[發明專利]一種雙向導流葉片沖擊式透平波力發電系統和方法

有效

• 申請號: 201410075349.1
• 申請日: 2014-03-04
• 公開（公告）號: CN103790761A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 郭曉晨;吳一紅;夏慶福;余弘婧;白音包力皋;穆祥鵬;陳興茹
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: F03B13/14
• 分類號: F03B13/14;F03B1/00
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 袁建水

技術領域

本發明涉及一種雙向導流葉片沖擊式透平波力發電系統和方法，是一種可再生能源技術，是一種通過寬頻帶共振原理研究出的具有自動適應波浪頻率變化范圍的波能捕獲發電系統和設計方法。

背景技術

波浪能包括各種頻率的能量，其能量頻帶是一個頻率區間，相應地，波能捕捉裝置的系統固有頻率是一個點，只有其系統固有頻率與波浪頻率區間中的主頻率相等而發生共振時，才有較高的波浪能捕獲效率。即使如此，現有波能捕捉裝置也只捕獲了其固有頻率附近很窄范圍內的波能。中國專利《一種波力發電的寬頻帶波能捕獲裝置和設計方法》（申請號：201120527008.5）披露了一種能夠根據波浪頻率的變化自動地調整自身固有頻率的波能捕獲裝置。該裝置基于雙擊式水輪機的波能捕獲系統，通過設計雙擊式水輪機的進出流道，水輪機和它的進出流道一起組成了一個封閉式的水體，這個水體在波浪力的激勵下產生振蕩，振蕩水體能夠推動水輪機轉子實現單向旋轉，振蕩水體能夠周期性的改變系統所包含水體的質量和剛度，從而改變系統的固有頻率，這樣就使得波能捕獲裝置的固有頻率從一個點變為一個頻率區間，在頻率區間范圍內，具有高效捕獲這一頻段波浪能量的能力，解決了波浪能分布在很寬的頻率范圍內和傳統點吸收波能捕獲裝置只在很小的頻率范圍內具有高效率這一矛盾。所述的雙擊式水輪機是一種使水流沿水輪的外圓周流動而沖擊水輪轉動的水輪機。這種雙擊式水輪機為提高水流沖擊水輪的效率，往往需要使水流流過較多的葉片，才能盡可能地將較多水中動能轉換為機械能。這樣就產生了一種問題：水流要盡可能多的流過水輪葉片就會增加流道的長度，而增加流道的長度會使系統固有頻率增加，換句話說不適于捕獲振蕩周期較小的波能。更加困難的是使用雙擊式水輪機限制了水輪機轉子直徑的增大，而波能捕獲效率與轉子的直徑成正比，顯然對于雙擊式水輪機轉子來說這點無法實現。

但是針對中國沿海的波浪振蕩周期過小（只有4.0s-6.0s）的問題，采用雙擊式水輪機時，其轉子的直徑僅能達到1.25m，再增加轉子的直徑就要進一步增加流道的長度（水流通過葉片做功的長度），增加系統的固有頻率，其結果是使波能捕獲裝置的系統頻率超出波能的主頻范圍，顯著降低了捕獲波能的能力。

發明內容

為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種雙向導流葉片沖擊式透平波力發電系統和方法。所述的系統和方法采用雙向導流葉片沖擊式透平，配合優化設計的流道，通過這種方式設計的系統運動周期較小，能夠涵蓋的波浪頻率4.0s-6.0s的范圍，基本涵蓋了中國海洋波浪能量譜組成的高能量范圍。

本發明的目的是這樣實現的：一種雙向導流葉片沖擊式透平波力發電系統，包括：設置在水下的水口，所述的水口通過外水道與安裝有帶動發電機的水輪機轉子的過流通道，所述的過流通道通過內水道與水箱的底部連接，所述的水箱與內水道相連的水箱底部較小，水箱上部較大，所述的水箱底部和水箱上部平滑過渡連接，形成喇叭形，水箱的上口是敞開的，所述的水輪機轉子是單向轉動的軸流式水輪機轉子。

進一步的，所述的過流通道與外水道連接處和內水道連接處安裝有導流葉片。

進一步的，所述的水輪機葉片為擴口U形，擴口U形的底部沿轉子的圓周向布置；所述的導流葉片呈彎曲狀：接近水輪機葉片一側導流葉片的葉面與水輪機葉片擴口處的葉面方向一致或接近一致，導流葉片的另一側與轉子回轉中心軸線方向一致或接近一致。

一種使用上述發電系統的雙向導流葉片沖擊式透平波力發電方法，所述方法的步驟如下：

海浪涌入的步驟：用于通過水口和外水道將海浪引入過流通道；

涌入海水沖擊水輪機轉子的步驟：用于引導涌入海水沖擊水輪機轉子轉動；

海水進入水箱的步驟：用于將海水通過內水道引入水箱中，由于水箱是從下到上開口的喇叭形，使水體在進入水箱后，整個流道和水箱中的水體與水箱、流道、渦輪機形成的系統固有頻率是一個不斷變化的范圍，這個系統固有頻率范圍與海浪的主頻譜相適應，產生共振，最大程度的吸收海浪中的能量；

海水涌出水箱的步驟：用于通過內水道將水箱中涌出的海水引導至過流通道；

涌出海水沖擊水輪機轉子的步驟：用于引導從水箱中涌出的海水沖擊水輪機轉子轉動，水輪機轉子的轉動與海水涌入過流通道時所沖擊轉子轉動的方向一致；

海浪涌出的步驟：用于通過水口和外水道將海浪引入大海；

所述的涌入、涌出海水沖擊水輪機轉子的步驟；

海水涌入時，海水在外水道一側的導向葉片的作用下，從水輪機回轉軸方向沿導向葉片轉彎，沖擊水輪機葉片擴口U型的底部，形成轉子轉動的轉矩，推動轉子轉動；