潮流能发电装置及其导流罩的制作方法
专利名称:潮流能发电装置及其导流罩的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种潮流能发电装置及其导流罩。潮流能发电装置包括框架、至少一根转轴、至少一个驱动单元、至少一个水平轴水轮发电机和至少一个导流罩。转轴可转动地设置于框架。驱动单元位于水面上，连接转轴以驱动转轴转动。水平轴水轮发电机固定于转轴。导流罩固定于框架且包括两个导水部分和中间部分，中间部分位于两个导水部分之间。转轴的轴线和水平轴水轮发电机的中心轴线形成的交点为中心点，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离为第一距离，叶片离中心点最远的一个端点为最远端点到中心点之间的距离为第二距离，第一距离大于第二距离。中间部分分别面向两个导水部分的两端的横截面的半径略大于最远端点到中心轴线之间的距离。
【专利说明】
潮流能发电装置及其导流罩
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种发电装置，尤其涉及一种潮流能发电装置及其导流罩。
【背景技术】
[0002]海洋能(包含潮汐能、潮流能、波浪能、海流能)是指海水流动的能量，作为可再生能源，储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。海洋能的利用方式主要是发电，其工作原理与风力发电类似，即通过能量转换装置，将海水的机械能转换成电能。具体而言，首先海水冲击水轮机，水轮机将水流的能量转换为旋转的机械能，然后水轮机经过机械传动系统带动发电机发电，最终转换成电能。
[0003]现今能源日益短缺，温室效应日益严重，能源需要低碳化，所以风能，海洋能等清洁能源是未来能源的发展方向。但现在这些清洁能源的发电设备，除了风能利用比较成熟夕卜，海洋能的利用还都是在起步阶段，没有通用和成熟的设备。现有的少数设备也存在效率低下，设备不能大规模化的问题。
[0004]由于海洋环境复杂，水中阻力大，传统的海洋能发电装置的安装都必须在海里进行，困难度高，费用庞大。另外，由于发电装置长期接触海水，在海水的长期侵蚀和巨大冲击力下，海洋能发电装置使用一段时间后就要定期进行维修或更换。然而传统的海洋能发电装置的维修和更换也均在海里进行，困难度高，成本巨大。甚至，因为部分组件的损坏，导致整个海洋能发电装置的报废，这是海洋能发电装置高成本的重要原因之一，也是造成现有的海洋能发电装置无法大规模化、商业化运营的直接原因。
[0005]尤其是水平轴水轮发电机，由于其所有设备(包括叶片和发电机)均在水下，因此水平轴水轮发电机的维修更加困难，成本更高。因此，即便水平轴水轮发电机的发电效率高于垂直轴水轮发电机，但水平轴水轮发电机仍然无法商业化。然而，目前海洋能发电领域的技术人员都忽略了对安装和维修方式的改进。
[0006]另外，由于潮流能是利用海洋的潮流进行发电。伴随着涨潮和落潮，潮流的方向会发生改变。传统的大部分水平轴水轮发电机都不可以旋转，导致潮流能发电机只能利用涨潮或者落潮进行发电，发电效率极低。现有技术人员为了充分利用涨潮和落潮产生的能量，选择安装两套发电系统。一套发电系统的叶轮朝向涨潮方向，另一套发电系统的叶轮朝向落潮方向。虽然看似涨潮和落潮产生的能量都充分得以利用，但是在涨潮或落潮时，始终会有一套发电系统闲置。增加一套发电系统使得生产成本翻倍，而产生的电能功率的提高远不及成本的增加，这极大地限制了潮流能发电装置的推广和运用。
[0007]要注意的是，涨潮和落潮的潮流速度并不恒定。在安装发电装置时，一旦发电机选定，它的负载量就确定下来。然而，潮流的速度并不恒定，因此造成发电量并不恒定。现有的潮流能发电装置为了节省成本以及受到技术上的局限，无论是水平轴水轮发电机还是垂直轴水轮发电机只能承载在一定水流速度以下的发电负荷。一旦水流速度增加，发电量超过负荷，发电机会超负荷工作很容易损毁。因此，为了延长发电机的工作寿命，传统的潮流能发电装置一旦潮流超过一定速度就彻底切断水流，使得发电机停止工作，大幅度降低了发电效率。
[0008]现有一种潮流能发电装置借鉴风能发电机的设计，通过变桨的方式调节发电装置的负荷。当水流速度较大时，通过调节装置使桨叶迎角减小；当水流速度较小时，通过调节装置使桨叶迎角增大。然而，这种设计存在很大的弊端。不同于风能发电机的使用环境，水平轴水轮发电机是在水中使用，受到的阻力远远大于风能发电机受到的阻力。并且，由于调节的是水平轴水轮发电机的叶片角度，旋转机构是整个都位于水里，要实现叶片角度的旋转就需要精准地设计叶片各部件之间的安装紧密程度。若连接很紧密，摩擦力太大，则很难调整叶片的迎水面角度，导致调节装置无法发挥调节的功效。这种情况下的发电装置在水流太小时无法提高效率，在水流太大时也无法真正保护发电机。若连接太松，摩擦力太小，虽然可以轻松地调节，但是会存在丧失密封性这一严重问题。这样水流将会灌入水轮发电机内部造成整个水轮发电机损坏，维修率大大提高，成本巨增。并且水轮发电机有几个叶片就要对应安装几个旋转机构和控制机构，其成本和技术难度急剧增加。
【实用新型内容】
[0009]本实用新型为了克服现有技术中的至少一个不足，提供一种潮流能发电装置及其导流罩。
[0010]为了实现上述目的，本实用新型提供一种潮流能发电装置，包括框架、至少一根转轴、至少一个驱动单元、至少一个水平轴水轮发电机和至少一个导流罩。转轴可转动地设置于框架，转轴具有轴线，轴线的方向垂直于水平面。驱动单元位于水面上，连接转轴以驱动转轴转动。至少一个水平轴水轮发电机固定于转轴，水平轴水轮发电机包括叶片和发电机，水平轴水轮发电机具有中心轴线，中心轴线的方向平行于水平面。至少一个导流罩固定于框架，导流罩包括两个导水部分和中间部分，中间部分位于两个导水部分之间。其中，转轴的轴线和水平轴水轮发电机的中心轴线形成的交点为中心点，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离为第一距离，叶片离中心点最远的一个端点为最远端点，最远端点到中心点之间的距离为第二距离，第一距离大于第二距离。中间部分分别面向两个导水部分的两端的横截面为圆形，横截面所在的平面垂直于水平面且垂直于水流方向，横截面的半径略大于最远端点到中心轴线之间的最短距离。
[0011]于本实用新型的一实施例中，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离相等。
[0012]于本实用新型的一实施例中，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离略大于第二距离。
[0013]于本实用新型的一实施例中，每个导水部分远离中间部分的一端的横截面为矩形，每个导水部分面向中间部分的一端的横截面为圆形，圆形横截面和矩形横截面均垂直于水平面且垂直于水流方向，圆形横截面的面积小于矩形横截面的面积。
[0014]于本实用新型的一实施例中，框架包括外框架和至少一个内框架，内框架可分离地设置于外框架内。
[0015]于本实用新型的一实施例中，至少两个水平轴水轮发电机固定于一根安装轴上且于同一个内框架内沿垂直于水平面的方向排列。
[0016]根据本实用新型的另一方面，本实用新型还提供一种导流罩，应用于潮流能发电装置中，潮流能发电装置包括至少一个水平轴水轮发电机和至少一根转轴，水平轴水轮发电机固定于转轴，转轴具有轴线，轴线的方向垂直于水平面，水平轴水轮发电机包括叶片和发电机，水平轴水轮发电机具有中心轴线，中心轴线的方向平行于水平面，其特征在于，导流罩包括两个导水部分和中间部分，中间部分位于两个导水部分之间。转轴的轴线和水平轴水轮发电机的中心轴线形成的交点为中心点，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离为第一距离，叶片离中心点最远的一个端点为最远端点，最远端点到中心点之间的距离为第二距离，第一距离大于第二距离；中间部分分别面向两个导水部分的两端的横截面为圆形，横截面所在的平面垂直于水平面且垂直于水流方向，横截面的半径略大于最远端点到中心轴线之间的距离。
