CN86104768A - 海洋波动能接收机 - Google Patents

Abstract

海洋波动能接收机，以弧形叶片接收动力为特征，使120°—180°的弧形叶片在一根立轴上安装成纵向排列的立式叶轮机，此机在海洋中可以接收来自任意方向的波浪动能冲击力，在大流量江河中设施简易的使用此机便可接收流量动能，使此机驱动发电机即把动能转化成电能。

Description

能源的解放代表着生产力的解放。研究新能源的开发利用，是促进社会生产力发展的有力杠杆。

海洋中蕴藏着无限的能量，仅波动能一项能源可供人类取之不尽，用之不竭。

海浪的形成，是受地球自转的引力及海洋上空大气物理变化的自然风力的影响，所造成的海水扰动现象。

海浪的运动规律，是正弦波周期性的推力与质点自由落体运动力的叠加合成，推力在海水的纵面横向前进，质点自由落体运动力在波浪的正弦周期上进行。海浪的运动力，并不单独的表现在海平面正弦的波浪方面，在海水的纵面上，横向推进力随正弦波进行，正弦波幅是随海水的深度减小的。

海浪的大小与海水的深度有一定关系，与海洋上空自然风力的大小更有着直接的关系，地球引力对海水的扰动是一个常数，海水的深度与自然风力的变化是海浪形成大小的两个变数。

在海水的深度一定时，风力的大小决定海浪的大小;在风力的大小一定时，海水的深度决定海浪形成的大小。因为正弦海浪的波幅在纵向是随海水的深度增加减小的，海水深度一定时，波幅会消失，浅海浪小深海浪大，就是海水深度与风力的影响有直接关系。

波动不是流动，它还有一种回力，在海岸边可以看到这种回力现象一浪过来，接着一个回潮。波动在一定条件下是冲击力和回复力的结合，在海洋深处看不到这种现象，看到的只是一浪接一浪的连涌。

海浪的运动方向有时还有一种不规则的现象，这是受风力方向的影响所造成的。

对于海浪的物理特性，简单的提及一下，关键是如何通过这些特性去认识海浪的动能量和采取相应的措施，去接收这种动能量为之利用。

动是能的转换形势，有动就有能量的存在，这是自然运动的基本规律，海洋中的动能蕴量到底有多少，实在无法估计，海洋中巨浪滔天，海啸的威力，都是海浪动能作用力的体现，蕴量之大可以说是无限的。

下面根据海浪运动特性，设计波动能接收机的结构原理：

波动是一种流体运动，这种流体运动虽有方向，但并不始终规则，既要让流体运动，又要接收这种方向不规则的运动力，这是设计波动接收机的主要特点，弧叶型叶轮机的旋转原理正是适应这种特点的：

弧叶的特点是：叶片成半圆弧型，从力学的角度上来看，转动弧型叶片，背面弧的阻力呈流线摩擦正面弧的阻力为面积接收，这样就形成了正面弧与背面弧的力差悬殊，利用此种弧叶型的力学原理，设计一个弧型叶片纵向排列的水轮机，可以接收来自任意方向的冲击力，使正面弧向背面弧的方向旋转。弧叶型水轮机，既适应了流体的流动，又适应了流体在不同条件下的方向不规则运动，并在冲击力的作用下弧型水轮机进行旋转，把波浪冲击动能转换为机械动能的第一步过程便完成了;再使旋转的水轮机驱动发电机发电，便完成了波浪能第二步的转换过程，这便是波浪动能接收转换的基本原理。

从一般理论概念出发，设一例题来看一下波动能接收机功率的大小，以示明确它的效益概念。

例：假如海洋波浪高3米，弧型波动能接收机的接收面宽1米、高10米，海水质量为1000m³公斤，冲击速度按波速方程：c= $\sqrt{\mathrm{gh}}$ 米、秒，求功率W：功率方程：W=MA

：g为自由落体加速度;h为波高;M为水的质量;A为接收面积;

为波速代入方程。

1000公斤×1米×10米× $\sqrt{\mathrm{9\; ·8\; \times \; 3}}$ ≈55.000公斤·米·秒;1千瓦＝102公斤·米·秒

折合功率：55，000公斤·米·秒÷102公斤·米·秒＝538千瓦。如此看来，一个不大的波动能接收机，在一般波浪的情况下，接收功率就相当可观了：在大洋的深海区域海浪高达7-9米，波速达8-10米，这种波动能接收机更能发挥它应有的效益。

〔弧叶型波动能接收机的结构与按装〕

弧叶型波动能接收机的机械设计结构，并不复杂，主体结构由一根钢轴与弧度在120°-180°之间的弧型叶片纵向排列按装成水轮机，弧型叶片由一定强度的钢板制成，水轮机的弧型叶片可以按装成4纵列、6纵列或更多些的排列数量。

基架：

基架是按装水轮机的定位设施，用4根伸向海底的固定立柱，用钢制的十字架，把4根立柱的底部固牢，在十字架的中心位置按装轴承，定位水轮机旋转轴的底端;基架的顶端用钢制的十字架固牢4根立柱，在十字架的中心位置按装水轮机旋转轴的定位轴承，水轮机按装在中间位置，用钢板在顶部十字架上铺成平台既可。

