一种半潜式海洋能发电方法及装置与流程

本发明涉及一种海上发电设备，特别是一种海洋能发电方法及装置。

背景技术：

在21世纪，人类主要依靠石油以及煤炭等化石能源满足人类的需求，但上述的不可再生能源终将会在某一天消耗殆尽，人类将可能面临严重的能源危机，因此，推动洁净能源的开发应用、减少污染、提高能源使用效率尤为重要，为海洋的开发与利用提供了坚强的后盾，海洋中蕴藏着丰富的能量，如波浪能(横向波)、潮流能(定向波)、大洋环流(表层环流)等，这些能量具有能量密度高、分布面广等优点，是一种取之不竭的可再生清洁能源。

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，波浪能发电(wavepowergeneration)是以波浪的能量为动力而生产电能，目前，波浪能发电装置种类繁多，具有机械式、气动式、液压式等种类，但大多波浪能发电装置具有结构笨重、投资较高、可靠性差、地形依赖性强等缺点和局限，因此，今后的波浪能发电装置会以聚波技术、波浪能密度和转换效率的提高、装置精细化以及造价控制作为主要的发展方向，轻巧、可靠、高效的波浪能发电装置将是未来发展主流，波浪能发电装置运行的稳定性取决波浪能流密度，通常波浪高度在0.5m～4m，波浪能流密度大于2kw/m的时候，为波浪能源开发的有效时间，即波浪高度大于0.5m时，可以让发电装置有效正常工作，但在波浪高度大于4m时，则会损坏发电装置。

以南海、东海海域为例，其域内波浪主要以周期较长的涌浪为主，也包含周期较短的风浪，波向则以s～sw为主，风浪波峰线较短，波高为0.5～2米，周期在6s以内；涌浪外形规则、排列整齐、波峰较长，涌浪年平均波高在1.5m左右，波浪周期较长，为10～16s，在南海、东海海域波波浪能最高开发的有效时分为1月，该月波浪能的有效时间出现频率在80％左右；而4月份稍低，有效时间出现频率为30％～50％，其余月份有效时间出现频率为50～80％，此类海域的波浪高度、波周期时间、频率等能够满足波浪能发电装置的运行。

风速是决定波浪大小的主要因素，一般情况下，风力达到10级以上时，波浪的高度可达12m，相当于四层楼的高度，更有甚者达到15m以上的高度，海上常见的六七级风所掀起的波浪也可达3m～6m高，我国沿海有效波高约为2～3m、周期为9s的波列，波浪功率可达17～39kw/m，渤海湾更高达42kw/m。

以我国浙江舟山群岛波浪能资源评估数据为例，在东极岛至中块岛之间的区域，谱峰周期为7—9s，波浪蕴藏波浪能功率占全年50％左右，0.8～1.8m的有效波高所产生的波浪能占全年的70％左右；在台门镇和虾峙镇以东海域，谱峰周期为6～9s，波浪蕴藏波浪能功率占全年的70％左右，0.8～1.8m有效波高所产生的波浪能占全年的60％以上；壁下乡大嘴岛以东，嵊山以北海域，谱峰周期为6.5～8.5s，波浪蕴藏的波浪能功率占全年的50％左右，特别是6.5～7.5s的波浪能储量较大，0.8～1.8m有效波高所产生波浪能占全年的60％左右，0.8～2.2m有效波高所产生的波浪能占全年的75％左右，年均波浪能功率密度为5～6kw/m，波浪资源丰富。

从以上数据可以看出，我国诸多海域的波浪能较丰富，种类也较多，既有风浪、涌浪，还包含近岸浪，波浪周期也各有不同，波浪能丰富区域，波浪流动速度多在3m/s-8m/s之间，波浪沿某一方向持续流动时间也各异，时间较长的可达半日，总体而言，我国诸海域波浪能资源丰富，可利用可开发率较高。

潮流能是指潮水在水平运动时所含有的动能，又称海流能，是海水受月球和太阳的引力作用而产生的动能，是一种可再生能源，潮流源于地球、月亮和太阳的相对运动以及引潮力，伴随着潮汐的涨落而产生周期性变化，按其运动形式可分为旋转流和往复流，按其性质可分为全日潮和半日潮，全日潮和半日潮的平均周期分别为24h50min和12h25min，在广阔的海洋中，由于没有参照物，潮流并不明显，但在岸边、海峡和岛屿之间的水道或湾口，其海水的潮流速度很大，而且海岸的集流作用能使潮流更为丰富，这是潮流利用的有利条件；潮流具有一定的周期性，为潮流利用提供了可靠依据。

