的步骤:由于第二层以上层取水口流入的海水的势能，压力大于从第一层取水口进入的海水，使单向拍门关闭。以下重复产生旋流的步骤、生成通气的螺旋流的步骤、转换能量的步骤。最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如旋流竖管的形状、起旋墩的形状、水轮机的形式等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种海岸波能旋流发电装置，包括:设置在海岸线上的迎海面斜坡，所述的迎海面斜坡上设置高于平均潮位的多层捕获海浪的取水口，其特征在于，最下层的第一层取水口与蓄积海水的水池连接，所述水池的底板略低于平均潮位，在所述水池的底板上设置收缩导流墙，所述收缩导流墙的收缩口处安装单向拍门，所述单向拍门下游横排设置多个导流墩，在所述导流墩下游设置喇叭口竖管，所述喇叭口竖管中安装与发电机同轴连接的水轮机，所述的喇叭口竖管与尾水管连接；在所述喇叭口竖管的喇叭口外缘沿圆周均匀设置多个起旋墩；第二层以上各层取水口共同连接一平台，所述的平台末端的底部安装所述单向拍门的转动轴承。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的迎海面斜波从上到下逐渐扩宽，迎海面斜波两侧设置聚能边墙。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的迎海面斜波的坡面倾斜角度在30_35 度。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的取水口设置四层，第一层取水口距离平均潮位I米，第二层取水口距离平均潮位2.2米，第三层取水口距离平均潮位3.5米，第四层取水口距离平均潮位4.8米。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的水池的底板从第一层取水口到导流墩为坡度0.02的倾斜底板，从导流墩下游开始为平底板。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的水池的底板平均高程接近最低潮位。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的喇叭口竖管的喇叭口外缘沿圆周均匀设置四至八个起旋墩。
8.根据权利要求7 所述的装置，其特征在于，所述的起旋墩的水平截面形状为一边为直线，一边为直线平滑过渡斜线的矩形，所述起旋墩的直线边与喇叭口外圆的法线成80度夹角，所述起旋墩的顶部高程高于平均潮位，略低于最高潮位。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的水轮机由四个轮叶构成，每个轮叶用水平短管与水轮发电机竖轴固定连接，所述的叶片的外缘紧靠喇叭口竖管的内壁。
10.一种使用权利要求1所述装置实现海岸波能旋流发电的方法，其特征在于，所述方法的步骤如下: 海水进入第一层取水口的步骤:海浪爬坡逐步升高，首先进入第一层取水口 ； 海水聚集的步骤:海水从第一层取水口进入水池，并在水池中收缩导流墙的作用下向水池一侧聚集并向下游的单向拍门流动； 单向拍门打开的步骤:收缩导流墙聚集的水流冲开单向拍门； 产生旋流的步骤:水流在导流墩的作用下在水池下游沿一个方向流动； 生成通气螺旋流的步骤:在起旋墩的作用下，水流在喇叭形竖管周围产生旋流，并在竖管中形成通气的螺旋流，所述通气的螺旋流中心为空气，周围环绕螺旋的水流下降； 转换能量的步骤:所述通气的螺旋流驱动水轮机，进而带动发电机发电； 海水进入第二层以上取水口的步骤:海浪升高，以此进入二层、三层，以及更高层的取水口 ； 海水从高层取水口回落的步骤:分别依次进入第三层、二层和一层取水口 ；海水聚集势能的步骤:除第二层取水口的海水进入平台后降落到水池外，其它三、四高层取水口的海水均直接交替降落到平台中，并在平台的末端进入单向拍门的下游； 单向拍门关闭的步骤:由于第二层以上层取水口流入的海水的势能，压力大于从第一层取水口进入的海水，使单向拍门关闭，保持喇叭口竖管上不断的集聚发电水头； 以下重复产生旋流的步骤 、生成通气的螺旋流的步骤、转换能量的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种海岸波能旋流发电方法和装置，包括设置在海岸线上的迎海面斜坡，迎海面斜坡上设置高于平均潮位的多层捕获海浪的取水口，最下层的第一层取水口与蓄积海水的水池连接，水池的底板上设置收缩导流墙，收缩导流墙的收缩口处安装单向拍门，单向拍门下游横排设置多个导流墩，在导流墩下游设置喇叭口竖管，喇叭口竖管中安装与发电机同轴连接的水轮机，喇叭口竖管与尾水管连接。本发明利用喇叭口竖管及在喇叭口外缘设置起旋墩，使水流产生通气的螺旋流，能在各种潮位和低水头下驱动水轮机组旋转发电。本发明所述装置的基础可采用粗骨料混凝土沉箱基础和钢筋混凝土上层结构，与防波堤结合修建，可以分摊工程投资，降低发电装置的成本。
文档编号F03B13/22GK103195643SQ20131014449
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者董兴林, 杨开林, 付辉, 郭新蕾, 郭永鑫, 王涛, 李甲振 申请人:中国水利水电科学研究院