一种洋流发电装置及其发电方法与流程

本发明属于洋流发电技术领域，具体涉及一种洋流发电装置及其发电方法。

背景技术：

洋流又叫海流，是指大洋表层海水常年大规模的沿一定方向进行的较为稳定的流动。洋流循着一定的路线永不停歇地运动着，其蕴含的能量比起陆地上的巨江大川蕴含的能量则要多出成千上万倍。地球表面的71%都是海洋，这是一种巨大的能源，同时又是一种清洁的可再生能源。中国的洋流能源也很丰富，沿海洋流的理论平均功率为1.4亿千瓦。因此，提高洋流发电机发电效率的研究，对于推进绿色资源，尤其是海洋资源的有效利用具有非常重大的意义。

目前洋流发电装置主要包括轮叶式、降落伞式以及磁流式发电装置，轮叶式洋流发电装置利用海流推动轮叶，轮叶转动带动发电机进行发电；降落伞式海流发电装置由几十个串联在环形铰链绳上的降落伞组成；顺海流方向的降落伞靠海流的力量撑开，逆海流方向的降落伞靠海流的力量收拢，降落伞顺序张合，往复运动，带动铰链绳继而带动船上的铰盘转动，铰盘带动发电机发电；磁流式海流发电装置以海水作为工作介质，让有大量离子的海水垂直通过强大磁场，获得电流。

其中，由于轮叶式洋流发电装置具有结构更简单、操作方便以及经济成本更低等优点，使得轮叶式洋流发电装置在洋流发电中使用更加广泛；但是现有的轮叶式洋流发电装置还存在着一些缺陷，比如，现在的轮叶式洋流发电装置中的叶片都是采用单片整体设计的思路，使得现在的轮叶式洋流发电装置的发电效率低，使得洋流蕴含的巨大能量的利用率低。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够提高洋流发电效率、不受洋流流动方向限制以及结构设计合理的洋流发电装置及其发电方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种洋流发电装置，包括底座，所述底座的中间位置垂直设置有中心轴，还包括叶轮结构，所述叶轮结构包括叶框和若干叶片，所述叶框包括长条形的上固定块和下固定块；所述上固定块和下固定块的一端分别垂直固定在中心轴的侧壁上，且上固定块和下固定块位于同一平面内，所述上固定块和下固定块的另一端向外延伸；所述上固定块上等间距设置有若干安装孔，所述安装孔为将上固定块顶面和底面贯穿的通孔；所述上固定块的顶面上设置有若干个使得轮叶结构在静置的自然状态下若干叶片呈相互搭接完全关闭状态的复位机构，且每个复位结构位于两个安装孔之间或者安装孔与上固定块端头之间；所述下固定块的顶面上设置有若干个限制叶片单向转动的安装槽结构，所述若干个安装槽结构与若干安装孔一一对应；所述叶片的顶端和底端分别固定有上转轴和下转轴，所述上转轴穿过安装孔并与复位机构连接，所述下转轴安装在安装槽结构中，以实现若干叶片垂直安装在叶框中大致形成竖直百叶窗结构。

本技术方案中采用垂直轴发电系统设计，本发明中叶轮结构与底座垂直，使得叶轮结构可以实现对洋流能量的万向捕获，大大提高了本装置的发电效率。本发明中通过在叶框中可转动地安装若干叶片以形成大致呈百叶窗形状的叶轮结构，本发明打破了现有叶轮均采用整体设计的思路；再通过上固定板上设置的若干复位机构和下固定板上设置的用于限制叶片转动角度的安装槽结构；本发明结构简单，可现场组装，当叶轮处于静置的自然状态下时，通过复位机构控制若干叶片呈完全关闭的状态，此时，当叶轮顺着洋流的流动方向转动时，洋流推动叶轮中完全闭合的叶片，此时该叶轮所受到的推力最大，因此，洋流带动叶轮快速转动，叶轮再带动发电机进行发电；当该叶轮逆着洋流的流动方向转动时，该叶轮中的若干叶片全部打开，两块相邻叶片之间形成与洋流流动方向平行的过水口，使得该叶轮受到的阻力最小，可以减小叶轮动能的损耗，提高发电效率；因此本发明中提供的洋流发电装置，通过合理的叶片设计使叶片能够在洋流的推动作用下自动闭合，可以用于接收来自水平360度方向上的洋流能量；使得本发明发电不受洋流流动方向的限制，并且对洋流能量的利用效率比传统的叶轮高，因此，本发明使得发电效率明显提高。

