CN101975133A - 可调整叶片角度水轮机发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明可调整叶片角度水轮机发电装置：在江、河、湖、海中那些水位高差变化不大，流动方向恒定具有一定流速、流量的水流。尤其是海洋中海流是海水大规模相对稳定的流动。由于水的介子密度较大，水流是连续的因此可以提供基本持续且较稳定的动能。由于在地球分布广、规模大是不可忽视永久的绿色能源。本人设想一种新型的水轮机不用筑坝蓄水就可以很好的直接吸收这种水流的动能；可调整叶片角度的水轮机发电装置。将可调整叶片角度的水轮机控制在水下直接吸收水流能。由于水轮机叶片角度可调调整因此叶片旋转到任何位置几乎都可以做功。不用筑坝蓄水因此减少投资，可提供充足而廉价永恒绿色的能源，同时减少对环境的改变更有利于对生态平衡的保护。

Description

可调整叶片角度水轮机发电装置

一、技术领域

本专利涉及机电技术领域

二、背景技术

目前我们使用的能源大都是太阳能量在地球上亿万年中长期积累的化石能源，是不可再生能源。由于分布不均、且储量有限，随着人类的进步和发展不断提高对能源的需求，产生对世界上这些不可再生的能源--化石能源的掠夺性开发。据学者估计按照目前的消费水平煤的储量只能够人类使用220年，天然气只够使用60年，而石油的储量只能够人类使用40年。因此人类将不可避免地面临能源危机。能源问题正将成为激化世界各国之间的政治、领土、宗教及种族等各种矛盾并引起的纷争的最主要原因。另外人类在不断消耗化石能源的同时也不断地向大气排放燃烧废气CO₂、S₂O₃等温室气体造成环境污染。引起酸雨、天气变化无常使得有的地方干旱有的地方水灾等温室效应。以及森林植被的破坏引起生态严重的失衡，海平面上升和各种自然灾害泛滥。极大的影响了人类生活质量、身体健康等甚至直接威胁到人类生存的问题。化石能源将消耗殆尽，气候正在变坏，人类要生存和发展最终要寻找新的清洁能源。这是人类面临的两大难题问题有待解决。这也是世界各国大力探索研究的重要课题。

世界除利用不可再生的能源--化石能源发电外，还有少量的利用可再生的能源。例如风能、太阳能、水能、地热、及潮汐发电等。由于各地的地理地貌等条件不同和资源特殊性、资金及技术等原因而不能广泛使用。而地球的面积70％以上是海洋，海洋中的潮汐、海流是大自然各种能量综合反映。包括太阳和月亮的引力对地球的作用，地球自转的作用、地球各地受太阳辐射的偏差上引起海水温差形成的暖流以及季风等的作用(俗话说海上无风三尺浪等)。由于海水的密度很高，以海水作为能量传递介质要比空气做能量传递介质来说要大得多(约1000倍)。作为能量载体海流能的能量密度是可再生能源中最高的。海洋是世界上最大的能量转换器和存储器，仅海流中就蕴藏了巨大的源源不断的可再生能源。

在人类生活中长时间的观察积累大量的经验，海流、潮汐的大小基本上是可预见的，加上现代科技完全可以预测和跟踪气候的变化，因此风险大都可以规避防范。

顾名思义，海流就是海洋中的河流。浩瀚的海洋中除了有潮水的涨落和波浪的上下起伏之外，有一部分海水经常是朝着一定方向流动，在海洋中常年默默奔流着。海流和陆地上的河流一样，也有一定的长度、宽度、深度和流速。一般情况下，海流长达几千公里，而其宽度却比一般河流要大得多，可以是长江宽度的几十倍甚至上百倍；海流的速度通常为每小时1～2海里，有些可达到4～5海里。海流的速度一般在海洋表面比较大，而随着深度的增加则很快减小直至小到可以忽略其所涉及的深度通常只为几百米。在海洋的大陆架范围或浅海处，由于海岸和海底摩擦显著，加上海流特别强等因素，便形成颇为复杂的大陆架环流、浅内海环流、海峡海流等浅海海流。

