CN102889162A

CN102889162A - 一种永磁半直驱式潮流发电装置

Info

Publication number: CN102889162A
Application number: CN2011102047475A
Authority: CN
Inventors: 刘华栋; 于华明; 王大政
Original assignee: 刘华栋
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-01-23

Abstract

本发明公开了一种永磁半直驱式潮流发电装置，包括：叶片系统、变速系统、发电系统、变流系统、控制系统以及支撑系统。本发明的有益效果是：该装置利用潮流能发电，安全、环保；采用简单变速装置与永磁电机的半直驱组合能适应低水速低转速，能量转化率高、发电效益好；系统水下结构简单，使用寿命长，维修简便，维护成本低；半直驱结构避免了使用低速永磁电机，叶片系统省去偏航和变桨系统，工艺要求低，技术上比直驱式更容易实现；降低了制造成本。

Description

一种永磁半直驱式潮流发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种利用海洋潮流能来发电的装置。

背景技术

随着社会和经济的快速发展，人类正面临着资源匮乏、能源紧缺、气候变迁和环境恶化等严重的问题。当今世界各国都在寻求科学的途径来解决资源和环境问题，向环保可持续发展模式迈进，其中大规模开发和利用包括潮流能在内的“海洋可再生绿色新能源”成为了目前研究的热点。海洋占地球表面积的70％以上，我国毗邻西北太平洋，拥有18000多公里的曲折漫长海岸线，拥有约300万平方公里的国家管辖海域及其自然资源。海洋面积广阔，资源丰富，其中蕴藏着巨大的可再生绿色能源。21世纪是世界性全面开发利用海洋的世纪，开发海洋区域新能源对于我国经济社会的可持续发展，解决严峻的能源和环境问题，以及对国家主权海域进行实际有效的管理等方面都具有重大意义。

全球的潮汐能储量约为3TW，在浅水区可利用的部分大概为1TW。早在1996年，欧盟支持的一个潮汐能调查项目就针对欧盟范围内的海域进行了一次海洋能资源普查。根据这个项目的调查结果，欧洲大约有106个非常适合建设潮流发电站的位置。根据科学的评估和测量，如果在上述位置建成潮流电站的话，每年可以向欧洲电力市场供应50TWh量级的电能。

我国具有丰富的海洋能资源，其中海流能资源非常密集，通过对中国沿海130个水道、航门的各种观测及分析资料，计算统计获得中国沿海海流能的年平均功率理论值约为1.4X10⁷kW。其中辽宁、山东、浙江、福建和台湾沿海的海流能较为丰富，不少水道的能量密度为15-30kW/m²，具有良好的开发值。值得指出的是，中国的海流能属于世界上功率密度最大的地区之一，特别是浙江舟山群岛的金塘、龟山和西候门水道，平均功率密度在20kW/m²以上，开发环境和条件很好。

因此，开发新一代的潮流发电机，对我国的可再生能源战略将起到巨大的推动作用。目前，我国对于潮流能的开发尚处于萌芽阶段，而利用潮流能的发电机则更是没有见之于世。目前的发电设备多为火力发电、核动力发电，而此类动力的发电，对环境具有极大的威胁。

由此可见，在发电设备领域急需提供一种能利用潮流能发电的高新技术产品，拓展可再生能源的领域，减少对火电、核电的依赖。

发明内容

本发明旨在提供一种永磁半直驱式潮流发电装置，以解决现有潮流能没有得到充分利用、而发电设备却依靠对环境具有严重威胁的动力能源来发电的问题，满足各种生产场合之需求。

本发明的发明目的是通过下述技术方案来实现的：

一种永磁半直驱式潮流发电装置，包括：

叶片系统，包括为发电装置提供动能的三个叶片，所述叶片由叶片的叶面、叶背蒙皮和中部的箱型梁组成；

变速系统，包括一级或二级变速装置，所述变速装置由行星齿轮系实现；

发电系统，包括电磁线圈、环形永磁体、电机转动轴；

变流系统，所述变流系统包括变流器，所述变流器设置于岸上；

控制系统，包括传感器、计算处理器，所述计算处理器整合在电控装置内，传感器根据功用固定在机舱内；

支撑系统，包括支撑架、壳体，所述壳体固定于所述支撑架上端，所述壳体包括分别位于壳体两端的前导流罩、后导流罩以及轮毂、机舱部分，所述机舱部分为分为多节，所述机舱部分包括机舱I、机舱II、机舱III、机舱IV、机舱V，

