CN102518545A - 趸船流水发电组合式电站 - Google Patents

Abstract

一种趸船流水发电组合式电站，包括趸船，所述的趸船上设有配备自动工作水位调节装置、防超洪水装置和清理漂浮物装置的带式水力机形式的流水发电装置、太阳能发电装置和\或风力发电装置；本发明采用带式水力发电机与磁悬浮风力发电机以及太阳能发电装置配套，并与岸电并网互动互补：以旺季洪水和/或风光能发电反馈于岸电；在淡季以岸电补充趸船，构成不间断电源，构成具有清洁新能源自发电装置的多用途趸船。同时，本发明可实现多种电源的自动控制和调度，具有操作简单、安全可靠、效率高、适应非专业化管理的多种优势。可作为兼有趸船和电站双重功能的复合船用设施或者专用水岸综合能源电站。

Description

趸船流水发电组合式电站

技术领域

本发明涉及一种静止式船用设施和一种利用清洁能源构成不间断电源的发电站的多功能综合设施，特别是一种兼有趸船功能、并且可以充分利用低速流水、以及风、光能发电的趸船流水发电组合式电站，或者专用综合能源电站，亦可称为趸船和流水组合电站的复合设施，或者专用水岸综合能源电站。 

背景技术

趸船是一种非自航船舶，停靠于港口码头岸边，供自航船舶进行停靠系泊之用，作为船舶与陆地交往的工作平台和工具，也是联接船舶与陆地的纽带和桥梁。目前传统趸船几乎都需要电能供应，以供应照明和动力之用，例如水泵、绞缆机等。显然电能只能来自于岸电。同时因为船舶在停靠时也需要引用岸电，以供应船舶生活照明和蓄电池充电之用，所以取用岸电的容量可能较大。可见，传统的趸船只能说是耗能设施。实际上在趸船所在的水陆交界处，太阳能和风能比较丰富，且往往有许多地方水流速度较大，例如海边或者杭州湾钱塘江的潮汐较大，而长江三峡和金沙江边的流水湍急，特别是三峡水电站的三峡大坝以下，在泄洪或者冲沙时，流水速度较大，往往使得趸船的系缆变得十分困难。可见其蕴含着丰富的流水动能。 

此外，作为一般性趸船流水发电装置面临许多技术难题，而导致一般性趸船发电装置难以投入实用。例如流水和风光能的季节性不均匀导致供电的不连续，生产淡季长、投资回报率低、得不偿失；难以利用低速流水、能量效率较低；针对于广大非专业化的使用条件，管理难度大控制复杂、许多自动控制系统不完善，例如根据流水流量的不均匀性的效率提高和稳定性调节、发电质量的控制、安全保护控制、洪水季节的超速保护、水上漂浮物较多的问题等等。其关键在于缺乏实用技术。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种趸船流水发电组合式电站，在保证满足趸船的所有功能和需求的前提下，实现趸船充分利用低速流水、风、光能等多种清洁能源发电，构成趸船不间断电源，满足停靠船舶和趸船自身的用电需求，以及适度向电网反馈电能或者供应给附近岸上用电。 

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种趸船流水发电组合式电站，包括趸船，所述的趸船上设有配备自动工作水位调节装置、防超洪水装置和清理漂浮物装置的带式水力机形式的流水发电装置、太阳能发电装置和\或风力发电装置； 

