[发明专利]一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统和方法，是一种可再生能源技术，是一种通过宽频带共振原理研究出的具有自动适应波浪频率变化范围的波能捕获发电系统和设计方法。

背景技术

波浪能包括各种频率的能量，其能量频带是一个频率区间，相应地，波能捕捉装置的系统固有频率是一个点，只有其系统固有频率与波浪频率区间中的主频率相等而发生共振时，才有较高的波浪能捕获效率。即使如此，现有波能捕捉装置也只捕获了其固有频率附近很窄范围内的波能。中国专利《一种波力发电的宽频带波能捕获装置和设计方法》（申请号：201120527008.5）披露了一种能够根据波浪频率的变化自动地调整自身固有频率的波能捕获装置。该装置基于双击式水轮机的波能捕获系统，通过设计双击式水轮机的进出流道，水轮机和它的进出流道一起组成了一个封闭式的水体，这个水体在波浪力的激励下产生振荡，振荡水体能够推动水轮机转子实现单向旋转，振荡水体能够周期性的改变系统所包含水体的质量和刚度，从而改变系统的固有频率，这样就使得波能捕获装置的固有频率从一个点变为一个频率区间，在频率区间范围内，具有高效捕获这一频段波浪能量的能力，解决了波浪能分布在很宽的频率范围内和传统点吸收波能捕获装置只在很小的频率范围内具有高效率这一矛盾。所述的双击式水轮机是一种使水流沿水轮的外圆周流动而冲击水轮转动的水轮机。这种双击式水轮机为提高水流冲击水轮的效率，往往需要使水流流过较多的叶片，才能尽可能地将较多水中动能转换为机械能。这样就产生了一种问题：水流要尽可能多的流过水轮叶片就会增加流道的长度，而增加流道的长度会使系统固有频率增加，换句话说不适于捕获振荡周期较小的波能。更加困难的是使用双击式水轮机限制了水轮机转子直径的增大，而波能捕获效率与转子的直径成正比，显然对于双击式水轮机转子来说这点无法实现。

但是针对中国沿海的波浪振荡周期过小（只有4.0s-6.0s）的问题，采用双击式水轮机时，其转子的直径仅能达到1.25m，再增加转子的直径就要进一步增加流道的长度（水流通过叶片做功的长度），增加系统的固有频率，其结果是使波能捕获装置的系统频率超出波能的主频范围，显著降低了捕获波能的能力。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统和方法。所述的系统和方法采用双向导流叶片冲击式透平，配合优化设计的流道，通过这种方式设计的系统运动周期较小，能够涵盖的波浪频率4.0s-6.0s的范围，基本涵盖了中国海洋波浪能量谱组成的高能量范围。

本发明的目的是这样实现的：一种双向导流叶片冲击式透平波力发电系统，包括：设置在水下的水口，所述的水口通过外水道与安装有带动发电机的水轮机转子的过流通道，所述的过流通道通过内水道与水箱的底部连接，所述的水箱与内水道相连的水箱底部较小，水箱上部较大，所述的水箱底部和水箱上部平滑过渡连接，形成喇叭形，水箱的上口是敞开的，所述的水轮机转子是单向转动的轴流式水轮机转子。

进一步的，所述的过流通道与外水道连接处和内水道连接处安装有导流叶片。

进一步的，所述的水轮机叶片为扩口U形，扩口U形的底部沿转子的圆周向布置；所述的导流叶片呈弯曲状：接近水轮机叶片一侧导流叶片的叶面与水轮机叶片扩口处的叶面方向一致或接近一致，导流叶片的另一侧与转子回转中心轴线方向一致或接近一致。

一种使用上述发电系统的双向导流叶片冲击式透平波力发电方法，所述方法的步骤如下：

海浪涌入的步骤：用于通过水口和外水道将海浪引入过流通道；

涌入海水冲击水轮机转子的步骤：用于引导涌入海水冲击水轮机转子转动；

海水进入水箱的步骤：用于将海水通过内水道引入水箱中，由于水箱是从下到上开口的喇叭形，使水体在进入水箱后，整个流道和水箱中的水体与水箱、流道、涡轮机形成的系统固有频率是一个不断变化的范围，这个系统固有频率范围与海浪的主频谱相适应，产生共振，最大程度的吸收海浪中的能量；

海水涌出水箱的步骤：用于通过内水道将水箱中涌出的海水引导至过流通道；

涌出海水冲击水轮机转子的步骤：用于引导从水箱中涌出的海水冲击水轮机转子转动，水轮机转子的转动与海水涌入过流通道时所冲击转子转动的方向一致；

海浪涌出的步骤：用于通过水口和外水道将海浪引入大海；

所述的涌入、涌出海水冲击水轮机转子的步骤；

海水涌入时，海水在外水道一侧的导向叶片的作用下，从水轮机回转轴方向沿导向叶片转弯，冲击水轮机叶片扩口U型的底部，形成转子转动的转矩，推动转子转动；