专利名称：波能发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用波浪能的发电装置，特别涉及一种兼具高效率和高可靠性的波能 发电装置。
背景技术：
目前，波浪能发电装置在使用时主要存在以下几个问题安全可靠性和波能转换 率不能兼顾，建造成本较高，受地形或海况条件限制较强，不能很好地实现规模化、产业化 应用。申请号为200910050526.X的专利申请公开了一种漂浮围堰式波浪能发电装置， 其利用潮汐涨落时波浪的势能和动能，通过水轮发电机转化成电能。其缺陷在于波能发电 装置设有自动控制系统，使得装置过于复杂，可靠性差，难以实现实际应用，并且自动控制 系统本身也有能量消耗。未来波能发电装置的发展趋势为研制高效率、高可靠性、低建造成本的波能发电 装置。这就要求波能发电装置兼顾平稳、高效的波能转换率及结构的可靠性，在波浪能技术 还不成熟的现阶段，可靠性显得十分重要，必要时效率可以低一些，但仍需较高可靠性。同 时还应考虑适应不同海区波浪及海况条件，降低发电成本，实现规模化、产业化开发。
发明内容
本发明旨在提供一种高效率、高可靠性、低建造成本的波能发电装置，以适应不同 的地形和海况条件。本发明的技术方案是一种波能发电装置，包括波能收集转换系统1、水轮发电系 统2和锚固系统3。波能收集转换系统1包括蓄水池101、引浪板102、聚波板103和出水管104，蓄水 池101为由12块侧板105围成的中空等边十二棱柱结构，其横截面为等边十二棱形，其上 部为进水口 106，底部设有出水口 107和底部平台108，蓄水池外侧设置引浪板102，引浪板 102上端与蓄水池侧板105上端连接，下端倾斜延伸至蓄水池底部平面，相邻引浪板102的 连接处设置聚波板103，蓄水池出水口 107处设置向下延伸的出水管104。所述引浪板102坡度为2 3，适于波浪爬升与攀越，引浪板102为等腰梯形，数量 为12块。所述聚波板103为不规则四边形，优选不规则梯形，竖直安装于相邻引浪板105的 连接处，数量为12块，等距排列。聚波板103不但可以防止波浪爬升过程中往两侧滑落，以 尽可能多的捕获波浪能，而且有利于波浪爬升过程中增加波高。所述出水管104管径为蓄水池进水口 106径向距离的1/4。水轮发电系统2包括水轮机201、发电机202和传动机构203，水轮机201和发电 机202通过传动机构203上下设置，水轮机201位于发电机202的下方。发电机202通过 支撑杆204安装于蓄水池101的上部，高于蓄水池的进水口 106，发电机202通过传动机构203与水轮机201连接，水轮机201位于出水管104内。所述传动机构203包括传动轴208， 传动轴208外设置轴套209。所述发电机202外部设置密封套207。上下设置的方式可以 最大限度地减小在传动过程中的能量损耗，提高能量地转换效率。密封套207的设置可以 避免在使用过程中海水对发电机202的侵蚀，以延长发电机202的使用寿命。所述发电机支撑杆204数量为3或6根，支撑杆204 —端固定连接于发电机密封 套207上，另一端固定连接于蓄水池进水口 106边缘处。所述水轮机201为轴流浆叶式水轮机210，通过轴承205和支撑杆206固定于出水 管104的入口处，轴承205通过支撑杆206连接于蓄水池的底部平台108上，所述轴承205 的支撑杆206数量为3根，支撑杆206 —端固定连接于轴承205上，另一端固定连接于蓄水 池底部平台108上。所述轴流浆叶式水轮机210包括转轮212和叶片211，其叶片211垂直于轴流浆叶 式水轮机的轴心线安装于其转轮212上，叶片211为中央内凹结构，叶片迎水面213为内凹 的弧形面，背水面214为外凸的弧形面，弧形面的切线与轴心线的夹角为45°，叶片211数 量为6片，叶片211弦长为0. 45m，叶片211叶宽参数为，根部0.21m，端部0. 33m，叶片211 顶端为圆弧形。本技术方案提供的轴流浆叶式水轮机210可以在低水头差AH= 1.5m 2. 0m下运行，减小了波能发电装置对水头的要求。所述水轮机201为曲面叶片式水轮机220，其通过轴承226固定于出水管104内。 所述出水管104上端设有S型导流板225，所述导流板225的一端固定于出水管壁上，一端 延伸至曲面叶片式水轮机220的叶片223上端。