风力的大小和海水密度不同是产生海流的主要原因。由定向风持续地吹拂海面所引起的海流称为风海流；而由于海水密度不同所产生的海流称为密度流。归根结底，这两种海流的能量都来源于太阳的辐射能。海流和河流一样，也蕴藏着巨大的动能，它在流动中有很大的冲击力和潜能，因而也可以用来发电。据估计，世界大洋中所有海流的总功率达50亿千瓦左右，是海洋能中蕴藏量最大的一种。

我国海域辽阔，既有风海流，又有密度流；有沿岸海流，也有深海海流。这些海流的流速多在每小时0.5海里，流量变化不大，而且流向比较稳定。若以平均流量每秒100立方米计算，我国近海和沿岸海流的能量就可达到一亿千瓦以上，其中以台湾海峡和南海的海流能量最为丰富，它们将为发展我国沿海地区工业提供充足而廉价的电力。

利用海流发电比陆地上的河流优越得多，它既不受洪水的威胁，又不受枯水季节的影响，几乎以常年不变的水量和一定的流速流动，完全可成为人类可靠的能源。

世界上大多数国家都有很长的海岸线，因此利用海流来发电，是非常有潜力的发电方法。好好的利用将会给各国带来永久性的绿色能源。利用海流发电它不消耗任何其它不可再生的能源，也没有任何有害物质排放。广泛地应用会使我们大大的减少对化石能源的依赖和消耗，同时也会大大的减少向空中排放有害气体。因此很好的利用它人类将大大的受惠于此。

目前利用洋流发电的方法很多，影响海流发电发展主要原因主要是：1、能否足够大尽量的吸收海流能(有效有效长度)，2、能量转换率，3、有效工作时间，4、建造和运行成本，5、抗风险能力等因素。但由于原有设计方法的原因不可能做得很大和有效工作时间低，中间转换环节多的原因造成能量转换率低，投资大等原因，使得海流发电目前还不能投入商业运营。我利用简单的机电原理构思一种结构；通过可改变水轮机叶片角度最大程度地吸收海流能量的水轮机。由于这些水流是长期的因此是可全天候工作并带动发电机发电的方法。简称：可调整叶片角度水轮机发电装置。

三、发明内容：

在江、河、湖、海中有些水位高差变化不大但流动方向恒定具有一定流速、流量的水流，尤其是海洋--中海流是海水大规模相对稳定的流动。由于海水的介子密度较大，水流是连续的因此可以提供基本持续、恒定的动能。是永久的绿色能源。用传统的方无法很好地吸收它的能量。本文探讨的是一种新型的水轮机不用筑坝蓄水就可以很好的吸收这种水流的动能；可调整叶片角度的水轮机发电装置。由于不用筑坝蓄水因此减少投资减少对环境的改变同时更有利于对生态平衡的保护。

海流能的利用方式主要是发电，其原理和风力发电相似，几乎任何一个风力发电装置都可以改造成为海流能发电装置。但由于海水的密度约为空气的1000倍，且必须放置于水下，故海流发电存在着一系列的关键技术问题，包括安装维护、电力输送、防腐、海洋环境中的载荷与安全性能等。此外，海流发电装置和风力发电装置的固定形式和透平设计也有很大的不同。海流装置可以安装固定于海底，也可以安装于浮体的底部，而浮体通过锚链固定于海上。海流中的透平设计也是一项关键技术。

水轮机如图1。由叶片支架、叶轮、叶片(流线型)、水轮机边板、曲线板、曲线槽、拨杆等组成。在水轮两侧的轴承座上各固定一个刻有曲线深槽的曲线板。水轮机叶轮上的各叶片可以通过一条转轴转动。在工作中每个叶片是受到拨杆及曲线板深槽的影响逐渐调整叶片的角度，使得水轮机叶轮的叶片运行在各个位置偏转的角度有所不同。