进一步地，所述复位机构包括固定杆、锚杆和连杆，所述固定杆和锚杆固定在上固定块的顶面上，且固定杆的顶面高于锚杆的顶面，所述连杆的两端分别可转动的固定在固定杆和锚杆的顶面上，所述连杆的侧壁上固定有支柱，支柱的另一端上连接有转动球。

本发明中复位机构为倾重力转子结构，设计合理，结构简单，由于转动球受到重力的作用，因此，它总是有向连杆正下方运动的趋势，缆绳未拉紧时，即转动球不受力时，它会垂在连杆的正下方处，本发明利用转动球受到重力的作用容易实现叶轮结构在静置的自然状态下，若干叶片呈完全闭合的状态，这样就保证了当本发明在初期启动时受到洋流最大的推力，实现洋流发电机的自启动功能，保证在洋流的推力能够带动处于静置状态下的整个叶轮机开始转动，再通过叶轮机带动发电机实现发电；转动球可以为钢球或者玻璃钢球；本发明使用环境是在海底，因此，采用钢球和玻璃钢球，使得转动球在海水中的防腐蚀功能较好；转动球也可以采用重力较大，防腐蚀性能好的球类。

进一步地，所述上转轴穿过安装孔且通过轴承固定在安装孔中，所述上转轴顶端处的侧壁上固定有尾翼，所述尾翼通过缆绳与转动球连接。

本发明中通过支柱在连杆固定转动球，转动球通过缆绳与上转轴连接；这样使得倾重力转子在控制叶片转动的过程中，转动球不会发生晃动，对叶片具有稳定的控制作用；因此，这样就保证了每个叶片打开和闭合状态之间转换的过程中都能够保持稳定。

本发明中尾翼的设置使得转动球与上转轴之间连接更加方便，另外，转轴通过轴承固定在安装孔中，由于每个叶片在发电过程中处于持续转动的状态，因此，轴承的设置保证叶片能够良好的转动，还避免了上转轴发生磨损的情况。

进一步地，所述安装槽结构包括设置在下固定块上的轴承安装槽和弧形限位槽，所述弧形限位槽的内沿与轴承安装槽的外侧壁重合，且所述弧形限位槽的底面高于轴承安装槽底面；以下固定块的横轴线为角度基准线，所述弧形限位槽为从顺时针2°到162°的弧形凹槽。

进一步地，所述下转轴的侧壁上设置有限位柱和限位块，所述限位块位于限位柱的上方，所述下转轴通过限位柱与安装在轴承安装槽内的轴承固定配合，所述限位块位于弧形限位槽内。

这样设置安装槽结构，使得方便在轴承安装槽中安装轴承，结构设计合理，也方便在轴承中安装叶片；另外，将弧形凹槽角度的设置在2°到162°；下转轴上的限位块位于弧形限位槽内可将叶片的开度控制在2度到162度的范围内以避免叶片之间的相互贴合和碰撞从而实现装置对洋流360度方向能量的收集。

本发明中设置限位柱是对叶片的位置进行限位，避免叶片的位置出现下移的情况。

进一步地，所述叶片为横截面大致呈鱼形结构的鱼形叶片。

本发明中鱼形叶片是仿照鲤鱼类鱼在向前游某一静止时刻的俯视外廓设计出了叶片左右两侧的弧形边；此叶片可以当叶轮逆着水流的方向转动时，鱼形叶片形成了无撞击过水口，可以大幅度的削减水流与叶片之间的撞击和摩擦，减小叶轮动能的损耗，提高发电效率。

进一步地，所述上转轴和下转轴分别固定在鱼形叶片距厚度较厚的一端占整个叶片总宽度1/4~1/6处的顶面和底面上。

这样设置就实现了叶片通过上转轴和下转轴固定在倾重力转子和安装槽结构之间，并且这样安装叶片，使得叶片自身具有惯性，因此，叶片在闭合和打开的过程中受到自身惯性的影响，减少了叶轮动能的损耗，提高了发电效率。

进一步地，所述相邻两叶片之间的重叠部分占叶片总宽度的1/6~1/10。

这样能够使叶片闭合得更加紧密，使得本发明对洋流的能量利用率更高。

进一步地，所述叶框还包括外侧边框，所述外侧边框为一个弧度为100°且朝逆时针方向弯曲的的竖直弧形板，所述竖直弧形板的顶面与上固定板固定，竖直弧形板的底面与下固定板固定；所述竖直弧形板与最外端叶片部分重叠，当叶片全部闭合时，外侧边框与最外端的叶片重叠长度为叶片总宽度的1/5~1/7范围。

