CN103195637B - 一种潮流发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潮流发电装置，包括水平叶轮、垂直叶轮、第一磁力耦合联轴器、第二磁力耦合联轴器、第一齿轮增速箱、第二齿轮增速箱、第一发电机、第二发电机、齿轮换向器、密封舱、限速控制机构和储能装置。本发明提供了一种将水平轴潮流发电与垂直轴潮流发电相结合的发电装置，具有自启动性能好，适应来流方向变化，发电效率高，整体的悬置式结构便于电气控制系统的设计调试和维修等优点。本发明的潮流发电装置还可以通过支撑桁架结构与海面波浪发电装置的固定锚链连接，层次式悬浮布置于海面以下，形成一种海流波浪发电系统，实现海洋能的更好利用。

Description

一种潮流发电装置

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及波浪能来发电的装置。

背景技术

目前，国际性的能源危机和持续环境恶化使各国纷纷加大对清洁能源的开发力度。占地球表面71%的海洋，蕴藏着大量的潮汐能、波浪能、海洋温差能、海洋盐差能和海流能等海洋能，理论储量为70多亿千瓦，是目前全世界发电能力的十几倍。海洋能是清洁的可再生能源，科学的开发和利用对缓解能源危机和环境污染问题具有重要的意义，因此世界各国都在大力开发海洋能。以海流能和潮流能为例，据估计全球可供开发的能量达500-1000TWh/年，我国沿岸潮流资源根据对 130个水道的计算统计，理论平均功率为 13948.52 万千瓦。如果将这部分能源合理、高效、经济的利用起来将会使我国能源的结构更加合理，资源的利用更加充分。

海流能发电装置的工作原理比较简单，海水冲击叶轮，将流体动能转化为叶轮的机械能，进而带动发电机发电，以电能形式进行储存或输送，实现海流能的利用。海流发电无需建设拦海堤坝，大大缩短了建设周期，降低了建设投资，经济性也更好。此外，相对于传统的筑坝发电，新型海流能发电装置能够较好的保护当地环境，避免自然资源和人文景观的破坏，具有广泛的适应性和推广性。

在各型潮流能获取装置中，以水平轴潮流能水轮机应用最多，竖轴潮流能水轮机次之。垂直轴式潮流能发电装置的叶轮轴线与水流方向是相互垂直的，其技术发展路线参照了水轮机的设计。其优点在于对水深要求不高，满足变化流向的要求，整体的悬置式结构便于电气控制系统的设计调试和维修；其缺点在于自启动性能较差，整体效率较低。水平轴式潮流能发电装置的透平叶轮轴线与水流方向是相平行的，其发展路线参照了风力发电机的设计。与垂直轴透平结构相比，水平轴海流能发电装置有具有效率高、自启动性能好的特点；其缺点在于不能满足变化流向的要求，要通过变桨距控制机构才能使机组适应双向的潮流环境。因此，目前的海流发电装置整体效率都比较低，而且结构都比较复杂。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种可以解决水平轴潮流发电装置对流向适应性不强以及垂直轴潮流发电装置自启动性能差等不足，提高发电效率的潮流发电装置。

技术方案：本发明的潮流发电装置，包括水平叶轮、垂直叶轮、第一磁力耦合联轴器、第二磁力耦合联轴器、第一齿轮增速箱、第二齿轮增速箱、第一发电机、第二发电机、齿轮换向器、密封舱、限速控制机构和储能装置，第一磁力耦合联轴器包括第一主动盘和第一被动盘，第二磁力耦合联轴器包括第二主动盘和第二被动盘，水平叶轮与第一主动盘连接后设置在密封舱外部一侧，第一被动盘位于密封舱内部一侧并与第一主动盘对应设置，第一被动盘的输出端与第一齿轮增速箱的输入端连接，第一齿轮增速箱的输出端与第一发电机的输入端连接；