我们将水轮机叶轮运行的位置分成4个象限。在第2象限中，水轮机转轴上面的叶片主要几乎垂直于水流方向，使得在水轮机转轴上部与水轮机叶片一起形成一个几乎密闭类似勺子的形状，(水轮机边板主要作用是提高水轮机叶片两边的同步性和提高水轮机强度)可大大的减少能量的流失。使得叶片迎着水的面积较大，受到水流的冲击力也大。在第3象限中，叶片运行到水轮机转轴的下部时叶片与水流方向形成一个角度，水轮机边板与叶片角度如同飞机俯冲时一般在水的冲击下产生向下的推力。在第4象限中，叶片运行到水轮机转轴的下部时叶片与水流方向形成一个角度，水轮机边板与叶片角度大部分时间如同飞机起飞时一般在水的冲击下产生向上的推力。在第1象限叶片向回反转，同样也受到水的推理产生旋转力矩。因此水轮机叶片运行在任何角度都会产生旋转力矩造成水轮旋转。

由于本系统水轮机叶片在各位置的偏转角度是通过拨杆与水轮机旁曲线板相应位置的弧度控制的。因此为使系统做功能力最大，可通过实验修正曲线板相应位置的曲线弧度，调整水轮机叶片角度。以及叶片各位置尺寸，使得系统获得最大的水流动能。另外水轮机叶片是连续的能量损失较小，因此大大的提高了工作效率。

图2水轮机叶片

如图3水轮机旋转动能，是通过水轮机链轮上的链条带动发电机侧链轮及棘轮旋转并带动发电机旋转发电。系统采用棘轮带动发电机旋转的作用是利用棘轮单向做功的特性。防止在水流突然变缓，水轮机链轮传给棘轮速度低于发电机转速时棘轮脱扣。因此可防止在水流短时间减小会造成发电机系统转速突变，而影响系统稳定性和发电质量。或在电网发生故障时，使发电机突然甩负荷造成发电机超速时棘轮会脱扣。防止发电机超速时传动机构将很大的发动机和飞轮的转动惯量作用在水轮机和发电机上造成水轮机系统和发电机系统的损坏。

在飞轮和发电机之间加一套滑差离合器。通过发电机转速反馈调整滑差离合器的转差率，实现进一步稳速。当发电机转速下降逐渐提高滑差离合器励磁电压，降低转差率。当发电机转速过高时降低离合器励磁电压，提高转差率。如此通过调整转差率从而稳定发电机转速。同时我们还需要控制发电机的励磁电压，可随着发电电压的变化适当加减励磁电压来稳定发电机发出的电压。更主要的是通过控制系统电量的输出控制发电机的反动势，使系统工作稳定并可最大程度地吸收海流能。

三、附图说明

图1水轮机叶片在各位置角度变化示意图。

1叶片支架、2叶轮、3叶片、4水轮机边板、5曲线板、6曲线槽、7拨杆图2水轮机叶片示意图。

1叶片、2叶片边板、3叶片转轴、4叶片拨杆。

图3可调整叶片角度水轮机发电机系统布局示意图。

1水轮机、2水轮机链轮、3链轮棘轮、4飞轮、5发电机、6变速机构。图4水轮机安装在两条浮船之间底部，发电机安装在之间的平台上或船甲板上的布局示意图。

1船体2水车、3连接件、4曲线板、5水车链轮。

图5水轮机安装在桥型支架底部，发电机在桥面上的布局示意图。

1桥体2水车、3桥面、4曲线板、5水车链轮。

图6电器并网及控制原理图。

四、具体实施方案：

综上所述，在发明内容提到。系统利用在水下安装水轮机将水流动能直接转化为水轮机的旋转动能。并通过水轮机链轮-链条-发电机侧链轮棘轮等将水轮机旋转动能传送给发电机使发动机旋转发电。图4是将水轮机安装在两条浮船之间的水下，发电机安装在之间的平台上或船甲板上的布局示意图。将系统锚链在海上或河面上可随水面的变化自动调节吃水深度。也可以将水轮机安装在船的两侧共同驱动一台发电机系统。在风浪到来之前可以拖走避险。图5是水轮机安装在桥型支架中的桥孔位置的水下，发电机在桥面上的布局示意图。用机械传动将能量汇聚驱动一台发电机运转发电或驱动多台发电机将发电机并联向电网送电。在设计上要考虑抗风险能力，风浪到来前在周边一定距离锚链一批较大的浮体吸收巨浪的冲击。

机电方面；参照风力发电系统通过半导体技术实现软并网及控制方式。运行中控制好系统输出功率(调整发电机的反动势)，就可以很好的控制发电机的转速、确保发电质量、实现集中自动控制。加上本系统工作在常温下、没有中间环节损耗且以齿轮直接传递能量(不会打滑)因此工作效率最高。

