一种浪流集成阵列悬浮式发电装置

技术领域：

本发明涉及一种集成发电装置的技术领域，尤其涉及一种浪流集成阵列悬浮式发电装置及最大功率主动控制的策略。

背景技术：

由于波浪和潮流能分布范围广且在不同海域时空分布、结构、频率和相位均不同，因此，目前无论国内还是国外，都是对波浪和潮流能分别研究和利用，且存在总转化效率较低和可靠性差问题。目前对于悬浮式水轮机阵列缺少标准化设计和匹配参数化设计系统。

实际上，在海洋可再生能源开发利用中，波浪和潮流能是密不可分的，是有相互作用的。由于波浪和潮流发电机理不同，波浪和潮流相互作用有时可以使发电效果增强，有时会使发电效果减弱，导致转换装置经常处于非设计工况或无法发电甚至使发电设备破坏。

因此，研究波浪和潮流能相互集成作用机理，是实现海洋能发电装置的定型和规模化推广亟待解决的科学问题。

现今的海上潮流能发电装置在以下一些不足：

1.传统潮流能悬浮式发电装置结构相对单一，在波浪干扰作用该装置的一个周期内其发电功率同时存在周期性的变化，在不同海况下很难保证其发电功率维持在一个相对稳定的范围内。上述原因导致发电装置所转化的电能不能为绝大多数需要相对稳定的电压工作的装置供电，使发电装置的发电效率下降，所能使用的范围很小。

2.目前研究海上发电装置主要集中在如何获能的实验方面，很少考虑海上发电装置的防护、固定以及利用。

发明内容：

本发明为了解决上述问题，本发明的目的在于：提供一种适用于海上浪流集成阵列悬浮式发电装置，使其具有相对稳定的功率以适用更加复杂的工作环境、方便实现电能的并网。

本发明的技术方案如下：一种浪流集成阵列悬浮式的发电装置，由若干组浪流式水轮机和锚泊系统组成；其特征在于：每组浪流式水轮机安装在支架上，包括叶轮、传动连杆机构、发电机和浮筒；其中，叶轮圆周转动后，通过传动连杆机构驱动发电机发电，第一组浮筒安装在支架两侧，浪流式水轮机利用浮筒漂浮于海面上。

在一个实施例中，所述传动连杆机构包括传动连杆，传动连杆的第一端与叶轮转轴活动连接，其第二端与发电机线圈的转轴活动连接，叶轮转轴通过连接部件与叶轮连接，其中所述叶轮的两端和发电机线圈的两端各安装一组传动连杆。

在一个实施例中，所述叶轮两侧的两组所述传动连杆之间的角度相位差为180°。

在一个实施例中，若干组浪流式水轮机之间阵列式排列，第一组相邻的浪流式水轮机之间通过万向连接杆连接，万向连接杆与波浪方向基本一致；第二组相邻的浪流式水轮机之间通过固定连接杆连接，固定连接杆与波浪方向基本垂直。

在一个实施例中，所述锚泊系统包括锚泊系统浮筒、锚链和固定锚；其中，固定锚设在海床上，固定锚通过锚链与第二组浮筒连接，第二组浮筒通过装置固定杆与所述组浪流式水轮机连接。

在一个实施例中，所述万向连接杆与所述浪流式水轮机之间或所述第二组浮筒与所述装置固定杆之间通过万向节连接。

在一个实施例中，还包括支撑架，所述叶轮通过支撑架连接所述支架，为所述叶轮提供支撑，所述叶轮的转轴为曲轴。

在一个实施例中，所述第二组浮筒的所述万向节通过锚泊系统接口与所述装置固定杆连接。

在一个实施例中，通过所述万向节上万向轴的角度调节使所述波浪垂直作用于所述叶轮，获得最大发电效率。

在一个实施例中，所述每组浪流式水轮机之间相隔一定距离排列，整体呈矩形阵列。

在一个实施例中，还包括控制和管理电源模块的装置，包括天线、蓄电池、微型计算机、各类功能的接口。

本发明与现有技术相比具有的主要优点或积极效果是：

1)针对传统悬浮式垂直轴水轮机在浪流共同作用下存在总获能效率低、启动速度需求高、获能稳定性差和强波动性等问题。本发明沿波浪传播方向设置多个水轮机，使各水轮机处于不同波高、波相位下的波浪作用，提出水轮机阵列整体获能稳定理念，创新性地设计一种卧式垂直轴悬浮水轮机阵列，利用合理的空间布局获取多自由度的波浪和潮流能。

2)在不同的工作坏境下适当集成不同规模的集成装置，浪流式水轮机001的连接装置有高度的互换性。不同工作坏境下能够将万向连接杆和固定连接杆设置不同的长度以获得最大的发电效率。