[0017]于本实用新型的一实施例中，导流罩为非对称结构。
[0018]综上所述，本实用新型提供的潮流能发电装置通过设置导流罩，将水流都集中导向水平轴水轮发电机，使得水平轴水轮发电机的叶片受力更大、转速更快，从而提高发电效率。通过设置转轴，创新地通过改变整个水平轴发电机的朝向而非单独改变叶片迎水角的方式对发电机的负荷进行调节，使得无论水流速度多大发电机一直可以保证能够在安全负荷内正常发电，极大地提高了发电效率。另外，通过设置可转动的转轴，使得无论涨潮还是落潮，水平轴水轮发电机的叶片可以始终朝向水流，从而确保最大的发电功率。通过设置特定尺寸的导流罩，以确保所有经过发电装置的水流都被聚拢到冲向叶片，因此完全利用上游水位和下游水位之间的“压差”，大大提高发电效率。本实用新型的导流罩限制水流不会从导流罩和叶片转动区域之间的间隙直接流出以确保较高的收效能。
[0019]另外，本实用新型通过设置可分离的内框架和外框架，使得发电装置可以在水面上进行模块化组装和替换，大幅度降低维修和安装费用，克服了传统潮流能发电装置无法商业化、大规模化的难题。
[0020]并且，在垂直于水平面的方向上排布至少三个水平轴水轮发电机，在平行于水平面的方向上也排布至少两个水平轴水轮发电机，使得水轮发电机实现矩阵化排布，充分利用整个海域横向和纵向的潮流能，大大提高发电效率。
[0021]进一步，本实用新型实施例中提供的导流罩，两端的横截面的面积大于中间部分的横截面的面积，起到更好的导流和聚流的作用，增大了冲向叶片的压力，大幅度提高发电效率。
[0022]特别地，通过将导流罩设置为非对称结构，从而确保无论是涨潮还是落潮，所有水流都能正确地被导流罩引导向水轮发电机，从而最大限度地利用水流进行发电，提高发电效率。
[0023]为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
【附图说明】
[0024]图1所示为根据本实用新型第一实施例提供的潮流能发电装置的组装示意图。
[0025]图2所示为根据本实用新型第一实施例提供的潮流能发电装置的俯视图。
[0026]图3所示为根据本实用新型第一实施例提供的导流罩和水平轴水轮发电机的立体图。
[0027]图4所示为根据本实用新型第一实施例提供的导流罩和水平轴水轮发电机的侧视透视图。
[0028]图5所示为根据本实用新型第一实施例提供的导流罩和水平轴水轮发电机的俯视剖视图。
[0029]图6为图5去除导流罩后的示意图。
[0030]图7所示为根据本实用新型第一实施例提供的导流罩的正视图。
[0031]图8所示为根据本实用新型第二实施例提供的导流罩的示意图。
【具体实施方式】
[0032]图1所示为根据本实用新型第一实施例提供的潮流能发电装置的组装示意图。图2所示为根据本实用新型第一实施例提供的潮流能发电装置的俯视图。请一并参考图1和图
2。本实用新型第一实施例中提供的潮流能发电装置包括框架、至少一个水平轴水轮发电机
3、至少一根转轴4、至少一个导流罩5和驱动单元6。导流罩5对应于水平轴水轮发电机3设置。
[0033]于本实施例中，框架10包括外框架I和至少一个内框架2，至少一个内框架2可分离地设置于外框架I内。外框架I可由钢材料焊接而成。于本实施例中，外框架I可具有多个固定粧11。通过在外套管内浇灌混凝土形成固定粧11。外框架I通过打粧的方式固定于海底F。于本实施例中，外框架I还具有多个减小水流阻力结构12。多个减小水流阻力结构12位于外框架I的迎水侧。通过设置减小水流阻力结构12于外框架I的迎水侧，大大减小了外框架I的外套管(之后在此处就形成固定粧11)承受水力冲击的受力面积，同时大幅度提高了后续形成的固定粧11的稳定度。如图2所示，减小水流阻力结构12位于外框架I的最上边和最下边。于本实施例中，减小水流阻力结构12的截面为三角形。然而，本实用新型对减小水流阻力结构12的具体形状和结构不作任何限定。于其他实施例中，该减小水流阻力结构可制造为流线型。
[0034]于本实施例中，内框架2上可设有卡勾(图未示)，外框架I上可设有卡槽(图未示)，内框架2通过卡勾和卡槽的相互卡合嵌入到外框架I内。然而，本实用新型对内框架2与外框架I之间的固定方式不作任何限定。本实用新型对内框架2的具体数量也不作任何限定。优选地，内框架2的数量大于或等于三个。于实际应用中，内框架2的数量可以多达12个或14个。如图1所示，多个内框架2沿平行于水平面P的方向排布，从而实现了潮流能发电装置规模的横向扩展，大大提高潮流能的利用率，突破了现有潮流能发电装置无法实现规模化的弊端。
[0035]至少一根转轴4可转动地设置于框架10的内框架2。本实用新型对转轴4的数量不做任何限定。转轴4具有轴线XI，轴线Xl的方向垂直于水平面P。于本实施例中，至少两个水平轴水轮发电机3固定于一根转轴4上且于同一个内框架2内沿垂直于水平面P的方向Dl排列。从图1所示方向看去，至少两个水平轴水轮发电机3为纵向排列，从而实现了潮流能发电装置规模沿海洋深度的纵向扩展，大大提高发电功率，进一步克服了现有传统潮流能发电装置无法实现规模化的问题。
[0036]海底通常高低不平。由于岩石等的存在，即便在相距不到十米的地方，海底表面的高低差距也会非常大。本实用新型潮流能发电装置能够充分利用海洋垂直方向的能量，可以根据海底和水面之间的距离灵活调整方向Dl上水平轴水轮发电机3的数量。举例而言，在海底比较高的地方，可以只有两个水平轴水轮发电机3固定于一根转轴4上，在海底比较低的地方，可以将四个水平轴水轮发电机3固定于一根转轴4上。换言之，每根转轴上水轮发电机3的数量并不需要相等。
[0037]于本实用新型中，一个内框架2、至少一个水平轴水轮发电机3、至少一根转轴4和一个驱动单元6共同形成一个内置模块100。于实际应用中，可先将至少一个水平轴水轮发电机3、至少一根转轴4和至少一个驱动单元6固定在一个内框架2内，然后将至少一个这样组装好的内框架2固定在外框架I内，从而实现潮流能发电装置的模块化安装。具体而言，内置模块100的组装可在岸上或海上平台进行，然后将内置模块100由上往下吊入置于海中的外框架I内和外框架I进行固定，如此实现海面上的安装作业，大大简化安装程序，减少安装时间，降低海洋中安装难度。
[0038]水平轴水轮发电机3包括叶片31和发电机32，水平轴水轮发电机3具有中心轴线X2，中心轴线X2的方向平行于水平面P。本实用新型对水平轴水轮发电机3的叶片31的数量不做任何限定，每个水平轴水轮发电机3可具有2个、3个或4个等叶片。由于水平轴水轮发电机3的叶片31和发电机32全部在水下，因此，若水平轴水轮发电机3发生故障，传统的潮流能发电装置将需要在海里进行维修。这样维修非常困难且费用庞大。然而，本实施例的潮流能发电装置可直接将内置模块100从海中取出进行维修或更换，实现潮流能发电装置的海面上快速更换和维修，大大降低了维修成本，使得潮流能发电装置的商业化得以实现。
[0039]于本实施例中，内框架2的数量等于转轴4的数量，且水平轴水轮发电机3的数量大于转轴4的数量。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，一个内置模块100可具有多根转轴4和每根转轴4上可具有两个以上的水平轴水轮发电机3。
[0040]每两个安装于同一根转轴4上的水平轴水轮发电机3同步进行转动。驱动单元6连接转轴4以驱动转轴4转动。由于涨潮和落潮的水流方向相反，无论水流朝哪个方向流入，通过转轴4的转动控制水平轴水轮发电机3的叶片31始终朝向水流，从而提高潮流能的利用率，提高发电效率。
