一種海流能供電水下監測儀的製作方法
2023-06-22 12:41:36 4
一種海流能供電水下監測儀的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種海流能供電水下監測儀，其特徵在於：它包括迴轉支承、海流發電機組裝置和浮體；迴轉支承固定設置在海底，迴轉支承通過支柱連接海流發電機組裝置，海流發電機組裝置連接漂浮於海水中的浮體；海流發電機組裝置包括燈泡貫流式水力發電機組和圓截面管狀導流罩；燈泡貫流式水力發電機組包括有與支柱固定連接的燈泡體和設置在燈泡體尾部的水輪機，燈泡體內設置有發電機、儲能器和電路控制設備；燈泡貫流式水力發電機組的外側套設有具有特殊流線型的圓截面管狀導流罩；圓截面管狀導流罩包括平直入口段、中部收縮段和出口擴散段，平直入口段由導流入口至燈泡體最寬處，管徑保持不變；中部收縮段是由燈泡體最寬處至水輪機的葉輪處，管徑逐漸收縮；出口擴散段是由水輪機的葉輪至水輪機洩水錐尾部，管徑緩慢增大。
【專利說明】一種海流能供電水下監測儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及海流能供電領域，特別是關於一種能夠利用海流能實現供電的水下監測儀。
【背景技術】
[0002]海洋佔據了全球71%的面積，天氣預報、海事預警、海洋開發及海域監測都與海洋信息監測密切相關。開展海洋信息監測需要向海域中投放大量的監測儀。現有監測儀的用電功率通常較小，但是進行長期的實時監測，用電量大；另外，現有監測儀使用蓄電池供電，由於其壽命有限需要定期更換，降低了整個監測儀系統的可靠性，鑑於海上交通運輸、裝配和更換存在費用昂貴，受天氣和海況影響大，偏遠地區無法到達等特點，使用蓄電池供電並不能很好地滿足監測儀用電的長期需求和不間斷監測的要求，甚至制約了監測儀投放位置的選擇。近年來，新能源技術如太陽能、風能和海洋能發電技術等的發展，為海下監測儀的供電提供了新的解決方案，因此如果能夠因地制宜地利用取之不盡用之不竭的可再生清潔能源，不但減輕設備維修更換的頻率和費用，而且能夠滿足遠離陸地傳感監測設備持續供電的用電需求。
[0003]海洋底部存在的海流是海底監測網持續用電十分適宜的能量來源，與其它新能源技術相比，海流發電裝置可以固定在水下，工作環境相對穩定，受海上天氣變化和海況影響小；由於監測系統所需的電功率較小，使用微型的海流發電就可以滿足其用電的要求；另外，水流發電技術在內河水電站上已得到了廣泛應用且技術成熟可靠，開發適用於海洋環境的小型海流發電機組的研發和製作成本低。綜合以上兩點及海洋能資源可再生和特殊的地理優勢，小型海流能發電機組的開發具有十分良好的應用前景，將成為未來海下監測儀器供電的發展方向。
【發明內容】
[0004]針對上述問題，本發明的目的是提供一種結構簡單、可靠性好、發電效率高的海流能供電水下監測儀。
[0005]為實現上述目的，本發明採取以下技術方案:一種海流能供電水下監測儀，其特徵在於:它包括一迴轉支承、一海流發電機組裝置和一浮體；所述迴轉支承固定設置在海底，所述迴轉支承通過一支柱連接所述海流發電機組裝置，所述海流發電機組裝置連接漂浮於海水中的所述浮體；所述海流發電機組裝置包括一燈泡貫流式水力發電機組和一圓截面管狀導流罩；所述燈泡貫流式水力發電機組包括有與所述支柱固定連接的燈泡體和設置在所述燈泡體尾部的水輪機，所述燈泡體內設置有發電機、儲能器和電路控制設備；所述燈泡貫流式水力發電機組的外側套設有具有特殊流線型的所述圓截面管狀導流罩；所述圓截面管狀導流罩包括一平直入口段、一中部收縮段和一出口擴散段，所述平直入口段由導流入口至所述燈泡體最寬處，管徑保持不變；所述中部收縮段是由所述燈泡體最寬處至所述水輪機的葉輪處，管徑逐漸收縮；所述出口擴散段是由所述水輪機的葉輪至所述水輪機洩水錐尾部，管徑緩慢增大。