流水发电装置通过整流升压器转换为直流后与总配电板采用电缆连接；

风力发电装置为多台磁悬浮风力发电机、通过整流变换升压控制器转换为直流后与总配电板采用电缆连接；

太阳能电池板通过DC/DC变换控制器与总配电板采用电缆连接；

总配电板与蓄电池组采用电缆连接；

总配电板经过整流逆变双向控制器与岸电箱采用电缆连接。

所述的趸船迎水面设有清漂装置，它由一个布置在两个垂直转轴上的网状封闭带和电动装置组成，垂直转轴可以旋转以带动网状封闭带用以清除漂浮物。 

清漂装置一侧还设有辅助清漂装置，它由一个高压喷水或者喷气装置与高压水或者高压空气系统组成。 

所述的趸船为双体或者多体趸船，在船体纵向中部过水通道入口处还设有防洪闸门，它由一个采用过电压或者过流速传感器控制的电动闸门组成。 

所述的趸船底部还设有吃水线控制装置，它由浮箱、水位传感器控制的自动水泵和管道阀门组成。 

所述的带式水轮发电装置中，第一转动轮和第二转动轮之间通过主动带连接，所述的主动带上设有多个叶片。 

所述的主动带下方设有至少一个下导流板，和/或主动带两侧设有至少一个侧导流板。 

所述的叶片采用柔性材质，以使叶片在回程时与主动带基体贴合。 

所述的叶片位于主动带基体内外两面，相应的第一转动轮和第二转动轮上设有与内侧叶片相容的开口。 

多种电源的调度使用采用单片机控制，优先使用流水发电装置、风力发电装置和太阳能发电装置的电能，在对蓄电池组充电的同时向负载供电，在船舶用电有余时，由整流逆变双向控制器将直流电逆变为交流电反送到岸电箱，反馈给电网。 

本发明提供的一种趸船流水发电组合式电站，通过采用上述的技术方案，具有以下有益效果： 

1、趸船的水下的双体船形状有利于安装流水能量收集装置，且便于安装和维护管理。船体水上部分与传统趸船完全相同，功能不变。

2、带式水轮发电装置，通过设置多个可以吸收流水能量的叶片，可以高效吸收水流的动能，以原始水轮为例，单个叶片的受力F=f₀×cosα,式中，F为水平面垂直的分力，f₀为水流的动力，α为当前叶片与垂线的夹角，即只有在叶片位于最底部时，该叶片作用于传动轴的力矩才为最大，而在本发明中，各个浸没在水中的叶片与垂线的夹角均为零，因此可以有效的吸收水流中的动能，即F≈f₀，而在传统水轮中，仅有单个叶片受力最大，而本发明中，配合下导流板和侧导流板，可以确保同时有多个叶片受力均为最大。配合采用螺旋式离合传动装置的换向离合器，本发明的装置，无论输入的水流是正向或逆向，均可以输出为一个方向扭矩，从而可适用于不定向流水环境，例如潮汐发电。 

与带式水轮发电装置连接的永磁交流发电机采用低转速、低频率特征可适应于低速水流的情况，可在没有或者少设置增速机和齿轮箱连接的情况下，而提高效率、并保证在流速较小时发电。同时由于以上特征和永磁无刷发电机的结构形式，发电机体积较大且转子上无绕组而易于散热、加上无集电环和电刷的因素，因此可提高发电机能量转换效率、可靠性、安全性高，大大减轻维护管理工作。 

转动轮与永磁交流发电机的机械连接采用无齿轮箱技术，且发电机低速低频永磁交流发电机的形式，可获得机械损失小、发电效率高、结构简单的效果，从机械和电气双重因素方面适用于低速水流的情况，且采用螺旋式离合传动装置可适应于双向水流的情况，而具有扩大应用范围、提高适应力和自动运行的特性。可在沿海水网地带和近海不受潮汐影响的地域都可用来发电。大大的扩大了本发明的应用范围。 

此外，采用带式水轮发电装置可以成悬臂型支撑，即单侧支撑，也可以成简支梁型支撑，即双侧支撑，所以，它既适合在开阔水道，也可以在狭窄水道 发电。应用在狭窄水道中还可以减少使用水道的横截面，不影航道的通航。 

3、多台磁悬浮垂直轴风力发电机可取用低速风力，使用时间和效率可比传统水平式风力发电机提高75%以上。 

4、所述的太阳能电池板可以是由岸上延伸太阳能板与趸船上的太阳能电池板并联，可扩大受光面积，解决趸船面积不足的问题，适应于小型趸船。 

5、总配电板采用单片机控制可实现四种电源的自动控制和调度，DC/DC变换器、AC/DC变换器升压器和整流升压器分别实现太阳能板、风力发电机和永磁交流发电机与蓄电池电参数匹配，并具有各种保护、可实现全自动运行，既有利于协调各种电源的关系：优先使用流水动能、风光能，恰当引用岸电，及时反供应电能，优化运行，提高效率，又有利于适应现实管理水平不高的情况，从而提高本发明的设施的可靠性，有利于产品的普及推广。 