[0041]于本实用新型中，驱动单元6是位于水面上。现有技术中少数水平轴水轮发电机可以实现转动，但是驱动单元均是位于水面以下，有的甚至和发电机部分集成为一体。由于现有技术中的控制系统、驱动系统、传动系统、变流系统和发电系统都集成在叶片后形成一个整体，导致现有的水平轴水轮发电机的非叶片部分的体积非常大，大大降低了电子元器件的效能。并且传动系统包括电机非常容易损坏，经常需要维修，这些元件设置在水面下将大幅度增加维修难度和成本。但是本实用新型中的驱动单元6是位于水面以上而非水面下，彻底解决了上述问题，并且可以大幅度减小水平轴水轮发电机非叶片部分的体积，从而提高电子元器件的效能，最终达到提高发电效率的目的。
[0042]于本实施例中，驱动单元6的数量对应于转轴4的数量。然而，本实用新型对此不做任何限定。于其它实施例中，可以通过齿轮等传动机构，实现一个驱动单元6对两个转轴4的控制。每个驱动单元6可包括电动机和传动机构，传动机构连接转轴4的一端，电动机通过传动机构驱动转轴4转动。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，驱动单元6可包括电动机和减速机。由于现有的电动机转速都较快，通过减速机后转速大大降低，因此能有效且精准地控制转轴4的转速和转动幅度。
[0043]于实际应用中，当水流沿图2中所示的水流方向D流向潮流能发电装置时，驱动单元6不运作。此时，水平轴水轮发电机3的叶片31面向水流。当水流沿水流方向D相反的方向(从图2中看去为由上往下)流向潮流能发电装置时，驱动单元6驱动转轴4转动，从而带动水平轴水轮发电机3旋转180度，使得叶片31从朝下改为朝上，以保证水平轴水轮发电机3的叶片31始终朝向水流。此种情况尤其适用于利用潮汐能发电，确保了最大的发电功率。
[0044]特别地，实际应用中涨潮和落潮的水流方向并不完全平行，也并不一定会垂直于水平轴水轮发电机3的迎水面。无论水流从哪个方向涌入水平轴水轮发电机3，本实用新型的发电装置可以通过转轴4控制水平轴水轮发电机3改变朝向以使水平轴水轮发电机3始终正对水流，从而最大程度地利用潮流能，提高发电功率。
[0045]并且，当实际水流速度高于水平轴水轮发电机3能承受的最大负荷对应的额定速度时，此时只需通过转轴4转动控制水平轴水轮发电机3使其旋转偏离水流方向一个角度，则可以有效降低水平轴水轮发电机3的负载，在确保水平轴水轮发电机3不会因超负荷损毁的同时，确保水平轴水轮发电机3仍然正常工作，持续稳定地输出发电。克服了传统海洋能发电装置中当水流速度过大，发电机为了避免烧毁就停止工作的弊端，同时无需进行变桨调节，使得发电机的负荷调节更加简单有效。当实际水流速度小于发电机3能承受的最大负荷对应的额定速度时，此时只需通过转轴4转动控制水平轴水轮发电机3使其旋转正对水流方向(即叶片的迎水面垂直于水流方向)，则可以最大程度地利用水流进行发电，提高发电功率。
[0046]如图3至图7所示，导流罩5具有两个导水部分51和一个中间部分52。中间部分52位于两个导水部分51之间。转轴4的轴线Xl和水平轴水轮发电机3的中心轴线X2形成的交点为中心点C。中间部分5 2的内表面5 21上的任一点(如图5所示的点5 2a)到中心点C之间的距离为第一距离SI，每个叶片31离中心点C最远的一个端点为最远端点E，最远端点E到中心点C之间的距离为第二距离S2，第一距离SI大于第二距离S2。
[0047]于本实施例中，中间部分52的内表面521上的任一点到中心点C之间的距离相等，即第一距离SI可为定值。具体而言，转轴4在转动水平轴水轮发电机3时叶片31的最远端点E的运动轨迹为图中所示的圆形，所述圆形是以中心点C为圆心，最远端点E到中心点C之间的距离为半径。中间部分52的横剖面(该横剖面所在的平面平行于水平面P，即从图5所示的方向看过去的剖面)为圆弧形，图5所示的两段圆弧线是以中心点C为圆心，中间部分52的内表面521上的任一点到中心点C之间的第一距离SI为半径所做的圆的两段圆周线。在这种情况下，中间部分52是一个完整球面去除顶部和底部后的一部分，球心为中心点C。
[0048]然而，本实用新型对此不作限定。于其它实施例中，第一距离SI可为变量，即中间部分52的内表面521上的任一点到中心点C之间的第一距离SI可因各个点的位置而有所不同。具体而言，于其它实施例中，中间部分52沿该剖视方向看过去仍然可以是一段弧形，但该弧形可不是圆弧形，且曲率半径可远小于本实施例中弧形的曲率半径。或者于其它实施例中，中间部分52沿该剖视方向看过去可以是波浪形或者折线型，只要满足第一距离SI大于第二距离S2即可，以保证水平轴水轮发电机3在改变方向时能够在导流罩5内顺畅转动。
[0049]优选地，第一距离SI略大于第二距离S2，即中间部分52的内表面521和叶片31的最远端点E之间的运动轨迹仅仅存在非常小的间隙，这个间隙确保水平轴水轮发电机3在改变朝向时叶片31的最远端点E不会摩擦中间部分52的内表面，同时也确保导流罩5尽可能地把所有水流全部聚拢在叶片31转动的区域内，以尽可能不让水流没有经过叶片31的推动而从该间隙直接穿过导流罩5。
[0050]于本实用新型中，中间部分52分别面向两个导水部分51的两端的横截面S为圆形，所述横截面S所在的平面垂直于水平面P且垂直于水流方向D，横截面S的半径R略大于最远端点E到所述中心轴线X2之间的最短距离S3(即从最远端点E作垂直于中心轴线X2的垂线，该垂线的长度即为最短距离S3)。本实用新型中所指的“略大于”是指首先横截面S的半径R大于最短距离S3以使得中间部分52不会阻碍叶片31的转动，其次横截面S的面积仅仅是比叶片31的最远端点E转动时所形成的圆的面积稍微大，以使得所有冲向叶片31的水流几乎都全部在叶片31转动的区域内而基本不会从中间部分52和叶片31转动的区域之间的间隙流到中间部分52的内部。
[0051]传统少数的水平轴水轮发电机3可以进行转动，但是为了方便水平轴水轮发电机3的转动，现有技术并没有考虑导流罩5的最优尺寸，而是仅仅考虑把横截面S的半径R做到大于叶片31的最远端点E到中心点C之间的第二距离S2。然而，现有的导流罩为圆筒状(即从俯视方向看过去，导流罩中间部分的左右两边为直线型)，由于第二距离S2肯定大于最短距离S3，这样势必会导致横截面S的半径R会远远大于最短距离S3，最终导致相当一部分水流从导流罩5和叶片31转动区域之间的间隙逸出，即水流没有冲向叶片31而是直接穿过导流罩5流到下游。这样的弊端是发电效率会大幅度下降，收效能至少会降低10%。
[0052]由于在实际使用中，潮流能发电装置上游的水位和潮流能发电装置下游的水位具有高度差，从而形成巨大的压差。如果没有导流罩5，则无法有效利用该压差进行发电；如果大部分水流从导流罩5中直接穿过，则发电效率将得不到有效提高。
[0053]于本实施例中，每个导水部分51远离中间部分52的一端的横截面511为矩形，每个导水部分51面向中间部分52的一端的横截面为圆形，圆形横截面和矩形横截面511均垂直于水平面P且垂直于水流方向D，圆形横截面的面积小于矩形横截面的面积。具体而言，每个导水部分51为一端为矩形然后过渡到另一端为圆形的立体结构。导水部分51的圆形横截面的面积可近乎等于中间部分的圆形横截面S的面积。
[0054]通过将导水部分51的一端设置为矩形，可以实现和外框架I或内框架2连接端面的无缝连接。现有的潮流能发电装置中使用的导流罩，其迎水侧的横截面为圆形。由于现有框架均为矩形，在安装过程中就会在圆形和矩形之间产生空隙。若该空隙没有东西阻挡，当潮流冲击向水平轴水轮发电机时，相当一部分水流会从该空隙涌向水平轴水轮发电机，甚至冲击叶片的背面，大大降低了发电功率。若将该空隙用平板进行阻隔，则水流会直接冲向该平板，形成巨大的应力，容易损坏整个框架的结构。特别是经过该平板阻挡后，水流方向会发生改变甚至水流乱窜，严重降低了潮流能利用率，进而降低了发电功率。
[0055]通过从矩形过渡到面积更小的圆形，缩小了水流通道，将水流都集中导向水平轴水轮发电机3，使得水平轴水轮发电机3的叶片31受力更大、转速更快，从而提高发电效率。特别地，本实施例中的导流罩5两端均为矩形而非一端为矩形，这样无论涨潮还是落潮，该导流罩5都可以实现导流作用。
