CN102278262B - 正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，属于海洋可再生能源开发领域。由正向叶轮、正向叶轮叶片、反向叶轮、反向叶轮叶片、集成传动系统、流向流速传感器和塔座组成，其中集成传动系统包括正向叶轮转轴、正向增速发电机、蓄电池、反向增速发电机、反向叶轮转轴、正向齿轮减速器、正向驱动电机、控制器、反向驱动电机、反向齿轮减速器。正向叶轮和反向叶轮对称安装、同时工作且旋转方向相反。本发明的正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，适合往复潮流，单机功率大、效率高，且具有各种流速下的自启动能力，外观简洁，工作稳定，电能输出稳定、清洁无污染。
Description
技术领域
本发明属于海洋可再生能源开发领域，涉及正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组。
背景技术
能源和环境是人类可持续发展面临的重大问题，发展清洁的可再生能源为世界各国所共识。我国海域辽阔，总面积470万平方公里；海岸线曲折漫长，大陆岸线1.8万公里，海岛岸线1.4万公里，海洋能蕴资源藏量十分丰富，其中可供开发的潮流能2000万千瓦，开发应用前景十分广阔。
潮流具有典型的往复性特点。发电是潮流能利用的主要形式，潮流能发电的核心是吸收潮流的水轮机。水平轴水轮机单机功率大，适合各种潮流流速，广受青睐，被誉为“水下风车”。
潮流能量捕获效率是评价水平轴水轮机的核心技术指标，如何提高往复潮流的能量捕获效率是水平轴水轮机的关键。针对潮流的往复性特点，单个水平轴水轮机需要大范围变桨即改变叶片攻角，或者执行叶轮的180°偏航来实现。在海面下实现大范围的变桨或偏航会显著降低水轮机的可靠性和寿命，例如导致密封受损，叶片、叶轮刚度和强度降低等。因此，单个水平轴水轮机很难实现相同往、复潮流的双向捕获效率。针对该问题，有学者提出双叶轮水轮机，两个叶轮对称安装，对应来流工况，只有迎流的叶轮工作，以适应往复流，这种设计增加了一次性投资，能量捕获效率完全取决于单个叶轮。
专利申请：双反向折叠式横轴潮流能水轮机，申请号201010247741.1，主要内容如附图1所示；发电机两端各设一套叶轮、连杆、转向节和增速齿轮箱，发电机和两端的增速齿轮箱固定在一个公共基座上，基座借助推力轴承采用转动方式安装在支柱上，支柱固定在海床的水泥基础上；叶轮的叶片、连杆和支柱采用折叠式结构，该潮流能水轮机通过有效的折叠，缩小了整个装置的体积，方便运输，避免各个部件之间的拆装。该发明通过水轮机的折叠，有效降低了水轮机的运输、安装成本，但降低了叶片、连杆和支柱的强度和可靠性，结构复杂；对于潮流的往复，能量捕获效率和单个叶轮相同，没有提高双叶轮水轮机的整体能量捕获效率。
综上，提高水平轴水轮机对于往复潮流的能量捕获效率是降低潮流能开发成本的核心，也是海洋可再生能源利用的关键。
发明内容
本发明针对目前海洋可再生能源开发中水平轴水轮机对于往复潮流的综合能量捕获效率低的问题，提出正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组。
正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，包括正向叶轮、正向叶轮叶片、反向叶轮、反向叶轮叶片、集成传动系统、流向流速传感器和塔座，其中集成传动系统包括正向叶轮转轴、正向增速发电机、蓄电池、反向增速发电机、反向叶轮转轴、正向齿轮减速器、正向驱动电机、控制器、反向驱动电机和反向齿轮减速器。
所述的正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，集成传动系统位于正向叶轮和反向叶轮之间，流向流速传感器位于集成传动系统的顶部，集成传动系统支撑于塔座之上；正向叶轮、正向叶轮转轴和正向增速发电机同轴，反向叶轮、反向叶轮转轴和反向增速发电机同轴，正向增速发电机和反向增速发电机的中心轴线重合。