6、本发明具有集成优势和效应。利用了多种清洁能源，具有绿色环保节能的综合效益。同时考虑了各种能源的季节性间断性不连续的因素，而综合利用多种清洁能源，并且以岸电为后盾，构成了稳定的电源，且配备了齐全的控制系统，硬件设施完善，适应性强，可靠性高，贴近使用的实际，不仅具有优良的环境效益、社会效益，而且具有可观的经济效益，因此，具有了投资建设的必要性、可能性和可行性。这是因为各种因素集成产生了多种互补的效应。例如，趸船与发电站，供电和反供电，船舶与陆上都形成了集成综合与互补的效果；多种能源形成了补强和相互支持，流水、风光能都是有季节性的，首先，它们之间进行互补，可极大地增加电站供电的可靠性和实现节能的目标，其次，它们与蓄电池互补，在用电较少时，可以储存起来使用、以应对流水较小和雨天及无风的情况，此外，它们与岸电在时间和季节上互补，在旺季时，由于可以向大电网供电，所以相当于节约电煤，在淡季时，部分依靠岸电供电，则相当于再由煤转变为电，这样在一年中，总体上看，可能实现供电自给或者有余，因此在经济效益方面，是有可观的，是可以实现投资高回报率的。 

7、设置的清漂装置、辅助清漂装置和防洪自动闸门、以及趸船吃水线控制装置可实现流水发电装置利用流水去掉漂浮物和在特大洪水超过发电设计参数时实现自动失速保护、以及高效率全自动控制。可自动除去流水中的漂浮物和在特大洪水时实现对于流水发电装置的自动失速保护。趸船吃水线控制装置可实现发电装置的高效率运行。综上所述，本发明可实现在多种情况下的全自动运行，既有利于提高效率充分利用综合能源、而且有利于提高设备的可靠性，因此在总体上是安全可靠、简单易行，对于管理要求较低，具有较高的实用价值，十分有利于普及推广。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明： 

图1为本发明的连接框图。

图2为本发明的主视结构示意图。 

图3为本发明的俯视结构示意图。 

图4为本发明中在过水通道安装带式水轮机的俯视结构示意图。 

图5为本发明中采用吃水线控制装置时的结构示意图。 

图6为本发明中带式水轮发电装置的主视结构示意图。 

图7为本发明中带式水轮发电装置的俯视结构示意图。 

图8为本发明中带式水轮发电装置采用双面叶片并配合下导流板时的主视结构示意图。 

图9为本发明中带式水轮发电装置采用侧导流板时的俯视结构示意图。 

图10为图6的A-A剖视示意图。 

图11为本发明中带式水轮发电装置采用多叶片并交错布置时的结构示意图 

图12为图10的C向视图。

图13为图8的B-B剖视示意图。 

图中：趸船1，清漂装置2，整流升压器3，流水发电装置4，主动带401，单叶片4101，多叶片4102，主动带基体4103，第一转动轮402，第一转动轮轴承座403，第二转动轮404，第二转动轮轴承座405，张紧轮406，法兰盘407，螺旋式机械传动离合器408，基座409，发电机410，下导流板411，侧导流板412，开口413，辅助清漂装置5，蓄电池组6，太阳能电池板7，吃水线控制装置8，DC/DC变换控制器9，风力发电装置10，AC/DC整流变换升压控制器11，岸电箱12，防洪闸门13，整流逆变双向控制器14，总配电板15。 

具体实施方式

如图1中，一种趸船流水发电组合式电站，包括趸船1，所述的趸船1上设有流水发电装置4、太阳能电池板7和\或风力发电装置10；流水发电装置4、太阳能电池板7和风力发电装置10根据当地的情况，可以设置其中的一种或多种。例如在风能不足的区域，放弃安装风力发电装置10，或者在光照不足的区域，放弃安装太阳能电池板7，以提高电站的整体性价比。 

流水发电装置4通过整流升压器3与总配电板采用电缆连接；流水发电装置4通常采用永磁交流发电机，由整流升压器3升压后提供给总配电板。 

风力发电装置10通过整流变换升压控制器11与总配电板采用电缆连接；通常整流变换升压控制器11采用AC/DC整流变换升压控制器,将交流转换为直流，以供蓄电池组6充电。如图2、图5中，风力发电机10采用多台磁悬浮垂直轴风力发电机。 