[0056]然而，本实用新型对此不作任何限定，导水部分的两端为圆形的结构也可以适用于本实用新型。于本实施例中，中间部分52和两个导水部分51分别连接在一起，通过这种设置，导流罩5形成一个整体，这样水流从导流罩5的内部通过而不会逸到导流罩5之外。然而本实用新型对此不作任何限定，若导水部分51和中间部分52之间具有间隙也在本实用新型的保护范围内。
[0057]图8所示为根据本实用新型第二实施例提供的导流罩的示意图。于本实施例中，夕卜框架、内框架、水平轴水轮发电机、转轴和驱动单元的结构和功能，皆如第一实施例所述，在此不再赘述。以下仅就不同之处予以说明。
[0058]如图8所示，每个导流罩为非对称结构。具体而言，每个导流罩同样具有两个导水部分51’和一个中间部分52’。每个导水部分51’为一端为矩形然后过渡到另一端为圆形的立体结构。然而，中间部分52’为非对称结构。具体而言，其中一个导水部分51’具有第一中心轴线Al，另一个导水部分51’具有第二中心轴线A2，第二中心轴线A2和第一中心轴线Al形成不为零的夹角。
[0059]于实际使用中，潮流的涨潮方向和落潮方向并不是理想的180°完全相反的两个方向。本领域技术人员容易忽略实际水域中涨潮和落潮水流方向的偏差，因而现有使用的导流罩都为对称结构。不同水域中涨潮时水流方向和落潮时水流方向之间会具有一个偏差角度，从3°到20°不等。若潮流能发电装置采用对称的导流罩结构，涨潮和落潮两个方向的水流中势必会有一个得不到导流罩完全正确地引导，因此水平轴水轮发电机也将无法完全充分地利用两个方向的水流进行发电。然而，通过将第二中心轴线A2和第一中心轴线Al之间形成的夹角设置成涨潮方向和落潮方向之间的偏差角度相一致，从而确保无论是涨潮还是落潮，所有水流都能正确地被导流罩引导向水轮发电机，从而最大限度地利用水流进行发电，提尚发电效率。
[0060]本实用新型申请中的“水流方向”指的是涨潮或落潮时的水流方向，其他因水流碰到阻挡物改变后的方向并不是本实用新型所指的水流方向。由于实际应用中任何部件都会具有厚度，本实用新型申请中所指的中间部分的“横截面”在实际情况中是个“环形”，本实用新型申请中所指的“横截面的半径”指的是该环形的内径。
[0061]综上所述，本实用新型提供的潮流能发电装置通过设置导流罩，将水流都集中导向水平轴水轮发电机，使得水平轴水轮发电机的叶片受力更大、转速更快，从而提高发电效率。通过设置转轴，创新地通过改变整个水平轴发电机的朝向而非单独改变叶片迎水角的方式对发电机的负荷进行调节，使得无论水流速度多大发电机一直可以保证能够在安全负荷内正常发电，极大地提高了发电效率。另外，通过设置可转动的转轴，使得无论涨潮还是落潮，水平轴水轮发电机的叶片可以始终朝向水流，从而确保最大的发电功率。通过设置特定尺寸的导流罩，以确保所有经过发电装置的水流都被聚拢到冲向叶片，因此完全利用上游水位和下游水位之间的“压差”，大大提高发电效率。本实用新型的导流罩限制水流不会从导流罩和叶片转动区域之间的间隙直接流出以确保高的收效能。
[0062]另外，本实用新型通过设置可分离的内框架和外框架，使得发电装置可以在水面上进行模块化组装和替换，大幅度降低维修和安装费用，克服了传统潮流能发电装置无法商业化、大规模化的难题。
[0063]并且，在垂直于水平面的方向上排布至少三个水平轴水轮发电机，在平行于水平面的方向上也排布至少两个水平轴水轮发电机，使得水轮发电机实现矩阵化排布，充分利用整个海域横向和纵向的潮流能，大大提高发电效率。
[0064]进一步，本实用新型实施例中提供的导流罩，两端的横截面的面积大于中间部分的横截面的面积，起到更好的导流和聚流的作用，增大了冲向叶片的压力，大幅度提高发电效率。
[0065]特别地，通过将导流罩设置为非对称结构，从而确保无论是涨潮还是落潮，所有水流都能正确地被导流罩引导向水轮发电机，从而最大限度地利用水流进行发电，提高发电效率。
[0066]虽然本实用新型已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟知此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。
【主权项】
1.一种潮流能发电装置，其特征在于，包括: 框架； 至少一根转轴，可转动地设置于所述框架，所述转轴具有轴线，轴线的方向垂直于水平面； 至少一个驱动单元，位于水面上，连接所述转轴以驱动所述转轴转动； 至少一个水平轴水轮发电机，固定于所述转轴，所述水平轴水轮发电机包括叶片和发电机，所述水平轴水轮发电机具有中心轴线，中心轴线的方向平行于水平面； 至少一个导流罩，固定于所述框架，所述导流罩包括两个导水部分和中间部分，所述中间部分位于两个导水部分之间； 其中，转轴的轴线和水平轴水轮发电机的中心轴线形成的交点为中心点，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离为第一距离，叶片离中心点最远的一个端点为最远端点，所述最远端点到中心点之间的距离为第二距离，所述第一距离大于所述第二距离； 所述中间部分分别面向两个导水部分的两端的横截面为圆形，所述横截面所在的平面垂直于水平面且垂直于水流方向，所述横截面的半径略大于所述最远端点到所述中心轴线之间的最短距离。2.根据权利要求1所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离相等。3.根据权利要求2所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离略大于所述第二距离。4.根据权利要求1所述的潮流能发电装置，其特征在于，每个导水部分远离中间部分的一端的横截面为矩形，每个导水部分面向中间部分的一端的横截面为圆形，圆形横截面和矩形横截面均垂直于水平面且垂直于水流方向，所述圆形横截面的面积小于矩形横截面的面积。5.根据权利要求1所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述框架包括外框架和至少一个内框架，所述内框架可分离地设置于所述外框架内。6.根据权利要求5所述的潮流能发电装置，其特征在于，至少两个水平轴水轮发电机固定于一根安装轴上且于同一个内框架内沿垂直于水平面的方向排列。7.—种导流罩，应用于潮流能发电装置中，所述潮流能发电装置包括至少一个水平轴水轮发电机和至少一根转轴，所述水平轴水轮发电机固定于所述转轴，所述转轴具有轴线，轴线的方向垂直于水平面，所述水平轴水轮发电机包括叶片和发电机，所述水平轴水轮发电机具有中心轴线，中心轴线的方向平行于水平面，其特征在于，导流罩包括: 两个导水部分； 中间部分，位于两个导水部分之间； 其中，转轴的轴线和水平轴水轮发电机的中心轴线形成的交点为中心点，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离为第一距离，叶片离中心点最远的一个端点为最远端点，所述最远端点到中心点之间的距离为第二距离，所述第一距离大于所述第二距离； 所述中间部分分别面向两个导水部分的两端的横截面为圆形，所述横截面所在的平面垂直于水平面且垂直于水流方向，所述横截面的半径略大于所述最远端点到所述中心轴线之间的距离。8.根据权利要求7所述的导流罩，其特征在于，所述中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离相等。9.根据权利要求7所述的导流罩，其特征在于，每个导水部分远离中间部分的一端的横截面为矩形，每个导水部分面向中间部分的一端的横截面为圆形，圆形横截面和矩形横截面均垂直于水平面且垂直于水流方向，所述圆形横截面的面积小于矩形横截面的面积。10.根据权利要求7所述的导流罩，其特征在于，导流罩为非对称结构。
【文档编号】F03B13/26GK205714570SQ201620350312
