技术领域：
本发明涉及一种发电装置，属于利用潮汐能发电技术领域。
背景技术：
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潮流能是一种重要的海洋能源，该能源具有储量丰富、绿色无污染、可开发性好等优点，因此是一种极具发展潜力的新型能源。目前，人类开发和利用潮流能的发电装置主要有水平轴式和垂直轴式两种方式。与水平轴潮流能发电装置相比，垂直轴潮流能发电装置具有结构简单，易于制造，不受潮流流向影响等优点。但在实际应用时，垂直轴潮流能发电装置也发现存在缺陷之处，比如桨叶旋转力矩小，难以启动、捕获效率低、发电功率低等问题。造成这些缺点的主要原因是桨叶与来流方向始终存在一定偏角，即驱动桨叶旋转的力其实为来流对桨叶作用的分力，因此导致水轮机旋转力矩小以及能量的损失，进而导致自启动困难、发电装置捕获效率和发电功率低。
在公开号为cn103306884a，名称为一种垂直轴漂浮式潮流能发电装置的专利文献中公开了一种包括浮式载体、水轮机、桁架、旋转轨道、发电与叶片控制机构的浮式垂直轴潮流能发电装置。该装置的桨叶为水翼型，原理是利用桨叶上的升力产生旋转力矩，而桨叶与水流始终存在一定的偏角，因此升力只是水流作用力的分力，所以必然导致水轮机的旋转力矩小，自启动困难、捕获效率和发电功率低。
因此，如何在根本上解决垂直轴潮流能发电装置旋转力矩小、自启动难、捕获效率和发电功率低的问题，是当前亟待解决的工程难题。
技术实现要素：
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为解决上述背景技术中提及的问题，本发明的目的在于提供一种基于旋转加速的潮流能发电装置。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于旋转加速的潮流能发电装置，包括加速导流轮、桨轮、传动组件和发电单元，所述加速导流轮包括上端板、下端板和数个导流板，所述上端板和下端板从上至下依次水平设置，数个导流板布置在上端板和下端板之间，每两个相邻导流板之间形成有导流间隙，上端板、下端板和数个导流板之间围合形成有内腔，多个导流间隙均与内腔相连通，桨轮设置在内腔中，传动组件和发电单元设置在加速导流轮外，桨轮的输出端通过传动组件与发电单元相连接。
作为优选方案：所述上端板和下端板均为圆形板，上端板和下端板同轴设置，上端板的外径小于或等于下端板的外径。
作为优选方案：上端板沿其圆周方向设置有裙板，裙板到下端板的竖直距离从裙板远离桨轮的一端至裙板靠近桨轮的另一端依次递减。
作为优选方案：导流板为直板体。
作为优选方案：导流板的高度方向与上端板的轴向方向同向，导流板的所在平面与上端板径向方向之间形成的夹角为扭转角α。
作为优选方案：传动组件包括第一传动杆、第一锥齿轮、第二锥齿轮和第二传动杆，第一传动杆穿过上端板与桨轮相连接，第一锥齿轮套装在第一传动杆上，第二锥齿轮套装在第二传动杆的一端上，第二传动杆的另一端与发电单元相连接，第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合。
作为优选方案：桨轮包括桨轴和若干个桨叶，若干个桨叶沿桨轴的圆周方向均布在桨轴上，每个桨叶与桨轴固定连接制为一体。
作为优选方案：加速导流轮的底部设置有底座，下端板设置在底座上，下端板与底座相铰接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一、本发明中通过加速导流轮、桨轮、传动组件和发电单元之间相互配合使水流通过导流间隙进入内腔中，由直线运动转化为圆周转动，内腔中的水流流动方向始终与桨轮中桨叶垂直，实现力矩增大两倍以上的能量转换过程。
二、本发明中加速导流轮的外形和结构设置能够实现本发明利用任一角度的水流即可实现自身启动过程，方向适用性强，无需另设其他启动结构，更加适用于海底，无需人力控制进行直接接触操作。