太阳能电池板7通过DC/DC变换控制器9与总配电板采用电缆连接；太阳能电池板7不仅安装在趸船上，还安装在岸上延伸部，以克服趸船受光面积较小的问题。 

总配电板15与蓄电池组6采用电缆连接；总配电板15经过整流逆变双向控制器14与岸电箱12采用电缆连接。 

电站总配电板15采用单片机控制，可对流水发电、风、光能发电、岸电和蓄电池储电的多种电源实现集中统一调度控制，可实现满足趸船用电和将多余的电能反馈于岸电大电网的双重控制。 

总配电板内部开关组采用单片机控制，优先使用流水发电装置4、风力发电装置10和太阳能电池板7的电能，在对蓄电池组6充电的同时向负载供电，在船舶用电有余时，由整流逆变双向控制器将直流电逆变为交流电反送到岸电箱12，再反馈给电网。而流水发电装置、风力发电装置和太阳能电池板产生的电能不足时，则切换至由岸电箱供电。 

具体为：在总配电板15的外部设置有岸电整流逆变双向控制器14、直流电变三相交流电变频器和直流电变单相交流电逆变器，以及在配电板内部设置由单片机控制的开关组；岸电整流逆变双向控制器外接岸电箱12、内接配电板内部开关组，可实现岸电三相交流电和直流电的整流和逆变双向转变，可对蓄电池组6进行充电，也可以将蓄电池组6直流电转变为交流电反馈于电网或供码头岸上负载用电；蓄电池组6接配电板内部开关组；通过配电板内部开关组分别接整流升压器3、DC/DC变换控制器9和AC/DC整流变换升压控制器11；具有多数量的直流电变三相交流电变频器和直流电变单相交流电逆变器分别内接总配电板内部开关组，外部分别接船舶多个三相动力用户和船舶单相交流用户，两者可将直流电逆变为标准三相交流电和单相交流电，前者可进行变频调速控制。 

如图3、图4中，所述的趸船1为双体趸船，在船体的中部过水通道入口处还设有防洪闸门13。防洪闸门13由一个垂直式电动活动门和一个垂直式框架组成，活动门可在框架内上下运动。当遇到水流速度超过设计速度时，由水压控制或者转速超速控制和电气超压双重控制下的电力开关起动，将闸门放下，以减少中央流水通道的流水速度和流量，从而保护流水发电装置4的安全。 

如图3中，所述的趸船1迎水面设有清漂装置2。清漂装置2一侧还设有辅助清漂装置5。清漂装置2在本例中，由一个环形丙纶强力丝网和两个钢质旋转轴构成，环状网可由两个旋转轴带动而旋转。在发电机运转时自动起动，电动机带动环形防护网，向水流中心方向环形运动，将漂浮物带离中央流水通道，向趸船边沿流动，最后被中心水流将漂浮物带离趸船，达到自动清漂的目的。清漂装置2中的环形丙纶强力丝网的流水空间面积大于双体船形的水下中间部分形成流水通道的面积。自动清漂装置可利用流水去掉漂浮物，可自动运行，也可以在没有漂浮物的情况下，利用手动开关关闭自启动开关。清漂装置2的作用在于可以有效去除漂浮物对发电装置的影响，避免缠绕在发电装置的桨叶或叶片上，本例以中央流水通道为例进行了说明，但是将清漂装置2设置在趸船1的一侧也是可行的，以用于与采用悬臂支撑结构的流水发电装置4相配合。 

所述的辅助清漂装置5为由泵驱动的，由一个高压喷水或者喷气装置与高压水或者高压空气系统组成。用于辅助清漂装置2快速清除漂浮物。 

流水发电系统的运行方式是：在设计流速范围内，水力发电机以变速变频方式工作、发出交流电，经过整流为直流电，为蓄电池充电或者逆变供应给负载，或者反馈于大电网。清理漂浮物装置同时工作，在没有漂浮物时，可手动关闭装置。在洪水季节，当流速超过设计数值时，过电压或者过流速传感器将控制电动闸门自动关闭，使水力机失速，以保护流水发电机组。当水位变化和趸船上的载重变化时，自动工作水位调节装置将开始工作，随时抽出或者吸入一定水量，以保持趸船水位不变，使水力机总是处于流水的表面流速最大的地方（见后面）。 