垂直叶轮通过齿轮换向器与第二主动盘连接后设置在密封舱外部另一侧，第二被动盘位于密封舱内部一侧并与第二主动盘对应设置，第二被动盘的输出端与第二齿轮增速箱的输入端连接，第二齿轮增速箱的输出端与第二发电机的输入端连接，第一发电机和第二发电机的输入端还与限速控制机构相连接，第一发电机和第二发电机的电能输出端与储能装置连接。

本发明中，水平叶轮采用水平轴式双向叶片，水平叶轮的轮毂上设置有导流罩。第一发电机和第二发电机为正反双向旋转发电机。

水平叶轮和垂直叶轮的叶片均为高强度玻璃钢复合材料，且叶片与导流罩表面经过喷设防腐蚀层处理；

第一磁力耦合联轴器的第一主动盘和第二磁力耦合联轴器的第二主动盘采用密封螺纹形式与密封舱固定连接。

优选地，水平轴式双向叶片与轮毂采用螺栓固定连接；

优选地，第一磁力耦合联轴器和第二磁力耦合联轴器采用平面轴向型磁力耦合联轴器；

优选地，第一发电机和第二发电机采用级数多，转速低的正反双向旋转发电机；

优选地，潮流发电装置通过支撑桁架结构与海面波浪发电装置的固定锚链连接，层次式悬浮布置于海面以下。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：      

1、相对于传统的水平轴潮流发电装置，本发明的潮流发电装置水平轴式发电部分采用双向叶片，可以双向发电，对于主流方向的潮流能捕获效率更高；本发明采用双向旋转发电机，发电机正反方向旋转均可发电。

2、与单一的水平轴式潮流发电装置相比较，本发明的潮流发电装置还设有垂直轴潮流发电部分，对于来流方向变化时仍能进行发电，避免出现断电问题。

3、本发明的潮流发电装置采用了一种换向系统，实现了垂直轴潮流发电与水平轴潮流发电装置的一体化，集成了两种发电技术的优点，可以提高潮力发电效益。

4、本发明的潮流发电装置整体结构简单，降低了制造成本，减少了水下密封防腐的难题，减少了发电的各项能量损耗，提高了发电效率。

5、本发明的潮流发电装置综合了水平轴潮流发电技术及垂直轴潮流发电技术，两种发电技术的综合提高了整个装置的发电量，提高了发电装置的供电可靠性。

6、本发明的潮流发电装置通过支撑桁架结构与海面波浪发电装置的固定锚链连接，层次式悬浮布置于海面以下，形成一种海流波浪发电系统，实现了海洋能的更好利用。

本发明将当前两种主要的潮流发电技术结合在一起，形成了一种综合利用潮流发电的装置，该装置具有水平轴和垂直轴潮流发电装置的优点，同时两者互相弥补不足，该新型潮流发电装置能够大幅提高潮流发电的效率。更进一步地，该潮流发电装置还与海面的波浪发电装置构成一种海流波浪发电系统，利用漂浮的波浪发电装置锚链连接潮流发电装置，实现了潮流发电装置悬浮布置，减少了了发电系统的经济成本，提高了发电效益，还有利于发电装置系统的安装、调试及后期维修，是一种值得大范围推广的海洋能发电系统，具有良好的推广和应用前景。

本发明的发电装置将水平轴潮流发电与垂直轴潮流发电结合在一起，可有效地解决单一形式潮流发电装置的缺点，，为海上及水下设备提供更大电量。

附图说明

图1为本发明的潮流发电装置结构示意图。

图2为本发明的海流波浪发电系示意图。

图3为本发明潮流发电装置的发电流程图。

图中：1、水平叶轮，2、垂直叶轮，3、第一磁力耦合联轴器，4、第二磁力耦合联轴器，5、第一齿轮增速箱，6、第二齿轮增速箱，7、第一发电机，8、第二发电机，9、齿轮换向器，10、密封舱，20、限速控制机构，30、储能装置，11、水平轴式双向叶片，12、导流罩，31、第一主动盘，32、第二被动盘。41、第二主动盘，42、第二被动盘。