三、本发明中加速导流轮的工作方式为汇流方式，即汇聚加速来流，起到聚能的作用，直接提高捕获效率，通过计算验证表明本发明的发电功率至少为现有垂直轴潮流能发电单元的两倍。
四、本发明整体结构简单，制作、转运和维护成本低。
五、本发明易于模块化，便于大规模推广和应用。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的第一主视结构示意图；
图3为本发明的第二主视结构示意图，图中上端板的外圆周方向配合设置有裙板；
图4为桨轮和传动机构连接关系的立体结构示意图；
图5为本发明的俯视结构示意图，图中去掉上端板；
图6为导流板与桨轮之间位置关系的立体结构示意图；
图7为加速导流轮对水流旋转加速后的流速分布图；
图8为加速导流轮的内腔中桨轮周围的流速分布图；
图9为加速导流轮的内腔中桨轮周围的压力分布图。
图中：1-加速导流轮；1-1-上端板；1-2-下端板；1-3-导流板；2-桨轮；2-1-桨轴；2-2-桨叶；3-传动组件；3-1-第一传动杆；3-2-第一锥齿轮；3-3-第二锥齿轮；3-4-第二传动杆；4-发电单元；5-导流间隙；6-内腔；8-裙板；9-底座。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9说明本实施方式，本实施方式包括加速导流轮1、桨轮2、传动组件3和发电单元4，所述加速导流轮1包括上端板1-1、下端板1-2和数个导流板1-3，所述上端板1-1和下端板1-2从上至下依次水平设置，数个导流板1-3布置在上端板1-1和下端板1-2之间，每两个相邻导流板1-3之间形成有导流间隙5，上端板1-1、下端板1-2和数个导流板1-3之间围合形成有内腔6，多个导流间隙5均与内腔6相连通，桨轮2设置在内腔6中，传动组件3和发电单元4设置在加速导流轮1外，桨轮2的输出端通过传动组件3与发电单元4相连接。本实施方式中发电单元4设置的优选位置为上端板1-1的顶部，将水流的动能转化为电能。发电单元4为现有能够将动能转为电能的发电产品，优选为带有感应线圈的发电单元。
具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，所述上端板1-1和下端板1-2均为圆形板，上端板1-1和下端板1-2同轴设置，上端板1-1的外径小于或等于下端板1-2的外径。
进一步的，所述加速导流轮1为水流的旋转加速结构，其材质为金属，其大小尺寸依据工作地形环境以及具体设计要求选取确定。上端板1-1和下端板1-2均为圆形板，二者自上而下水平并列设置，上端板1-1和下端板1-2与数个导流板1-3相配合设置起到有效防止垂直方向能量损失的效果，该垂直方向指的是上端板1-1的轴向方向。
进一步的，数个导流板1-3为阵列式板群，即数个导流板1-3呈圆形阵列方式均匀固定在上端板1-1和下端板1-2之间的环形空间内，数个导流板1-3中每个导流板1-3同时垂直于上端板1-1和下端板1-2，水流在阵列式板群的作用下，由直线传播转化为旋转聚能器内部的旋转运动，并产生加速效果。
具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，上端板1-1沿其圆周方向设置有一圈裙板8，裙板8到下端板1-2的竖直距离从裙板8远离桨轮2的一端至裙板8靠近桨轮2的另一端依次递减。如此设置的裙板8能够有效增加本发明的进流空间，拓宽进流的位置，实现广角式多方位的进流效果。
具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，导流板1-3为直板体。
具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，导流板1-3的高度方向与上端板1-1的轴向方向同向，导流板1-3的所在平面与上端板1-1径向方向之间形成的夹角为扭转角α。