如图2、3、4和9中，所述的流水发电装置4为带式水轮发电装置。 

如图6、图8中，所述的带式水轮发电装置中，部分或全部位于水中的第一转动轮402和第二转动轮404，第一转动轮402和第二转动轮404之间通过主动带401连接，所述的主动带401上设有多个叶片。优化的方案为第一转动轮402和第二转动轮404部分的浸没在水中，从而使位于图中下部的叶片均浸没在水中，而上部的叶片则处于空气中，因此用于安装带式水轮发电装置的趸船1应具有可以调节吃水线的功能，例如设置吃水线控制装置8。在后面叙述的另一种可选的方案中，也有第一转动轮402和第二转动轮404位于水平面之下的方案。 

如图8、图9中，所述的主动带401下方设有至少一个下导流板411，和/或主动带401两侧设有至少一个侧导流板412。设置固定的下导流板411和侧导流板412在定向流水的水域可以将引导水流冲击叶片，从而进一步提高整个装置的转换效率。而用于不定向水流中，则采用可以切换方向的下导流板411和侧导流板412，以适应不同方向的水流，例如潮汐。第一转动轮402和第二转动轮404部分或全部位于水中的两种方案中，均可以与导流板形成组合，提高水流利用效率。 

所述的叶片为单叶片4101或多叶片4102。如图10中所示，所述的单叶片即在一个横向位置仅安装一个叶片，这样加工较为便利；如图11中所示，所述的多叶片即在一个横向位置安装有多个叶片，这个方案的优点在于单个叶片的受力较小，从而可以将叶片做的较长，或者降低对叶片材质和主动带基体4103材质的要求。主动带基体4103通常采用橡胶与钢丝复合结构，或橡胶与高强度纤维，例如碳纤维复合制成。 

如图11中所示，所述的多叶片4102相邻的两列交错布置。交错布置的多叶片4102在相同数量的叶片时，可以更好的利用水流。 

如图12中所示，所述的叶片具有内凹的形状。在单向水流中，因为不用考虑双向受力的问题，因此可以将叶片制作成内凹的形状，即在迎水面上形成内凹，以更好的吸收能量，单叶片4101或多叶片4102均可采用该方案，如图12中，此时水流与叶片接触后被分向两侧和下方，正好与下导流板411和侧导流板412形成配合。 

如图8中，所述的叶片采用柔性材质。采用柔性材质的优点在于，当受力时叶片张开，例如位于图8中的下部时；而所述的叶片在回程时，例如位于图8中的上部时，叶片与主动带基体4103贴合，由此结构，即便主动带401均浸没在水中，由于主动带401上部和下部相比，具有受力面积差的存在，本发明的装置仍可运行。 

如图8、图13中所示，所述的叶片位于主动带基体4103内外两面，相应的第一转动轮402和第二转动轮404上设有与内侧叶片相容的开口413。即第一转动轮402和第二转动轮404通过两侧的位置与主动带基体4103形成配合，为确保传动可靠，通常采用齿啮合传动，而在转动轮中部的位置则形成一开口413用以通过位于主动带基体4103内侧的叶片，采用该方案在相同的转换效率下，可以缩小本发明装置的外形尺寸，与采用柔性材质的叶片配合，效果尤其显著。在与柔性材质的叶片配合时，主动带基体4103制作成网状的结构也是可行的。 

如图7、图9中，所述的第一转动轮402与发电机410通过法兰盘407连接（适用于定向水流），或者第一转动轮402通过法兰盘407和换向离合器408与发电机410连接（适用于不定向水流）。本例中采用简支梁型支撑，第一转动轮402两侧设有第一转动轮轴承座403，第二转动轮404两侧设有第二转动轮轴承座405。在较狭窄水域中，优化的方案为采用悬臂型支撑，即仅在单侧设置轴承座。本例中的换向离合器408采用螺旋式离合传动装置，为市售的产品，通过四组螺旋式离合装置构成，所以可保证无论转动轮的转动方向是顺时针还是逆时针，而输出的传动轴转动方向均是顺时针方向。这样本发明无论是在定向流水环境，还是在不定向流水环境，例如潮汐环境中均可使用，同时可省去管理调节的工作，具有自动适应水流状况的自动运行的功能。 

