[发明专利]基于压缩流体加速提取波浪能的方法及实现该方法的双向水轮机

说明书

技术领域

本发明属于海洋发电技术领域，特别是涉及一种基于压缩流体加速高效提取波浪能的方法，还涉及实现该方法的双向水轮机。

背景技术

中国专利申请《一种基于海面波浪层和深海稳定区海洋波浪能差动能量提取的波浪能发电系统》（申请号201110078071.x）公开了一种波浪能发电系统，该系统所采用的水轮机为双向水轮机，它包括上、下两端具有喇叭型开口的圆筒状机壳、设于机壳内上部和内下部的导流叶片和设于两导流叶片之间的单向旋转转子，单向旋转转子以水轮机的中心旋转轴为中心沿与中心旋转轴相垂直的方向分布成圆盘涡轮形；在水轮机的中心旋转轴的外表面分别设有锥体状的上收缩体和锥体状的下收缩体，上收缩体位于中心旋转轴和上部导流叶片之间，下收缩体位于中心旋转轴和下部导流叶片之间。

该水轮机的工作原理是：水轮机置于深海稳定区，海面浮动平台随波浪上下运动并通过传动机构带动置于深海稳定区中水轮机在垂直方向上随波浪的起伏上下运动，水轮机在垂直方向上的运动使得稳定区水流不断通过水轮机的上部和下部导流叶片，同时冲击水轮机中部的单向旋转转子，受水流冲击的作用力，当水轮机受浮动平台垂直向上拉动或受重力向下运动时，受上部和下部两组导流叶片导引的作用，水流单方向作用水轮机的单向旋转转子，使水轮机中部的旋转转子单向旋转，并且带动与浮动平台通过万向节连接的传动杆与水轮机转子同步旋转，将转动力传递到海面的发电机转子，从而驱动发电机旋转，将海洋波浪能转换为电能。

上述结构的水轮机可以利用波浪垂直方向的最大相对位移提取海洋中的波浪能量，不仅结构简单、稳定性好，而且由于利用的是海水垂直方向的能量，所以当多个波浪能提取装置组成阵列时也并不会降低单个装置的能量提取效率。

但是，如何优化上述水轮机的结构以进一步提高水轮机的输出功率，进而实现发电机更大的发电能力是目前需要研究并亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种基于压缩流体加速提取波浪能的方法。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种基于压缩流体加速提取波浪能的方法，随波浪上下波动，在海面浮动平台带动下，置于深海稳定区水轮机在垂直方向上的运动使海水从被拖动的双向水轮机的机壳上、下两端开口分别流入机壳内，并通过作为定子的上、下收缩体与机壳之间逐渐收窄的环形通道，其特征在于所述机壳开口半径R的范围为0.3≤R≤15m，海水按照上、下收缩体根部半径r₀与单向旋转转子的中央半径r之比为0.8～0.99进行压缩，经过压缩的海水被加速后，高速冲击单向旋转转子，将往复双向流经的水流动力转换成单向旋转转子的单方向旋转运动，从而带动单向旋转转子的中心旋转轴转动，进而驱动由万向节连接的传动杆同步旋转，将转动力传递到设置在海面上海面浮动平台的发电机的转子，以使海洋波浪能转换为电能。

本发明大大减小了海水在机壳内的过流面积，大幅度提高了流体冲击单向旋转转子的速度，增大了单向旋转转子的转动扭矩，在本发明所述的各参数范围内，提高了水轮机的输出功率，进一步提高了发电机的发电功率。

作为本发明的一种改进，使进入机壳内的海水在所述环形通道内同时流经设于机壳内壁上的弧状长形片体的导流叶片，由导流叶片将海水从垂直方向导引转向而直接冲击在单向旋转转子的外缘的涡轮叶片上。

本发明进入机壳开口内的所有海水通过导流叶片被最大限度地导引到单向旋转转子的外缘（即涡轮叶片），降低了直接流过叶片或叶浆间隙的海水比例，增大了单位体积水流对单向旋转转子冲击的力矩，利用流体动力学原理，进一步增大了单向旋转转子的转动扭矩，大大提高了海水做功的效率，在上述海水被压缩提速提高水轮机的输出功率的基础上，进一步提高了水轮机的输出功率，进而提高了发电机的发电功率。

本发明的第二个目的在于提供一种实现上述基于压缩流体加速提取波浪能的方法的双向水轮机。

本发明的第二个目的通过如下的技术方案来实现：包括机壳及设置在机壳内可单向旋转的单向旋转转子，所述机壳为上、下两端具有开口的筒体，所述单向旋转转子以水轮机的中心旋转轴为中心沿与中心旋转轴相垂直的方向分布成圆盘涡轮形，在单向旋转转子的上方和下方分别设有正立锥体状的上收缩体和倒立锥体状的下收缩体，所述中心旋转轴分别穿过上收缩体和下收缩体以将其固定在中心旋转轴的外表面上，其特征在于所述机壳开口半径R的范围为0.3≤R≤15m，所述上收缩体和下收缩体的根部半径为r₀，所述单向旋转转子的中央半径为r，收缩系数n=r₀/r，n取值范围为0.8～0.99。