CN112392641B - 一种水上发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种水上发电装置，密闭漂浮的设备台被中部的舱隔板分为上、下两个舱室，下舱室存有淡水并安装有发电舱，发电舱将下舱室分隔为U形，使淡水经底部的水流通道在两侧流动，从而推动底部的涡轮转动，涡轮又通过连轴机构带动发电舱内的发电机工作，发电机产生的电能则存储至上舱室内的蓄电池处。该水上发电装置结构简单，可降低生产和维护成本，并能够应用于各类水上环境，同时对使用环境的限制极小，且使用寿命极高，平稳性好，有利于保证工作稳定性。

Description

一种水上发电装置
技术领域
本发明涉及发电设备，特别是涉及一种设置于水上并利用水能进行发电的装置。
背景技术
水能是一种可再生的清洁能源，其以水体的动能、势能或压力能等作为能量资源。江河、海洋内的水体都能够用于发电，特别是海洋，其蕴含的波浪能极为巨大。海上发电设备通过捕获波浪对结构件的扰动而产生的动能，再通过液压***驱动发电机发电。但现有的海上发电设备的经济性较差，难以进行大规模化的推广，其中一个原因是设备成本较高，另一个原因是设置位置限制较大，部分设备只能布置于岸边，并需要挑选适宜的海岸位置进行人工改造，既需要大量的改造成本，也影响海岸景观；部分设置则布置在沿海，其结构复杂、系固成本高，运动部件的防腐、防漏要求高，且维护困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单且可适用于各类水上环境的水上发电装置，以更有效、充分地利用水力发电，并降低设备制造和维护成本。
本发明所述的水上发电装置，包括密闭、可漂浮的设备台，设备台中部设置有舱隔板并将设备台内部密封分隔为上舱室和下舱室；舱隔板的底部安装有密闭的发电舱，发电舱沿某一直线方向的两舱壁延伸至设备台内壁，发电舱另一直线方向的两舱壁与设备台内侧壁之间留有间距形成蓄水室，发电舱底部与设备台底部之间设有两条连通两侧蓄水室的水流通道，下舱室内灌有液体，且液面位于蓄水室内并与舱隔板之间留有间距形成换气区，另有连通两侧换气区的透气管；上舱室内安装有蓄电池，发电舱内安装有发电机，水流通道内设置有涡轮，涡轮通过连轴组件与发电机连接，发电机通过IGBT模块与蓄电池连接。
本发明所述的水上发电装置，设备台漂浮于水上且密闭设置，可有效防止渗水；舱隔板将设备台内的空间分隔为了上、下两部分，上部的上舱室用于放置蓄电池，下部的下舱室又被发电舱进一步分隔为了内、外两部分，发电室内部安装发电机，发电舱外部形成了U形蓄水空间并存放有淡水，淡水不灌满整个U形蓄水空间，而是留有一定的区域作为换气区，使淡水可以经底部的水流通道在两侧的蓄水室之间进行流动。在使用时将水上发电装置放在水上，如一定范围海浪等级海面上，海洋波浪的起伏将会推动设备台产生周期性横摇运动，下舱室内的淡水将会不断地经水流通道流动，从而带动涡轮转动，涡轮则通过连轴组件带动发电机工作并发电，产生的电能通过IGBT模块转换为直流电存储至蓄电池内，以保存电能。该种水上发电装置结构简单，制作和维护都极为容易，可有效降低生产和维护成本；且其能够应用于大多数水上环境，适用范围较高，同时也具有较高的机动性，可逃离过于恶劣的海况环境；除此之外，其对使用环境的限制极小，无论是近海还是远海都可以方便地进行放置，也无需对使用环境进行改造；还有，外露的设备台为密闭结构且可采用耐腐蚀性高的材质制作，且即使发生倾覆也不会浸水，内部则采用不具有腐蚀性的淡水作为推动涡轮工作的水源，可避免腐蚀破坏涡轮和连轴组件，极大地提高了使用寿命；淡水除了作为推动涡轮的动力源之外，还可以使整个水上发电装置的重心下移，从而提高其平稳性，即使在风浪作用下产生大幅度横倾都不会发生倾覆，从而保证工作稳定性。