具体实施方式

以下参照附图1—3，结合具体的实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的潮流发电装置，包括水平叶轮1、垂直叶轮2、第一磁力耦合联轴器3、第二磁力耦合联轴器4、第一齿轮增速箱5、第二齿轮增速箱6、第一发电机7、第二发电机8、齿轮换向器9、密封舱10、限速控制机构20和储能装置30，第一磁力耦合联轴器3包括第一主动盘31和第一被动盘32，第二磁力耦合联轴器4包括第二主动盘41和第二被动盘42，水平叶轮1与第一主动盘31连接后设置在密封舱10外部一侧，第一被动盘32位于密封舱10内部一侧并与第一主动盘31对应设置，第一被动盘32的输出端与第一齿轮增速箱5的输入端连接，第一齿轮增速箱5的输出端与第一发电机7的输入端连接；

垂直叶轮2通过齿轮换向器9与第二主动盘41连接后设置在密封舱10外部另一侧，第二被动盘42位于密封舱10内部一侧并与第二主动盘41对应设置，第二被动盘42的输出端与第二齿轮增速箱6的输入端连接，第二齿轮增速箱6的输出端与第二发电机8的输入端连接，第一发电机7和第二发电机8的输入端还与所述限速控制机构20相连接，第一发电机7和第二发电机8的电能输出端与储能装置30连接。

本发明中，水平叶轮采用水平轴式双向叶片，水平叶轮的轮毂上设置有导流罩。第一发电机和第二发电机为正反双向旋转发电机。

水平叶轮和垂直叶轮的叶片及流线型导流罩均为高强度玻璃钢复合材料，且表面经过喷设防腐蚀层处理；

第一磁力耦合联轴器的第一主动盘和第二磁力耦合联轴器的第二主动盘采用密封螺纹形式与密封舱固定连接。

当潮流速度过高时，必然会使叶轮转速升高，超过设计的转速，从而降低发电机运行的安全性，因此通过在发电机输入轴连接限速控制机构，能够在转速过高时对转轴进行刹车减速控制，以保证发电机的安全工作。

优选地，水平轴式双向叶片与轮毂采用螺栓固定连接；

优选地，第一磁力耦合联轴器和第二磁力耦合联轴器采用平面轴向型磁力耦合联轴器；

优选地，第一发电机和第二发电机采用级数多，转速低的正反双向旋转发电机；

优选地，潮流发电装置通过支撑桁架结构与海面波浪发电装置的固定锚链连接，层次式悬浮布置于海面以下。

叶片系统对于潮流发电装置是最重要的核心环节。叶片2及叶片8对于提高潮流发电装置能量转化效率，增加潮流发电装置发电量具有决定性作用。设计叶片1时，先进行流体力学模拟，选择合适的叶片参数。潮流发电装置设计最重要的部分就是叶片系统，优化叶片系统设计可以使得潮流发电装置尽可能多的吸收潮流能量，转化为电能。

水平轴叶片和垂直轴叶片的设计时，主要分为两部分：几何形状选择的流体动力学设计和材料选择的结构设计。流体动力学设计具体包括叶片翼型的选择、弦长、扭转角、叶片厚度等方面的最优化设计，设计的目的是使阻力损失最小，考虑到潮流发电机的叶片工作环境在水下，水的密度要比空气大得多，因此叶片载荷重点考虑扭转载荷，需要适当增加叶片厚度，设计的叶片材料要注重水下防腐抗扭等特性。对于叶片系统的几何形状以及结构强度设计，需要根据有限元分析及计算流体力学计算和小型样机的实验研究，得出最优的设计结果。叶片的工艺制造方法与风机类似，采取灌注的方法。双向叶片11前方还布置有经过流体力学仿真计算设计的流线型导流罩，来提高叶轮的转速，提高发电效率。

本发明采用永磁体的磁力耦合联轴器。潮流发电装置的叶轮转速低，但是水的密度大，所以叶轮转动的转矩很大。磁力耦合传动可以更好的实现水下密封环境，并且永磁体的磁场强度大，磁力耦合时可以传递更大的转矩。设计时要根据设计工况去顶磁力耦合联轴器的永磁体间隙，以实现叶轮转动的稳定同步传动。

