水蓄能型水下浪潮能发电系统及其配套设备的新型设计

水蓄能型水下浪潮能发电系统 及其配套设备的新型设计

我国是一个滨海大国，拥有浩瀚的海疆、星罗棋布的大小岛屿和为数众多港 湾河道入海口，因而存在着极其丰富的浪潮能资源。当今世界能源严重短缺，环 保要求又日益高涨，我国每年需要进口数千万吨石油以弥补本国石油产量之不足。 因而每年花费数百亿美元巨额外汇资金。在节能与环保双重要求下，不失时机地 关注浪潮能天然可再生能源的开发与利用，意义深远，具有十分广阔的发展前景。

现代船舶无论是微小的单人游艇，还是万吨级巨型远洋客货轮，以至十万吨 级核动力航母，几乎毫无例外地采用了以机械能转动螺旋桨推进器作为驱动方式。 在开发浪潮能发电系统时，反其道而行之，利用浪潮的能量带动螺旋翼轮以产生 机械能，无疑是一个合理的选择。

以大陆架为基地的浪潮能水下发电场，由于有不影响正常航运、不妨碍正常 渔业生产、离海岸不宜太远、水深范围不大等等特殊现实的限制，螺旋翼轮的外 径一般不太大，单机容量相当有限(数百KW，最大也不过数千KW)。一个数万 KW、以至数十万KW、甚至于更大容量的水下发电场，势必要采用数十台以至数 百台上千台大小不一的螺旋翼轮，作“蚂蚁啃骨头”的阵势。如果采用[1台翼轮 +1台调速装置+1台发电机]的模式，不难想象发电场的组织结构是何等的繁杂， 其结果只能是建设费用十分高昂，日常维护保养也将十分的困难，所以这种单机 组合“小本经营式”的落后方式，是不能适合大规模能源开发的现实需要的。

本专利申请提出水蓄能型浪潮发电系统新概念，其核心技术是将每台螺旋翼 轮以最简约的方式将其收集到浪潮能转化为水的位能(高压水)。将数十台、数百 台、上千台分散的翼轮能量，汇集到一个高位水池，然后以高压水为动力源集中 地带动水轮发电机组，达到产生电能的目的。以高压水为能量中间载体，大大简 化了电场的设备布置，降低了建设投资，简化了维护保养，其优点是十分明显的。

图1为水蓄能型水下浪潮能发电系统地设备布置示意图。翼轮(件1)接受浪 潮的正面冲刷产生旋转，带动翼轮轴(件3)。翼轮轴的另一端有一个凸轴组合(件 5)，将旋转机械能转化为往复式直线运作的机械能，通过曲轴连杆(件6)推动活 塞杆(件9)，活塞(件8)随之作左右活动，使双向往复泵RP1、RP2(件7)产 生高压水和抽取低压水。来自分散的螺旋翼轮系列的全部高压水汇集到高压水总 管(件11)，然后注入高位水池(件12)。高压水由下水管(件14)导入水轮发电 机组(件15、16)，产生电能。

以下介绍本专利申请的几项主要构件。

图2为高捕获率螺旋翼轮的结构示意图，D₁为翼轮外径，D₂为翼轮轴直径， D₃为翼轮毂直径，W为翼轮宽度。图示翼轮有翼片五个(A～E)，各占72°空间， 平均分面在360°周围。各个翼片都扭曲一个角度，在翼片根部触及翼轮毂处为倾 角α₁，在翼片顶部触及翼轮外箍处为倾角α₂。由于相邻翼片之间有一个倾角，因 此当水触及翼片时就产生一个向横向流动的趋势，翼片A的水流转向翼片A与翼 片B之间的空隙经翼片B后平面流出翼轮的范围。水流动方向的改变使其面向翼 片A有一个分力，推动翼轮的转动。

本专利申请人需要特别声明：

①在附图中示翼片数为5，(翼片平均分布在360°圆周内)，并不意味着翼片 数只允许5个，如果在实施时决定采用6个(或其它数目)翼片。只要符合平均 分布的原则，也无不可。

②图示翼片数为5时，每个翼片的平均占有360°圆周的72°，并不意味着 翼片的宽度(从正视图上看)也必需是72°，如果在实施时决定放大水流逸出的 通道尺寸，可以将翼片宽度(从正数图上看)适度减少(譬如减少到60°)。只要 是有利于水流的逸出，也无不可。当然为了这个目的，还可以结合变化W₁、α₁、 α2的数值，以达到最完美的组合。

③图示翼片面为平板型，在实施时也可以用铸锻等工艺生产，更符合“流线 型”原理的断面形式。图示平板型，只是说明翼片型线的基本走向，并非硬性规 定翼片为平板型。任何有利于水流平稳流动的型线，与本专利的核心技术是兼容 的。

在翼轮外围(即翼片的顶部)用翼轮外箍将全部翼片圈住，以增强翼轮的稳 定性，在翼轮较大时(譬如直径为10米时)特别有利。

图3为双向往复式水泵的结构示意图。活塞(件8)由活塞杆(件9)驱动作 左、右运作，因而造成水泵内腔左、右两侧水压的升降变化。泵体左、右两端各 设置逆止阀两个。两个逆止阀结构相同但装置方向相反。当活塞由左向右运作时， 泵体左侧水压降低，而泵体右侧水压升高。水压的升、降变化造就了两个阀门相 反的开启与关闭。详细情况，请参见下表：

由于逆止阀的这种布置，无论活塞 是向左或向右运作，本专利双向往复泵 皆能将水送向高压总水管(件11)。或 者可以说，无论海浪(潮)是升是降， 翼轮作顺时针或逆时针的转动，就都能 将海水压入高压水管。

海水经过高压水管进入高位水池 后，就蓄积了位能。以后的海水流程 [高压水池(件12)→下水管(件14) →水轮机(件15)→发电机(件16) →电能]是典型的水电流程，我国已具 有十分先进的技艺，有现成的各种规格 的水轮发电机组可资选用，不必再作详细解说。

  水泵   RP   逆止阀   V       逆止阀的动作

  活塞向左   运动时   活塞向右   运动时

  RP1   V1   开   关

  V2   关   开

  V3   开   关

  V4   关   开

  RP2   V5   开   关

  V6   关   开

  V7   开   关

  V8   关   开

图4为逆止阀(件10)的结构示意图。该阀设计结构简单，造价低廉，只有 三个主要部件(阀体、阀芯和检查门盖)。阀芯的活动由阀的进口水压与出口水压 所决定。进口水压大于出口水压时，阀芯被抬起，允许流水通过。出口水压大于 进口水压时，阀芯自重落下，关闭了流水通道。逆止阀与上述水泵的联动作用， 因此才形成了上表所示的动作程序。

由上述说明可见，本专利流程中各个部件都是结构简单，制造工艺成熟，或 已有技艺十分精美的现成产品可资选用。因此本专利的实施可以实现“全盘国产 化”，有利于大面积的推广。