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】林东, 徐虔诚
【申请人】杭州林东新能源科技股份有限公司
【专利摘要】本实用新型提供一种潮流能发电装置及其导流罩。潮流能发电装置包括框架、至少一根转轴、至少一个驱动单元、至少一个水平轴水轮发电机和至少一个导流罩。转轴可转动地设置于框架。驱动单元位于水面上，连接转轴以驱动转轴转动。水平轴水轮发电机固定于转轴。导流罩固定于框架且包括两个导水部分和中间部分，中间部分位于两个导水部分之间。转轴的轴线和水平轴水轮发电机的中心轴线形成的交点为中心点，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离为第一距离，叶片离中心点最远的一个端点为最远端点到中心点之间的距离为第二距离，第一距离大于第二距离。中间部分分别面向两个导水部分的两端的横截面的半径略大于最远端点到中心轴线之间的距离。
【专利说明】
潮流能发电装置及其导流罩
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种发电装置，尤其涉及一种潮流能发电装置及其导流罩。
【背景技术】
[0002]海洋能(包含潮汐能、潮流能、波浪能、海流能)是指海水流动的能量，作为可再生能源，储量丰富，分布广泛，具有极好的开发前景和价值。海洋能的利用方式主要是发电，其工作原理与风力发电类似，即通过能量转换装置，将海水的机械能转换成电能。具体而言，首先海水冲击水轮机，水轮机将水流的能量转换为旋转的机械能，然后水轮机经过机械传动系统带动发电机发电，最终转换成电能。
[0003]现今能源日益短缺，温室效应日益严重，能源需要低碳化，所以风能，海洋能等清洁能源是未来能源的发展方向。但现在这些清洁能源的发电设备，除了风能利用比较成熟夕卜，海洋能的利用还都是在起步阶段，没有通用和成熟的设备。现有的少数设备也存在效率低下，设备不能大规模化的问题。
[0004]由于海洋环境复杂，水中阻力大，传统的海洋能发电装置的安装都必须在海里进行，困难度高，费用庞大。另外，由于发电装置长期接触海水，在海水的长期侵蚀和巨大冲击力下，海洋能发电装置使用一段时间后就要定期进行维修或更换。然而传统的海洋能发电装置的维修和更换也均在海里进行，困难度高，成本巨大。甚至，因为部分组件的损坏，导致整个海洋能发电装置的报废，这是海洋能发电装置高成本的重要原因之一，也是造成现有的海洋能发电装置无法大规模化、商业化运营的直接原因。
[0005]尤其是水平轴水轮发电机，由于其所有设备(包括叶片和发电机)均在水下，因此水平轴水轮发电机的维修更加困难，成本更高。因此，即便水平轴水轮发电机的发电效率高于垂直轴水轮发电机，但水平轴水轮发电机仍然无法商业化。然而，目前海洋能发电领域的技术人员都忽略了对安装和维修方式的改进。
[0006]另外，由于潮流能是利用海洋的潮流进行发电。伴随着涨潮和落潮，潮流的方向会发生改变。传统的大部分水平轴水轮发电机都不可以旋转，导致潮流能发电机只能利用涨潮或者落潮进行发电，发电效率极低。现有技术人员为了充分利用涨潮和落潮产生的能量，选择安装两套发电系统。一套发电系统的叶轮朝向涨潮方向，另一套发电系统的叶轮朝向落潮方向。虽然看似涨潮和落潮产生的能量都充分得以利用，但是在涨潮或落潮时，始终会有一套发电系统闲置。增加一套发电系统使得生产成本翻倍，而产生的电能功率的提高远不及成本的增加，这极大地限制了潮流能发电装置的推广和运用。
[0007]要注意的是，涨潮和落潮的潮流速度并不恒定。在安装发电装置时，一旦发电机选定，它的负载量就确定下来。然而，潮流的速度并不恒定，因此造成发电量并不恒定。现有的潮流能发电装置为了节省成本以及受到技术上的局限，无论是水平轴水轮发电机还是垂直轴水轮发电机只能承载在一定水流速度以下的发电负荷。一旦水流速度增加，发电量超过负荷，发电机会超负荷工作很容易损毁。因此，为了延长发电机的工作寿命，传统的潮流能发电装置一旦潮流超过一定速度就彻底切断水流，使得发电机停止工作，大幅度降低了发电效率。
[0008]现有一种潮流能发电装置借鉴风能发电机的设计，通过变桨的方式调节发电装置的负荷。当水流速度较大时，通过调节装置使桨叶迎角减小；当水流速度较小时，通过调节装置使桨叶迎角增大。然而，这种设计存在很大的弊端。不同于风能发电机的使用环境，水平轴水轮发电机是在水中使用，受到的阻力远远大于风能发电机受到的阻力。并且，由于调节的是水平轴水轮发电机的叶片角度，旋转机构是整个都位于水里，要实现叶片角度的旋转就需要精准地设计叶片各部件之间的安装紧密程度。若连接很紧密，摩擦力太大，则很难调整叶片的迎水面角度，导致调节装置无法发挥调节的功效。这种情况下的发电装置在水流太小时无法提高效率，在水流太大时也无法真正保护发电机。若连接太松，摩擦力太小，虽然可以轻松地调节，但是会存在丧失密封性这一严重问题。这样水流将会灌入水轮发电机内部造成整个水轮发电机损坏，维修率大大提高，成本巨增。并且水轮发电机有几个叶片就要对应安装几个旋转机构和控制机构，其成本和技术难度急剧增加。
【实用新型内容】
[0009]本实用新型为了克服现有技术中的至少一个不足，提供一种潮流能发电装置及其导流罩。
[0010]为了实现上述目的，本实用新型提供一种潮流能发电装置，包括框架、至少一根转轴、至少一个驱动单元、至少一个水平轴水轮发电机和至少一个导流罩。转轴可转动地设置于框架，转轴具有轴线，轴线的方向垂直于水平面。驱动单元位于水面上，连接转轴以驱动转轴转动。至少一个水平轴水轮发电机固定于转轴，水平轴水轮发电机包括叶片和发电机，水平轴水轮发电机具有中心轴线，中心轴线的方向平行于水平面。至少一个导流罩固定于框架，导流罩包括两个导水部分和中间部分，中间部分位于两个导水部分之间。其中，转轴的轴线和水平轴水轮发电机的中心轴线形成的交点为中心点，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离为第一距离，叶片离中心点最远的一个端点为最远端点，最远端点到中心点之间的距离为第二距离，第一距离大于第二距离。中间部分分别面向两个导水部分的两端的横截面为圆形，横截面所在的平面垂直于水平面且垂直于水流方向，横截面的半径略大于最远端点到中心轴线之间的最短距离。
[0011]于本实用新型的一实施例中，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离相等。
[0012]于本实用新型的一实施例中，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离略大于第二距离。
[0013]于本实用新型的一实施例中，每个导水部分远离中间部分的一端的横截面为矩形，每个导水部分面向中间部分的一端的横截面为圆形，圆形横截面和矩形横截面均垂直于水平面且垂直于水流方向，圆形横截面的面积小于矩形横截面的面积。
[0014]于本实用新型的一实施例中，框架包括外框架和至少一个内框架，内框架可分离地设置于外框架内。
[0015]于本实用新型的一实施例中，至少两个水平轴水轮发电机固定于一根安装轴上且于同一个内框架内沿垂直于水平面的方向排列。
[0016]根据本实用新型的另一方面，本实用新型还提供一种导流罩，应用于潮流能发电装置中，潮流能发电装置包括至少一个水平轴水轮发电机和至少一根转轴，水平轴水轮发电机固定于转轴，转轴具有轴线，轴线的方向垂直于水平面，水平轴水轮发电机包括叶片和发电机，水平轴水轮发电机具有中心轴线，中心轴线的方向平行于水平面，其特征在于，导流罩包括两个导水部分和中间部分，中间部分位于两个导水部分之间。转轴的轴线和水平轴水轮发电机的中心轴线形成的交点为中心点，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离为第一距离，叶片离中心点最远的一个端点为最远端点，最远端点到中心点之间的距离为第二距离，第一距离大于第二距离；中间部分分别面向两个导水部分的两端的横截面为圆形，横截面所在的平面垂直于水平面且垂直于水流方向，横截面的半径略大于最远端点到中心轴线之间的距离。