进一步的，通过仿真试验可知，扭转角α的取值范围为30～60度。
进一步的，如图5、图7、图8和图9所示，当数个导流板1-3的扭转角α相同时，每两个相邻导流板1-3之间形成有导流间隙5的尺寸和结构相同，数个导流板1-3均匀布置在上端板1-1和下端板1-2之间的环形空间内。
具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定，多个导流间隙5为宽间隙和/或窄间隙。
进一步的，适当增加导流板1-3的个数使在既定尺寸的上端板1-1和下端板1-2之间形成的多个导流间隙5为窄间隙，适当减少导流板1-3的个数使在既定尺寸的上端板1-1和下端板1-2之间形成的多个导流间隙5为宽间隙，具有宽间隙的多个导流板1-3之间形成为宽幅区域，具有窄间隙的多个导流板1-3之间形成为窄幅区域。
进一步的，宽幅区域和窄幅区域同时存在交替出现在上端板1-1和下端板1-2之间。
进一步的，宽幅区域和窄幅区域的优选个数均为两个。
具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，传动组件3包括第一传动杆3-1、第一锥齿轮3-2、第二锥齿轮3-3和第二传动杆3-4，第一传动杆3-1穿过上端板1-1与桨轮2相连接，第一锥齿轮3-2套装在第一传动杆3-1上，第二锥齿轮3-3套装在第二传动杆3-4的一端上，第二传动杆3-4的另一端与发电单元4相连接，第一锥齿轮3-2和第二锥齿轮3-3相啮合。
进一步的，第一传动杆3-1穿过上端板1-1与桨轮2的连接方式优选为固定连接。
进一步的，第一锥齿轮3-2固定套装在第一传动杆3-1上。
进一步的，第二锥齿轮3-3固定套装在第二传动杆3-4的一端上。
进一步的，其他能够实现传动效果的现有传动机构也可替换。
进一步的，传动组件3和发电单元4外设置有密封防水罩，密封防水罩为圆弧形或方形罩体，与上端板1-1接触处设置有密封结构，用于避免传动组件3和发电单元4进水，起到有效防水效果，配合传动组件3和发电单元4的尺寸和设置位置设置密封防水罩的位置和尺寸即可。
具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步限定，桨轮2的一种优选结构包括桨轴2-1和若干个桨叶2-2，若干个桨叶2-2沿桨轴2-1的圆周方向均布在桨轴2-1上，每个桨叶2-2与桨轴2-1固定连接制为一体。
进一步的，轴心设置在桨轴2-1的长度方向的中心轴线上，所述桨轮2围绕轴心旋转，桨轮2的轴心分别与上端板1-1和下端板1-2垂直。
进一步的，桨轴2-1优选形状为圆柱形，如此设置能够有效阻止水流沿桨叶2-2向圆心方向流动，减少能量损失。
进一步的，所述若干个桨叶2-2呈放射状均匀安装在桨轴2-1的外圆周面上。经旋转加速后的水流垂直作用在桨叶2-2上，从而使桨轮2产生旋转运动。
具体实施方式九：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八的进一步限定，加速导流轮1的底部设置有底座9，下端板1-2设置在底座9上，下端板1-2与底座9相铰接。底座9的底部与海底可拆卸连接，底座9的底部加工有连接孔，配合接地钉实现与海底的可拆卸连接，底座9的顶部设置有防水轴承，加速导流轮1的底部设置有与防水轴承相配合的插柱，防水轴承和插柱相配合能够使加速导流轮1既与海底稳定连接，实现稳定定位，还不影响加速导流轮1的正常转动。