选用曲面叶片式水轮机220时，所述传动 机构203包括两根传动轴208和两个转向轴承224，两根传动轴208各自分别一端连接发电 机202，另一端通过转向轴承224与曲面叶片式水轮机220的转轴222的一端相连接。所述曲面叶片式水轮机220包括转轴222和叶片223，转轴222外设有外壳221，叶 片223垂直于曲面叶片式水轮机220的轴心线安装于外壳221上，叶片223为曲面结构，曲 面弯度为45°，叶片223数量为8片，等间距固定在外壳221上，叶片223弦长为0. 13m,叶 宽为0.3m。本技术方案提供的曲面叶片式水轮机220可以在低水头差AH= 1.5m 2.0m 下运行，减小了波能发电装置对水头的要求。锚固系统3包括锚链301、荷重悬块302和重力锚303，重力锚303锚定在海床上， 锚链301 —端固定于重力锚303上，另一端连接于蓄水池101外侧底部的角端，锚链301以 蓄水池101为中心，呈中心对称分布，荷重悬块302通过短链304悬挂于锚链301上。因本 发明工作水域水深较小，平均水深为10m，故采用锚链而不用钢索，它在强度、延伸率、断裂 位能、耐磨损及耐腐蚀等各种性能上都优于钢索。由于发电装置有可能受到来自各个方向 的作用力，因此本锚固系统设计方案选用分布式。所述锚固系统3的锚链301数量为6，型号优选M3，链径为60mm，锚链301单位长 度在空气中的质量为75-80kg/m，单根锚链301的长度为27. 5m，单根锚链301的水平跨度 为22m ；荷重悬块302的数量为6，单块荷重悬块302在空气中的质量为1000_1100kg，荷重 悬块302距锚链301下部末端的距离为17. 5m ；短链304数量为1_3根；重力锚303为钢筋 混凝土制成的沉块。因发电装置预定工作海域的海底底质为基岩，采用一般型式的锚很难 使锚爪伸入底质而获得足够大的抓力；而采用桩柱又需进行水下施工，使建造成本大增。为 此，确定使用重力锚303，即使用钢筋混凝土制成的沉块来代替锚。只要重力锚303在海中有足够的负浮力，靠其自身重力即可保证锚固的可靠性，保证装置正常工作时不滑动走锚， 极端恶劣环境下可适当发生位移，只需保证装置不发生漂流丢失。本发明的有益效果在于(1)本发明属于漂浮式波能发电装置，波能利用率高，可 以适用于不同海况及水深条件，不受潮差影响，可以实现商业化生产，降低发电成本；(2) 波能转换率较高，各引浪板组成棱台式引浪面，能够吸收不同入射方向和频率的波浪，同 时，装配在引浪面上的聚波板既可以防止波浪往两侧滑落收集到更多的波能同时可以抬高 波浪的爬升，有助于波浪的越浪，收集更多的波能，提高波能转换效率；(3)水轮机可以在 低水头下运行，减小了波能发电装置对水头的要求；(4)可靠性高，装置的活动部件较少， 整体稳定性高，可靠度好，能兼顾结构的可靠性及波能转换率；(5)锚固系统多根锚链对称 式分布，整体稳定性高，可靠度好，采用锚链形式，水下施工较少，建造成本低，采用锚链半 刚度系统，具有可调节性，可根据水位变化自动调节平衡位置，锚链悬挂荷重悬块，增大锚 链刚度，增加锚链拉力，减小装置运动响应，保证装置正常工作。
图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明中波能收集转换系统的立体结构图；图3是本发明的部分剖面图；图4是本发明中引浪板的示意图；图5是本发明中聚波板的示意图；图6是本发明中实施例1的部分剖面图；图7是本发明中轴流浆叶式水轮发电系统的结构示意图；图8是本发明中轴流浆叶式水轮机的结构示意图；图9是本发明中实施例2的部分剖面图；图10是本发明中实施例2的部分剖面图；图11是本发明中图10的部分放大图；图12是本发明中实施例2的俯视图；图13是本发明中曲面叶片式水轮发电系统的结构示意图；图14是本发明中曲面叶片式水轮机的结构示意图；图15是本发明中曲面叶片式水轮发电系统的部分剖面图；图16是本发明中导流板的示意图；图17是本发明中锚固系统的结构示意图；图18是本发明中锚固系统的结构示意图；图19是本发明中锚固系统的荷重悬块的分布示意图。其中，1-波能收集转换系统，2-水轮发电系统，3-锚固系统，101-蓄水池，102-引 浪板，103-聚波板，104-出水管，105-侧板，106-进水口，107-出水口，108-底部平台， 201-水轮机，202-发电机，203-传动机构，204-支撑杆，205-轴承，206-支撑杆，207-密封 套，208-传动轴，209-轴套，210-轴流浆叶式水轮机，211-叶片，212-转轮，213-叶片迎水 面，214-叶片背水面，220-曲面叶片式水轮机，221-外壳，222-转轴，223-叶片，224-转向 轴承，225-导流板，226-轴承，301-锚链，302-荷重悬块，303-重力锚，304-短链。