附图说明
图1是水上发电装置的结构示意图。
图2是两套发电机和涡轮的布置结构示意图。
图3是水上发电装置另一实施方式的结构示意图。
图4是水上发电装置的工作状态示意图。
具体实施方式
一种水上发电装置，包括密闭、可漂浮的设备台1，设备台中部设置有舱隔板2并将设备台内部密封分隔为上舱室和下舱室；舱隔板的底部安装有密闭的发电舱3，发电舱沿某一直线方向的两舱壁延伸至设备台内壁，发电舱另一直线方向的两舱壁与设备台内侧壁之间留有间距形成蓄水室11，发电舱底部与设备台底部之间设有连通两侧蓄水室的水流通道12，下舱室内灌有液体，且液面位于蓄水室内并与舱隔板之间留有间距形成换气区13，另有连通两侧换气区的透气管4；上舱室内安装有蓄电池5，发电舱内安装有发电机6，水流通道内设置有涡轮7，涡轮通过连轴机构与发电机连接，发电机通过IGBT模块与蓄电池连接。
所述的水上发电装置，设备台1、舱隔板2和发电舱3为钢筋混凝土结构，以提高设备的使用寿命和降低生产成本。连轴机构包括提高转速的变速箱81，变速箱分别通过连轴组件82与发电机6、涡轮7连接，变速箱和连轴组件通过不同直径齿轮啮合和传递作用，可以提高发电机的转速，以满足发电要求。
设备台可以为如图1所示的方形结构，也可以为如图3所示，设备台1位于下舱室顶部处的宽度大于设备台的底部，形成船状结构，对液面上部的换气区进行加宽处理，以增加液体在横倾时的势能，提高发电功率。而发电舱3下部的宽度大于上部，形成“凸”字形结构，下舱室内的液面高度位于发电舱上部位置处，以进一步提高液体势能和提高发电功率。
如图2所示，发电舱3底部与设备台1底部之间设有两条所述的水流通道12，两条水流通道内分别设置有朝向相反的涡轮7，两条水流通道位于涡轮7朝向的一端处，安装有可单向开关的单通阀9，发电舱3内安装有两个发电机6并分别通过连轴机构连接两个涡轮。通过两套发电机和涡轮的设置，可以在不同横倾状态下进行发电；而水流通道和单通阀的设置，则可以防止发电机反转，也可以控制液体流量，避免液体产生的横倾力矩过大而影响水上发电装置的平稳运行。
所述的水上发电装置，设备台1顶部安装有风帆10，在顺风条件下，可利用风力作为推进动力，水上发电装置沿直线方向移动，而在逆风条件下，则利用风作用在风帆两边的压力差产生升力实现逆风航行，使水上发电装置沿“之”字形路线移动。设备台上还安装有控制风帆方向的风帆控制机构（未图示），以控制风帆配合风向带动设备台移动。同时，设备台1上安装有导航机构（未图示），通过导航机构配合风帆控制机构工作，从而控制水上发电装置的行进方向，如此，在港口或海上平台处即可方便地释放水上发电装置，水上发电装置通过导航机构能够自动移动至适宜海区以捕获海浪能，待蓄电池充电完成后，风帆控制机构和导航机构再控制水上发电装置回返港口进行回收。还有，设备台1顶部和舱隔板2位于发电舱3上方处，分别安装有连通内外两侧的水密舱盖20，从而在港口内打开水密舱盖，以更换电池或对发电机、变速箱等设备进行维护。除此之外，设备台1的底部安装有呆木30，通过呆木减少纵向上的摇晃，且可减小逆风航行时由风帆升力作用导致的倾角大小。
所述的水上发电装置，设备台1于蓄水室11的舱壁外侧处安装有冷却盘管40，冷却盘管的端部延伸至发电舱3和蓄电池5所在舱室。这是由于发电机和蓄电池在工作过程中会产生大量的热量，而钢筋混凝土结构的设备台又具有较高的隔热性能，若热量无法有效释放，将会影响发电装置的工作稳定性。为此，在设备台外安装冷却盘管，一方面可以利用海水进行冷却，另一方面则具有较高的工作稳定性和较低的制造成本，更换较为容易。