本发明中设外侧边框的作用是可以汇集叶框边缘的洋流，增大对洋流能量的利用。

一种洋流发电装置的发电方法，包括权利要求1-9中的任意一项所述的洋流发电装置，所述发电装置通过底座固定在海底或者通过浮筒悬浮在海中或者通过船浸没在海面下；

当洋流发电装置处于静置的自然状态下时，复位机构控制若干叶片呈全部闭合的状态；

在洋流的流动作用下，当叶轮结构顺着水流的方向转动时，水流冲击完全闭合的叶片，推动叶轮转动，叶轮通过带动发电机发电；

当叶轮逆着洋流的方向转动时，叶片在洋流的推动下全部打开，同时相邻两块叶片之间形成与水流流动方向平行的过水口以便水流无撞击通过，叶轮继续转动带动发电机持续发电。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

（1）本技术方案中采用垂直轴发电系统设计，本发明中叶轮结构与底座垂直，使得叶轮结构可以实现对洋流能量的万向捕获，大大提高了本装置的发电效率；另外与传统水平轴发电机相比，不需要设置偏航轴，因而结构更加简单，检修和故障排除更加简单灵活，噪音更小，对海洋生物的影响更小。

（2）本发明通过将叶轮结构设置为在叶框中安装若干可转动的叶片以形成大致呈百叶窗形状的叶轮结构，本发明打破了现有叶轮均采用整体设计的思路；使得当叶轮结构顺着水流的方向转动时，叶片全部闭合，水流推动叶轮转动，叶轮结构受到的推力最大，当叶轮结构逆着水流方向转动时，叶片在水流推动下全部打开，相邻叶片之间形成了过水口，一方面大幅度减小了叶轮结构受到的撞击和碰撞，减小了叶轮结构的动能损失，从而进一步提高了洋流发电装置的发电效率，通过实验和计算，本发明比现有的洋流发电机的发电效率提高了45%以上；另一方面本发明不受制于洋流方向的改变，可以接收来自水平360度方向上的洋流能量，适用海域更广，使得可以大幅度的提高洋流能量的利用率；通过实验和计算，本发明比现有的洋流发电机的年发电量提高了57%以上。

（3）本发明中叶片为横截面大致呈鱼形结构的鱼形叶片，当叶轮逆着水流的方向转动时，鱼形叶片形成了无撞击过水口，可以大幅度的削减水流与叶片之间的撞击和摩擦，减小叶轮动能的损耗，进一步提高发电效率。

（4）本发明中设计了独特的复位机构实现了叶轮结构静置自然状态下，叶片自动全部闭合，这样就保证了当本发明在初期启动时受到洋流最大的推力，实现洋流发电机的自启动功能，保证在洋流的推力能够带动处于静置状态下的整个叶轮机开始转动，再通过叶轮机带动发电机实现发电，提高了洋流发电效率。

（5）本发明通过将叶轮结构设置为在叶框中可转动地安装若干叶片以形成大致呈百叶窗形状的叶轮结构，使得本发明结构设计巧妙，简单，直接可以在现场组装。

附图说明

图1为本发明中洋流发电装置的结构示意图。

图2为图1中a处的放大结构示意图。

图3为图1中b处的放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参照附图1，本发明包括底座1，底座1大致呈十字架型结构，方便在不同的海域中安装洋流发电装置，另外也使得洋流发电装置在洋流的推动下稳定性更好；底座的中间位置垂直设置有中心轴3，底座上设置有外壳2，所述外壳2中设置有发电机（图中未示出）和变速箱（图中未示出），发电机和变速箱密封在外壳2内；中心轴3的下端通过变速箱与发电机连接；还包括叶轮结构，叶轮结构包括叶框和若干叶片4，叶框包括长条形的上固定块5和下固定块6；上固定块5和下固定块6的一端分别垂直固定在中心轴3的顶端的侧壁上，且上固定块5和下固定块6位于同一平面内，上固定块5和下固定块6的另一端向外延伸；上固定块5上等间距设置有若干安装孔，安装孔为将上固定块顶面和底面贯穿的通孔；上固定块5的顶面上设置有若干个使得轮叶结构在静置的自然状态下若干叶片呈相互搭接完全关闭状态的复位机构，且每个复位结构位于两个安装孔之间或者安装孔与上固定块端头之间；下固定块6的顶面上设置有若干个限制叶片单向转动的安装槽结构，若干个安装槽结构与若干安装孔一一对应；叶片4的顶端和底端分别固定有上转轴和下转轴，上转轴13穿过安装孔并与复位机构连接，下转轴17安装在安装槽结构中，以实现若干叶片垂直安装在叶框中大致形成竖直百叶窗结构。