[0017]于本实用新型的一实施例中，导流罩为非对称结构。
[0018]综上所述，本实用新型提供的潮流能发电装置通过设置导流罩，将水流都集中导向水平轴水轮发电机，使得水平轴水轮发电机的叶片受力更大、转速更快，从而提高发电效率。通过设置转轴，创新地通过改变整个水平轴发电机的朝向而非单独改变叶片迎水角的方式对发电机的负荷进行调节，使得无论水流速度多大发电机一直可以保证能够在安全负荷内正常发电，极大地提高了发电效率。另外，通过设置可转动的转轴，使得无论涨潮还是落潮，水平轴水轮发电机的叶片可以始终朝向水流，从而确保最大的发电功率。通过设置特定尺寸的导流罩，以确保所有经过发电装置的水流都被聚拢到冲向叶片，因此完全利用上游水位和下游水位之间的“压差”，大大提高发电效率。本实用新型的导流罩限制水流不会从导流罩和叶片转动区域之间的间隙直接流出以确保较高的收效能。
[0019]另外，本实用新型通过设置可分离的内框架和外框架，使得发电装置可以在水面上进行模块化组装和替换，大幅度降低维修和安装费用，克服了传统潮流能发电装置无法商业化、大规模化的难题。
[0020]并且，在垂直于水平面的方向上排布至少三个水平轴水轮发电机，在平行于水平面的方向上也排布至少两个水平轴水轮发电机，使得水轮发电机实现矩阵化排布，充分利用整个海域横向和纵向的潮流能，大大提高发电效率。
[0021]进一步，本实用新型实施例中提供的导流罩，两端的横截面的面积大于中间部分的横截面的面积，起到更好的导流和聚流的作用，增大了冲向叶片的压力，大幅度提高发电效率。
[0022]特别地，通过将导流罩设置为非对称结构，从而确保无论是涨潮还是落潮，所有水流都能正确地被导流罩引导向水轮发电机，从而最大限度地利用水流进行发电，提高发电效率。
[0023]为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
【附图说明】
[0024]图1所示为根据本实用新型第一实施例提供的潮流能发电装置的组装示意图。
[0025]图2所示为根据本实用新型第一实施例提供的潮流能发电装置的俯视图。
[0026]图3所示为根据本实用新型第一实施例提供的导流罩和水平轴水轮发电机的立体图。
[0027]图4所示为根据本实用新型第一实施例提供的导流罩和水平轴水轮发电机的侧视透视图。
[0028]图5所示为根据本实用新型第一实施例提供的导流罩和水平轴水轮发电机的俯视剖视图。
[0029]图6为图5去除导流罩后的示意图。
[0030]图7所示为根据本实用新型第一实施例提供的导流罩的正视图。
[0031]图8所示为根据本实用新型第二实施例提供的导流罩的示意图。
【具体实施方式】
[0032]图1所示为根据本实用新型第一实施例提供的潮流能发电装置的组装示意图。图2所示为根据本实用新型第一实施例提供的潮流能发电装置的俯视图。请一并参考图1和图
2。本实用新型第一实施例中提供的潮流能发电装置包括框架、至少一个水平轴水轮发电机
3、至少一根转轴4、至少一个导流罩5和驱动单元6。导流罩5对应于水平轴水轮发电机3设置。
[0033]于本实施例中，框架10包括外框架I和至少一个内框架2，至少一个内框架2可分离地设置于外框架I内。外框架I可由钢材料焊接而成。于本实施例中，外框架I可具有多个固定粧11。通过在外套管内浇灌混凝土形成固定粧11。外框架I通过打粧的方式固定于海底F。于本实施例中，外框架I还具有多个减小水流阻力结构12。多个减小水流阻力结构12位于外框架I的迎水侧。通过设置减小水流阻力结构12于外框架I的迎水侧，大大减小了外框架I的外套管(之后在此处就形成固定粧11)承受水力冲击的受力面积，同时大幅度提高了后续形成的固定粧11的稳定度。如图2所示，减小水流阻力结构12位于外框架I的最上边和最下边。于本实施例中，减小水流阻力结构12的截面为三角形。然而，本实用新型对减小水流阻力结构12的具体形状和结构不作任何限定。于其他实施例中，该减小水流阻力结构可制造为流线型。
[0034]于本实施例中，内框架2上可设有卡勾(图未示)，外框架I上可设有卡槽(图未示)，内框架2通过卡勾和卡槽的相互卡合嵌入到外框架I内。然而，本实用新型对内框架2与外框架I之间的固定方式不作任何限定。本实用新型对内框架2的具体数量也不作任何限定。优选地，内框架2的数量大于或等于三个。于实际应用中，内框架2的数量可以多达12个或14个。如图1所示，多个内框架2沿平行于水平面P的方向排布，从而实现了潮流能发电装置规模的横向扩展，大大提高潮流能的利用率，突破了现有潮流能发电装置无法实现规模化的弊端。
[0035]至少一根转轴4可转动地设置于框架10的内框架2。本实用新型对转轴4的数量不做任何限定。转轴4具有轴线XI，轴线Xl的方向垂直于水平面P。于本实施例中，至少两个水平轴水轮发电机3固定于一根转轴4上且于同一个内框架2内沿垂直于水平面P的方向Dl排列。从图1所示方向看去，至少两个水平轴水轮发电机3为纵向排列，从而实现了潮流能发电装置规模沿海洋深度的纵向扩展，大大提高发电功率，进一步克服了现有传统潮流能发电装置无法实现规模化的问题。
[0036]海底通常高低不平。由于岩石等的存在，即便在相距不到十米的地方，海底表面的高低差距也会非常大。本实用新型潮流能发电装置能够充分利用海洋垂直方向的能量，可以根据海底和水面之间的距离灵活调整方向Dl上水平轴水轮发电机3的数量。举例而言，在海底比较高的地方，可以只有两个水平轴水轮发电机3固定于一根转轴4上，在海底比较低的地方，可以将四个水平轴水轮发电机3固定于一根转轴4上。换言之，每根转轴上水轮发电机3的数量并不需要相等。
[0037]于本实用新型中，一个内框架2、至少一个水平轴水轮发电机3、至少一根转轴4和一个驱动单元6共同形成一个内置模块100。于实际应用中，可先将至少一个水平轴水轮发电机3、至少一根转轴4和至少一个驱动单元6固定在一个内框架2内，然后将至少一个这样组装好的内框架2固定在外框架I内，从而实现潮流能发电装置的模块化安装。具体而言，内置模块100的组装可在岸上或海上平台进行，然后将内置模块100由上往下吊入置于海中的外框架I内和外框架I进行固定，如此实现海面上的安装作业，大大简化安装程序，减少安装时间，降低海洋中安装难度。
[0038]水平轴水轮发电机3包括叶片31和发电机32，水平轴水轮发电机3具有中心轴线X2，中心轴线X2的方向平行于水平面P。本实用新型对水平轴水轮发电机3的叶片31的数量不做任何限定，每个水平轴水轮发电机3可具有2个、3个或4个等叶片。由于水平轴水轮发电机3的叶片31和发电机32全部在水下，因此，若水平轴水轮发电机3发生故障，传统的潮流能发电装置将需要在海里进行维修。这样维修非常困难且费用庞大。然而，本实施例的潮流能发电装置可直接将内置模块100从海中取出进行维修或更换，实现潮流能发电装置的海面上快速更换和维修，大大降低了维修成本，使得潮流能发电装置的商业化得以实现。
[0039]于本实施例中，内框架2的数量等于转轴4的数量，且水平轴水轮发电机3的数量大于转轴4的数量。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，一个内置模块100可具有多根转轴4和每根转轴4上可具有两个以上的水平轴水轮发电机3。
[0040]每两个安装于同一根转轴4上的水平轴水轮发电机3同步进行转动。驱动单元6连接转轴4以驱动转轴4转动。由于涨潮和落潮的水流方向相反，无论水流朝哪个方向流入，通过转轴4的转动控制水平轴水轮发电机3的叶片31始终朝向水流，从而提高潮流能的利用率，提高发电效率。