具体实施例方式结合实施例具体说明本发明。实施例1 参见图1和图3，波能发电装置包括波能收集转换系统1、水轮发电系统2和锚固 系统3。参见图2-图5，波能收集转换系统1包括蓄水池101、引浪板102、聚波板103和出 水管104。蓄水池101为由12块侧板105围成的中空等边十二棱柱结构，其横截面为等边 十二棱形，其上部为进水口 106，底部设有出水口 107和底部平台108。蓄水池外侧设置引 浪板102，引浪板102上端与蓄水池侧板105上端连接，下端倾斜延伸至蓄水池底部平面。 引浪板102坡度为2 3，适于波浪爬升与攀越，引浪板102为等腰梯形，数量为12块。相 邻引浪板102的连接处设置聚波板103，聚波板103为不规则四边形，优选不规则梯形，竖直 安装于相邻引浪板105的连接处，数量为12块，等距排列。蓄水池出水口 107处设置向下 延伸的出水管104。出水管104管径为蓄水池进水口 106径向距离的1/4。参见图3，水轮发电系统2包括水轮机201、发电机202和传动机构203，水轮机201 和发电机202通过传动机构203上下设置，水轮机201位于发电机202的下方。发电机202 通过支撑杆204安装于蓄水池101的上部，高于蓄水池的进水口 106，发电机202通过传动 机构203与水轮机201连接，水轮机201位于出水管104内。所述传动机构203包括传动 轴208，传动轴208外设置轴套209。所述发电机202外部设置密封套207。发电机支撑杆 204数量为6根，支撑杆204 —端固定连接于发电机密封套207上，另一端固定连接于蓄水 池进水口 106边缘处。参见图6-图8，水轮机201选用轴流浆叶式水轮机210，通过轴承205和支撑杆206 固定于出水管104的入口处，轴承205通过支撑杆206连接于蓄水池的底部平台108上，所 述轴承205的支撑杆206数量为3根，支撑杆206 —端固定连接于轴承205上，另一端固定 连接于蓄水池底部平台108上。轴流浆叶式水轮机210包括转轮212和叶片211，其叶片 211垂直于轴流浆叶式水轮机的轴心线安装于其转轮212上，叶片211为中央内凹结构，叶 片迎水面213为内凹的弧形面，背水面214为外凸的弧形面，弧形面的切线与轴心线的夹角 为45°，叶片211数量为6片，叶片211弦长为0. 45m,叶片211叶宽参数为，根部0. 21m，端 部0. 33m,叶片211顶端为圆弧形。参见图16-图18，锚固系统3包括锚链301、荷重悬块302和重力锚303，重力锚 303锚定在海床上，锚链301 —端固定于重力锚303上，另一端连接于蓄水池101外侧底部 的角端，锚链301以蓄水池101为中心，呈中心对称分布，荷重悬块302通过短链304悬挂 于锚链301上。锚固系统3的锚链301数量为6，型号优选M3，链径为60mm，锚链301单位 长度在空气中的质量为75-80kg/m，单根锚链301的长度为27. 5m，单根锚链301的水平跨 度为22m ；荷重悬块302的数量为6，单块荷重悬块302在空气中的质量为1000_1100kg，荷 重悬块302距锚链301下部末端的距离为17. 5m ；短链304数量为1_3根；重力锚303为钢 筋混凝土制成的沉块。参见图1-图8，不同方向、频率的波浪到达波浪收集转换系统1底部时，沿引浪板 102向上攀升，到达进水口 106，最终越入蓄水池101中。引浪板102的坡度为2 3，适于 波浪爬升与攀越，聚波板103不但可以防止波浪爬升过程中往两侧滑落，以尽可能多的捕获波浪能，而且有利于波浪爬升过程中增加波高。在此过程中，将较不稳定的入射波能转换 为蓄水池101内水体的势能。波浪进入蓄水池101后，通过出水口 107进入出水管104。水 流由上而下击打在轴流浆叶式水轮机210的叶片211上，在水流冲击力的作用下，叶片211 绕转轮212旋转，带动与之相连的传动轴208 —起转动，从而带动其上端的发电机202工 作，最终转换成电能，水沿出水管104排出。