如图1、2所示，水上发电装置漂浮于水面P处，并在海洋波浪的作用下产生周期性横摇运动。当水上发电装置从倾斜回复到平衡状态时，两侧的蓄水室内的液体压力不等，相应的单通阀将自动打开，相应的涡轮转动并通过连轴机构带动发电机进行发电，产生的电能通过IGBT模块转换为直流电存储至蓄电池内，以保存电能。
以图4所示的水上发电装置规格为例，当水上发电装置发生7.5°横倾时，左右液面形心高度差变为：△h=0.226m*2=0.452m，
产生液面变化的液体截面积为：S=（0.658+0.132）*4/2=1.58m2，
产生液面变化的液体体积为：V=1.58*6=9.48m3，
产生液面变化的液体产生的势能为：W=mgh=ρVg△h =4.28x10^4J（ρ=1000kg/m3），
另外，假设水上发电装置的横摇周期为4s，从横倾回复到平衡状态时间约为t=1s，则水上发电装置的理论功率为：Pˊ=W/t=42.8kW，
势能与电能的转换效率约为0.25（势能有效利用率为0.7，涡轮转换效率为0.5，电制转换效率为0.7，总效率为0.7*0.5*0.7=0.25），那么发电功率为：P=10.7 kW，
若水上发电装置年利用天数为350天，每年发电量则为89880 kWh，电费按1元/kWh计算，每年产生的效益将为8.99万元。可见，该水上发电装置的使用将会产生巨大的经济效益。

Claims (9)

1.一种水上发电装置，其特征在于：包括密闭、可漂浮的设备台（1），设备台中部设置有舱隔板（2）并将设备台内部密封分隔为上舱室和下舱室；舱隔板的底部安装有密闭的发电舱（3），发电舱沿某一直线方向的两舱壁延伸至设备台内壁，发电舱另一直线方向的两舱壁与设备台内侧壁之间留有间距形成蓄水室（11），发电舱底部与设备台底部之间设有连通两侧蓄水室的水流通道（12），下舱室内灌有液体，且液面位于蓄水室内并与舱隔板之间留有间距形成换气区（13），另有连通两侧换气区的透气管（4）；上舱室内安装有蓄电池（5），发电舱内安装有发电机（6），水流通道内设置有涡轮（7），涡轮通过连轴机构与发电机连接，发电机通过IGBT模块与蓄电池连接；另外，发电舱（3）下部沿平行于水流通道方向的宽度大于上部。
2.根据权利要求1所述的水上发电装置，其特征在于：设备台（1）位于下舱室顶部处沿平行于水流通道（12）的宽度大于设备台的底部。
3.根据权利要求1所述的水上发电装置，其特征在于：发电舱（3）底部与设备台（1）底部之间设有两条所述的水流通道（12），两条水流通道内分别设置有朝向相反的涡轮（7），发电舱（3）内安装有两个发电机（6）并分别通过连轴机构连接两个涡轮。
4.根据权利要求3所述的水上发电装置，其特征在于：两条水流通道位于涡轮（7）朝向的一端处，安装有可单向开关的单通阀（9）。
5.根据权利要求1所述的水上发电装置，其特征在于：设备台（1）顶部安装有风帆（10），设备台上安装有控制风帆方向的风帆控制机构。
6.根据权利要求1或5所述的水上发电装置，其特征在于：设备台（1）上安装有导航机构。
7.根据权利要求1或5所述的水上发电装置，其特征在于：设备台（1）的底部安装有呆木（30）。
8.根据权利要求1所述的水上发电装置，其特征在于：设备台（1）顶部和舱隔板（2）位于发电舱（3）上方处，分别安装有连通内外两侧的水密舱盖（20）。
9.根据权利要求1所述的水上发电装置，其特征在于：设备台（1）于蓄水室（11）的舱壁外侧处安装有冷却盘管（40），冷却盘管的端部延伸至发电舱（3）和蓄电池（5）所在舱室。
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