潮流能与波浪能的主要区别在于，潮流能是由潮汐引起的水流动，多存在于岸边、海峡、岛屿之间的水道或湾口，相对波浪而言，潮流能的变化要平稳且有规律，潮流能随潮汐的涨落每天两次改变大小和方向；波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比，波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源，是由风把能量传递给海洋所产生的，实质是吸收了风能而形成，其能量传递速率和风速有关，也和风与水相互作用的距离(即风区)有关。

在我国的潮流能资源评估中，浙江省近潮流能资源最为丰富，约为519万kw，占全国潮流能资源总量的50％以上；浙江沿岸96％的潮流能资源集中在舟山海域和杭州湾口北部，其中舟山海域潮流能资源富集区主要位于龟山航门、西堠门水道以及灌门水道等；舟山海域潮流能资源可利用区共计8000.6km²，潮流能资源理论蕴藏量(63条水道断面)约为432.8万kw，15个重点海域(水道)装机容量约为127.4万kw(参见侯放,于华明,鲍献文,武贺.舟山群岛海域潮流能数值估算与分析[j].太阳能学报,2014,35(01):125～133)。

再如我国山东海域，潮流能流速较大区域主要集中在近岸海域和渤海海峡庙岛群岛附近的各个水道；其中以成山头附近和渤海海峡诸水道的流速最大，其平均流速可超过0.9m/s，局部的平均流速甚至可达1.0m/s，能流密度分布与流速的分布相似，渤海海峡诸水道能流密度最大，可达600w/m²，其次为成山角海域，能流密度可达500w/m²，再次为三山子岛附近(山东半岛南部)、黄河口海域以及胶州湾口，能流密度可达120w/m²；成山头位于山东半岛的最东端，三面环海，角外水深变化剧烈，离岸1km的海域水深即可达50m，其特殊的地理位置和地形结构使得该海域的潮流流速很大，实测流速高达2m/s，该海域属于不正规的半日潮区，潮差较小，年平均潮差约为0.8m，但该海域的潮流性质为正规半日潮，以往复流为主，流向为东北—西南；显然，该海域的潮流资源较为丰富，而且海域开阔，水深适中，离岸距离较近，开发利用前景广阔(参见李程,高佳,李文善,李欢,蔡仁翰,杨益.山东省周边海域潮流能资源评估[j].海洋开发与管理,2017,34(01):75～80；武贺,王鑫,韩林生.成山头海域潮流能资源可开发量评估[j].海洋与湖沼,2013,44(03):570～576)。

根据有关资料表明，以胶州湾为研究海区，此海区一个月内潮位在2.5m至2.0m之间变化，最大流速为2m/s，水道上的平均能流密度一般在280w/m²；成山头外海域潮位在0.7m左右的区域范围进行变化，潮流流速在1.5m/s～3m/s之间，而根据潮流能资源评估条件，离岸距离基本小于5km，水深(理论低潮面)大于25m，所以潮流能水下深度最低可达25m，但随着水深的增加，潮流流速变小，可利用率越来越低。

综上所述，我国部分地区(主要在于辽宁、浙江、山东等地域)潮流能资源丰富，可加以利用，在潮流能存在的海区，潮位在海面以下25m之内都是潮流能可利用区间，一般情况下水下流速在1.5m/s-3m/s之间，最大潮流流速可达3m/s，全日潮和半日潮的平均周期分别约为24h和12h，，且不同海区潮流流速方向可预测，但海面以下，随着海水深度的增加，潮流流速会逐渐减小，可利用率越来越低，可利用水上1m以及水下3m以内的潮流水平流动推力推动叶轮叶片做功发电，此范围内的潮流流速在1.5m/s～3m/s之间，是比较理想的工作海区，潮流能发电装置的工作需要。