参见图16-图18，当波能发电装置正常工作时，波浪载荷不断地作用其上，其锚固 系统3的锚链301具有较大的初始拉力，荷重悬块302也增大运动阻尼，阻止波能发电装置 大幅度的运动。当波能发电装置有一定位移时，有荷重的锚链301产生较大的回复力，使波 能发电装置趋于平衡位置。由于波能发电装置工作地点潮汐水位变化较大，而锚链301是半刚性结构形式， 当水位变化时，在波能发电装置浮力、自身重力、锚链拉力的作用下会改变锚链301形状， 达到新的平衡位置，保证波能发电装置继续正常工作。当遇到极端海况时，波能发电装置不再正常工作，此时不用考虑波能发电装置运 动，只需保证锚固系统3不被破坏，为波能发电装置提供安全保证。由于锚固系统3的锚链 301都具有较大安全系数，破坏强度值较大，故能保证锚固系统3不被破坏，即为波能发电 装置提供了安全保证。因波能发电装置预定工作海域的海底底质为基岩，采用一般型式的锚很难使锚爪 伸入底质而获得足够大的抓力；而采用桩柱又需进行水下施工，使建造成本大增。为此，确 定使用重力锚303，即使用钢筋混凝土制成的沉块来代替锚。只要重力锚303在海中有足够 的负浮力，靠其自身重力即可保证锚固的可靠性，保证装置正常工作时不滑动走锚，极端恶 劣环境下可适当发生位移，只需保证装置不发生漂流丢失。实施例2 参见图9-图15，水轮机201选用曲面叶片式水轮机220，其通过轴承226固定于 出水管104内。所述出水管104上端设有S型导流板225，所述导流板225的一端固定于出 水管壁上，一端延伸至曲面叶片式水轮机220的叶片223上端。选用曲面叶片式水轮机220 时，所述传动机构203包括两根传动轴208和两个转向轴承224，两根传动轴208各自分别 一端连接发电机202，另一端通过转向轴承224与曲面叶片式水轮机220的转轴222的一端 相连接。曲面叶片式水轮机220包括转轴222和叶片223，转轴222外设有外壳221，叶片 223垂直于曲面叶片式水轮机220的轴心线安装于外壳221上，叶片223为曲面结构，曲面 弯度为45°，叶片223数量为8片，等间距固定在外壳221上，叶片223弦长为0. 13m,叶宽 为 0. 3m。波浪进入蓄水池101后，通过出水口 107进入出水管104后，水流由上而下击打在 曲面叶片式水轮机220的叶片223上，在水流冲击力的作用下，叶片223绕转轴222旋转， 从而将水流的势能转换成叶片223的动能。在内外水头差的作用下，水流推动曲面叶片式 水轮机220的转轴222转动，在转向轴承224的作用下，转轴222通过传动轴208带动其上 端的发电机202工作，最终转换成电能，水沿出水管104排出。其余同实施例1。
权利要求
一种波能发电装置，其特征在于，包括波能收集转换系统(1)、水轮发电系统(2)和锚固系统(3)；其中，波能收集转换系统(1)包括蓄水池(101)、引浪板(102)、聚波板(103)和出水管(104)，蓄水池(101)为由12块侧板(105)围成的中空等边十二棱柱结构，其横截面为等边十二棱形，其上部为进水(106)，底部设有出水(107)和底部平台(108)，蓄水池外侧设置引浪板(102)，引浪板(102)上端与蓄水池侧板(105)上端连接，下端倾斜延伸至蓄水池底部平面，相邻引浪板(102)的连接处设置聚波板(103)，蓄水池出水(107)处设置向下延伸的出水管(104)；水轮发电系统(2)包括水轮机(201)、发电机(202)和传动机构(203)，水轮机(201)和发电机(202)通过传动机构(203)上下设置，水轮机(201)位于发电机(202)的下方，发电机(202)通过支撑杆(204)安装于蓄水池(101)的上部，高于蓄水池的进水(106)，发电机(202)通过传动机构(203)与水轮机(201)连接，水轮机(201)位于出水管(104)内，所述传动机构(203)包括传动轴(208)，传动轴(208)外设置轴套(209)，所述发电机(202)外部设置密封套(207)；锚固系统(3)包括锚链(301)、荷重悬块(302)和重力锚(303)，重力锚(303)锚定在海床上，锚链(301)一端固定于重力锚(303)上，另一端连接于蓄水池(101)外侧底部的角端，锚链(301)以蓄水池(101)为中心，呈中心对称分布，荷重悬块(302)通过短链(304)悬挂于锚链(301)上。
2.根据权利要求1所述的波能发电装置，其特征在于，所述引浪板(102)坡度为2 3， 为等腰梯形，数量为12块。