其中，所述三个叶片同轮毂连接，所述叶片通过键同所述发电机的转子轴直接连接从而带动所述转子轴转动，所述发电机、环形永磁体设置于所述壳体内，所述壳体外表面、支撑架外表面具有一经过喷涂镀锌处理的防腐蚀层。

优选地，所述叶背的蒙皮、叶面的蒙皮由三向编织复合材料形成。中部箱形梁由上下翼梁和前后腹板组成。翼梁为三向和单向复合材料的混合。叶片的制作工艺是首先在模具上采用真空辅助树脂传递模塑方式制作叶背、叶面蒙皮，然后制作中部箱型梁，最后将三者粘压成型。

优选地，所述发电装置采用一级或二级变速装置与中速永磁电机相配合的半直驱结构。

优选地，所述支撑架的基础由角钢组装焊接而成。

优选地，所述支撑架可以根据不同的水深，通过重力式、桁架式、桩基式固定在海底。

优选地，变速系统由行星齿轮系统组成。

优选地，所述变速系统传动轴和电机轴由联轴器连接。

优选地，潮流反向时，同所述叶片连接的叶轮能够反向转动以带动发电系统发电。

本发明的有益效果：相较于双馈式和永磁直驱式发电设备，本发明所述的永磁半直驱式潮流发电装置更能适应中国海域通常较低的潮流水速，特别适合于叶轮低转速的潮流发电领域；能量转化率高，发电效益高，使用寿命长，工艺要求低，降低了生产成本，维修简便；发电结构较双馈式简单，体积、重量远小于直驱式，便于吊装安装维修，节约了海上工程成本和工作量；

本发明所述的永磁半直驱式潮流发电装置利用潮流能，相对于火力发电、核动力发电，更安全、更环保，属于真正的绿色低碳清洁能源；永磁半直驱式电机，避免使用损坏率很高的齿轮箱，降低了维护需求和后续运营成本，延长了设备使用寿命；采用简单的行星齿轮系统加速，避免采用生产工艺要求高、成本较高的低速永磁电机，降低了工艺生产要求，节约了成本；变流系统安置在岸上，简化了水下机舱内部结构，降低了设备的水下维修需求和成本；永磁半直驱式发电机具备较强电容补偿、低电压穿越能力，对电网冲击小，电网兼容性强。

由于潮流速度一般较低，相较于其他类型的发电系统，永磁半直驱式半潮流发电装置更能适应低流速、低转速，能量转化效率高，发电效益高，维修简便、工艺要求低、降低了生产成本、后续维护成本低；根据潮流180度变化的特点，叶片系统省去昂贵复杂的偏航和变桨系统，降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明所述永磁半直驱式潮流发电装置的主视结构示意图；

图2为图1中A-A处剖视图；

图3为图1中B-B处剖视图；

图4为本发明所述永磁半直驱式潮流发电装置的侧视结构示意图；

图5为本发明所述永磁半直驱式潮流发电装置的发电流程图。

图中：

1、叶片；2、支撑架；3、前导流罩；4、轮毂；5、低速轴；6、机舱I；7、机舱II；8、联轴器；9、机舱III；10、环形永磁体；11、机舱IV；12、电机转动轴(高速轴)；13、后导流罩；14、电控装置；15、轴承；16、制动器；17、电机转动轴(高速轴)；18、传动轴(花键轴)；19、行星齿轮系统齿圈；20、行星齿轮系统太阳轮；21、键；22、电磁线圈。

具体实施方式

以下参照附图1-5，结合具体的实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明所述永磁半直驱式潮流发电装置，包括：

叶片系统，包括为发电装置提供动能的三个叶片1，所述叶片1由叶片的叶面蒙皮、叶背蒙皮和中部的箱型梁组成；

变速系统，包括一级变速装置行星齿轮系19和20；

发电系统，包括电磁线圈22、环形永磁体10以及电机转动轴12；

变流系统，所述变流系统包括变流器，所述变流器设置于岸上，以及

支撑系统，包括支撑架2、壳体，所述壳体固定于所述支撑架2上端，所述壳体包括分别位于壳体两端的前导流罩3、后导流罩13以及轮毂4、机舱部分，所述机舱部分为分为多节，所述机舱部分包括机舱I 6、机舱II 7、机舱III 9、机舱IV11，