3)设计创新潮流能发电设备集成系统，该结构对水流阻力影响较小且能保证结构稳定。该连接杆与装置固定杆使用具有质量轻、耐磨，耐腐蚀、耐用等特性的材料。同时在其外表面完成刷漆防锈。

4)需要对发电设备进行定期清理，防止海洋生物附着，阻碍水体流动。防止海上漂浮垃圾卷入发电旋转设备，缠绕破坏发电装置。该装置零件种类相对较少，零件之间的问题相对较少出现，维护清理难度较低。

5)多个浪流式水轮机集成发电，保证功率相对稳定的同时配备电力并网装置，经过变流器的调节使电能进入接口到达电网。电力经过电网运输，传递至储能电站，经变流器传入接口，进入储能电站完成电能的储存。

6)可使用控制器集中控制各模块设备，实现智能化远程监控。定期将监测设备数据发送至陆地，便于研究相应海域环境等状况。

附图说明：

图1为本发明一实施例中，一种浪流集成阵列悬浮式发电装置的整体结构的示意图；

图2为本发明一实施例中，浪流水轮机的部分安装示意图；

图3为本发明一实施例中，锚泊系统与浪流水轮机连接的接口局部放大图；

图4为本发明一实施例中，浪流水轮机连接的万向节的局部放大图；

图5为本发明一实施例中，浪流水轮机的主视图；

图6为本发明一实施例中，双平行四边形的传动机构的示意图；

图7为本发明以实施例中，电力并网电路的工作原理图。

在图示中：

001浪流式水轮机

101叶轮

102发电机

103传动连杆

104轴瓦

105控制及电源管理模块

201支撑架

202支架

203浮筒

204万向节

205固定连接杆

206万向连接杆

301装置固定杆

302锚泊系统接口

303锚泊系统万向节

401锚泊系统浮筒

402锚链

403固定锚

106叶轮的转轴

107连接部件

108发电线圈的转轴

109发电机线圈

具体实施方式：

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。

请参考图1并结合图2-图7，本发明公开了一种浪流集成阵列悬浮式发电装置，包括浪流式水轮机001、叶轮101、发电机102、传动连杆103、轴瓦104、控制及电源管理模块105、叶轮的转轴106、连接部件107、发电机线圈的转轴108、发电机线圈109、支撑架201、支架202、浮筒203、万向节204、固定连接杆205、万向连接杆206、装置固定杆301、锚泊系统接口302、锚泊系统万向节303、锚泊系统浮筒401、锚链402、固定锚403。

所述在浪流集成阵列悬浮式发电装置中，某一个浪流式水轮机通过万向节204与装置固定杆301连接；装置固定杆301与锚泊系统通过锚泊系统接口302连接；锚泊系统接口302连接于锚泊系统万向节303；锚泊系统万向节303装配于锚泊系统浮筒401；锚链402与锚泊系统浮筒401连接，同时与固定锚403连接；固定锚403插在海床上。与水波垂直方向的浪流式水轮机001通过固定连接杆205联在一起，固定连接杆205固定在浮筒203；水波方向浪流式水轮机001通过万向连接杆206连接，万向连接杆206连接在相应位置的万向节204；万向节204与浪流式水轮机001装配；浪流式水轮机001借由其两侧的浮筒203漂浮于海面上；浮筒203通过连接装置与支架202装配；支撑架201通过连接装置与支架202装配；叶轮101位于支撑架201下方，浪流式水轮机内部设有发电机102，发电机102连接固定位置打螺纹孔与支架202螺钉连接；叶轮101通过支撑架201上通孔与支撑架相连,叶轮的转轴106设计为曲轴，与传动连杆103装配，同时传动连杆103与发电线圈转轴108装配，完成动力的传递。

本发明的有益效果在于：

1)针对传统悬浮式垂直轴水轮机在浪流共同作用下存在总获能效率低、启动速度需求高、获能稳定性差和强波动性等问题。本发明沿波浪传播方向设置多个水轮机，使各水轮机处于不同波高、波相位下的波浪作用，提出水轮机阵列整体获能稳定理念，创新性地设计一种卧式垂直轴悬浮水轮机阵列，利用合理的空间布局获取多自由度的波浪和潮流能。

2)在不同的工作坏境下适当集成不同规模的集成装置，浪流式水轮机001的连接装置有高度的互换性。不同工作坏境下能够将万向连接杆和固定连接杆设置不同的长度以获得最大的发电效率。

3)设计创新潮流能发电设备集成系统，该结构对水流阻力影响较小且能保证结构稳定。该连接杆与装置固定杆使用具有质量轻、耐磨，耐腐蚀、耐用等特性的材料。同时在其外表面完成刷漆防锈。

4)需要对发电设备进行定期清理，防止海洋生物附着，阻碍水体流动。防止海上漂浮垃圾卷入发电旋转设备，缠绕破坏发电装置。该装置零件种类相对较少，零件之间的问题相对较少出现，维护清理难度较低。

