CN101975137A - 深海超低启动流速发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深海超低启动流速发电装置，属于机电技术领域。包括耐压浮力舱、发电机、变速箱、控制单元、飞轮储能机构、轮毂和叶片；耐压浮力舱的舱头段和舱尾段为流线型结构，中段为圆柱壳结构，内部由左至右依次设置控制单元、飞轮储能机构、发电机和变速箱，控制单元连接在耐压浮力舱体头段法兰上，控制单元与飞轮储能机构及变速箱由电缆接插件连接。发电机与飞轮储能机构固定在耐压浮力舱体中轴线上，发电机与变速箱由连轴器连接，变速箱与主轴连接，主轴与耐压浮力舱体尾部通过动密封机构连接；轮毂连接在主轴端部，叶片固定在轮毂的法兰上。本发明可以将锚泊系统其它仪器与发电装置内的设备布置于同一舱体，简化了锚泊系统的结构。

Description

深海超低启动流速发电装置

技术领域

本发明涉及一种小型海流发电装置，特别是涉及一种为深海锚泊系统供电的超低启动流速发电装置，属于机电技术领域。

背景技术

由于海洋开发和国防的需要，各种监测设备、水下采矿系统、水下机器人、水下组网站点建设以及海上军事设施，甚至未来的水下空间站建设等，目前这些设施主要依靠高能飞轮储能机构提供电能。利用海流能发电解决海上作业能源补充问题，提高浮标、潜标的观测技术，在军事及海洋调查、海洋环境保护等方面都有着重要的应用前景。随着海洋实时立体监测技术的进一步开展，我国自主式海洋探测平台逐年增加，平台上所携带的仪器数量多，工作时间长，功耗大，平台所带电池数量有限。解决水下测量仪器电能补充变得越来越急迫，解决好这个关键问题才能使水下仪器有更强的功能和更长的工作寿命，取代电池供电还能大幅降低系统的成本和减轻系统的重量，增强系统的可靠性。

水下立体监测大多采用锚泊系统，系统通常布放于一定水深和固定位置。随着各种深海观测站点的建立，水下锚泊系统将会成倍增加，同时平台上所携带的仪器数量不断增多，工作时间越来越长，功耗相应增大。平台所带电池数量有限，很难满足未来海洋监测设备立体、实时、全天候的能源需要。

可供深海发电的概念有潮流发电、重力发电、温差发电、盐差发电、压差发电、化学发电等。但对于深海锚泊系统，利用海流发电提供能源补充是目前最佳选择。而深海流可利用速度太低，随着水深的增加，海流剖面流速一般下降很快，并且流向变化复杂。据现有测试资料显示，水深在1000米处流速可达0.5m/s。这样的流速与常规海流发电机所需的流速有较大差距，所以这是一项难度极大的课题。这便要求我们开发超低启动流速发电技术。研发超低启动流速海流发电机需要解决的问题有开发适用于超低流速范围的叶片翼型、高效易启动电机、低阻尼轴承、高转换线圈、耦合电力传输等，此外还需解决深海水下的抗压、绝缘、电压稳定、海水腐蚀及海洋生物附着等一系列难题。

根据贝茨理论，海流发电机从海流中获取的动能为叶轮进出口海流的动能差：

$P=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^{3}s{C}_p$

式中，P为机组捕获的能量，ρ为海水密度，v为海流速度，s为叶轮的扫掠面积，C_p为海流能利用率。以额定流速为0.5m/s、叶轮半径1m、Cp取30％为例，额定功率能达到60W。则以目前的实时传输潜标工作的每天平均耗电0.2KWh计算，单台发电装置只需要连续工作3.3小时即能满足系统对用电的需求，同一系统配置多台发电装置将大大增强系统的能源可靠性。

目前水下立体监测多采用锚泊系统，垂直升降技术大大提高了定点监测的剖面测量范围，而实现垂直升降则需要功率相对较大的水下绞车。因此，单靠高能电池已不能满足系统长期工作电能的需求。坐底式潮流发电机为锚泊系统开拓了一种解决水下用电的途径，然而其缺点则有发电装置体积重量大、抗海底淤积差、海底流速低等，这些都是系统可靠性不足的重要原因。

发明内容

本发明提供一种深海超低启动流速发电装置，目的是为解决深海锚泊系统采用高能电池电量不足，达不到系统对用电需求的问题。提供一种利用任何水深下低流速发电的海流能发电装置。

本发明包括耐压浮力舱、三叉索系留绳、旋转电连接器、发电机、变速箱、控制单元、飞轮储能机构、轮毂和叶片；其中耐压浮力舱的舱头段和舱尾段为低阻力流线型结构，中段为圆柱壳结构，在中段的两端上下各焊装有系留座，耐压浮力舱具有一定的正浮力且整体表面光滑；耐压浮力舱内部由左至右依次设置控制单元、飞轮储能机构、发电机和变速箱，控制单元连接在耐压浮力舱头段法兰上，控制单元与飞轮储能机构及变速箱由电缆接插件连接。发电机与飞轮储能机构固定在耐压浮力舱内的中轴线上，发电机与变速箱由连轴器连接，变速箱与主轴连接，主轴与耐压浮力舱尾部通过动密封机构连接；轮毂连接在主轴端部，叶片固定在轮毂的法兰上；三叉索系留绳连接在耐压浮力舱系留座上。旋转电连接器将发电装置与锚泊系统其他设备连接起来。