其中，所述三个叶片1同轮毂4连接，所述叶片1通过键(轮毂4)连接带动低速轴5转动，再通过行星齿轮19和20变速(提速)带动花键轴18转动，再由联轴器8带动发电机的转动轴12转动，从而将机械能转化成电能；电能通过电控装置调节后，输送到输电网络。

优选地，叶片的结构主要由三部分组成：叶片的叶面、叶背蒙皮和中部的箱型梁。叶背、叶面的蒙皮由三向编织复合材料形成。中部箱型梁由上下翼梁和前后腹板组成。翼梁为三向和单向复合材料的混合。从叶片使用的材料来看，占总质量较少份额；翼梁占了总质量的大部分。由于一般的复合材料连接困难，叶片主要采用真空辅助树脂传递模塑方式制作。该工艺是基本方法是使用敞开模具成型制品，模具只有一层硬质模板，纤维增强材料按规定的尺寸及厚度铺放在模板上，用真空袋包覆，并密封四周，真空袋采用尼龙或硅树脂制成。注射口设在模具的一端，而出口则设在另一端，注射口与RTM喷枪相连，出口与真空泵相连。当模具密封完好，确认无空气泄漏后，开动真空泵抽真空。达到一定真空度后，开始注入树脂，固化成型。叶片的制作工艺是首先在模具上采用真空辅助树脂传递模塑方式制作叶背、叶面蒙皮，然后制作中部箱型梁，最后将三者粘压成型。

优选地，所述发电装置采用一级或二级变速装置与中速永磁电机相配合的半直驱结构，工艺要求简单，成本较低，性能较为可靠。永磁半直驱结构以替代体积重量较大、工艺成本高的低速永磁直驱结构，同时避免使用复杂易损的多级齿轮箱。

优选地，所述支撑架的基础由角钢组装焊接而成。

优选地，所述支撑架可以根据不同的水深，通过重力式、桁架式或桩基式固定在海底。

优选地，变速系统由行星齿轮系统19和20组成，这些行星轮因公转而产生的离心惯性力和齿廓间反作用力的径向分力可互相平衡，故主轴受力小，传递功率大，承载能力大，工作平稳。半直驱潮流发电装置变速系统选择行星齿轮为主的结构，一方面是为了获得较大的变速比，另一方面是减少主轴受力。其选择齿轮齿数时需要考虑的因素是：满足指定的传动比；行星轮需装到相应的合理位置；行星轮间各齿顶圆要有一定间隙。此外，应保证安装以后三个基本件的回转轴线重合。

优选地，所述变速系统传动轴18和电机轴17由联轴器连接。

优选地，叶片1在潮流反向时，叶轮能够反向转动带动电机发电。设计的叶片能够根据潮流的方向进行自动调整，在正向反向潮流发生时都可以转动，提高发电量。

空气和水同为流体，虽然都满足流体方程，不过还是有相当大区别的，例如密度。水的密度要远远大于空气，平均来说，海水密度是空气的832倍，这就对潮流发电装置提出了不同的设计要求。

对于叶片来说，风电机叶片设计，主要考虑离心力载荷；潮流发电机叶片则主要考虑抵抗致密海水造成弯折的载荷。这就意味着潮流发电装置的叶片1为了避免折断，要比风电机叶片短而厚。叶片的构造和材料也要相应加强。

潮流电机叶片1材料需要较轻的质量，较高的强度，还需要较好抵御海水的侵蚀，新型复合纤维可以达到上述的材料要求。叶片1的结构优化设计和生产工艺流程取决于叶片1所承受的动、静载荷。动载荷来自斜流(当叶片轴向与流向不平行而产生)引起的周期性脉动载荷，是确定叶片1疲劳强度的重要依据。将通过求解非定常三维纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程来计算叶片的脉动力和力矩，为叶片1疲劳强度计算提供动载。静载主要由叶片1上的最大压力分布、叶片1自身重力和旋转产生的离心力组成。其中由静压分布在叶片根部所产生弯矩以及绕叶片轴的扭曲弯矩是决定叶片1静载强度的主要载荷。将应用定常三维纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程来计算叶片表面上的净压分布，为叶片结构有限元优化设计提供载荷。