[0041]于本实用新型中，驱动单元6是位于水面上。现有技术中少数水平轴水轮发电机可以实现转动，但是驱动单元均是位于水面以下，有的甚至和发电机部分集成为一体。由于现有技术中的控制系统、驱动系统、传动系统、变流系统和发电系统都集成在叶片后形成一个整体，导致现有的水平轴水轮发电机的非叶片部分的体积非常大，大大降低了电子元器件的效能。并且传动系统包括电机非常容易损坏，经常需要维修，这些元件设置在水面下将大幅度增加维修难度和成本。但是本实用新型中的驱动单元6是位于水面以上而非水面下，彻底解决了上述问题，并且可以大幅度减小水平轴水轮发电机非叶片部分的体积，从而提高电子元器件的效能，最终达到提高发电效率的目的。
[0042]于本实施例中，驱动单元6的数量对应于转轴4的数量。然而，本实用新型对此不做任何限定。于其它实施例中，可以通过齿轮等传动机构，实现一个驱动单元6对两个转轴4的控制。每个驱动单元6可包括电动机和传动机构，传动机构连接转轴4的一端，电动机通过传动机构驱动转轴4转动。然而，本实用新型对此不作任何限定。于其它实施例中，驱动单元6可包括电动机和减速机。由于现有的电动机转速都较快，通过减速机后转速大大降低，因此能有效且精准地控制转轴4的转速和转动幅度。
[0043]于实际应用中，当水流沿图2中所示的水流方向D流向潮流能发电装置时，驱动单元6不运作。此时，水平轴水轮发电机3的叶片31面向水流。当水流沿水流方向D相反的方向(从图2中看去为由上往下)流向潮流能发电装置时，驱动单元6驱动转轴4转动，从而带动水平轴水轮发电机3旋转180度，使得叶片31从朝下改为朝上，以保证水平轴水轮发电机3的叶片31始终朝向水流。此种情况尤其适用于利用潮汐能发电，确保了最大的发电功率。
[0044]特别地，实际应用中涨潮和落潮的水流方向并不完全平行，也并不一定会垂直于水平轴水轮发电机3的迎水面。无论水流从哪个方向涌入水平轴水轮发电机3，本实用新型的发电装置可以通过转轴4控制水平轴水轮发电机3改变朝向以使水平轴水轮发电机3始终正对水流，从而最大程度地利用潮流能，提高发电功率。
[0045]并且，当实际水流速度高于水平轴水轮发电机3能承受的最大负荷对应的额定速度时，此时只需通过转轴4转动控制水平轴水轮发电机3使其旋转偏离水流方向一个角度，则可以有效降低水平轴水轮发电机3的负载，在确保水平轴水轮发电机3不会因超负荷损毁的同时，确保水平轴水轮发电机3仍然正常工作，持续稳定地输出发电。克服了传统海洋能发电装置中当水流速度过大，发电机为了避免烧毁就停止工作的弊端，同时无需进行变桨调节，使得发电机的负荷调节更加简单有效。当实际水流速度小于发电机3能承受的最大负荷对应的额定速度时，此时只需通过转轴4转动控制水平轴水轮发电机3使其旋转正对水流方向(即叶片的迎水面垂直于水流方向)，则可以最大程度地利用水流进行发电，提高发电功率。
[0046]如图3至图7所示，导流罩5具有两个导水部分51和一个中间部分52。中间部分52位于两个导水部分51之间。转轴4的轴线Xl和水平轴水轮发电机3的中心轴线X2形成的交点为中心点C。中间部分5 2的内表面5 21上的任一点(如图5所示的点5 2a)到中心点C之间的距离为第一距离SI，每个叶片31离中心点C最远的一个端点为最远端点E，最远端点E到中心点C之间的距离为第二距离S2，第一距离SI大于第二距离S2。
[0047]于本实施例中，中间部分52的内表面521上的任一点到中心点C之间的距离相等，即第一距离SI可为定值。具体而言，转轴4在转动水平轴水轮发电机3时叶片31的最远端点E的运动轨迹为图中所示的圆形，所述圆形是以中心点C为圆心，最远端点E到中心点C之间的距离为半径。中间部分52的横剖面(该横剖面所在的平面平行于水平面P，即从图5所示的方向看过去的剖面)为圆弧形，图5所示的两段圆弧线是以中心点C为圆心，中间部分52的内表面521上的任一点到中心点C之间的第一距离SI为半径所做的圆的两段圆周线。在这种情况下，中间部分52是一个完整球面去除顶部和底部后的一部分，球心为中心点C。
[0048]然而，本实用新型对此不作限定。于其它实施例中，第一距离SI可为变量，即中间部分52的内表面521上的任一点到中心点C之间的第一距离SI可因各个点的位置而有所不同。具体而言，于其它实施例中，中间部分52沿该剖视方向看过去仍然可以是一段弧形，但该弧形可不是圆弧形，且曲率半径可远小于本实施例中弧形的曲率半径。或者于其它实施例中，中间部分52沿该剖视方向看过去可以是波浪形或者折线型，只要满足第一距离SI大于第二距离S2即可，以保证水平轴水轮发电机3在改变方向时能够在导流罩5内顺畅转动。
[0049]优选地，第一距离SI略大于第二距离S2，即中间部分52的内表面521和叶片31的最远端点E之间的运动轨迹仅仅存在非常小的间隙，这个间隙确保水平轴水轮发电机3在改变朝向时叶片31的最远端点E不会摩擦中间部分52的内表面，同时也确保导流罩5尽可能地把所有水流全部聚拢在叶片31转动的区域内，以尽可能不让水流没有经过叶片31的推动而从该间隙直接穿过导流罩5。
[0050]于本实用新型中，中间部分52分别面向两个导水部分51的两端的横截面S为圆形，所述横截面S所在的平面垂直于水平面P且垂直于水流方向D，横截面S的半径R略大于最远端点E到所述中心轴线X2之间的最短距离S3(即从最远端点E作垂直于中心轴线X2的垂线，该垂线的长度即为最短距离S3)。本实用新型中所指的“略大于”是指首先横截面S的半径R大于最短距离S3以使得中间部分52不会阻碍叶片31的转动，其次横截面S的面积仅仅是比叶片31的最远端点E转动时所形成的圆的面积稍微大，以使得所有冲向叶片31的水流几乎都全部在叶片31转动的区域内而基本不会从中间部分52和叶片31转动的区域之间的间隙流到中间部分52的内部。
[0051]传统少数的水平轴水轮发电机3可以进行转动，但是为了方便水平轴水轮发电机3的转动，现有技术并没有考虑导流罩5的最优尺寸，而是仅仅考虑把横截面S的半径R做到大于叶片31的最远端点E到中心点C之间的第二距离S2。然而，现有的导流罩为圆筒状(即从俯视方向看过去，导流罩中间部分的左右两边为直线型)，由于第二距离S2肯定大于最短距离S3，这样势必会导致横截面S的半径R会远远大于最短距离S3，最终导致相当一部分水流从导流罩5和叶片31转动区域之间的间隙逸出，即水流没有冲向叶片31而是直接穿过导流罩5流到下游。这样的弊端是发电效率会大幅度下降，收效能至少会降低10%。
[0052]由于在实际使用中，潮流能发电装置上游的水位和潮流能发电装置下游的水位具有高度差，从而形成巨大的压差。如果没有导流罩5，则无法有效利用该压差进行发电；如果大部分水流从导流罩5中直接穿过，则发电效率将得不到有效提高。
[0053]于本实施例中，每个导水部分51远离中间部分52的一端的横截面511为矩形，每个导水部分51面向中间部分52的一端的横截面为圆形，圆形横截面和矩形横截面511均垂直于水平面P且垂直于水流方向D，圆形横截面的面积小于矩形横截面的面积。具体而言，每个导水部分51为一端为矩形然后过渡到另一端为圆形的立体结构。导水部分51的圆形横截面的面积可近乎等于中间部分的圆形横截面S的面积。
[0054]通过将导水部分51的一端设置为矩形，可以实现和外框架I或内框架2连接端面的无缝连接。现有的潮流能发电装置中使用的导流罩，其迎水侧的横截面为圆形。由于现有框架均为矩形，在安装过程中就会在圆形和矩形之间产生空隙。若该空隙没有东西阻挡，当潮流冲击向水平轴水轮发电机时，相当一部分水流会从该空隙涌向水平轴水轮发电机，甚至冲击叶片的背面，大大降低了发电功率。若将该空隙用平板进行阻隔，则水流会直接冲向该平板，形成巨大的应力，容易损坏整个框架的结构。特别是经过该平板阻挡后，水流方向会发生改变甚至水流乱窜，严重降低了潮流能利用率，进而降低了发电功率。
[0055]通过从矩形过渡到面积更小的圆形，缩小了水流通道，将水流都集中导向水平轴水轮发电机3，使得水平轴水轮发电机3的叶片31受力更大、转速更快，从而提高发电效率。特别地，本实施例中的导流罩5两端均为矩形而非一端为矩形，这样无论涨潮还是落潮，该导流罩5都可以实现导流作用。