具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九的进一步限定，如图1、图2和图3所示，所述加速导流轮1包括上端板1-1、下端板1-2和数个导流板1-3，上端板1-1和下端板1-2都为圆形，半径为r3，两端板平行，上端板1-1和下端板1-2之间的竖直距离为h1，上端板1-1和下端板1-2起到防止垂直方向能量损失的作用；裙板8的内沿与其外沿之间的高度差为h3，裙板8沿上端板1-1径向宽度为l1。数个导流板1-3布置在上端板1-1和下端板1-2之间，数个导流板1-3的外端处于同一圆周上，该圆周的半径为r2，数个导流板1-3布置在上端板1-1和下端板1-2之间的半径大于等于r1且小于等于r2的环形区域内，数个导流板1-3组成的阵列式板群中的每个导流板1-3垂直于上端板1-1和下端板1-2，并且每块导流板1-3的扭转角α相同。水流在阵列式板群的作用下，由直线流动转化为旋转加速器内部的旋转运动，同时将迎流面为2r2×(h1 h3)的水流汇聚到迎流面积为2r1×h1的区域内(r2大于r1)，起到聚能加速的作用。
进一步的，如图2、图4和图5所示，所述桨轮2能够围绕轴心旋转，桨轮2的高度为h2，h2小于h1。桨轮2的轴心与上端板1-1和下端板1-2垂直；所述桨轴2-1为圆柱形，半径为r1，能够阻止水流沿桨叶2-2向圆心方向流动，减少能量损失；所述桨叶2-2优选形状为矩形，每个桨叶2-2长度为r2，每个桨叶2-2呈放射状均匀安装在桨轴2-1的外圆周面上。经旋转加速后的水流垂直作用在桨叶2-2上，驱动桨轮2产生旋转运动。
进一步的，如图2和图3所示，所述发电单元4设置在上端板1-1顶部，将水流的动能转化为电能。
本实施方式的工作原理为水流经过数个导流板1-3后，由于每块导流板1-3都存在扭转角α，所以水流在内部产生旋转运动，同时，由于将迎流面为2r2×(h1 h3)的水流汇聚到迎流面积为2r1×h1的区域内，使水流产生加速效果。经旋转加速后的水流始终垂直作用在桨叶2-2上，旋转扭矩大，可解决自启动问题，提高转化效率，同时由于聚能作用，可显著提高发电功率。
为证明该装置的发电效果和发电效率，对加速导流轮1的旋转加速效果进行了数值计算。此时，加速导流轮1内部没有设置桨轮2。
选取的工况为：加速导流轮1的材质为钢，导流板1-3的数量为40，扭转角α为35°，安装阵列式板群的环形区域内径r1＝0.8m，外径r2＝2.3m，下端板1-2的半径r3＝2.5m，上端板1-1和下端板1-2之间的竖直距离h1＝1.1m。裙板8的内沿与其外沿之间的高度差h3＝0.2m，裙板8沿上端板1-1的径向宽度l1＝0.4m，上端板1-1和下端板1-2和导流板的厚度都为3cm。入流速度为v＝1m/s，采用流体计算软件star-ccm 对该流体问题进行仿真分析。
图7为稳定后流场的速度矢量分布图，水流从右侧流入，从左侧流出。从图中可以看出水流经过加速导流轮1后，在内部发生旋转，并且流动速度相比于入流明显增加，经计算，内部水流速度能够达2.0m/s。因此验证了加速导流轮1的旋转和加速能力。
随后，计算了加速导流轮1内部放置有桨轮2时的实际获能。桨轮2的材质为钢，桨轴2-1半径r1＝0.3m，桨叶2-2的数量为6，每个桨叶2-2的长度r2＝0.4m。桨轴2-1和桨叶2-2的高度为h2＝1.0m，桨叶2-2厚度为2cm。整个桨轮2的转动惯量i＝203kg·m2。经计算，稳定后桨轮2的旋转角速度ω＝2.4rad/s，则旋转动能根据公式w1＝0.5iω2＝584.64j。根据现有技术可知，垂直轴发电装置的发电效率约为40％。因此考虑桨轮2的迎流面积s＝2×(r1 r2)·h2＝1.4m2，水的密度ρ＝1000kg/m3，入流速度v＝1m/s。则入流动能为w2＝0.5sρv3＝700j，捕获效率η＝40％，则现有技术下，相同迎流面积的垂直轴发电机捕获能量为w捕获＝w2×η＝280j。因此本发明基于加速导流轮1形成的潮流能发电装置的捕获能量(584.64j)相比于垂直轴发电装置(280j)提高了108.8％，从而验证了本发明高效的发电效果，本发明由于流向的改善和流速的增加，能够有效增加桨叶的扭矩、解决启动问题、提高发电效率，同时提高发电功率。