大洋环流是指在海面风力和热盐效应等作用下，大洋海水从某海域向另一海域流动而形成首尾相接、时空变化连续、相对独立和稳定的环流系统或流旋；大洋表面的环流与风力分布密切相关，有水平环流和铅直环流，在北太平洋、南太平洋、大西洋、印度洋都有大洋环流的流动，作为世界大洋中第二大暖流(环流)的黑潮发起于太平洋的赤道海域，宽100～200公里，深400～500米，流速每小时3～4公里(约1m/s)，黑潮主轴的流量约为54sv(1sv＝106m³/s)，其流量相当全世界河流总流量的20倍，大洋环流多持续时间较长，多达数月，部分环流(印度洋)受季风影响较大，在一个季节内沿某方向持续流动。

大洋环流除表层环流外，还有在下层内偷偷流动的潜流，由下往上的上升流等，都具有一定的方向性与周期性，如北太平洋表层的顺时针环流，印度洋夏季自东向西顺时针的孟加拉湾小环流和冬季的自东向西的小环流，而潮流能发电装置可利用的是海面以下即浅层中的水平环流(0～200m的水平流场)；该上层流场的水平环流流速较大，在时空上也具有连续性和方向性，对于海洋能发电装置可利用环流在水平方向上的流动推动叶轮叶片做功，进行发电。

目前的海洋能发电装置如波浪能发电装置等，其通常是将叶轮放置在海水中，利用流动的海水推动叶轮叶片旋转进行发电，其中，叶轮转轮的叶片会如涡轮机转轮叶片一样倾斜或垂直于水面、流体流动的方向而进行设置，当该类转轮叶片深入海水中时，因叶片是环形安装并做周向运动，当流体沿垂直于叶片轴方向冲击叶片让其在水下旋转一周的过程中，叶片在轮转的前半周运动方向与流体流向基本相同，叶片受流体推力所作用，但该叶片在后半周的运动方向却和流体流向相反，这时叶片则会受到流体的阻力作用，即叶片在旋转一周的周期中，前半周受到流体推力作用，后半周却受到流体阻力作用，所以此类叶轮的工作方式极大地损失流体推动叶片所做的功，降低了发电效率；当叶片如涡轮机转轮叶片倾斜布置并全部埋入到海水中时，叶片同样会受到流体冲击阻力的作用，由于涡轮机式的叶片以倾斜方式布置，叶片引水面受力为流体冲击力的切向分力，导致转轮工作效率存在上限限制，导致发电机的发电能力弱小。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适应性强、发电效率高的半潜式海洋能发电方法及装置

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种半潜式海洋能发电方法，该方法基于现有的海上平台或单独建设海上平台，并在平台上安装发电装置和与发电装置机械连接的叶轮，叶轮的叶片沿水面垂直流体流向方向布置，叶轮的上部位于海面上，下部潜入海水中，叶轮潜入海水的深度为叶轮直径的35％-65％，海洋能推动叶轮转动，从而带动发电装置产生电能。

一种实现上述方法的半潜式海洋能发电装置，包括海上平台，所述海上平台上安装有发电机，所述发电机通过传动机构连接有叶轮，所述叶轮的叶片沿水面垂直流体流向方向布置，所述叶轮的上部位于海面上，下部潜入海水中，所述叶轮潜入海水的深度为叶轮直径的35％-65％。

所述海上平台为悬浮平台，所述悬浮平台的侧边安装有浮筒，所述悬浮平台的一侧边内凹有叶轮口，所述悬浮平台背离所述叶轮口的侧边安装有系泊机构，所述叶轮位于所述叶轮口中。

所述叶轮的外围罩设有机壳，所述机壳包括挡风板和网式防罩，所述挡风板固定于所述叶轮口的上方，且半包围罩在所述叶轮的外侧，所述叶轮内侧镂空的部位由所述网式防罩围罩填充，所述挡风板上设置有百叶窗。

所述系泊机构包括设置在悬浮平台上的滑管，所述滑管上套装有若干滑块，所述滑块上设置有系泊杆，所述系泊杆的末端设置有固定磁体，所述固定磁体的两侧铰接有锁紧夹块。

所述传动机构包括换向器和联轴器，所述换向器内设置有互成直角且相互啮合的第一换向齿轮和第二换向齿轮，所述第一换向齿轮与所述叶轮转轴连接，所述第二换向齿轮通过所述联轴器与所述发电机转轴连接。