所述的正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，正向叶轮叶片固定在正向叶轮上，反向叶轮叶片固定在反向叶轮上，正向叶轮和反向叶轮分别通过正向叶轮转轴和反向叶轮转轴输入集成传动系统中；正向叶轮转轴连接正向增速发电机，反向叶轮转轴连接反向增速发电机；正向增速发电机和蓄电池之间、反向增速发电机和蓄电池之间、蓄电池和控制器之间、控制器和正向驱动电机之间、控制器和反向驱动电机之间均采用电缆连接；正向驱动电机经由正向齿轮减速器驱动正向叶轮转轴，反向驱动电机经由反向齿轮减速器驱动反向叶轮转轴。
所述的正向叶轮和反向叶轮完全相同，叶片数均为2-6个，沿通过正向叶轮转轴和反向叶轮转轴中点并垂直于正向叶轮转轴的平面对称安装。正向叶轮叶片和反向叶轮叶片的叶片可以为直叶片、扭叶片、带掠叶片中的一种或多种。
所述的蓄电池可以采用锌溴储能电池或全钒液流储能电池。
正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，也可以采用集成传动系统位于正向叶轮和反向叶轮的一侧，反向叶轮转轴为空心轴，反向叶轮转轴内径和正向叶轮转轴外径之间通过过渡轴承支承，构成套装双转子结构；集成传动系统各部件不变，位置进行必要的调整。
工作原理：流向流速传感器测量潮流的方向和流速；当潮流方向由正向叶轮流向反向叶轮时，正向叶轮在潮流驱动下正向转动，带动正向叶轮转轴驱动正向增速发电机发电，所发出的电储存到蓄电池中，这此过程中，正向齿轮减速器、正向驱动电机不工作，置于空载状态；当正向叶轮正常工作以后，蓄电池的一小部分电经过控制器只传输给反向驱动电机，反向驱动电机驱动反向齿轮减速器进而带动反向叶轮转轴、反向叶轮旋转，在此过程中，反向增速发电机不工作，反向叶轮的转速根据流向流速传感器测量的流速确定、通过控制器实现；由于反向叶轮的旋转在反向叶轮前后产生压差，加大流过正向叶轮的质量流量，因而增加了正向叶轮所吸收的功。当反向叶轮工作在合适转速范围时，反向叶轮所消耗的功小于正向叶轮所增加的功，即提高了整个机组的效率。当潮流的方向改变时，反向叶轮在潮流驱动下带动反向增速发电机发电，所产生的电一小部分经由蓄电池、控制器供给正向驱动电机，正向叶轮被驱动工作，用于提高反向叶轮的质量流量。
当潮流方向由正向叶轮流向反向叶轮时，如果流向流速传感器测量到的潮流流速过低、正向叶轮无法自启动时，蓄电池的电经过控制器控制，先传输给正向驱动电机，正向驱动电机驱动正向齿轮减速器进而带动正向叶轮转轴、正向叶轮旋转，并使正向叶轮转速达到低潮流流速的工作转速；正向叶轮自启动以后，控制器停止给正向驱动电机供电，正向叶轮在潮流驱动下带动正向增速发电机发电。此时，控制器给反向驱动电机供电，带动反向叶轮旋转，用于加大流过正向叶轮的质量流量。
本发明的优点包括：1适合往复潮流，对于双向潮流具有相同的效率和功率，保证了往复潮流下水平轴潮流能水轮机组工作在设计工况点，工作稳定，可靠；2对于单向潮流，一个叶轮为另一个叶轮增加质量流量，使整个机组的能量捕获效率大于单个叶轮的能量捕获效率；3当叶轮在低速潮流下无法自启动时，还能通过驱动电机使叶轮启动并达到工作转速；4由于潮流流速随潮汐变化并受自然环境影响，潮流能发电不稳定，且在并网之前需要转变为交流电，通过锌溴储能电池或全钒液流储能电池进行蓄电储能，可以使电能稳定，方便并网。
本发明适合往复潮流，单机功率大、效率高，且具有各种流速下的自启动能力，外观简洁，工作稳定，电能输出稳定、清洁无污染。
附图说明
图1是现有的双反向折叠式横轴潮流能水轮机结构示意图。
图2是本发明的正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组结构示意图。
图3是集成传动系统一侧布置的结构示意图。
图中：1正向叶轮；2正向叶轮叶片；3反向叶轮；4反向叶轮叶片；5集成传动系统；5-1正向叶轮转轴；5-2正向增速发电机；5-3蓄电池；5-4反向增速发电机；5-5反向叶轮转轴；5-6正向齿轮减速器；5-7正向驱动电机；5-8控制器；5-9反向驱动电机；5-10反向齿轮减速器；6流向流速传感器；7塔座。
具体实施方式
如图所示，本发明的正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组由正向叶轮1、正向叶轮叶片2、反向叶轮3、反向叶轮叶片4、集成传动系统5、流向流速传感器6和塔座7组成，集成传动系统由正向叶轮转轴5-1、正向增速发电机5-2、蓄电池5-3、反向增速发电机5-4、反向叶轮转轴5-5、正向齿轮减速器5-6、正向驱动电机5-7、控制器5-8、反向驱动电机5-9、反向齿轮减速器5-10组成。