叶片1的优化设计对减轻叶片1质量，降低叶片1成本，提高叶片1的强度，延长叶片1使用寿命有着非常重要的意义。叶片1的优化设计将根据叶片水动力计算获得的动、静载荷，应用结构有限元，分析计算叶片1的应力、应变分布，然后应用有限元拓扑结构优化方法，确定叶片1的纵向(沿叶片径向)肋板结构形式及尺寸，以便提供足够的强度，承担叶片1的纵向弯矩；同时确定横向(沿径向的切线方向)肋板的结构分布，以便防止叶片局部曲屈失稳现象，和减小叶片1的扭曲形变，确保叶片1的水动力特性。将采用基于层合单元法的结构有限元来计算分析叶片1的表层，即蒙皮的结构强度，以确定蒙皮在每一壳层、不同方向上的应力、应变和变形，以确保叶片1的蒙皮的结构强度满足疲劳强度的设计要求。

机舱部分并不是类似于风机的一体化设计，而是分为多节，其原因是水的密度要远远大于空气(832倍)，水流对潮流发电系统的作用力及力矩较大，这就对潮流发电装置提出了不同的设计要求。水流对叶片形成载荷的同时，也对机舱施加较大的力矩。为了平衡力矩及调整机舱重心，机舱适宜于分节式设计铸造。

另外，分节式的机舱在维修过程中，便于安装拆卸。经过力学结构设计的机舱，每节重量长度都不相同，这样可以平衡水流冲击叶片1造成的巨大力矩，这样系统才可以稳定。另外系统采用的永磁发电机，也对稳定性有一定要求。我们把机舱设计成分成多节，其中永磁发电机就固定在其中一节上，比固定在一个一体化的机舱里稳定的多。

本发明所述潮流发电装置的发电系统采用永磁发电机。永磁半直驱发电系统省去了复杂的齿轮箱，大大减少了损耗，提高了能量转化效率和发电机组的可靠性，降低了设备的维护量，延长产品的使用寿命。永磁电机通过电磁感应原理发电，在额定的低转速下输出功率较大、效率较高、发电效益更多。在电子控制方面，永磁发电机技术属于先进技术，电子化程度高，全功率逆变，改进空间更大，具有扩容到1兆瓦以上的潜力。

潮流发电装置由于转速较低，所以永磁半直驱式技术就是最佳选择。潮流发电装置叶轮的转速一般比较低，约每分钟十几转甚至低于十转，而低速永磁电机不仅成本昂贵，体积重量较大，而且工艺要求较高。通过简单的行星齿轮系变速，就可以与中速永磁电机搭配，经历了工艺要求和生产成本。永磁半直驱式潮流发电装置具备较强电容补偿、低电压穿越能力，对电网冲击小，电网兼容性强。由于潮流速度一般较低(1-2m/s)，相较于其他类型的发电系统，永磁半直驱式潮流发电系统更能适应低流速、低转速，系统能量转化效率高，发电效益多，结构简单，维修简便、能耗较少、后续维护成本低，将是我国潮流发电机未来发展趋势。此外，永磁半直驱风机技术在潮流发电装置的应用在我国尚属首家，这将对于我国潮流能的开发具有重要意义。

所述潮流发电装置的变流器是发电机组不可缺少的能量变换环节，是发电机组的核心部件之一。由于潮流的大小具有一定的变化，导致潮流发电机转速时快时慢，发出的电压幅值和频率也杂乱无章。潮流发电变流器的主要作用就是将风力发电机的电压频率、幅值浮动不定的电能转换为频率、幅值稳定，符合电网要求的电能。所述潮流发电装置由于处于水下恶劣的自然环境中，维修不便且成本昂贵，因此简化水下结构是系统设计的关键之一。本系统将主要的变电装置设计在岸上，这就大大降低水下维护的需求，从长期来看降低了设备的维修运营成本。

所述支撑系统包括支撑架2和壳体、基座。所述支撑架2采用桁架式结构，优化几何拓扑。桁架式的优点是节省材料，而不会影响支撑架本身的稳定性和运输问题。桁架式基础将由角钢组装焊接而成，生产过程严格按照国家海上设备相关标准进行质量控制。

所述控制系统是潮流发电装置的“大脑”，协调并监控以上几个子系统的可靠运行、通过对子系统的检测及控制获取最大的能量、提供良好品质的电能。控制系统通过对潮流流速的检测以及各个子系统的故障检测，控制发电装置的启动、并网、停机及脱网等操作；在任何子系统发生故障或者极端环境状况出现的情况下可以将发电装置停机脱网，确保机组安全。高可靠性的工业检测设备可以辅助控制系统对各个子系统的状态和参数进行监控，确保机组安全可靠的运行。除流速监测之外，还需要对发电机绕组温升、机舱内温度等温度变量进行监测，温度高时需要开启散热设备降温；需要对机舱、齿轮系等设备的加速度或位移量进行监测，当监测到超出安全范围的振动时需要停机保障机组安全；需要发电机电磁扭矩、发电机侧三相电流和电压、网侧三相电流和电压、变流器主要器件电气参数等进行监控。控制系统通过对发电机侧变频器功率开关器件的控制可以实现对发电机的转速-扭矩控制，在尽可能宽的调速范围内获取最多的潮流能。控制系统还可以通过对网侧逆变器功率开关器件的控制，实现对上网电能的频率、电压、电流的高级控制，保障良好的上网电能品质。