并网：由于系统发电机都采用滑差离合器做软连接，可以很方便的调速稳速。如图6逐渐提高滑差离合器和发电机组的励磁电压，使发动机发出频率接近同步频率、电压接近工作电压的预置工作切入点。接通发电机开关F1、开关JF1、JF2-使调压变压器和晶闸管并网装置得电，此时调压变压器次级输出电压略低于线路电压。再继续通过调整滑差离合器、发电机励磁绕组电压和调压变压器的档位使发电机发出电电压趋于同步。同时晶闸管并网装置通过逐渐打开晶闸管导通角渐渐并网，直至晶闸管完全导通实现系统软并网。并网完成后延时一段时间后接通系统并网开关，使晶闸管并网系统旁路完成并网全过程。断开开关F1、开关JF1、JF2晶闸管并网系统退出。

控制：在并网及控制过程中系统通过对滑差离合器、异步发电机励磁及调压变压器的控制等多种控制手段进行控制。各控制量可使用PID方式并设置控制优先等级，就可以很平滑的对电压、频率、功率进行控制。功率因数可通过并接电容进行调节。

停机；跳闸脱网后滑差离合器失电，使发电机失去动力而停止工作，为防止飞车必要时可以接通Fz开关接通发电机的能耗制动装置。正常停机时可以通过滑差离合器与负荷控制系统的控制使负荷降到很低，再停并网开关防止飞车。

由于系统结构采用水轮机-链条-棘轮-滑差离合器-飞轮-异步发电机-发电机软并网系统一调压变压器-能耗制动等系统方式的连接与配合，系统可调控手段很多使系统更加平稳可靠。并网时利用晶闸管并网装置可以控制发电机的电流、减小并网时对电网的冲击。由于系统使用调压变压器提高工作适应范围、供电质量同时提高有效工作时间。系统采用滑差离合器软连接，因此使系统控制更加灵活同时任何发电机可随时退出进行检修。各晶闸管并网装置并网后退出减少故障提高可靠性，可以实现自动程序控制。

本方案适合安装于江、河、湖、海中具有大陆架环流、浅内海环流、海峡海流等一切海流较大的地方，在系统设计安装过程中要根据海中的地理地貌情况寻找最大的海流以取得最大的海流动能。在设计时可根据实际地理地貌情况选择发电能力较大同时抗风险能力较强且投资较少的方案，已取得最大的经济效益。本设计水轮机叶轮安装在水下，在巨浪中海水会将巨浪的能量吸收和传递出去，应该对水轮机影响不大。因此防飓风巨浪主要在水面部分的保护，系统的安全，除加强系统的强度抵御飓风巨浪冲击。同时可以临时还做些辅助的措施；如在发电系统周边临时加设一些漂浮设施吸收部分浪能减少巨浪的破坏。由于双体船型的水轮机发电系统在飓风到来前可以拖回港湾避风。

Claims (3)

1.本发明可调整叶片角度水轮机发电装置其特征在于。将可调整叶片角度水轮机安装在江河湖海中具有恒定流向、一定流速及水流量的水下并可调整深度。可调整叶片角度水轮机在水流的推动下旋转。水轮机各叶片在旋转中受到与水轮机叶轮同轴心的曲线盘控制，使得叶轮旋转到任何位置叶片偏摆角度不同。从而使叶片旋转到任何位置都能做功。

2.本发明可调整叶片角度水轮机发电装置其特征在于。将上述可调整叶片角度水轮机旋转的动能通过水轮机侧链轮-链条-发电机侧链轮-棘轮-变速-飞轮-发电机等形成发电机系统并带动发电机旋转发电。

3.本发明可调整叶片角度水轮机发电装置其特征在于。将上述发电机系统发出的电能通过滑差离合器-飞轮-异步发电机-发电机软并网系统-调压变压器-能耗制动等系统方式的连接与配合，将上述发电机系统发出的电能通过晶闸管并网系统及负荷控制器实现软并网、停机、保护和控制发电系统的反动势。减少对系统的冲击和降低负荷的波动确保供电质量。

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