如图7、图9中，所述的第二转动轮404一侧设有张紧装置406。两个张紧装置406安装在两个支撑第二转动轮404的第一转动轮轴承座405的一侧，在安装或使用主动带401时用以调整张紧程度。 

所述的发电机410为永磁交流发电机。永磁交流发电机410采用多极32-64级、低速20-90转/分 、低频率10-24赫兹的永磁无刷发电机的结构形式和电气特征。永磁交流发电机采用低转速、低频率特征可适应于低速水流的情况，可在没有或者少设置增速机和齿轮箱连接的情况下，而提高效率、并保证在流速较小时可发电。

如图5中，所述的趸船1底部还设有吃水线控制装置8。所述的吃水线控制装置8为位于趸船1底部的浮箱，当吃水线较高时，自动控制系统控制阀门开启，水进入到浮箱内，使吃水线上升，而当吃水线较低时，浮箱内的抽水泵开启，将浮箱内的水排出，从而使吃水线下降。设置的吃水线控制装置8可以使流水发电装置4处于最佳的工作位置。该优化方案对于经常需要上下游客或货物的趸船1效果尤其显著。 

Claims (10)

1.一种趸船流水发电组合式电站，包括趸船（1），其特征在于：所述的趸船（1）上设有配备自动工作水位调节装置、防超洪水装置和清理漂浮物装置的带式水力机形式的流水发电装置（4）、太阳能发电装置（7）和\或风力发电装置（10）；

流水发电装置（4）通过整流升压器（3）转换为直流后与总配电板（15）采用电缆连接；

风力发电装置（10）为多台磁悬浮风力发电机、通过整流变换升压控制器（11）转换为直流后与总配电板（15）采用电缆连接；

太阳能电池板（7）通过DC/DC变换控制器（9）与总配电板（15）采用电缆连接；

总配电板（15）与蓄电池组（6）采用电缆连接；

总配电板（15）经过整流逆变双向控制器（14）与岸电箱（12）采用电缆连接。

2.根据权利要求1所述的一种趸船流水发电组合式电站，其特征在于：所述的趸船（1）迎水面设有清漂装置（2），它由一个布置在两个垂直转轴上的网状封闭带和电动装置组成，垂直转轴可以旋转以带动网状封闭带用以清除漂浮物。

3.根据权利要求1所述的一种趸船流水发电组合式电站，其特征在于：清漂装置（2）一侧还设有辅助清漂装置（5），它由一个高压喷水或者喷气装置与高压水或者高压空气系统组成。

4.根据权利要求1所述的一种趸船流水发电组合式电站，其特征在于：所述的趸船（1）为双体或者多体趸船，在船体纵向中部过水通道入口处还设有防洪闸门（13），它由一个采用过电压或者过流速传感器控制的电动闸门组成。

5.根据权利要求1或4所述的一种趸船流水发电组合式电站，其特征在于：所述的趸船（1）底部还设有吃水线控制装置（8），它由浮箱、水位传感器控制的自动水泵和管道阀门组成。

6.根据权利要求1所述的一种趸船流水发电组合式电站，其特征在于：所述的带式水轮发电装置中，第一转动轮（402）和第二转动轮（404）之间通过主动带（401）连接，所述的主动带（401）上设有多个叶片。

7.根据权利要求6所述的一种趸船流水发电组合式电站，其特征在于：所述的主动带（4011）下方设有至少一个下导流板（411），和/或主动带（401）两侧设有至少一个侧导流板（412）。

8.根据权利要求6所述的一种趸船流水发电组合式电站，其特征在于：所述的叶片采用柔性材质，以使叶片在回程时与主动带基体（4103）贴合。

9.根据权利要求6或7所述的一种趸船流水发电组合式电站，其特征在于：所述的叶片位于主动带基体（4103）内外两面，相应的第一转动轮（402）和第二转动轮（404）上设有与内侧叶片相容的开口（413）。

10.根据权利要求1所述的一种趸船流水发电组合式电站，其特征在于：多种电源的调度使用采用单片机控制，优先使用流水发电装置（4）、风力发电装置（10）和太阳能发电装置（7）的电能，在对蓄电池组（6）充电的同时向负载供电，在船舶用电有余时，由整流逆变双向控制器（14）将直流电逆变为交流电反送到岸电箱（12），反馈给电网。

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