参照附图2，上固定块5的横截面呈u型结构，上固定块5的顶面上设置有用于将上固定块开口进行密封的密封块，上安装块上根据叶片4的宽度等间距设置若干个安装孔，倾重力转子安装在安装块的顶面上，将叶片4与倾重力转子连接固定好之后，再通过将密封块与上安装块进行连接固定，实现将上安装块密封，实现了复位机构与洋流隔绝，使得复位机构的使用寿命更长，不易磨损。

下固定块6为横基面大致呈半圆形或者弧形结构，这样使得在下固定块6上设置安装槽结构更加容易，也方便将叶片4安装在下固定块6上。

复位机构包括固定杆8、锚杆9和连杆10，固定杆8和锚杆9固定在上固定块5的顶面上，且固定杆8的顶面高于锚杆9的顶面；连杆10的两端分别可转动的固定在固定杆8和锚杆9的顶面上，连杆10的侧壁上固定有支柱11，支柱11的另一端上连接有转动球12。叶片4的顶面上固定有上转轴13，上转轴13穿过安装孔且通过轴承21固定在安装孔中，上转轴13顶端处的侧壁上固定有尾翼14，尾翼14通过缆绳7与转动球12连接。

叶片4的上转轴13通过尾翼14和缆绳与转动球12进行连接，在自然的状态下，由于转动球12受到重力的作用，转动球12总是位于连杆10的正下方这样通过缆绳将拉伸拉近，使得全部叶片4都处于完全关闭的状态；固定杆8的顶面高于锚杆9的顶面，这样使得连杆10成倾斜的状态，转动球12位于连杆10中点与连杆10固定在固定杆8的一端之间，这样可以使得转动球12的转动空间更大，使得可以与叶片4的转动开度相配合。

参照附图3，安装槽结构包括设置在下固定块6上的轴承安装槽15和弧形限位槽16，弧形限位槽16的内沿与轴承安装槽15的外侧壁重合，且弧形限位槽16的底面高于轴承安装槽15底面；以下固定块6的横轴线为角度基准线，弧形限位槽16为从顺时针2°到162°的弧形凹槽。

下转轴17的侧壁上设置有限位柱18和限位块19，限位块19位于限位柱18的上方，下转轴17通过限位柱18与安装在轴承安装槽15内的轴承固定配合，限位块19位于弧形限位槽16内。

限位柱18至少包括两个，最好设置三个或者四个，限位柱18均匀固定在下转轴17的侧壁上，且所有限位柱18都位于同一水平面，这样使得叶片4通过轴承安装在轴承安装槽15中不会出现下移的情况。

叶片4为横截面大致呈鱼形结构的鱼形叶片4。本发明中鱼形叶片4是仿照鲤鱼类鱼在向前游某一静止时刻的俯视外廓设计出了叶片4左右两侧的弧形边；此叶片4可以当叶轮逆着水流的方向转动时，鱼形叶片4形成了无撞击过水口，可以大幅度的削减水流与叶片4之间的撞击和摩擦，减小叶轮动能的损耗，提高发电效率。

上转轴13和下转轴17分别固定在鱼形叶片4距厚度较厚的一端占整个叶片4总宽度1/4~1/6处的顶面和底面上。相邻两叶片4之间的重叠部分占叶片4总宽度的1/6~1/10。这样能够使若干叶片4闭合得更加紧密，使得本发明对洋流的能量利用率更高。

叶框还包括外侧边框20，外侧边框20为一个弧度为100°且朝逆时针方向弯曲的竖直弧形板，竖直弧形板的顶面与上固定板固定，竖直弧形板的底面与下固定板固定；竖直弧形板与最外端叶片4部分重叠；当叶片4全部闭合时，外侧边框20与最外端的叶片4重叠长度为叶片4总宽度的1/5~1/7范围。

本发明中设外侧边框20的作用是可以汇集叶框边缘的洋流，增大对洋流能量的利用。

一种洋流发电装置的发电方法，包括权利要求1-9中的任意一项所述的洋流发电装置，所述发电装置通过底座1固定在海底或者通过浮筒悬浮在海中或者通过船浸没在海面下；

当洋流发电装置处于静置的自然状态下时，复位机构控制若干叶片4呈全部闭合的状态；

在洋流的流动作用下，当叶轮结构顺着洋流的方向转动时，洋流冲击完全闭合的叶片4，推动叶轮转动，叶轮通过带动发电机发电；

当叶轮逆着洋流的方向转动时，叶片4在洋流的推动下全部打开，同时相邻两块叶片4之间形成与洋流流动方向平行的过水口以便洋流无撞击通过，叶轮继续转动带动发电机持续发电。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例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进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。