具有收缩扩张流道的分布排列式流体动能发电装置

摘要

本发明涉及一种具有收缩扩张流道的分布排列式流体(水或风)动能发电装置。它包括由涡轮机及其驱动的发电机组成的流体动能发电机组，有多个发电机组单元排列分布，每个涡轮机单元将安装于其前方和后部的遮蔽板、遮蔽-聚能板、聚能-扩压板和扩压板构成的收缩扩张通道的喉部。当收缩扩张流道的流体通过涡轮机的顺风段所在位置时，由于收缩扩张通道的作用，流体在流道内先增速，到达喉部时速度最大，压力降低，流过喉部以后，随着流道扩张，压力慢慢回升，从而可较大幅度地提高通过涡轮机的流体速度；此外前方的遮蔽板与遮蔽-聚能板同时还具有减小涡轮机逆风段叶轮上能量损耗的作用，因此该设计的装置能更高效地实现将流体动能转换为机械能，进而转化为电能的这一能量转换过程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用流体（水或风）的动能来发电的装置，特别是一种具有收缩扩张流道结构的分布排列式流体动能发电装置。

技术背景

与风类似，湍流不停的江河水以及海洋中由于存在温度、盐度的不同或是风的吹拂而引起的水平运动的海流同样会产生巨大的能量从而也可被利用来发电。水流中的能量与其流速的平方和流量成正比，一般来说，最大流速在2米/秒以上的水道，其水流能均具有可开发利用的价值。而这样的区域在地球上分布较为广泛，因此水流能是一种非常丰富的可再生能源资源。据理论估算，全球海流能可高达5TW。近几年来，海流能的利用得到了突飞猛进的发展，许多发达国家都投入巨额资金用于海流能的开发和海流能发电装置的研制。尤其是在英国，全尺寸的海流能发电装置已经通过了海上测试并实现了并网发电，标志着产业化、规模化开发海流能的时代即将到来。

我国海域中海流的流速多在每小时0.5海里，且流量变化不大，流向较为稳定。如果以平均流量每秒100立方米计算，仅我国近海和沿岸海流的能量就可达到一亿千瓦以上。其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的海流能较为丰富，不少水道的能量密度约为15~30kW/m²，如浙江的舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道，平均功率密度均在20kW/m²以上，而这些区域都为沿海较为发达地区，利用水流能（风力）发电可为满足这些地区经济和社会快速发展所需要的电力提供有力保障。

现有的垂直轴利用流体动能发电的涡轮机，如图1是S型涡轮机，图2是多S型涡轮机，图3是杯翼型涡轮机，对于这几种涡轮机，当流体（水或风）的流向为从左向右时，叶轮上半段与下半段都受到向右的流体作用力，但上半段（AUG）的力显然会比下半段大，涡轮机将会顺时针旋转，叶轮转过上半段时做功，是顺风段，做功过程，叶轮转过下半段（GDA）也叫逆风段，通过消耗一定的能量，使流体的动能恢复到做功段，是耗功过程，也就是说，叶轮下半段所对应的流体的能量，不但没有得到利用，反而起到了消耗能量的作用。

图4是一种遮蔽式板翼型涡轮机。这种装置，使得叶轮下半段（逆风段）所对应的流体将不再直接击打在叶片上从而不再阻碍叶轮的转动，但这部分流体中的能量也将全部损失掉。图5是一种聚能增速遮蔽排列分布式装置。在这种装置中，涡轮机处在有遮蔽板、遮蔽-聚能板和聚能板构成的流体通道的下游处，遮蔽板和遮蔽-聚能板对涡轮机叶轮下半段的叶片起到了阻挡来流的作用，从而减小了涡轮机上能量的损耗。虽然在这种装置中涡轮机前方聚能板和遮蔽-聚能板构成的收缩流道可以对来流起到一定的加速作用，但是涡轮机处于流道的出口，也就是说，涡轮机出口的压力就是环境压力，涡轮机处的压力不能有效降低，速度自然也就很难提高，因此，这种装置的能量利用率没有达到很高的水平。