工作原理：发电装置布放于海水一定深度，耐压浮力舱由自身正浮力或由上部的浮体提供的缆绳拉力悬浮于水中并呈水平状态；当海流具有一定流速，耐压浮力舱自动调整为流速方向，叶轮在海流的作用下带动主轴旋转并使发电机产生电流，电流由飞轮储能机构储存起来，由控制单元控制电能的分配，电能可供给耐压浮力舱内自身设备的使用，也可通过由旋转电连接器连接的三叉索系留绳传输给锚泊系统其他的设备。

本发明涉及发电机采用无铁芯永磁盘式发电机，叶片材料为玻璃钢，叶片根据装置锚泊深度的环境海流进行更换，叶片的数目也可以调整。

有益效果：本发明的耐压浮力舱可以是锚泊系统自身的浮力舱体，即可以将锚泊系统所需的其它仪器与发电装置所需的设备布置于同一舱体，简化了深海锚泊系统的结构。本发明悬浮在海水中工作，无海底淤积危险，且为模块化设计，体积小、重量轻。

附图说明

图1-深海超低启动流速发电装置结构示意图；

图2-锚泊系统布置多个超低启动流速发电装置海流能发电装置示意图。

图中：1-耐压浮力舱、2-三叉索系留绳、3-旋转电连接器、4-变速箱、5-发电机、6-飞轮储能机构、7-控制单元、8-轮毂、9-叶片、10-主浮体、11-发电装置、12-锚、13-水下绞车。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明包括耐压浮力舱1、三叉索系留绳2、旋转电连接器3、发电机5、变速箱4、控制单元7、飞轮储能机构6、轮毂8和叶片9；其中耐压浮力舱1的舱头段和舱尾段为低阻力流线型结构，中段为圆柱壳结构，在中段的两端上下各焊装有系留座，耐压浮力舱1具有一定的正浮力且整体表面光滑；耐压浮力舱1内部由左至右依次设置控制单元7、飞轮储能机构6、发电机5和变速箱4，控制单元7连接在耐压浮力舱体1头段法兰上，控制单元7与飞轮储能机构6及变速箱4由电缆接插件连接，发电机5与飞轮储能机构6固定在耐压浮力舱1内的中轴线上，发电机5与变速箱4由连轴器连接，变速箱4与主轴连接，主轴与耐压浮力舱1尾部通过动密封机构连接；轮毂8连接在主轴端部，叶片9固定在轮毂8的法兰上；三叉索系留绳2连接在耐压浮力舱1系留座上，旋转电连接器3将发电装置11与锚泊系统其他设备连接起来。

根据锚泊系统的用电需求确定使用一套或多套发电装置11，根据各套发电装置11所处海深选择相应流速范围的叶片9对已安装完成的单套发电装置叶片进行更换。

工作原理：发电装置11布放于海水一定深度，耐压浮力舱1由自身正浮力或由上部的浮体提供的缆绳拉力悬浮于水中并呈水平状态；当海流具有一定流速，耐压浮力舱自动调整为流速方向，叶轮在海流的作用下带动主轴旋转并使发电机产生电流，电流由飞轮储能机构6储存起来，由控制单元7控制电能的分配，电能可供给耐压浮力舱7内自身设备的使用，也可通过由旋转电连接器3连接的三叉索系留绳2传输给锚泊系统其他的设备。

本发明涉及发电机采用无铁芯永磁盘式发电机，叶片9材料为玻璃钢，叶片9根据装置锚泊深度的环境海流进行更换，叶片9的数目也可以调整。

如图2所示，在确定各套发电装置11的使用水深并将发电装置11由旋转电连接器3和三叉索系留绳连接在锚泊系统相应位置；锚12和主浮体10置于整个锚泊系统的首尾两端，中间等距布置三个发电装置11，水下绞车13布置在两个发电装置11之间布放时首先将锚12用释放钩悬吊于水面，连接好的各套发电装置11依次置于水面自由漂浮，解脱释放钩释放锚后，整个锚泊系统可悬浮在设定的海深进行工作，由于3套发电装置锚泊于水中不同深度，可有效利用剖面流并且相互之间能形成电能互补，对系统用电的可靠性有极大的增强。

Claims (3)

1.深海超低启动流速发电装置，包括耐压浮力舱(1)、三叉索系留绳(2)、旋转电连接器(3)、发电机(5)、变速箱(4)、控制单元(7)、飞轮储能机构(6)、轮毂(8)和叶片(9)；其特征在于，耐压浮力舱(1)的舱头段和舱尾段为低阻力流线型结构，中段为圆柱壳结构，在中段的两端上下各焊装有系留座，耐压浮力舱(1)具有一定的正浮力且整体表面光滑；耐压浮力舱(1)内部由左至右依次设置控制单元(7)、飞轮储能机构(6)、发电机(5)和变速箱(4)，控制单元(7)连接在耐压浮力舱(1)头段法兰上，控制单元(7)与飞轮储能机构(6)及变速箱(4)由电缆接插件连接，发电机(5)与飞轮储能机构(6)固定在耐压浮力舱(1)内的中轴线上，发电机(5)与变速箱(4)由连轴器连接，变速箱(4)与主轴连接，主轴与耐压浮力舱(1)尾部通过动密封机构连接；轮毂(8)连接在主轴端部，叶片(9)固定在轮毂(8)的法兰上；三叉索系留绳(2)连接在耐压浮力舱(1)系留座上，旋转电连接器(3)将发电装置(11)与锚泊系统其他设备连接起来。

2.如权利要求1所述的深海超低启动流速发电装置，其特征在于，发电机(5)采用无铁芯永磁盘式发电机。

3.如权利要求1所述的深海超低启动流速发电装置，其特征在于，叶片(9)材料为玻璃钢。

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