(1)根据海域往复流流速，叶尖速比、翼型水力性能参数等计算正向叶轮1能量捕获效率随尖速比变化规律，并确定正向叶轮叶片2最佳安装角度，计算流过叶轮1的质量流量。
(2)计算反向叶轮3旋转时对于流过正向叶轮1的质量流量的影响，计算反向叶轮3旋转时的功耗，以反向叶轮3旋转功耗最低、流过正向叶轮1的质量流量最高为目标，优化反向叶轮3的工作转速并确定其最佳工作范围，并确定正向叶轮1和反向叶轮3之间的距离；最后确定集成传动系统的布置方案。
Claims (5)
1.一种正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，包括正向叶轮、正向叶轮叶片、反向叶轮、反向叶轮叶片、集成传动系统、流向流速传感器和塔座，其中集成传动系统包括正向叶轮转轴、正向增速发电机、蓄电池、反向增速发电机、反向叶轮转轴、正向齿轮减速器、正向驱动电机、控制器、反向驱动电机和反向齿轮减速器；
所述的集成传动系统位于正向叶轮和反向叶轮之间或位于正向叶轮和反向叶轮的一侧, 流向流速传感器位于集成传动系统的顶部，集成传动系统支撑于塔座之上；正向叶轮、正向叶轮转轴和正向增速发电机同轴，反向叶轮、反向叶轮转轴和反向增速发电机同轴，正向增速发电机和反向增速发电机的中心轴线重合；
所述的正向叶轮叶片固定在正向叶轮上，反向叶轮叶片固定在反向叶轮上，正向叶轮和反向叶轮分别通过正向叶轮转轴和反向叶轮转轴输入集成传动系统中；正向叶轮转轴连接正向增速发电机，反向叶轮转轴连接反向增速发电机；正向增速发电机和蓄电池之间、反向增速发电机和蓄电池之间、蓄电池和控制器之间、控制器和正向驱动电机之间、控制器和反向驱动电机之间均采用电缆连接；正向驱动电机经由正向齿轮减速器驱动正向叶轮转轴，反向驱动电机经由反向齿轮减速器驱动反向叶轮转轴；
流向流速传感器测量潮流的方向和流速；当潮流方向由正向叶轮流向反向叶轮时，正向叶轮在潮流驱动下正向转动，带动正向叶轮转轴驱动正向增速发电机发电，所发出的电储存到蓄电池中，在此过程中，正向齿轮减速器、正向驱动电机不工作，置于空载状态；当正向叶轮正常工作以后，蓄电池的一小部分电经过控制器只传输给反向驱动电机，反向驱动电机驱动反向齿轮减速器进而带动反向叶轮转轴、反向叶轮旋转，在此过程中，反向增速发电机不工作，反向叶轮的转速根据流向流速传感器测量的流速确定、通过控制器实现；由于反向叶轮的旋转在反向叶轮前后产生压差，加大流过正向叶轮的质量流量，因而增加了正向叶轮所吸收的功；当反向叶轮工作在合适转速范围时，反向叶轮所消耗的功小于正向叶轮所增加的功，即提高了整个机组的效率；当潮流的方向改变时，反向叶轮在潮流驱动下带动反向增速发电机发电，所产生的电一小部分经由蓄电池、控制器供给正向驱动电机，正向叶轮被驱动工作，用于提高反向叶轮的质量流量；
所述的正向叶轮和反向叶轮完全相同，叶片数均为2-6个，沿通过正向叶轮转轴和反向叶轮转轴中点并垂直于正向叶轮转轴的平面对称安装。
2.根据权利要求1所述的正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，其特征在于，正向叶轮叶片和反向叶轮叶片的叶片为直叶片、扭叶片、带掠叶片中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，其特征在于，所述的蓄电池，采用锌溴储能电池或全钒液流储能电池。
4.根据权利要求1或2所述的正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，其特征在于，反向叶轮转轴为空心轴，反向叶轮转轴内径和正向叶轮转轴外径之间通过过渡轴承支承，构成套装双转子结构；集成传动系统各部件不变，位置进行必要的调整。
5.根据权利要求3所述的正反旋转双叶轮水平轴潮流发电机组，其特征在于，反向叶轮转轴为空心轴，反向叶轮转轴内径和正向叶轮转轴外径之间通过过渡轴承支承，构成套装双转子结构；集成传动系统各部件不变，位置进行必要的调整。
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