[0056]然而，本实用新型对此不作任何限定，导水部分的两端为圆形的结构也可以适用于本实用新型。于本实施例中，中间部分52和两个导水部分51分别连接在一起，通过这种设置，导流罩5形成一个整体，这样水流从导流罩5的内部通过而不会逸到导流罩5之外。然而本实用新型对此不作任何限定，若导水部分51和中间部分52之间具有间隙也在本实用新型的保护范围内。
[0057]图8所示为根据本实用新型第二实施例提供的导流罩的示意图。于本实施例中，夕卜框架、内框架、水平轴水轮发电机、转轴和驱动单元的结构和功能，皆如第一实施例所述，在此不再赘述。以下仅就不同之处予以说明。
[0058]如图8所示，每个导流罩为非对称结构。具体而言，每个导流罩同样具有两个导水部分51’和一个中间部分52’。每个导水部分51’为一端为矩形然后过渡到另一端为圆形的立体结构。然而，中间部分52’为非对称结构。具体而言，其中一个导水部分51’具有第一中心轴线Al，另一个导水部分51’具有第二中心轴线A2，第二中心轴线A2和第一中心轴线Al形成不为零的夹角。
[0059]于实际使用中，潮流的涨潮方向和落潮方向并不是理想的180°完全相反的两个方向。本领域技术人员容易忽略实际水域中涨潮和落潮水流方向的偏差，因而现有使用的导流罩都为对称结构。不同水域中涨潮时水流方向和落潮时水流方向之间会具有一个偏差角度，从3°到20°不等。若潮流能发电装置采用对称的导流罩结构，涨潮和落潮两个方向的水流中势必会有一个得不到导流罩完全正确地引导，因此水平轴水轮发电机也将无法完全充分地利用两个方向的水流进行发电。然而，通过将第二中心轴线A2和第一中心轴线Al之间形成的夹角设置成涨潮方向和落潮方向之间的偏差角度相一致，从而确保无论是涨潮还是落潮，所有水流都能正确地被导流罩引导向水轮发电机，从而最大限度地利用水流进行发电，提尚发电效率。
[0060]本实用新型申请中的“水流方向”指的是涨潮或落潮时的水流方向，其他因水流碰到阻挡物改变后的方向并不是本实用新型所指的水流方向。由于实际应用中任何部件都会具有厚度，本实用新型申请中所指的中间部分的“横截面”在实际情况中是个“环形”，本实用新型申请中所指的“横截面的半径”指的是该环形的内径。
[0061]综上所述，本实用新型提供的潮流能发电装置通过设置导流罩，将水流都集中导向水平轴水轮发电机，使得水平轴水轮发电机的叶片受力更大、转速更快，从而提高发电效率。通过设置转轴，创新地通过改变整个水平轴发电机的朝向而非单独改变叶片迎水角的方式对发电机的负荷进行调节，使得无论水流速度多大发电机一直可以保证能够在安全负荷内正常发电，极大地提高了发电效率。另外，通过设置可转动的转轴，使得无论涨潮还是落潮，水平轴水轮发电机的叶片可以始终朝向水流，从而确保最大的发电功率。通过设置特定尺寸的导流罩，以确保所有经过发电装置的水流都被聚拢到冲向叶片，因此完全利用上游水位和下游水位之间的“压差”，大大提高发电效率。本实用新型的导流罩限制水流不会从导流罩和叶片转动区域之间的间隙直接流出以确保高的收效能。
[0062]另外，本实用新型通过设置可分离的内框架和外框架，使得发电装置可以在水面上进行模块化组装和替换，大幅度降低维修和安装费用，克服了传统潮流能发电装置无法商业化、大规模化的难题。
[0063]并且，在垂直于水平面的方向上排布至少三个水平轴水轮发电机，在平行于水平面的方向上也排布至少两个水平轴水轮发电机，使得水轮发电机实现矩阵化排布，充分利用整个海域横向和纵向的潮流能，大大提高发电效率。
[0064]进一步，本实用新型实施例中提供的导流罩，两端的横截面的面积大于中间部分的横截面的面积，起到更好的导流和聚流的作用，增大了冲向叶片的压力，大幅度提高发电效率。
[0065]特别地，通过将导流罩设置为非对称结构，从而确保无论是涨潮还是落潮，所有水流都能正确地被导流罩引导向水轮发电机，从而最大限度地利用水流进行发电，提高发电效率。
[0066]虽然本实用新型已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟知此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。
【主权项】
1.一种潮流能发电装置，其特征在于，包括: 框架； 至少一根转轴，可转动地设置于所述框架，所述转轴具有轴线，轴线的方向垂直于水平面； 至少一个驱动单元，位于水面上，连接所述转轴以驱动所述转轴转动； 至少一个水平轴水轮发电机，固定于所述转轴，所述水平轴水轮发电机包括叶片和发电机，所述水平轴水轮发电机具有中心轴线，中心轴线的方向平行于水平面； 至少一个导流罩，固定于所述框架，所述导流罩包括两个导水部分和中间部分，所述中间部分位于两个导水部分之间； 其中，转轴的轴线和水平轴水轮发电机的中心轴线形成的交点为中心点，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离为第一距离，叶片离中心点最远的一个端点为最远端点，所述最远端点到中心点之间的距离为第二距离，所述第一距离大于所述第二距离； 所述中间部分分别面向两个导水部分的两端的横截面为圆形，所述横截面所在的平面垂直于水平面且垂直于水流方向，所述横截面的半径略大于所述最远端点到所述中心轴线之间的最短距离。2.根据权利要求1所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离相等。3.根据权利要求2所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离略大于所述第二距离。4.根据权利要求1所述的潮流能发电装置，其特征在于，每个导水部分远离中间部分的一端的横截面为矩形，每个导水部分面向中间部分的一端的横截面为圆形，圆形横截面和矩形横截面均垂直于水平面且垂直于水流方向，所述圆形横截面的面积小于矩形横截面的面积。5.根据权利要求1所述的潮流能发电装置，其特征在于，所述框架包括外框架和至少一个内框架，所述内框架可分离地设置于所述外框架内。6.根据权利要求5所述的潮流能发电装置，其特征在于，至少两个水平轴水轮发电机固定于一根安装轴上且于同一个内框架内沿垂直于水平面的方向排列。7.—种导流罩，应用于潮流能发电装置中，所述潮流能发电装置包括至少一个水平轴水轮发电机和至少一根转轴，所述水平轴水轮发电机固定于所述转轴，所述转轴具有轴线，轴线的方向垂直于水平面，所述水平轴水轮发电机包括叶片和发电机，所述水平轴水轮发电机具有中心轴线，中心轴线的方向平行于水平面，其特征在于，导流罩包括: 两个导水部分； 中间部分，位于两个导水部分之间； 其中，转轴的轴线和水平轴水轮发电机的中心轴线形成的交点为中心点，中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离为第一距离，叶片离中心点最远的一个端点为最远端点，所述最远端点到中心点之间的距离为第二距离，所述第一距离大于所述第二距离； 所述中间部分分别面向两个导水部分的两端的横截面为圆形，所述横截面所在的平面垂直于水平面且垂直于水流方向，所述横截面的半径略大于所述最远端点到所述中心轴线之间的距离。8.根据权利要求7所述的导流罩，其特征在于，所述中间部分的内表面上的任一点到中心点之间的距离相等。9.根据权利要求7所述的导流罩，其特征在于，每个导水部分远离中间部分的一端的横截面为矩形，每个导水部分面向中间部分的一端的横截面为圆形，圆形横截面和矩形横截面均垂直于水平面且垂直于水流方向，所述圆形横截面的面积小于矩形横截面的面积。10.根据权利要求7所述的导流罩，其特征在于，导流罩为非对称结构。
【文档编号】F03B13/26GK205714570SQ201620350312
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】林东, 徐虔诚
【申请人】杭州林东新能源科技股份有限公司
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