所述机壳、挡风板和百叶窗由玻璃钢材质制成；所述叶轮和叶片由金属材料制成，且表面均喷有防腐蚀涂料。

所述机壳、挡风板、叶轮和叶片均由玻璃钢材质制成。

所述叶片为直板状，且圆周均匀排布在所述叶轮上。

所述叶片为具有偏角的弯曲片，且圆周均匀排布在所述叶轮的表面。

所述叶片径向设置有首尾依次连接的主凸弧形部、副凸弧形部、第二凹陷弧形部、第一凹陷弧形部和圆弧尖部，且弧形的长度依次递减，所述叶片的第一凹陷弧形部与所述叶轮的表面相接合，且圆周均匀排布在所述叶轮上，径向上相邻的两排叶片互成夹角。

本发明的有益效果是：本发明通过单独建设海上平台或基于现有的海上平台实施，并在平台上安装发电装置和与发电装置机械连接的叶轮，叶轮的叶片沿水面垂直流体流向方向布置，叶轮的上部位于海面上，下部潜入海水中，海洋能推动叶轮转动，从而带动发电装置产生电能，叶片在周向运动时，水下部分的叶片持续受流体推力做功，而处于空气中的叶片即使运动方向与流体流向相反，也不会受到流体冲击阻力的作用，极大地减小功的损耗，提高发电效率，适用于波浪能(横向波)、潮流能(定向波)和大洋环流的海洋能发电，另外，叶轮的转轮及叶片结构的设计，可增大叶轮主轴所受的推力，减小了水能损失，增加了海洋能转化效率，而叶轮外套的机壳能对不同风向的海风进行筛选，合理地利用同向风的推力提升发电装置的发电能力，产生的电能可直接接入电网传输或存储于蓄电池中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是叶轮的剖视图；

图3是系泊机构的结构示意图；

图4是传动机构的结构示意图；

图5是叶片的第二实施方式结构图；

图6是叶片的第三实施方式结构图；

图7是叶片的第三实施方式示意图。

具体实施方式

参照图1，一种半潜式海洋能发电方法，通过单独建设海上平台或基于现有的海上平台实施，并在平台上安装发电装置和与发电装置机械连接的叶轮，叶轮的叶片沿水面垂直流体流向方向布置，叶轮的上部位于海面上，下部潜入海水中，叶轮潜入海水的深度为叶轮直径的35％-65％，海洋能推动叶轮转动，从而带动发电装置产生电能，所产生的电能可直接接入电网传输或存储于蓄电池中，适用于波浪能(横向波)、潮流能(定向波)、大洋环流的海洋能发电。

一种实现上述方法的半潜式海洋能发电装置，包括海上平台，所述海上平台上安装有有蓄电池3和发电机4，所述蓄电池3依次通过逆变器5和稳压器6与所述发电机4电连接，所述发电机4通过传动机构7连接有叶轮8，所述叶轮8的叶片12沿水面垂直流体流向方向布置，所述叶轮8的上部位于海面上，下部潜入海水中，所述叶轮8潜入海水的深度为叶轮8直径的35％-65％；利用流体冲击叶片12做功进行发电，而叶轮8与海面平行，叶片12垂直于流体流向的方向，所述叶轮8下半周的叶片12位于海平面之下，而剩余的叶片则暴露在空气中，海水中的叶片12受海水的带动做功发电，水上部分的叶片12空载回转，该工作方式使得叶片12在周向运动时，水下的部分叶片总受到流体推力的作用，而水上的叶片12即使运动方向与流体流向相反，但叶片已处于空气中，不再受到流体冲击阻力的作用，极大地减小功的损耗，极大地提高了发电效率。

所述海上平台为悬浮平台1，所述悬浮平台1的侧边安装有浮筒2，所述悬浮平台1的一侧边内凹有叶轮口9，所述悬浮平台1背离所述叶轮口9的侧边安装有系泊机构，所述叶轮8位于所述叶轮口9中，悬浮平台1的前、后、两侧均可安装浮筒，主要依靠浮筒3的浮力作用，使得悬浮平台1可以在垂直海平面的方向上随着海平面的升降而适当地调整高度，在海平面、波高变化的情况下，发电装置也能正常工作。