潮流发电机固定在海底的方式是潮流发电关键技术之一，通常由重力式，桩基式，浮动式三种。在水流平缓和地势平坦的地区，可以考虑利用机组自重固定的重力式；在地形较为复杂的区域，可以参照海上风电机组的桩基固定方法；水深较大的海域，则可以考虑类似轮船抛锚的浮动式。

海洋中水下环境虽然没有飓风等破坏性现象，不过总起来要比大气环境条件要复杂的多。如何延长潮流发电装置的使用寿命，保障设备正常运装，将是潮流发电机发展的一个巨大挑战。水下装置遭遇的一大生存问题是腐蚀。海水是具有一定腐蚀性的盐溶液，对任何浸泡在海水中的金属部件都需要不同程度的防腐处理。任何暴露在水中的金属部分如所述壳体外表面、支撑架2外表面，都要经过喷涂镀锌处理，从而使外表面形成具有防腐蚀作用的保护层。本产品采用基座和支撑架所用铁板型号厚度强度都要比陆地高一些，焊接等工艺处理严格按照国家相关海洋设备的标准。不过根据欧洲海上风能和海洋平台的经验，水下空气含量较低，氧化缓慢，因此水面以下部分的防腐级别，要远远低于暴露在水上与空气水汽充分接触的部分。潮流发电装置的机舱需要做密封处理，轮毂4与机舱I、低速轴5连接的部分采用成熟的船用密封技术。

海洋生物的附着也是影响水下潮流发电装置的负面因素。海草，藻类以及贝类等可能附着在叶片上，增加了叶片的负荷，减少潮流发电机的功率输出。不过根据实验研究和现有运行的潮流发电机的经验，当潮流发电机正常运转的时候，叶片会将海草甩掉，并在附着生物生长早起阻止它们继续成长。另外，由于潮流电机叶轮转速很低(每秒十几转)，对海洋鱼类及底栖生物的环境影响微乎其微。

当然应意识到，虽然通过本发明的示例已经进行了前面的描述，但是对本发明做出的将对本领域的技术人员显而易见的这样和其他的改进及改变应认为落入如本文提出的本发明宽广范围内。因此，尽管本发明已经参照了优选的实施方式进行描述，但是，其意并不是使具新颖性的设备由此而受到限制，相反，其旨在包括符合上述公开部分、权利要求的广阔范围之内的各种改进和等同修改。

Claims

1.一种永磁半直驱式潮流发电装置，包括：

叶片系统，包括为发电装置提供动能的三个叶片，所述叶片由叶片的叶面蒙皮、叶背蒙皮和中部的箱型梁组成；

变速系统，包括一级或二级变速装置，所述变速装置由行星齿轮系组成；

发电系统，包括电磁线圈、环形永磁体、电机转动轴；

2.如权利要求1中所述的永磁半直驱式潮流发电装置，其特征在于：所述叶背蒙皮、叶面蒙皮由三向编织复合材料形成，所述中部箱型梁由上下翼梁和前后腹板组成，其中，所述上下翼梁为三向和单向复合材料的混合。

3.如权利要求1中所述的永磁半直驱式潮流发电装置，其特征在于：所述发电装置采用一级或二级变速装置与中速永磁电机相配合的半直驱结构。

4.如权利要求1中所述的永磁半直驱式潮流发电装置，其特征在于：所述支撑架的基础由角钢组装焊接而成。

5.如权利要求1-4中所述的永磁半直驱式潮流发电装置，其特征在于：所述支撑架根据不同的水深，通过重力式、桁架式或桩基式固定在海底。

6.如权利要求1中所述的永磁半直驱式潮流发电装置，其特征在于：所述变速系统传动轴和电机轴由联轴器连接。

7.如权利要求1中所述的永磁半直驱式潮流发电装置，其特征在于：潮流反向时，同所述叶片连接的叶轮能够反向转动以带动发电系统发电。