发明内容

本发明目的在于针对上述装置的问题而提出一种具有收缩扩张流道的分布排列式流体（水或风）动能发电装置，这种装置不但能够最大程度地收集水流（风）能，并利用扩压段，有效降低收缩扩张流道喉部的压力，提高喉部处流体的流动速度，从而可进一步提高上述类型涡轮机的能量转换效率。

为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有收缩扩张流道的分布排列式流体动能发电装置，包括由涡轮机及其驱动的发电机组成的流体动能发电机组，其特征在于有多个发电机组单元排列分布，每个涡轮机单元的顺风段位于由其前部及后方的遮蔽板、遮蔽-聚能板、聚能-扩压板和扩压板共同构成的收缩扩张流道的喉部。

上述遮蔽板与聚能-扩压板，聚能-遮蔽板与扩压板的形状可完全相同，一个涡轮机单元的遮蔽板正好就是相邻涡轮机单元的聚能-扩压板。

上述功能板的型线均由一段或多段弧线组成的光滑曲线构成，其弧线的曲率圆心与所遮蔽的涡轮机的旋转中心在同一侧，曲率半径是涡轮机转子半径的1.005-100倍，其弧长是涡轮机转子半径的1.2-200倍。

上述涡轮机后部的扩压段，有效降低收缩扩张流道喉部的压力，提高喉部的流体速度，从而可进一步提高上述类型涡轮机的能量转换效率。

上述涡轮机前方的遮蔽板及遮蔽-聚能板可有效地对涡轮机叶轮逆风段叶片进行遮蔽，使来流不能直接击打在该段叶片上。

上述涡轮机是S型、多S型、板翼型或杯翼型。

因为流体的方向不变，上述每个遮蔽板、遮蔽-聚能板、聚能-扩压板以及扩压板可固定在支撑机构上，不再需要安装复杂的控制结构实施对流，因而这种装置的结构简单。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性突出特点和显著的优点： 涡轮机的顺风段处在由遮蔽板、遮蔽-聚能板、聚能-扩压板和扩压板共同构成的收缩扩张流道的喉部。由于流道后部存在一个扩压段，该流道中流体的压力一直低于周边的环境压力，喉部压力最低，只有在出口处压力才恢复到环境压力，因此，喉部流体的增速效果显著。

附图说明

图1是已有技术的S型涡轮机结构示意图；

图2是已有技术的多S型涡轮机结构示意图；

图3是已有技术的杯翼型涡轮机结构示意图；

图4是已有技术的遮蔽式板翼型涡轮机结构示意图；

图5 是已有技术的聚能增速遮蔽排列分布式利用流体动能发电装置示意图；

图6 是本发明具有收缩扩张流道的分布排列式流体动能发电装置的结构示意图；

图7 是用于图6所示流体动能发电装置的主视图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：参见图6和图7，本具有收缩扩张流道的分布排列式流体动能发电装置，包括由涡轮机及其驱动的发电机组成的流体动能发电机组；

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述下方遮蔽板2与上方聚能-扩压板4的形状完全相同，前部遮蔽-聚能板1与后部扩压板5的形状完全相同且对称，一个涡轮机单元的下方遮蔽板2正好就是相邻涡轮机单元上方的聚能-扩压板4；

实施例三：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：本实施例是该流体动能发电装置采用2个直径为5m的多S型（2个S型）垂直轴涡轮机3与发电机6，如图7，聚能-遮蔽板1、遮蔽板2、聚能-扩压板4及扩压板5均由一段圆弧构成，圆弧的直径都为22.5m,圆心与所遮涡轮机圆心在同一侧。板1、和5在水平方向(CD方向上)的长度为4m。构成收缩扩张流道的遮蔽-聚能板1、遮蔽板2、聚能-扩压板4和扩压板5直接固定在支撑机构7上。