图8为该案例下加速导流轮1内部桨轴2-1周围的水流速度分布图，图中表明桨叶2-2的末端流速能够达2m/s，明显大于入流速度1m/s，起到了加速效果。由于水流的运动为旋转运动，所以水流产生的力始终垂直作用在桨叶2-2上，增加了扭矩，可解决自启动难题，提高捕获效率和发电功率，验证了本发明的有益效果。
图9为该案例下加速导流轮1内部桨轴2-1周围的水流压力分布图，图中水流汇入侧(右侧)为正压，水流的流出侧(左侧)为负压，该压力差增加了桨叶2-2的转矩，能够有效解决自启动问题，验证了本发明的有益效果，即本发明能够使水流经加速导流轮1后始终垂直作用在桨叶2-2上，增大转矩，减少能量损失，解决自启动问题，提高捕获效率，增加发电功率。
工作原理：
加速导流轮1用于旋转和加速来流；桨轮2在水流的作用下作出自身圆周方向的旋转运动，用以捕获潮流能；传动机构3将桨轮2的机械能传递给发电单元4，发电单元4用以产生电能。
1.一种基于旋转加速的潮流能发电装置，其特征在于：包括加速导流轮(1)、桨轮(2)、传动组件(3)和发电单元(4)，所述加速导流轮(1)包括上端板(1-1)、下端板(1-2)和数个导流板(1-3)，所述上端板(1-1)和下端板(1-2)从上至下依次水平设置，数个导流板(1-3)布置在上端板(1-1)和下端板(1-2)之间，每两个相邻导流板(1-3)之间形成有导流间隙(5)，上端板(1-1)、下端板(1-2)和数个导流板(1-3)之间围合形成有内腔(6)，多个导流间隙(5)均与内腔(6)相连通，桨轮(2)设置在内腔(6)中，传动组件(3)和发电单元(4)设置在加速导流轮(1)外，桨轮(2)的输出端通过传动组件(3)与发电单元(4)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于旋转加速的潮流能发电装置，其特征在于：所述上端板(1-1)和下端板(1-2)均为圆形板，上端板(1-1)和下端板(1-2)同轴设置，上端板(1-1)的外径小于或等于下端板(1-2)的外径。
3.根据权利要求2所述的一种基于旋转加速的潮流能发电装置，其特征在于：上端板(1-1)沿其圆周方向设置有裙板(8)，裙板(8)到下端板(1-2)的竖直距离从裙板(8)远离桨轮(2)的一端至裙板(8)靠近桨轮(2)的另一端依次递减。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于旋转加速的潮流能发电装置，其特征在于：导流板(1-3)为直板体。
5.根据权利要求4所述的一种基于旋转加速的潮流能发电装置，其特征在于：导流板(1-3)的高度方向与上端板(1-1)的轴向方向同向，导流板(1-3)的所在平面与上端板(1-1)径向方向之间形成的夹角为扭转角α。
6.根据权利要求1所述的一种基于旋转加速的潮流能发电装置，其特征在于：传动组件(3)包括第一传动杆(3-1)、第一锥齿轮(3-2)、第二锥齿轮(3-3)和第二传动杆(3-4)，第一传动杆(3-1)穿过上端板(1-1)与桨轮(2)相连接，第一锥齿轮(3-2)套装在第一传动杆(3-1)上，第二锥齿轮(3-3)套装在第二传动杆(3-4)的一端上，第二传动杆(3-4)的另一端与发电单元(4)相连接，第一锥齿轮(3-2)和第二锥齿轮(3-3)相啮合。
7.根据权利要求1所述的一种基于旋转加速的潮流能发电装置，其特征在于：桨轮(2)包括桨轴(2-1)和若干个桨叶(2-2)，若干个桨叶(2-2)沿桨轴(2-1)的圆周方向均布在桨轴(2-1)上，每个桨叶(2-2)与桨轴(2-1)固定连接制为一体。
8.根据权利要求1所述的一种基于旋转加速的潮流能发电装置，其特征在于：加速导流轮(1)的底部设置有底座(9)，下端板(1-2)设置在底座(9)上，下端板(1-2)与底座(9)相铰接。
技术总结