发电机：

在高出水面的平台水轮机的旋转轴顶端按装发电机，发电机的功率选择与水轮机的功率相等即可，无须赘述发电机的设计，目前水轮发电机的品种繁多，可以任意选择。

设计波动能接收机有关数学公式

公式一：波速方程c=

。参照大学物理二册水波：式中

C-波速米/秒

g-自由落体加速度 9.8米/秒²

h-波高

根据此方程，知道波高，可以求出波的速度

公式二：功率方程W=MA

，式中

W-功率、千瓦或马力

M-海水或水的质量、公斤/立方米

-波速米/秒

1千瓦＝102公斤·米·秒＝1.36马力，

1马力＝75公斤·米·秒＝0.736千瓦。

按上述公式计算值为理论功率值，在发电过程中，水轮机效率约占0.70-0.85，发电机效率约占0.88-0.90：

公式三：转速公式：h＝ (C)/(2πR) ·t式中：

n-每分钟转速    转/分

c-波速    米/秒

2πR-圆周长公式，水轮机的圆周长

t-时间    60秒/分

此公式计算值为理论值，所得值为转/分。

公式四、弧长公式：L＝ (nπR)/180 式中：

L-弧长长度

n-弧的度数

R-弧的半径    参看平面几何

已知弧的半径和弧度，就可求出弧长，这一公式用于求弧叶型叶片的弧长。

公式五、扭矩公式：Md＝ (71620N)/(n) 厘米公斤，式中：

Md-扭矩·厘米公斤

71620-系数

N-马力

n-转数/分

公式六、承受弯曲和扭转载荷的轴，所必须的直径公式：

$\mathrm{d=3}\sqrt{\frac{\mathrm{Md}}{\mathrm{0.2L许用}}}$

参看《齿轮承载能力》一书。24页西德AK托马斯著。式中：

d-载荷轴的直径

Md-扭矩·厘米公斤

L-最大许用扭转应力·公斤/厘米²，根据轴的材料选取。

轴的直径公式也可按 $\mathrm{d\; =\; A\; 3}\sqrt{\frac{N}{n}}\mathrm{（毫米）}$

d-轴直径    A-轴材料和许用应力关系值

N-功率、千瓦

n-转速/分

参看《农村小型水电站》一书448页，浙江人民出版社。

公式六是载荷输出功率轴的直径公式，此公式用来计算波动能接收机输出功率轴的直径计算。

公式七、圆台柱体的体积计算公式：

V＝ (πh)/3 （r²+r² ₁+rr₁）式中：

V-体积 r₁-圆台柱的上头半径

π-圆周率    r-圆台柱的下头半径

h-圆台柱高

此公式计算波动能机按装弧叶型叶片的旋转轴体积：因水轮机的接收功率是从底部叶片到顶部叶片面积积分的合成，表现在旋转轴长度断面上的扭转应力大小是不一样的。明确地讲，下面力小，上面扭力大，总功率集合在输出轴的断面上，因而设计旋转轴应该是圆台柱体而不是圆柱体，这样可以减少旋转轴的体积重量。

波动能接收机的用途：

此发明主要用于海洋波动能的接收;其次还可以接收大流量江河的流量动能，如长江、黄河、金沙江、大渡河、雅鲁藏布江等江河流速比较大的地段，组合式或分散独立的使用本机设计结构，不需建设大型的设施，就可简易地使用此机接收流量动能发电，这些江河的流量情况，当年我都目睹过，并不是信口说来，可以沿江开发流量动能。

我国江河流量特别大，建设大型水电站，投资高昂，还受地形、人力、物力等条件的限制，利用此机，投资少，分散独立的沿江接收流量功能，同样可以收到满意的效果。

本发明所属技术范围，新能源技术开发。

附带说明的就是，建设海洋波动能发电站，应该与我所申请发明的同一种原理的《弧叶型立式风动能接收机》同时并用，这样同一设施的基架，底下按装波动能接收机接收波浪动能，顶上面按装风动能接收机接收海洋上空的风动能，可以两不误;在海洋上海浪和海洋风是同时存在的，这种廉价的海洋风能量虽然低些。同样有它的接收价值。简单地计算一下就明确了它的价值，6级风是正常的海洋风，几乎天天都有，风速平均值12.3米/秒，设高50米，直径2米的风力机接收功率，风的质量1.29公斤/m³。

代入功率方程：W＝MAC

1.29公斤×50×2×12.3米秒＝1586公斤·米·秒

1586公斤·米·秒÷102公斤·米·秒＝15千瓦

《弧叶型立式风动机能接收机》详细说明专利局有我申请材料，申请号：86103378;本机是专为接收海洋风与沙漠荒原风而设计的。

Claims (3)

1、连续运转的主体机构，是以弧型叶片为主要特征的水轮机，在一个钢制件圆柱体立轴上按装若干纵向排列的半圆弧型叶片形成立式叶轮机，其特征在于：

A、叶片弧度应在120°-180°之间的半圆弧型。

B、半圆弧型叶片与立轴纵向排列固接形成弧型叶轮机。

C、圆柱体立轴的两端，由轴承定位支承，应是转动轴。

D、根据C的要求，定位支承轴承，应按装在叶轮立轴顶底两端的定位支架上，水轮机在两支架的中间。

E、旋转叶轮机的顶底两端定位支架，当用钢制件“十”字架定位法，旋转立轴轴承按装在“十”字架的中心位置。

F、根据E的要求，定位“十”字的四个端头，固接在伸向海底固定的立柱上悬浮支承。

2、根据权力要求1的所述设计装置，波浪动能的冲击力，冲击在半圆弧型的叶片上，叶轮机就定向旋转。

3、根据权力要求1和权力要求2，在顶端的“十”字定位架上，把发电机与旋转叶轮机立轴固接，即可发电，完成整个波动能的接收过程。

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