本发明采用行星齿轮增速箱，可以实现大的增速比，设计时根据发电机功率，以及水下叶轮的低转速，确定传递的最大扭矩，增速器必须能够承受叶轮转动的扭矩，保证增速的可靠性与安全性。

本发明的发电机采用三相交流永磁同步发电机，且发电机可正反双向旋转发电，设计时采用较多的极数，以降低发电机的额定转速，减小增速系统的能量损失，提高装置的发电效率。

本发明的换向器为齿轮箱结构，内部结构简单，功能简单，尽量减小能量传递过程的机械损耗。

本发明的潮流发电装置叶片11布置在潮流的主流方向，这样在涨潮或者落潮时，水平轴叶轮1均可以较大的转速转动，成为整个装置的主要发电来源；在平静情况下，水平轴叶轮1的速度明显降低甚至对于侧向水流不能获取能量发电，但是此时垂直轴叶轮2可以利用各个方向的流动形成垂直叶轮的转动，经过齿轮换向器9带动水平转轴的转动，进行发电，成为此时发电的主要来源。两种方式的叶轮转动都分别经过第一磁力耦合联轴器3、第二磁力耦合联轴器4、第一齿轮增速箱5、第二齿轮增速箱6最终带动第一发电机7、第二发电机8的转子转动，进行发电。

本发明的潮流发电装置通过桁架支撑架与海绵的波浪发电系统连接，海面波浪发电装置利用波浪的起伏实现上下运动式的波浪发电，整个装置浮于海面之上。波浪发电装置通过锚链固定与海底，而本发明的潮流发电装置则可以与锚链向固定连接，这样整个装置的固定不在需要通过重力式或桩基式固定在海底。悬浮布置方式既减少了装置的安装成本，又便于后期的系统调试维修工作，而且还能为海面的波浪发电系统提供重量，调节波浪发电装置配重。这种海流波浪发电系是一种综合利用海洋能的发电系统，可以形成互补式的发电系统，对于海洋能源的开发具有良好的前景。

Claims (1)

1.一种潮流发电装置，其特征在于，该装置包括水平叶轮（1）、垂直叶轮（2）、第一磁力耦合联轴器（3）、第二磁力耦合联轴器（4）、第一齿轮增速箱（5）、第二齿轮增速箱（6）、第一发电机（7）、第二发电机（8）、齿轮换向器（9）、密封舱（10）、限速控制机构（20）和储能装置（30），所述第一磁力耦合联轴器（3）包括第一主动盘（31）和第一被动盘（32），所述第二磁力耦合联轴器（4）包括第二主动盘（41）和第二被动盘（42），所述水平叶轮（1）与第一主动盘（31）连接后设置在密封舱（10）外部一侧，所述第一被动盘（32）位于密封舱（10）内部一侧并与第一主动盘（31）对应设置，第一被动盘（32）的输出端与所述第一齿轮增速箱（5）的输入端连接，第一齿轮增速箱（5）的输出端与所述第一发电机（7）的输入端连接；

所述垂直叶轮（2）通过齿轮换向器（9）与第二主动盘（41）连接后设置在密封舱（10）外部另一侧，所述第二被动盘（42）位于密封舱（10）内部一侧并与第二主动盘（41）对应设置，第二被动盘（42）的输出端与所述第二齿轮增速箱（6）的输入端连接，第二齿轮增速箱（6）的输出端与所述第二发电机（8）的输入端连接，第一发电机（7）和第二发电机（8）的输入端还与所述限速控制机构（20）相连接，第一发电机（7）和第二发电机（8）的电能输出端与储能装置（30）连接；

所述的水平叶轮（1）采用水平轴式双向叶片（11），水平叶轮（1）的轮毂上设置有导流罩（12），所述的第一发电机（7）和所述的第二发电机（8）为正反双向旋转电机。