3.根据权利要求1所述的波能发电装置，其特征在于，所述聚波板(103)为不规则四边 形，竖直安装于相邻引浪板(102)的连接处，数量为12块，等距排列。
4.根据权利要求1所述的波能发电装置，其特征在于，所述出水管(104)管径为蓄水池 进水(106)径向距离的1/4。
5.根据权利要求1所述的波能发电装置，其特征在于，所述发电机支撑杆(204)数量为 3或6根，支撑杆(204) —端固定连接于发电机密封套(207)上，另一端固定连接于蓄水池 进水(106)边缘处。
6.根据权利要求1所述的波能发电装置，其特征在于，所述水轮机(201)为轴流浆叶 式水轮机(210)，包括转轮(212)和叶片(211)，其叶片(211)垂直于轴流浆叶式水轮机的 轴心线安装于其转轮(212)上，叶片(211)为中央内凹结构，叶片迎水面(213)为内凹的弧 形面，背水面(214)为外凸的弧形面，弧形面的切线与轴心线的夹角为45°，叶片(211)数 量为6片，叶片(211)弦长为0.45m，叶片(211)叶宽参数为，根部0. 21m，端部0. 33m，叶片 (211)顶端为圆弧形。
7.根据权利要求7所述的波能发电装置，其特征在于，所述轴流浆叶式水轮机(210)通 过轴承(205)和支撑杆(206)固定于出水管(104)的入口处，轴承(205)通过支撑杆(206) 连接于蓄水池的底部平台(108)上，所述轴承(205)的支撑杆(206)数量为3根，支撑杆 (206) 一端固定连接于轴承(205)上，另一端固定连接于蓄水池底部平台(108)上。
8.根据权利要求1所述的波能发电装置，其特征在于，所述水轮机(201)为曲面叶片式 水轮机(220)，其包括转轴(222)和叶片(223)，转轴(222)外设有外壳(221)，叶片(223)垂直于曲面叶片式水轮机(220)的轴心线安装于外壳(221)上，叶片(223)为曲面结构， 曲面弯度为45°，叶片(223)数量为8片，等间距固定在外壳(221)上，叶片(223)弦长为 0. 13m，叶宽为 0. 3m。
9.根据权利要求9所述的波能发电装置，其特征在于，所述曲面叶片式水轮机(220)通 过轴承(226)固定于出水管(104)内。
10.根据权利要求9所述的波能发电装置，其特征在于，所述出水管(104)上端设有S 型导流板(225)，所述导流板(225)的一端固定于出水管壁上，一端延伸至曲面叶片式水轮 机(220)的叶片(223)上端。
11.根据权利要求9所述的波能发电装置，其特征在于，所述传动机构(203)包括两根 传动轴(208)和两个转向轴承(224)，两根传动轴(208)各自分别一端连接发电机(202)， 另一端通过转向轴承(224)与曲面叶片式水轮机(220)的转轴(222)的一端相连接。
12.根据权利要求1所述的波能发电装置，其特征在于，所述锚固系统(3)的锚链 (301)数量为6，链径为60mm，锚链(301)单位长度在空气中的质量为75_80kg/m，单根锚链 (301)的长度为27. 5m，单根锚链(301)的水平跨度为22m ；所述荷重悬块(302)的数量为 6，单块荷重悬块(302)在空气中的质量为lOOO-llOOkg，荷重悬块(302)距锚链(301)下部 末端的距离为17. 5m ；所述短链(304)数量为1_3根；所述重力锚(303)为钢筋混凝土制成 的沉块。
全文摘要
本发明涉及一种兼具高效率和高可靠性的波能发电装置。本发明旨在提供一种高效率、高可靠性、低建造成本的波能发电装置。其技术方案是一种波能发电装置，包括波能收集转换系统、水轮发电系统和锚固系统。波能收集转换系统包括蓄水池、引浪板、聚波板和出水管。水轮发电系统包括水轮机、发电机和传动机构，水轮机和发电机通过传动机构上下设置，水轮机位于发电机的下方。锚固系统包括锚链、荷重悬块和重力锚，重力锚锚定在海床上，锚链一端固定于重力锚上，另一端连接于蓄水池外侧底部的角端，锚链以蓄水池为中心，呈中心对称分布，荷重悬块通过短链悬挂于锚链上。本发明波能利用率高，波能转换率较高，整体稳定性好，可靠性高。
文档编号F03B3/12GK101984251SQ20101057536
公开日2011年3月9日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者刘娅君, 刘栋, 刘臻, 史宏达, 王鸿旭, 邵萌, 黄燕 申请人:中国海洋大学