参照图2，所述叶轮8的外围罩设有机壳11，所述机壳11包括挡风板13和网式防罩14，所述挡风板13固定于所述叶轮口9的上方，且半包围罩在所述叶轮8的外侧，所述叶轮8内侧镂空的部位由所述网式防罩14围罩填充，所述挡风板13上设置有百叶窗15，在发电装置实际的工作过程中，叶轮8的叶片12非常容易受到海风的影响，因此，挡风板13安装在叶片12前端的悬浮平台上，并结合百叶窗15，能筛选出风向与叶片12的旋转方向同向的海风，让该风力转化为推力，与海洋能一起对叶片12做功，做功后的风经过百叶窗15流出，当风向与叶片12旋转方向反向时，风力为阻力，此时挡风板隔绝逆向风力，防止逆向风力对叶片做负功，阻碍叶片的旋转，可提高叶片旋转的做功效率，而网式防罩14主要用于防止海洋生物或海洋垃圾损坏叶片12，影响叶轮8正常工作。

参照图3，所述系泊机构包括设置在悬浮平台1上的滑管16，所述滑管16上套装有若干滑块17，所述滑块17上设置有系泊杆18，所述系泊杆18的末端设置有固定磁体19，所述固定磁体19的两侧铰接有锁紧夹块20，系泊机构主要用于连接固定海上的各类物件，滑块17能在滑管16上滑动，系泊杆18上的锁紧夹块20可铰接在圆柱形零件或设备上，而锁紧夹块20能吸附在金属体上，使得悬浮平台1在工作海域中平行于海平面，并进行方向固定，确保某一方向的海洋能够持续冲击叶轮8的叶片12，不至于让悬浮平台1在海面上随意转动，但在垂直海平面方向上具有相当的自由度，系泊机构配合浮筒使得悬浮平台在水平方向上固定，在垂直海平面方向上可进行升降运动，以应对复杂的海上环境，主要固定或吸附于船只、灯塔、海上平台等海上物件。

参照图4，所述传动机构7包括换向器21和联轴器10，所述换向器21内设置有互成直角且相互啮合的第一换向齿轮22和第二换向齿轮23，所述第一换向齿轮22与所述叶轮8转轴连接，所述第二换向齿轮23通过所述联轴器10与所述发电机4转轴连接，由于海上环境复杂，为使发电装置更好地适应海上环境变化，通过传动机构7让叶轮8的传动方向发生转变。

所述机壳11、挡风板13和百叶窗15可采用金属材料构制，也可由玻璃钢材质制成，所述叶轮8和叶片12由金属材料制成，且表面均喷有防腐蚀涂料，增强两者的抗腐蚀性，延长发电装置的使用寿命。

所述叶片12为直板状，且圆周均匀排布在所述叶轮8上，此为叶片12的第一种实施例，叶轮8能够安全可靠地进行做功发电。

参照图6，在第二实施例中，所述叶片12为具有偏角的弯曲片，且圆周均匀排布在所述叶轮8的表面，而该实施例的叶片12让整个叶轮8不再臃肿，具备相当的灵活性，又因其具有弯曲的偏角，使得叶片12能与海中流体的接触几率更大，从而增加叶轮8的做功。

参照图7，在第三实施例中，所述叶片12径向设置有首尾依次连接的主凸弧形部24、副凸弧形部25、第二凹陷弧形部26、第一凹陷弧形部27和圆弧尖部28，且弧形的长度依次递减，所述叶片12的第一凹陷弧形部27与所述叶轮8的表面相接合，且圆周均匀排布在所述叶轮8上，径向上相邻的两排叶片12互成夹角，海水通过前排叶片12倾斜进入叶轮8内，减少海水对叶轮8的冲击力，引导推力至叶片12上，由于相邻的两排叶片12互成夹角，海水经前排叶片后可再次冲击后排的叶片进行做功，能加大叶片12与流体接触面的同时极大地提高叶轮8的做功发电能力，减小了水能的损失，提高叶轮8对海洋能的转化效率。

本发明的叶轮半潜于海水中，叶片在周向运动时，水下部分的叶片持续受流体推力做功，而处于空气中的叶片即使运动方向与流体流向相反，也不会受到流体冲击阻力的作用，极大地减小功的损耗，提高发电效率，另外，叶轮的转轮及叶片结构的设计，可增大叶轮主轴所受的推力，减小了水能损失，增加了海洋能转化效率，而叶轮外套的机壳能对不同风向的海风进行筛选，合理地利用同向风的推力提升发电装置的发电能力。

以上的实施方式不能限定本发明创造的保护范围，专业技术领域的人员在不脱离本发明创造整体构思的情况下，所做的均等修饰与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。