5)多个浪流式水轮机集成发电，保证功率相对稳定的同时配备电力并网装置，经过变流器的调节使电能进入接口到达电网。电力经过电网运输，传递至储能电站，经变流器传入接口，进入储能电站完成电能的储存。

6)可使用控制器集中控制各模块设备，实现智能化远程监控。定期将监测设备数据发送至陆地，便于研究相应海域环境等状况。

可以理解的是，在实施例中的一种浪流集成阵列悬浮式发电装置，浪流集成式水轮机零件支撑装置是支架202，用若干矩形管焊接(参考图2)，并焊接零件万向节204所需万向轴的支架。将叶轮101装入支撑架201上，之后把叶轮的转轴106和支撑架201的装配体一起装入支架202中。

浮筒203可以装在支架202的两侧。视实际所需调整浪流式水轮机的数量与排列方式，将相应数量的万向节204装入相应位置。将装置固定杆302与要求位置的万向节204完成万向轴装配(参考图3)。各个万向连接杆206也可以与各个万向节204装配，固定连接杆205安装在浮筒203的相应位置上。通过装置固定杆301连接浪流式水轮机001和锚泊系统来完成整个浪流集成阵列悬浮式发电装置的装配。

本发明各组件实现的功能分述如下：

1.叶轮101是整个装置的工作系统，波流共同作用下，伴随着波峰波谷的不断交替，海水间歇性地向叶轮结构涌入，并造成水轮机强迫运动。叶轮101连有传动连杆103，在叶轮101圆周运动的过程中同时将运动传递至传动连杆103。

2.传动连杆103是将动力从叶轮101传递至发电机102的动力船体装置，叶轮101两侧的两套平行四边形四杆传动机构的相位差为180°既保证的传递的稳定性也消除了装置传递动力周期中的应力集中，消除了在一套平行四边形四杆传动机构中出现的反平行四边形机构的问题。

3.支撑架201间接连接了叶轮101，为叶轮101提供支撑，保障叶轮101在工作中具有相对稳定的动态工作坏境。

4.支架202是浪流式水轮机上若干零件的主要支撑装置。

5.由于整个装置的工作环境是海面，浮筒203连接支撑架20

6.波浪集成阵列悬浮式发电装置各个浪流式水轮机在工作中处于不同的位置，彼此的位置在海水间歇性地向叶轮结构涌入过程中不断变化。

7.万向节的万向轴提供给各个浪流式水轮机最大的位置变化空间，以免波浪巨大能量撕毁装置，同时限制一定的旋转角度，防止装置部件干涉浪流式水轮机相撞。

8.万向连接杆206与固定连接杆205连接相邻浪流式水轮机，让浪流式水轮机之间保证一定的距离，保证在一个波浪周期中有若干浪流式水轮机处于波的不同位置，保证整个发电效率相对稳定，同时防止浪流式水轮机之间距离过近。

9.装置固定杆301同样使用万向轴连接，连接于万向节204上(参考图3)。海浪在不同阶段有不同的方向，可调整万向轴角度使得波浪总是垂直作用于叶轮101，以获得最大的发电效率。

10.锚泊装置主要由固定锚403、锚链402、锚泊装置浮筒401等组成。固定锚403插在海床上，锚链402一端系在固定锚403上另一端系在锚泊装置浮筒401上，连接固定锚403和锚泊装置浮筒401；锚泊装置浮筒的主要功能是固定海面工作装置，通过锚泊装置浮筒上的万向轴机构和接口与需要固定位置的装置连接。

11.控制及电源管理模块的主要装置有天线、蓄电池、微型计算机、各类功能的接口等。天线能够发送有关装置工作状态的信息信号，接收控制信号；蓄电池贮存发电装置转化的电能，为控制模块提供动力并为电能的并网提供必要的准备；微型计算机，内置cpu、集成控制面板、接口等；电能接口经过变流器与电网连接，传递电能；微型计算瞬时功率与蓄电池电量结合储能电站控制信号，控制变流器调整电流满足电网运输需求。

本实施例的工作原理如下：

1.调整装置固定杆301使波流垂直作用于叶轮，在波流共同作用下，伴随着波峰波谷的不断交替，海水间歇性地向叶轮结构涌入，并造成水轮机强迫运动导流罩设有发电装置，在叶轮圆周运动的过程中完成了浪流能到电能的转化。

2.装置内部有若干浪流式水轮机，在海面一个浪流周期中，各浪流式水轮机处该波浪不同的相位，每个水轮机有不同的瞬时发电效率。浪流能发电设备集成系统保证在一个浪流周期作用下整个装置拥有相对稳定的瞬时功率，经过电能转换装置进一步将电能转换来满足电力传输的要求。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。