[0006]所述燈泡貫流式水力發電機組的尾端部設置一導流尾翼，所述導流尾翼包括一細長杆和一方向舵，所述細長杆的一端連接所述水輪機尾端部，所述細長杆的另一端連接所述方向舵，所述方向舵位於所述支柱的下遊一側，當入流與所述海流發電機組裝置存在夾角時，所述方向舵受水流衝擊作用，形成迴轉力矩，推動所述海流發電機組裝置在水平面內發生繞轉，直至導流入口正對來流方向，當所述方向舵與水流方向同向，水流衝擊力小時，轉動停止；所述方向舵採用水平直立翼板。
[0007]所述圓截面管狀導流罩的上遊迎流方向和下遊尾部方向分別套設一攔汙柵罩，所述攔汙柵罩的頭部設置為橢球狀。
[0008]所述浮體通過電纜連接所述燈泡貫流式水力發電機組內的電路控制設備輸出端，所述浮體上搭載有水聲通訊設備、聲吶探測器、水壓傳感器、流速儀或水環境監測傳感器。
[0009]本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點:1、本發明的燈泡貫流式水輪機的外側套設有具有特殊流線型的圓截面管狀導流罩，圓截面管狀導流罩包括有平直入口段、中部收縮段和出口擴散段，平直入口段使管內水流穩定，流速均勻，與喇叭狀開口導流罩相比，在導流罩增速比上有所損失，但是避免了導流罩開口背部回流形成漩渦，和由其引起的高脈動壓力和空化氣蝕，對減弱結構振動，降低噪聲，保持整體結構穩定性有良好的作用；中部收縮段與管內燈泡體相結合，使管內流速增加，同時中部收縮段壓強降低，對入流產生抽吸作用，增加入流量，有利於提高水能轉換效率；導流罩出口擴散段簡短，主要作用為平順地引導尾水射流進入管外流域，在管外通過渦旋卷吸，質點摻混實現餘能耗散，和長出口擴散段比，由於渦帶在導流罩外流域，導流罩內流體流態相對穩定，脈衝壓力幅值小，結構穩定，可靠性好。2、本發明由於將迴轉支承固定設置在海底，迴轉支承通過支柱連接海流發電機組裝置，因此本發明採用座底式設計，裝置位置穩定，和用錨系泊的漂浮裝置相t匕，不會發生「走錨」以至丟失裝置，另外海底環境(底床和水動力環境)穩定，不受海洋表面天氣和海況的影響。3、本發明由於在燈泡貫流式水力發電機組的尾端部設置有導流尾翼，因此利用導流尾翼和迴轉支承使裝置自動調整方向，使入口始終正對來流，能夠最大效率地利用海流。4、本發明的圓截面管狀導流罩的上遊迎流方向和下遊尾部方向分別套設攔汙柵罩，攔汙柵罩的頭部設置為橢球狀，因此可以有效攔截水中雜物，防止葉輪損壞，橢球頭狀攔汙柵罩設計型式使所攔截的雜物在水流不斷衝刷推移下被帶走，避免雜物累積，堵塞進出水口。5、本發明採用燈泡貫流式水力發電機組，技術成熟，效率高，適應大流量低水頭。
6、本發明的浮體通過電纜連接燈泡貫流式水力發電機組內的電路控制設備，浮體上搭載有水聲通訊設備、聲吶探測器、水壓傳感器、流速儀或水環境監測傳感器，因此可以與船基控制中心實現通訊，或海面監測儀實現通訊，確定位置，並傳輸監測數據。本發明可以廣泛應用於海流發電中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]以下結合附圖來對本發明進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發明，它們不應該理解成對本發明的限制。
[0011]圖1是本發明結構示意圖。【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0013]如圖1所示，本發明的海流能供電水下監測儀包括一迴轉支承1、一海流發電機組裝置2和一浮體3 ;迴轉支承I固定設置在海底，迴轉支承I通過一支柱4連接海流發電機組裝置2，海流發電機組裝置2通過纜繩51和電纜52連接漂浮於海水中的浮體3。
[0014]海流發電機組裝置2包括一燈泡貫流式水力發電機組21、一導流尾翼22、一圓截面管狀導流罩23和兩攔汙柵欄罩24。燈泡貫流式水力發電機組21的尾端部設置導流尾翼22，用於調整入流與海流發電機組裝置2之間的夾角，使海流發電機組裝置2的入口始終正對來流，最大效率地利用海流；燈泡貫流式水力發電機組21的外側套設有具有特殊流線型的圓截面管狀導流罩23，圓截面管狀導流罩23的上遊迎流方向和下遊尾部方向分別套設有攔汙柵罩24。燈泡貫流式水力發電機組21為現有技術，它包括有與支柱4固定連接的燈泡體211和設置在燈泡體211尾部的水輪機212，燈泡體211內設置有發電機、儲能器和電路控制設備。
[0015]圓截面管狀導流罩23包括一平直入口段231、一中部收縮段232和一出口擴散段233，平直入口段231由導流入口至燈泡體211最寬處，管徑保持不變，管徑大小在此不作限定，可以根據實際應用進行設置；中部收縮段232是由燈泡體211最寬處至水輪機212的葉輪處，管徑逐漸收縮，收縮程度在此不作限定，可以根據實際情況進行設置；出口擴散段233是由水輪機212的葉輪至水輪機212的洩水錐尾部，管徑緩慢增大，增大程度在此不作限定，可以根據實際情況進行設置。
[0016]在一個優選的實施例中，導流尾翼22包括一細長杆221和一方向舵222,細長杆221的一端連接水輪機212的尾端部，細長杆221的另一端連接方向舵222，方向舵222位於支柱4的下遊一側。當入流與海流發電機組裝置2存在夾角時，方向舵222受水流衝擊作用，形成迴轉力矩，推動海流發電機組裝置2在平面內發生繞轉，直至導流入口正對來流方向；當方向舵222與水流方向同向，水流衝擊力小時，轉動停止。其中，方向舵222根據所需轉向力矩確定，可以採用水平直立翼板，增加翼板面積可以增加水流作用力，但是細長杆221容易因受力過大斷裂，在翼板面積一定的情況下，通過調節細長杆221長度，也可以使導流尾翼22達到所需轉動力矩。
[0017]在一個優選的實施例中，攔汙柵罩24用於阻攔水流中裹挾的雜物，隔離較大的海洋生物，防止其被捲入到燈泡貫流式水力發電機組21內損壞水輪機212的葉輪，攔汙柵罩24的頭部可以設置為橢球狀，橢球狀可以使雜物隨水流流走，避免雜物累積，堵塞進出水□。
[0018]在一個優選的實施例中，浮體3通過纜繩51連接海流發電機組裝置2，纜繩51起系泊作用；浮體3通過電纜52連接燈泡貫流式水力發電機組21內的電路控制設備輸出端，用以輸出調蓄後的穩定電流；浮體3上可以搭載有水聲通訊設備、聲吶探測器、水壓傳感器、流速儀或水環境監測傳感器，上述這些設備可以用於與船基控制中心或漂浮在海洋表面的監測儀進行數據信息通訊傳輸。
[0019]本發明使用時，將迴轉支承I固定在海底，海流發電機組裝置2通過支柱4聯接迴轉支承1，通過導流尾翼22對入流與海流發電機組裝置2之間的夾角進行調整，使燈泡貫流式水力發電機組21的入口始終正對水流，最大效率利用海流，當水流通過攔汙柵罩24進入圓截面管狀導流罩23的平直入口段231，受導流罩管壁約束作用，管徑內紊流向核心區發展，流體通過紊流脈動、質點摻混發生動量交換，使離邊壁不遠處到管中心的絕大部分區域流速趨於均勻、穩定，與喇叭口狀導流罩開口相比，在增速比上有所損失，但是平直入口段231設計使導流罩開口外表面不產生漩渦，避免了其所引起的高脈動壓力，空化氣蝕，振動和噪聲等問題的產生，提高了整體結構的穩定性；當水流流經中部收縮段232後，由於過水麵積減小，流速加快，同時壓強降低，對平直入口段231管流產生抽吸作用，增加入流，有助於提高水能轉換效率；水流推動水輪機轉動後，流速減慢，但是仍有餘能，內河水電站一般通過尾水管回收水流餘能，需要較長的出口擴散段，此處海流發電機組裝置處在流體環境中，故出口擴散段233僅從葉輪延伸至洩水錐尾部，尾水經洩水錐和導流罩出口擴散段引導，以淹沒射流方式進入管外流體中，實現餘能耗散，紊動發生在導流罩外水流下遊，紊動對導流罩結構和內部流態影響小。
[0020]上述各實施例僅用於說明本發明，其中各部件的結構和連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護範圍之外。
【權利要求】
1.一種海流能供電水下監測儀，其特徵在於:它包括一迴轉支承、一海流發電機組裝置和一浮體；所述迴轉支承固定設置在海底，所述迴轉支承通過一支柱連接所述海流發電機組裝置，所述海流發電機組裝置連接漂浮於海水中的所述浮體；所述海流發電機組裝置包括一燈泡貫流式水力發電機組和一圓截面管狀導流罩；所述燈泡貫流式水力發電機組包括有與所述支柱固定連接的燈泡體和設置在所述燈泡體尾部的水輪機，所述燈泡體內設置有發電機、儲能器和電路控制設備； 所述燈泡貫流式水力發電機組的外側套設有具有特殊流線型的所述圓截面管狀導流罩；所述圓截面管狀導流罩包括一平直入口段、一中部收縮段和一出口擴散段，所述平直入口段由導流入口至所述燈泡體最寬處，管徑保持不變；所述中部收縮段是由所述燈泡體最寬處至所述水輪機的葉輪處，管徑逐漸收縮；所述出口擴散段是由所述水輪機的葉輪至所述水輪機洩水錐尾部，管徑緩慢增大。
2.如權利要求1所述的一種海流能供電水下監測儀，其特徵在於:所述燈泡貫流式水力發電機組的尾端部設置一導流尾翼，所述導流尾翼包括一細長杆和一方向舵，所述細長杆的一端連接所述水輪機尾端部，所述細長杆的另一端連接所述方向舵，所述方向舵位於所述支柱的下遊一側，當入流與所述海流發電機組裝置存在夾角時，所述方向舵受水流衝擊作用，形成迴轉力矩，推動所述海流發電機組裝置在水平面內發生繞轉，直至導流入口正對來流方向，當所述方向舵與水流方向同向，水流衝擊力小時，轉動停止；所述方向舵採用水平直立翼板。
3.如權利要求1所述的一種海流能供電水下監測儀，其特徵在於:所述圓截面管狀導流罩的上遊迎流方向和下遊尾部方向分別套設一攔汙柵罩，所述攔汙柵罩的頭部設置為橢球狀。
4.如權利要求2所述的一種海流能供電水下監測儀，其特徵在於:所述圓截面管狀導流罩的上遊迎流方向和下遊尾部方向分別套設一攔汙柵罩，所述攔汙柵罩的頭部設置為橢球狀。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種海流能供電水下監測儀，其特徵在於:所述浮體通過電纜連接所述燈泡貫流式水力發電機組內的電路控制設備輸出端，所述浮體上搭載有水聲通訊設備、聲吶探測器、水壓傳感器、流速儀或水環境監測傳感器。
【文檔編號】F03B13/00GK103742338SQ201410010424
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】張永良, 林政
申請人:清華大學